Обработка металла: основы, виды, технологии металлообработки

Описание современных технологий в металлообработки на сегодняшний день. В статье разберем основы, принцип инновационных технологии металлообработки которые применяются на металлорежущих станках.

Особенности обработки металла

Многочисленные виды металлообработки можно отнести к одной из больших групп:

  • механическая (обработка резанием);
  • литье;
  • термическая;
  • давлением;
  • сварка;
  • электрическая;
  • химическая.

Литье — один из самых древних способов. Он заключается в расплавлении металла и розливе его в подготовленную форму, повторяющую конфигурацию будущего изделия. Этим способом получают прочные отливки самых разных размеров и форм.

Про другие виды обработки будет рассказано ниже.

Литейное производство

Литье – это самый первый способ, который стал применять человек. Первой была медь, а выплавлять железо из руды в сыродутной печи начали в XII веке до н. э. Современные технологии позволяют получать различные сплавы, рафинировать и раскислять металл. Например, раскисление меди фосфором делает ее более пластичной, а переплавка в инертной среде повышает электропроводимость.

Литейное производство

Последними достижениями в металлургии стали появление новых сплавов. Разработаны новые, более качественные марки нержавеющей высоколегированной стали аустенитного и ферритного класса. Появились более долговечные и устойчивые к коррозии жаростойкие, жаропрочные, кислотостойкие и пищевые стали AISI 300-ой и 400-ой серии. Некоторые сплавы были усовершенствованны и в их состав в качестве стабилизатора введен титан.

В цветной металлургии также были получены сплавы с оптимальными характеристиками для той или иной отрасли. Вторичный алюминий общего назначения 1105, алюминий высокой чистоты А0 для пищевой промышленности, авиалиний, среди которого наиболее востребованы в авиационной промышленности марки АВ, АД31 и АД 35, устойчивый к морской воде корабельный алюминий 1561 и АМг5, свариваемые алюминиевые сплавы легированные магнием или марганцем, жаропрочные алюминии, такие как АК4. Широкий спектр сплавов на основе меди – бронза и латунь также отличаются характерными особенностями и удовлетворяют все потребности народного хозяйства.

Классификация цветных металлов

Цветные металлы обладают характерным оттенком и высокой пластичностью. Их добыча осуществляется из земной породы, где они находятся в очень небольшом количестве. Обработка цветных металлов затратное по силам и финансам производство, но оно приносит огромную прибыль. Изделия из них обладают уникальными характеристиками, недоступными при их изготовлении из чёрных материалов.

Все цветные металлы делятся на несколько групп по своим свойствам:Классификация цветных металлов

  • тяжёлые (олово, цинк, свинец);
  • лёгкие (титан, литий, натрий, магний);
  • малые (сурьма, мышьяк, ртуть, кадмий);
  • рассеянные (германий, селен, теллур);
  • драгоценные (платина, золото, серебро);
  • радиоактивные (плутоний, радий, уран);
  • тугоплавкие (ванадий, вольфрам, хром, марганец).

Выбор группы используемых в производстве цветных металлов зависит от желаемых свойств конечного изделия.

Основные свойства

Медь – пластичный металл с хорошей теплопроводностью, но низким уровнем сопротивления электричеству. Обладает золотистым цветом с розовым отливом. Её редко используют самостоятельно, чаще добавляют в сплавы. Применяют металл для изготовления приборов, машин, электрической техники.

Медь

Бронза – самый популярный сплав с медью, производится добавлением олова и химических веществ. Полученное сырьё обладает прочностью, гибкостью, пластичностью, его легко ковать и оно с трудом поддаётся износу.

Бронза

Алюминий – хорошо проводит электричество, относится к пластичным металлам. Обладает серебристым оттенком и малым весом. Непрочный, но стойкий к коррозии. Используется в военном деле, пищевой промышленности и на смежных производствах.

