在 CNC 塑料加工领域开拓利基市场

加工塑料在刀具方面面临挑战，工件夹持和切屑（和灰尘）管理。 （图片来源：K&E Plastics。）

虽然作为一个利基数控机床车间有优势，但也可能存在独特的挑战。佛蒙特州本宁顿的 K&E Plastics 就是一个很好的例子。

正如合同车间的名称所暗示的那样，它只专注于加工工程塑料——包括热塑性塑料和热固性塑料——自 Peter Broderson 于 1966 年创立 K&E 以来一直如此。他的儿子 Eric 现在是公司总裁。

因为没有太多的商店专门从事塑料加工，包括 G7 和 G10 等填充有磨料玻璃的热固性塑料，与加工铝、钢和其他传统金属的商店相比，竞争较少。然而，设备和工具供应商对塑料不熟悉，这意味着 K&E 有时不得不依靠自己的设备来制定有效加工这些材料的策略。

当我在 2013 年访问 K&E 并撰写关于这家商店的第一个故事时，我了解到了其中的一些挑战。除尘的必要性。固定塑料的困难。加工玻璃填充热固性塑料所带来的工具问题。名单还在继续……

尽管我无法为这个故事重新访问 K&E，但我确实很高兴重新联系并了解该车间增加了哪些新技术和工艺，以提高加工塑料的能力和效率。这包括以不同的方式看待工具和工件夹具，并增加其第一台瑞士型车床，以实现更严格的公差和更快的由热塑性塑料制成的复杂零件的生产，例如以前在传统组合工具车床上运行的聚醚醚酮 (PEEK)。这台机器还使商店能够将以前外包的工作带回内部。

新机遇，新方法

最初，K&E 专注于仅用于电气应用的塑料部件，因为该材料具有出色的电绝缘性能（见下面的侧边栏）。 27 年前，当布罗德森从父亲手中接手经营业务时，他寻求通过在医疗和航空航天行业寻求非电气应用来实现公司多元化。如今，它也在寻求新能源技术的机会，例如电动汽车、燃料电池和储能。该商店通过了 ISO 9001:2015 认证，拥有国际武器贸易条例 (ITAR) 注册，并被认证为联合认证计划 (JCP) 的一部分，使其能够赢得秘密防御工作。它还获得了历史上未充分利用的商业区 (HUBZone) 计划的认证，该计划可帮助城市和农村社区的小企业优先获得联邦采购机会。

K&E 仅加工塑料（包括热塑性塑料和热固性塑料） ) 用于电气、航空航天和医疗等行业。它还看到了新能源应用的机会，例如燃料电池、电动汽车和储能。

该商店占地 30,000 平方英尺的设施包括一系列 CNC 路由器、VMC 和车床——总共 28 台。其中大部分是 Haas 自动化模型。它在 2018 年购买的瑞士型车床是 Tsugami S205 型号（稍后会详细介绍）。根据材料的不同，它们可能使用冷却剂加工零件，或在冷风枪的帮助下进行干燥以冷却切削操作并帮助断屑。

冷却剂有时用于非填充热塑性塑料。不能使用油基冷却剂，因为它们通常会降解塑料。相反，K&E 使用水基冷却剂，例如 Master Fluid Solutions 的 Trim Microsol 585XT。据说这是一种高润滑性的半合成微乳液冷却液，与上一代半合成冷却液相比，可延长油底壳寿命并更好地控制泡沫。

K&E 的店铺与众不同之处在于它有管道将加工塑料干燥的设备连接到两个中央集尘系统之一。

然而，许多热固性塑料是干加工的。这些材料通常充满玻璃或其他研磨材料，在加工时会产生灰尘。有效的除尘对于保持清洁的工作环境和延长机床寿命至关重要。事实上，用于除尘的管道系统使商店看起来与众不同。

