Применяя современные технологии в металлообработке, промышленные предприятия создают различные детали и узлы любой сложности. Они востребованы в приборостроительной, машиностроительной, мебельной и множестве других отраслей. Речь идёт о самых разных товарах, от обычных гвоздей, заканчивая турбинами и трубами.
На предприятиях для этих задач применяется несколько методик и оборудование с высокой производительностью. В первую очередь это автоматические и винторезные токарные станки.
Первые применяются для поточного массового производства различных деталей. Вторые – для малосерийного или штучного. Для обработки заготовок применяются зенкеры, свёрла, резцы, метчики и другие инструменты. Простейшие модели управляются оператором вручную. Более продвинутые устройства работают в связке с компьютерным оборудованием по заранее подготовленной программе. В частности, используются станки с ЧПУ.
Также для изменения геометрии, механических и иных свойств применяются литьё, сварка, обработка давлением, включая прессование, штамповка. Выбор метода зависит от технического задания, стоящего перед предприятием, сроков, необходимой скорости и производительности.
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.
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.
Основные направления развития металлообработки
Основными направлениями развития металлообработки во всем мире являются:
- разработка новых материалов и сплавов;
- усовершенствование методов и способов металлообработки;
- увеличение показателей производительности, качества продукции и эффективности руда.
Разработка новых материалов и сплавов – одно из перспективных направлений, которое определяет позитивное развитие металлообрабатывающей отрасли. Научные разработки, связанные с созданием новых сплавов, позволяют получить материалы с определенными качественными характеристиками. Данные эксперименты позволяют добиться более высокой прочности и свариваемости металлического материала, отсутствие хрупкости, повышенная коррозийная устойчивость. Сталь, чугун, полиэтилен, поливинилхлорид и другие материалы сохраняя свои свойства, обретают возможность модифицироваться с помощью новых технологий. Возможность усовершенствовать и автоматизировать металлообработку деталей открывает новые перспективы для производителя и потребителя. Использование программного управления позволяет увеличить производительность, улучшить качество продукции, добиться более точного соблюдения заданных параметров, значительно минимизировать участие человека в сложных процессах.
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.
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.
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.
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.
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).
Использование защитного покрытия
Чтобы сохранить первоначальный вид и функциональность изделия, а также защитить его от атмосферной коррозии, применяются специальные покрытия. Обработка изделия краской или грунтовкой – наиболее простой и эффективный метод защиты.
Для достижения большего эффекта на очищенный металл наносят грунтовку в 1–2 слоя. Это защищает от разрушения и помогает краске лучше держаться на изделии. Выбор средств зависит от вида цветного металла.
Обработка алюминия производится грунтовками на основе цинка или уретановыми красками. Латунь, медь и бронза не требуют дополнительной обработки. При возникновении повреждений проводится полировка и нанесение эпоксидного или полиуретанового лака.
Способы нанесения защитного слоя
Выбор методики нанесения покрытия зависит от вида цветного металла, финансирования предприятия и желаемых характеристик изделия.
Самым популярным способом обработки цветных металлов для защиты от повреждений считается гальваника. На поверхность изделия наносится защитный слой из специального состава. Его толщина регулируется в зависимости от температурного режима, при котором будет эксплуатироваться деталь. Чем более резкий климат, тем больше слой.
Особенно популярен гальванический метод обработки деталей в строительстве домов и машин. Существует несколько разновидностей покрытия.
Хромирование – проводится с использованием хрома и сплавов на его основе. Деталь становится блестящей, металл после обработки устойчив к действию высоких температур, коррозии и износу. Особенно популярен метод в промышленном производстве.
Анодирование – проводится с использованием тока, действие которого вызывает образование плёнки при обработке алюминия, магния и подобных им сплавов. Конечное изделие устойчиво к действию электричества, коррозии и воды.
Никелирование – проводится с использованием смеси никеля и фосфора (до 12%). После покрытия детали подвергают термообработке, что увеличивает стойкость к коррозии и износу.
Метод гальванической обработки деталей довольно дорогостоящий, поэтому его применение для малых производств затруднено.