Алюминий

Цинк – довольно хрупкий цветной металл, но стойкий к коррозии и пластичный, если его нагреть до температуры 100–150 ºC. При его помощи создаётся устойчивое к коррозии покрытие на изделиях, а также различные стальные сплавы.

Цинк

При выборе цветного металла для будущей детали необходимо учитывать его свойства, знать все преимущества и недостатки, а также рассмотреть варианты сплавов. Это позволит создать максимально качественное изделие с заданными характеристиками.

Формирование технологических характеристик сплава

На современном рынке металлопроката представлены различные полуфабрикатные изделия из различных сплавов стали и цветмета. При этом одна и та же марка может предлагаться в различном технологическом состоянии.

Термическая обработка

Посредством термической обработки сплав может доводиться до максимально жесткого и прочного состояния или наоборот до более пластичного. Твердое состояние «Т» ‒ термически закаленный, достигается нагревом до определенной температуры и последующим резким охлаждением в воде или масле. Мягкое состояние «М» ‒ термически отожженный, когда после нагрева остывание производится медленно. Для алюминия также существуют термические методы естественного и искусственного старения.

Термическая обработка металлов

Для каждой марки определены свои режимы термообработки, изучены влияния напряжения на коррозионные свойства, что также позволяет формировать технологические процессы.

Упрочнение давлением

Этот способ был известен еще нашим предкам. Кузнецы увеличивали плотность материала, куя его на холодную. Это называлось отклепать косу или клинок. Сегодня этот процесс получил название ‒ нагартовка, которая в маркировке проката обозначается «Н». Современные технологии позволяют получать механическое упрочнение любой степени с высокой точностью. Например, «Н2» ‒ полунагартовка, «Н3» ‒ треть нагартовка и т. д.

Упрочнение металлов давлением

Метод заключается в максимально возможном механическом обжатии с последующим частичным отожжением до необходимого технологического состояния.

Химическая обработка

Травление поверхности химическими реактивами. Способ применяется для изменения зернистости поверхности и придания ей матового или блестящего оттенка. Обычно методика используется как доработка поверхности проката, произведенного горячей деформацией.

Защита от коррозии

Кроме покрытия защитными лаками или композита с пластиком, в современной металлургии применяют 4 основных способа:

  • анодирование – анодная поляризация в растворе электролита с целью получения оксидной пленки, защищающей от коррозии;
  • пассивирование – защитный пассивный слой появляется вследствие воздействия окисляющих агентов;
  • гальванический метод покрытия одного металла другим. Процесс достигается за счёт электролиза. В частности, покрытие стали никелем, оловом, цинком и другими металлами, устойчивыми к коррозии;
  • плакирование – применяется для защиты алюминиевых сплавов, недостаточно устойчивых к коррозии. Методика заключается в механическом покрытии слоем чистого алюминия (прокатом, волочением).

Стандартные и современные технологии металлообработки

Стандартные и современные технологии металлообработки

Металлообработка необходима для того, чтобы создать определенное изделие с нужной формой, размерами и физико-химическими свойствами. Человек издавна стремился к тому, чтобы разработать наиболее совершенные технологии металлообработки, отвечающие всем потребностям быстроразвивающегося мира.

Весь спектр технологий металлообработки можно разделить на несколько основных групп:

1. Способы механической обработки металлов.

Способы механической обработки металлов

Все виды технологий металлообработки на металлорежущих станках объединяет один основной принцип, на котором строится работа: берется острый и твердый по отношению к заготовке инструмент, к которому прикладывают механическое усилие. Под воздействием инструмента изменяется форма или размер заготовки. Величина, на которую заготовка превышает размер конечного изделия, называется «припуск».