管道连接到每台干燥加工塑料零件的设备的工作区。该车间最近增加了第二个 18,000-cfm 集尘系统，使其能够增加多达 12 台加工中心来对零件进行干燥加工。

该店最近安装了第二台 18,000-cfm集尘系统，使其能够增加多达 12 台加工中心来对塑料进行干燥加工。

加工任何塑料时，热量是一个大问题。当工具运行太快时，可能会燃烧材料。此外，如果没有有效的排屑，加工材料可能会重新焊接回工件。刀槽几何形状在将切屑从工件中排出和远离方面起着关键作用，冷空气喷射器也是如此。然而，热固性层压板如 G7 和 G10 也容易分层，这取决于树脂的粘合强度和零件的加工方式。

热塑性塑料通常使用水基冷却剂进行加工.石油基冷却剂会降解塑料材料。

该商店最近开始使用 Datron Dynamics 的切削工具。一个例子是直径为 6 毫米的抛光单刃硬质合金立铣刀。据该公司称，多级磨削工艺可提供锋利、抛光的边缘，从而实现无毛刺加工，减少或消除手工精加工零件的需要。

另一种是 Harvey Tool 用于复合材料的具有非晶金刚石涂层的硬质合金立铣刀。据称，由于优化的断屑槽几何形状可有效剪切纤维并缩短切屑以提高排屑性能，因此它们非常适合粗加工和半精加工具有高纤维或填充浓度的复合材料，例如 G10 和 FR4。

此外，K&E 现在在需要时使用 Sterling 的枪钻来重复加工具有高质量表面光洁度的精确深孔。

该车间还开始为其加工中心采用 Rego-Fix 的 PowRgrip 刀柄系统进行标准化。原因是传统的刀架系统会导致高达 0.002 英寸的跳动，这对于具有非常严格公差的零件特征来说是不可接受的。 “现在我们的跳动量只有十分之四，”Broderson 说，“为我们提供了更好的表面光洁度和更少的刀具磨损，同时实现了必要的加工公差。”

该车间已开始在液压机从夹具中插入或移除夹头。每个夹头都有一个浅自锁锥度，并使用 9 吨的力压入刀架。 Broderson 说，与传统型号相比，这些刀柄具有更好的跳动和刚性。

该系统由精密的夹头式刀柄和用于从刀柄插入或移除夹头的台式液压机组成。夹头有一个浅的自锁锥度，用 9 吨的力压入刀架。它还有一个方形肩部，在压入时与刀架接触。这种正向止动设计可以使用内置的备用螺钉来准确设置刀具长度。这些刀柄具有高夹持力和减振性，总指示器跳动 (TIR) ≤ 3 微米，长径比为 3:1。 Rego-Fix 表示，与热缩配合系统相比，该工具夹持系统还可以实现更快、更安全的工具更换。据说组装一个新工具只需不到 10 秒。 “我们的车间目前大约有 800 个这样的刀柄，但我们会继续添加更多，”Broderson 说。

对于工件夹持，一些机器使用真空吸盘来加速转换并使工具能够进入零件的五个侧面。同样，K&E 已经开始使用带有 Chick 虎钳的普通底板。 Broderson 说，由于 Chick 虎钳提供了更好的定位重复性，并且板安装在一个共同的位置，因此在安装过程中不需要探测，而不是在车间将虎钳简单地用螺栓固定在机器工作台上。该商店还保存和存储虎钳钳口以供重复工作时使用。

为了增加此 VMC 的主轴正常运行时间，K&E添加了一个托盘更换系统，因此可以离线设置作业，而另一个作业仍在机器中完成。它对另外两个 VMC 做了同样的事情。

为了最大限度地延长其三个 VMC 的主轴正常运行时间，K&E 为每个 VMC 添加了一个 Midaco 托盘更换器。这使每台机器能够在将新材料固定在机器外部的托盘上时继续运行作业。一项工作完成后，它的托盘会穿出，一个装有下一项工作的新托盘会穿入。

为什么要添加瑞士型？

Broderson 说，在几年前添加 S205 之前，K&E 一直在将工作外包给螺丝机加工厂，以完成特定的工作。随着时间的推移，外包工作的数量不断增加。此外，在其一些组合工具车床上运行的公差严格的工作的废品率或废品率有时高于它的预期。车间确定具有标志性导套设计和多功能能力的瑞士型将提供必要的精度，并使车间能够在内部完成这项工作。