Дополнительные методы
Металлизация напылением относится к бюджетным вариантам. На поверхность изделия наносится расплавленная смесь при помощи воздушной струи.
Существует также горячий метод нанесения защитного слоя. Детали погружаются в ванну, внутри которой находится расплавленный металл.
При диффузионном методе защитный слой создаётся в условиях повышенной температуры. Таким образом, состав проникает в изделие, чем повышает его устойчивость к внешним воздействиям.
Нанесение на цветной металл, из которого выполнена деталь, другого, более стойкого, называют плакированием. Процесс подразумевает литьё, совместную прокатку, пресс и дальнейшую ковку изделия.
Технология биметаллов
Метод основан на сращивании различных металлов посредством возникновения между ними диффузионной связи. Его суть состоит в необходимости получения материала, обладающего качествами двух элементов. Например, высоковольтные провода должны быть достаточно прочными и характеризоваться высокой электропроводимостью. Для этого сращивают сталь и алюминий. Стальная сердцевина провода принимает на себя механическую нагрузку, а алюминиевая оболочка становится превосходным проводником. В термометрической технике используют биметаллы с различным коэффициентом термического расширения.
В России биметаллы также используются для чеканки монет.
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.
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.
Современные способы обработки металлов
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
Металлообрабатывающее оборудование на сегодняшний день нашло широкое применение в различных промышленных отраслях: железнодорожной отрасли, энергетике, авиа и судостроении, строительстве, машиностроении и так далее.
Выбор станков напрямую зависит от объемов производства (механические, ручные, с ЧПУ, автоматические и так далее), необходимого качества детали и вида обработки.
Токарно-фрезерная обработка
Механическая обработка используется для того, чтобы производить новые поверхности. Работа состоит в разрушении слоя определенной области: при этом режущий инструмент осуществляет контроль степени деформации. Основным оборудованием для механической обработки металлов являются токарные и фрезерные станки, а также универсальные токарно-фрезерные обрабатывающие центры.
Токарная обработка — это процесс резания металла, осуществляемый при линейной подаче режущего инструментом при одновременном вращении заготовки.
Точение осуществляется срезанием с поверхности заготовки определенного слоя металла с помощью резцов, сверл или других режущих инструментов.
Главным движением при точении является вращение заготовки.
Движением подачи при точении является поступательное перемещение резца, которое может совершаться вдоль или поперек изделия, а также под постоянным или изменяющимся углом к оси вращения изделия.
Фрезерная обработка — это процесс резания металла, осуществляемый вращающимся режущим инструментом при одновременной линейной подаче заготовки.
Материал с заготовки снимают на определенную глубину фрезой, работающей либо торцовой стороной, либо периферией.
Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы.
Движением подачи при фрезеровании является поступательное перемещение обрабатываемой детали.
Токарно-фрезерная обработка металлов выполняется с помощью универсальных обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяющих выполнять сложнейшую высокоточную обработку без учета человеческого фактора. ЧПУ предполагает, что каждым этапом выполняемых работ управляет компьютер, которому задается определенная программа. Обработка детали на станке с ЧПУ обеспечивает максимально точные размеры готового изделия, т.к. все операции выполняются с одной установки обрабатываемой заготовки.
Электроэрозионная обработка
Суть метода электроэрозионной обработки (резки) заключается в полезном использовании электрического пробоя при обработке поверхности.
При сближении электродов, находящихся под током, происходит разряд, разрушительное воздействие которого проявляется на аноде, которым служит обрабатываемый материал.
Межэлектродное пространство заполняется диэлектриком (керосином, дистиллированной водой или специальной рабочей жидкостью), в котором разрушающее воздействие на анод значительно более действенно, чем в воздухе. Диэлектрик также играет роль катализатора процесса распада материала, т. к. он — при разряде в зоне эрозии — превращается в пар. При этом происходит «микровзрыв» пара, который также разрушает материал.