Выделяется целый ряд способов металлообработки, основанных на механическом воздействии:

  • Точение. Эта технология металлообработки на токарном станке предполагает жесткое закрепление детали и ее вращение вокруг своей оси. В это время резец снимает слой металла с поверхности заготовки. Такой способ металлообработки применяется для производства деталей, имеющих форму тела вращения.
  • Сверление. Основная цель заключается в проделывании отверстий в заготовке. Деталь жестко фиксируют с помощью тисков и в ней сверлят отверстие быстро вращающимся сверлом. Размер отверстия зависит от параметров сверла.
  • Фрезерование. Фрезеровальный станок дает возможность создавать детали практически любой требуемой формы. Это обеспечивается тем, что рабочая поверхность фрезы может перемещаться практически в любом направлении (вертикально, вправо, влево, вперед, назад). Существует даже диагональная фрезеровка.
  • Строгание. Резец движется относительно неподвижно закрепленной детали взад-вперед, каждый раз снимая продольную полоску металла. В некоторых моделях станков закреплен резец, а двигается деталью. Применяется для создания продольных пазов.
  • Шлифование. Заготовка обрабатывается посредством воздействия шлифовальным кругом, который крутится продольно, поперечно или вокруг заготовки. В результате получается высокоточная деталь. Эта технология металлообработки нужна для подготовки поверхности к нанесению покрытий.

При изготовлении металлической детали может понадобиться различное оборудование. Зачастую все операции комбинируются и группируются для достижения наилучшего результата, снижения затрат и упрощения процессов.

2. Литейное производство.

Литейное производство

Одним из древнейших способов металлообработки является литье. Еще в XII веке до нашей эры человек научился выплавлять железо из руды. Делалось это в сыродутных печах. Сейчас с помощью литья получают многие сплавы, раскисляют металл и рафинируют его. Так, раскисление меди с помощью фосфора помогает значительно повысить ее пластичность. Если необходимо увеличить электропроводимость металла, то его можно переплавить в инертной среде.

Высокий уровень развития металлургии позволил получить новые сплавы, устойчивые к воздействию кислот, высокой температуры, коррозии. Появилась нержавеющая высоколегированная сталь аустенитного и ферритного класса. Введение титана в состав сплава позволило стабилизировать материал.

Новые, более совершенные сплавы появились в цветной металлургии. Вторичный алюминий общего назначения 1105, алюминий высокой чистоты А0 для пищевой промышленности, авиалиний, среди которого наиболее востребованы в авиационной промышленности марки АВ, АД31 и АД 35, устойчивый к морской воде корабельный алюминий 1561 и АМг5, свариваемые алюминиевые сплавы, легированные магнием или марганцем, жаропрочные алюминии, такие как АК4. Большое количество сплавов создано на основе меди. Их отличительные особенности позволили найти широкое применение таких материалов в народном хозяйстве.

3. Термические виды обработки металлов.

Термические виды обработки металлов

Улучшить физико-механические свойства материала можно с помощью термической металлообработки.

Выделяется пять технологий металлообработки, на основе воздействия температурой:

  • Отжиг. Эта технология металлообработки подразумевает нагрев изделия, а затем быстрое охлаждение прямо в печи. В результате временно снижается твердость стали и повышается вязкость. Это может понадобиться в том случае, когда необходимо гнуть или резать металлическую заготовку. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.
  • Закалка. Ее используют с целью придания большей прочности различным сплавам. Изделие нагревают до таких температур, когда происходит разрушение кристаллической структуры материала, но твердое состояние еще сохраняется. После этого следует быстрое охлаждение при помощи воздуха, воды или масла. В итоге повышается твердость материала, уменьшается его вязкость. Но, соответственно, повышается и хрупкость. Это подходит для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.
  • Отпуск. Он повышает прочность изделия на сжатие, растяжение и изгиб, снижая хрупкость закаленного материала. Деталь нужно нагреть до температуры, несколько меньшей, чем температура закалки, а затем медленно охладить. Применяется в инструментальном производстве.
  • Старение. Искусственное старение заключается в стимуляции фазовых превращений в массе металла. Его проводят при умеренном нагреве для придания материалу свойств, возникающих при естественном старении за долгое время.
  • Нормализация. Нужна, чтобы повысить ковкость материала без снижения твердости. Путем нормализации сталь приобретает мелкозернистую структуру. Технология проведения нормализации аналогична отжигу, но остывает заготовка на открытом воздухе. Данная методика значительно облегчает дальнейшее резание материала.