通过 Tsugami/REM 销售分销商 Robert E. Morris Company 购买了具有 20 毫米棒材直径容量和 Edge Technologies Minuteman 320 SE 棒材送料器的 Tsugami S205。公司客户经理 John Ricardi 说，这台机器包括一个 1,000 psi 冷却液输送系统（主要用于切屑控制）以及一个油雾收集装置、切屑输送器、用于从副主轴接收长零件的特殊溜槽和可转换/卡盘转换能力。

可容纳 10 英尺长的送料机与运行 4 英尺长棒材的排式车床上的棒材进料器相比，该店的第一台瑞士型棒材可以在无人看管的情况下运行更长的时间。

也许这台机器的最大卖点是它被设计为使用水基冷却剂运行，以免像油基冷却剂那样降解塑料工件。 Ricardi 表示，用于工具附件和主轴的正气压可防止冷却液进入轴承并冲走其润滑油。此外，棒材送料器通道组也采用水基润滑。

瑞士型用于需要非常严格公差的零件。 Broderson 说，在传统车床上运行塑料零件时，工具压力会导致形成锥度。瑞士型的标志性导套在切割处提供支撑以消除此问题。此外，机器的重复性非常好，他说。拨入流程后，就不再需要剪切、测量和重复流程。此外，棒材进料器能够运行 12 英尺长的棒材。 K&E 通常运行 10 英尺长的棒料，与配备 4 英尺棒料进给器的传统车床相比，这可以实现更长的无人值守加工。对于 PEEK 等材料，它通常订购棒料研磨至 +0.002”/-0”。

瑞士型车床，使用据说水基冷却剂可以实现更严格的公差，并提高了该车间以前在传统联动数控车床上运行的热塑性零件的生产。这台机器还使车间能够将以前外包的工作带回内部。

也就是说，该车间可以卸下导套，将机器作为传统的卡盘车床操作，使用与标准车床相同的加工方法来运行作业。

Broderson 说，最大的学习曲线之一是确定在大容量冷却液泵上使用多少压力来去除切屑并淹没零件而不改变被加工零件的尺寸。如果压力太高，冷却液流会改变塑料零件的尺寸。该车间还遇到了一些棒材的扭曲，因为机器的主轴加速速度如此之快。解决这个问题的方法是加快速度，速度更慢。另一个挑战是了解零件上的哪些特征可以加工以及何时对这些特征进行排序。

重大问题

Broderson 说，他的商店最近面临的一个总体挑战是塑料材料的可变性。尽管他试图从美国供应商处采购，但其中一些供应商也出售海外生产的材料。 “我们在订购时必须非常具体，”他说。

在一个示例中，该车间为某项工作订购了 FR4 材料，并为该批次材料选择了加工流程。然后，当工作返回时，它又订购了一批。然而，即使第二批符合 NEMA 的电气外壳分类，树脂和玻璃填料的变化也足以导致前一批 FR4 中使用的切割数据和工具与新批次不兼容。 “在这样的材料中容纳两个你已经够难了，但批次之间的差异会让它变得更加困难。”

热固性塑料、热塑性塑料的基础知识

K&E 在工程塑料方面拥有 54 年的经验。该商店表示，热固性塑料非常适合需要高耐热性和电绝缘性的应用。热固性塑料中的交联聚合物形成不可逆的键，消除了重新加热时产品熔化的风险。它们还具有出色的耐磨性和尺寸稳定性，同时比金属轻。

由于热塑性颗粒在加热时软化并在施加额外热量时液化，因此固化过程是完全可逆的，因为不会发生化学键合。这使得热塑性塑料能够被重塑和回收，而不会对材料的物理性能产生负面影响。热塑性塑料的优点包括耐化学性、抗冲击性、电绝缘性、低吸湿性、低摩擦系数、减少配合部件的磨损以及在产品运行过程中无需润滑。