Важнейшим преимуществом проволочно-вырезных станков является малый радиус эффективного сечения инструмента (проволоки), а также возможность точного пространственного ориентирования режущего инструмента. В силу этого возникают уникальные возможности для изготовления точных деталей в широком диапазоне размеров с достаточно сложной геометрией.
Для некоторых изготавливаемых деталей применение электроэрозионной обработки является предпочтительным, в сравнении с другими видами обработки.
Электроэрозионные проволочно-вырезные станки позволяет рационально осуществить операции по:
- изготовлению деталей со сложной пространственной формой и повышенными требованиями к точности и чистоте обработки, в том числе деталей из металла с повышенной твердостью и хрупкостью;
- изготовлению фасонных резцов, матриц, пуансонов, вырубных штампов, лекал, копиров и сложных пресс-форм в инструментальном производстве.
Гидроабразивная обработка
Гидроабразивная обработка металла – это один из наиболее высокотехнологических процессов, обладающий высокими показателями точности и экологичности производства. Процесс гидроабразивной резки заключается в обработке заготовки тонкой струей воды под большим давлением с добавлением абразивного материала (например, мельчайший кварцевый песок). Технологический процесс гидроабразивной резки является очень точным и качественным способом обработки металла.
В процессе гидроабразивной обработки вода смешивается в специальной камере с абразивом и проходит через очень узкое сопло режущей головки под высоким давлением (до 4000 бар). Гидроабразивная смесь выходит из режущей головки со скоростью, превышающей скорость звука (часто более чем в 3 раза).
Наиболее производительное и универсальное оборудование – это системы консольного и портального типа. Такое оборудование идеально подходит, например, для аэрокосмической и автомобильной промышленности; оно может широко использоваться в любых других отраслях.
Гидроабразивный раскрой является безопасным способом обработки. Резка водой не производит вредных выделений и (за счет возможности получения узкого реза) экономично расходует обрабатываемый материал. Hет зон термического воздействия, закаливания. Небольшая механическая нагрузка на материал облегчает обработку сложных деталей, особенно с тонкими стенками.
Одним из важнейших преимуществ водоструйной технологии является возможность обработки практически любых материалов. Данное свойство делает технологию гидроабразивной резки незаменимой в ряде технологических производств и делает ее применимой практически в каждом производстве.
Лазерная обработка
Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.
Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния.
Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:
- отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
- обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
- возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств.
Благодаря высокой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.
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.
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.
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
Фрезерные станки
Чтобы из металлической заготовки выточить нужную деталь или инструмент, применяются установки, обрабатывающие материал фрезами. Принцип работы прост:
- Изделие зажимают, чтобы она оставалась неподвижной;
- Устанавливается фреза заданной формы и размера;
- Выполняется обработка по разметке. Как только фреза доводит изделие до нужных параметров, станок отключают. На автоматических моделях выключение производится по программе.
Суть методики – снятие слоя материала – т.н. «припуска». Она позволяет изготовить изделия сложной формы, выполнить на поверхности канавки, пазы или шипы, и даже нанести на табличку надпись. Фрезерование – метод, с помощью которого изготавливаются нестандартные изделия.
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.
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.
Решения для разных сфер работы с металлом
Все чаще предприятия пользуются лазерными технологиями резки, фрезерования, формования и художественной обработки. Лазер может быть твердотельным или оптическим, точность работы такого оснащения самая высокая. Но установки достаточно большие и тяжелые, поэтому их применение возможно только в специально подготовленном цехе.
Преимущества лазерных технологий:
- точнейший комплекс, который позволяет обрабатывать детали любых размеров и форм;
- отсутствие погрешностей, максимальное соблюдение заданных размеров и параметров детали;
- применение эффективного механизма управления инструментом, который движется во всех направлениях;
- автоматическое управление компьютером по заранее составленному проекту для детали.
При лазерной резке предприятия достигают обработки листового металла, труб, прутков и прочих заготовок за один проход во всех нужных режимах.
Такое оборудование очень дорогое и сложное в эксплуатации, поэтому переход на него в России пока медленный. Но это инновационные технологии металлообработки, за которыми будущее.
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.