4. Обработка давлением.

Обработка давлением

Чтобы изменить форму заготовки, при этом не нарушая ее целостности, используют такую технологию металлообработки, как воздействие давлением. Выделяется два вида такой обработки:

  • Штамповка.
  • Ковка.

Штамповка выполняется с помощью двух форм, которые являются зеркальным отражением друг друга (матрица и пуансон). Они размещаются напротив, между ними закладывается заготовка (лист металла), затем формы сдвигаются под давлением. В результате металл принимает форму матрицы. Если нужно обработать заготовку большой толщины, то используют горячую штамповку, когда лист металла подвергается предварительному нагреву до точки пластичности.

В процессе штамповки применяют следующие операции:

  • гибка;
  • вытягивание;
  • осаживание и другие.

Штамповку можно использовать для изготовления различных изделий, где необходим корпус из листового металла (бензобаки, корпуса бытовой техники и даже колесные диски).

В процессе ковки также оказывается механическое воздействие на заготовку. Нагретую деталь устанавливают на твердой поверхности и ударяют по ней тяжелым молотом до тех пор, пока она не примет нужную форму.

Раньше ковкой занимались кузнецы вручную. Они грели деталь на огне и потом на наковальне обрабатывали ее с помощью кузнечного молота. Современные технологии металлообработки позволили заменить ручной молот на молот кузнечного пресса, который способен оказывать давление до нескольких тысяч тонн. Также для нагревания огромных заготовок используются индукционные и газовые печи. Даже подача деталей осуществляется специальными транспортными системами.

Отдельно следует сказать об упрочнении давлением. Эту технологию применяли еще в древности, когда кузнецы ковали металл на холодную. В этом случае происходит максимально возможное механическое обжатие заготовки с дальнейшим отжигом излишков при необходимости. В результате таких действий увеличивалась плотность металла. Так можно было создать клинок или косу. Сам метод называется нагартовка и маркируется буквой «Н». В зависимости от степени упрочнения материала, он может быть промаркирован Н2 (полунагартовка), Н3 (треть нагартовка) и т. д.

5. Сварка металлов.

Сварка металлов

Одной из популярных технологий металлообработки является сварка. Она заключается в соединении двух деталей теми местами, которые были нагреты до температуры плавления кромки. В итоге получается единый неразъемный объект.

Для осуществления сварки может быть использована электрическая дуга, ультразвук, лазерное излучение. Кроме этого, существуют способы сваривания при помощи давления или внезапного торможения заготовок, которые быстро вращаются. Столь широкий ассортимент методов проведения сварочных работ позволяет выполнять их как в условиях производства, так и в любом другом месте, включая воду и даже космос.

Важно помнить, что сварочный процесс представляет собой довольно опасную деятельность. При сваривании может воспламениться одежда или окружающие предметы, выделяются вредные газы, яркие ультрафиолетовые лучи несут опасность для глаз, расплавленный металл может разбрызгиваться, возможно поражение электрическим током, инфракрасным или тепловым излучением.

Принято выделять три разновидности сварки, в зависимости от того, каким образом нагревают материал:

  • Химическая. При этом способе нагрев металла осуществляется за счет тепла химической реакции. Для труднодоступных мест и сварочных работ под водой больше всего подходит термитная сварка.
  • Газовая. Нагрев металла при газовой сварке осуществляется с помощью пламени газовой горелки. Такой способ позволяет путем изменения формы факела выполнять как сварку, так и резку материала.
  • Электросварка. Является одной из наиболее популярных технологий металлообработки. При дуговой сварке энергия электрической дуги помогает нагреть и расплавить рабочую зону. Все это делается с помощью сварочного аппарата и обсыпных электродов либо сварочной проволоки в атмосфере инертных газов. Сильный электроток, пропущенный через точку соприкосновения деталей, локально их нагревает. Существует точечная и роликовая сварка: при точечной сваривание происходит в конкретной точке, а при роликовой образуется сварочный шов по месту движения ролика.

Сварку используют как самостоятельную технологию металлообработки и как элемент среди целого ряда действий по обработке материала.

6. Электрическая обработка металла.

Электрическая обработка металла

Общие основы технологии металлообработки с помощью электричества опираются на локальное разрушение заготовки путем воздействия на нее тока высокой интенсивности.

С помощью данной технологии можно затачивать инструмент, делать отверстия в металлических листах, обрабатывать твердосплавные заготовки и даже доставать отломившийся кончик сверла из отверстия.

Сущность метода заключается в работе с электродом. Находящийся под напряжением электрод подводят к месту обработки. От искры материал плавится и разбрызгивается. Специальное масло, залитое между электродом и деталью, помогает улавливать частицы металла.

Ультразвук также относят к электрическим способом металлообработки. Под его воздействием в заготовке начинаются колебания с интенсивностью свыше 20 кГц. При наступлении резонанса происходят точечные разрушения поверхностного слоя. Таким способом можно обрабатывать нержавейку, прочные сплавы и драгоценности.

7. Химическая обработка металлов.

Химическая обработка металлов

Технология химической обработки подразумевает собой изменение физико-химических свойств поверхности материала. Она применяется только при наличии высокой температуры и активной среды. Может быть использована жидкая, газообразная или твердая среда. В результате такой обработки происходит изменение физико-химических свойств диффузного слоя железа.

Этот способ используют для предотвращения коррозии материала, повышения его прочностных характеристик и значительного увеличения срока эксплуатации.

Можно выделить целый ряд преимуществ, которые дает такая обработка диффузной поверхности железа:

  • Производительность. Из-за высокой скорости реакций можно применять технологию в промышленных объемах.
  • Универсальность. Даже на токарном станке есть возможность увеличить эксплуатационные качества обрабатываемого элемента, если правильно выбрать способ отделки.
  • Исключение (наиболее часто) термического или механического воздействия. Это усиливает эксплуатационные качества обработанного сырья.

Современная химико-термическая обработка может выполняться следующими методами:

  • Цементация – в результате этого процесса происходит насыщение материала углеродом. Полученное вещество имеет очень прочную оболочку, при этом мягкость материала внутри сохраняется.
  • Азотирование – этот процесс способствует насыщению поверхности материала азотом. Соответственно, увеличивается износостойкость изделия и стойкость к коррозии.
  • Борирование – так называется процесс насыщения материала бором. Он приводит к тому, что повышается износоустойчивость металла. Поверхностный слой такого материала устойчив к холодной сварке. Значительно снижаются показатели трения и сухого скольжения данного материала, при этом повышается устойчивость к различным видам кислот.
  • Алитирование – данная технология металлообработки подразумевает обогащение материала алюминием. В результате полученное вещество имеет высокую устойчивость к агрессивным газам (сероводороду или серному ангидриду).
  • Хромирование – с помощью этого способа вы не сделаете изделие более прочным, но защитите его от коррозии и повысите износостойкость.

Читайте также: Сварка титана аргоном: важные нюансы

Механическая обработка

Это неотъемлемая часть любого металлообрабатывающего производства, которая выполняется режущим инструментом: резка, рубка, фрезеровка, сверление и др. На современном производстве применяются высокоточные и высокопроизводительные станки и комплексы с ЧПУ. При этом до недавнего времени новые технологии в обработке металлов были недоступны на строительных площадках при сборке металлоконструкций. Механизм выполнения производства работ по месту монтажа предусматривал применение ручных механических и электрических инструментов.

Механическая обработка металлов

Сегодня разработаны специальные магнитные станки с программным управлением. Оборудование позволяет выполнять сверление на высоте под любым углом. Устройство полностью контролирует процесс, исключая неточности и ошибки, а также позволяет высверливать отверстия большого диаметра, что раннее на высоте было практически невозможно.

Обработка давлением

По способу обработка давлением различается на горячую и холодную деформацию, а по виду ‒ на штамповку, ковку, прокат, вытяжку и высадку. Здесь также внедрена механизация и компьютеризация производства. Это значительно снижает себестоимость продукта, в то же время повышает качество и производительность. Недавним достижением в области холодной деформации стала холодная ковка. Специальное оборудование позволяет с минимальными затратами производить высокохудожественные и одновременно функциональные элементы декора.

Методики без нагрева поверхностей

Если техпроцесс требует выполнять резку без нагрева поверхности и риска образования искр, актуальна гидроабразивная обработка. В этом случае воздействие на материал оказывается струёй воды, смешанной с абразивным материалом. Подача осуществляется под высоким давлением.

Ещё один «холодный» способ – криогенная порезка. Суть аналогичная – струю жидкого азота на сверхзвуковой скорости под давлением подают на участок металла. Создаваемый эффект даёт возможность разрезать высокопрочные материалы, объекты большой толщины. Поток имеет температуру до -179С и давление, регулируемое в пределах 400 – 4000 кг/кв.см.

В сети легко найти видео с примерами различных методик абразивной, химической, термической, электромагнитной, плазменной или механической обработки.

Сваривание

Среди ставших уже традиционными методами можно выделить электродуговую, аргонодуговую, точечную, роликовую и газовую сварку. Разделить сварочный процесс можно также на ручной, автоматический и полуавтоматический. При этом для высокоточных процессов сварки применяются новые методы.

Лазерная сварка

Благодаря применению сфокусированного лазера появилась возможность производства сварочных работ на мелких деталях в радиоэлектронике или присоединение твердосплавных режущих элементов к различным фрезам.

Лазерная сварка

В недалеком прошлом технология обходилась достаточно дорого, но с применением современного оборудования, в котором импульсный лазер заменили газовым, методика стала более доступной. Оборудование для лазерной сварки или резки также оснащается программным управлением, а при необходимости производится в вакууме или инертной среде

Новейшие разработки в производстве сложных и малоразмерных деталей

Какая бы совершенная не была механическая обработка у нее есть свой предел по минимальным габаритам производимой детали. В современной радиоэлектронике используются многослойные платы, содержащие сотни микросхем, каждая из которых содержит тысячи микроскопических деталей. Производство таких деталей может показаться волшебством, но это возможно.

Электроэрозионный метод обработки

Технология основана на разрушении и выпаривании микроскопических слоев металла электрической искрой.

Электроэрозионный метод обработки металлов

Процесс выполняется на роботизированном оборудовании и контролируется компьютером.

Ультразвуковой метод обработки

Этот способ похож на предыдущий, но в нем разрушение материала происходит под воздействием высокочастотных механических колебаний. В основном ультразвуковое оборудование применяют для разделительных процессов. При этом ультразвук используется и в других областях металлообработки ‒ в очистке металла, изготовлении ферритовых матриц и др.

Нанотехнологии

Метод фемтосекундной лазерной абляции остается актуальным способом получения в металле наноотверстий. При этом появляются новые, менее затратные и более эффективные технологии. Изготовление металлических наномембран путем пробивания отверстий методом ионного травления. Отверстия получаются диаметром 28,98 нм с плотностью 23,6х106 на мм2.

К тому же ученые из США разрабатывают новый, более прогрессивный способ получение металлического массива наноотверстий методом испарения металла по шаблону из кремния. В наши дни свойства таких мембран изучаются с перспективой применения в солнечных батареях.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...