Обработка металла

Металлы и их сплавы издавна используются человеком для изготовления инструментов и оружия, украшений и ритуальных предметов, домашней утвари и деталей механизмов.

Чтобы превратить металлические слитки в деталь или изделие, их требуется обработать, или изменить их форму, размеры и физико-химические свойства. За несколько тысячелетий было разработано и отлажено множество способов обработки металлов.

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.

Сварка

Сварка также известна человеку издревле, но большинство методов были разработаны в последнее столетие. Сущность сварки заключается в соединении нагретых до температуры пластичности или до температуры плавления кромок двух деталей в единое неразъемное целое.

В зависимости от способа нагрева металла различают несколько групп сварочных технологий:

• Химическая. Металл нагревают выделяемым в ходе химической реакции теплом. Термитную сварку широко применяют в труднодоступных местах, где невозможно подвести электричество или подтащить газовые баллоны, в том числе под водой.
• Газовая. Металл в зоне сварки нагревается пламенем газовой горелки. Меняя форму факела, можно осуществлять не только сварку, но и резку металлов.
• Электросварка. Самый распространенный способ:
  • Дуговая сварка использует для нагрева и расплавления рабочей зоны тепло электрической дуги. Для розжига и поддержание дуги применяют специальные сварочные аппараты. Сварка ведется обсыпными электродами или специальной сварочной проволокой в атмосфере инертных газов.
  • При контактной сварке нагрев осуществляется проходящим через точку соприкосновения соединяемых заготовок сильным электротоком. Различают точечную сварку, при которой детали соединяются в отдельных точках, и роликовую, при которой проводящий ролик катится по поверхности деталей и соединяет их непрерывным швом.

С помощью сварки соединяют детали механизмов, строительные конструкции, трубопроводы, корпуса судов и автомобилей и многое другое. Сварка хорошо сочетается с другими видами обработки металлов.

Электрическая обработка

Метод основан на частичном разрушении металлических деталей под воздействием электрических разрядов высокой интенсивности.

Его применяют для прожигания отверстий в тонколистовом металле, при заточке инструмента и обработке заготовок из твердых сплавов. Он также помогает достать из отверстия обломившийся и застрявший кончик сверла или резьбового метчика.

Графитовый или латунный электрод, на который подано высокое напряжение, подводят к месту обработки. Проскакивает искра, металл частично оплавляется и разбрызгивается. Для улавливания частиц металла промежуток между электродом и деталью заполняют специальным маслом.

Ультразвуковая обработка металла

К электрическим способам обработки металлов относят и ультразвуковой. В детали возбуждаются колебания высокой интенсивности с частотой свыше 20 кгц. Они вызывают локальный резонанс и точечные разрушения поверхностного слоя, метод применяют для обработки прочных сплавов, нержавейки и драгоценностей.

Особенности художественной обработки металлов

К художественным видам обработки металлов относят литье, ковку и чеканку. В средине XX века к ним добавилась сварка. Каждый способ требует своих инструментов и приспособлений. С их помощью мастер либо создает отдельное художественное произведение, либо дополнительно украшает утилитарное изделие, придавая ему эстетическое наполнение.

Чеканка — это создание рельефного изображения на поверхности металлического листа или самого готового изделия, например, кувшина. Чеканку выполняют и по нагретому металлу.

Способы механической обработки металлов

Большую группу способов механической обработки металлов объединяет одно: в каждом из них применяется острый и твердый по отношению к заготовке инструмент, к которому прикладывают механическое усилие. В результате взаимодействия от детали отделяется слой металла, и форма ее изменяется. Заготовка превышает размерами конечное изделие на величину, называемую «припуск»

Разделяют такие виды механической обработки металлов, как:

• Точение. Заготовка закрепляется во вращающейся оснастке, и к ней подводится резец, снимающий слой металла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные конструктором размеры. Применяется для производства деталей, имеющих форму тела вращения.
• Сверление. В неподвижную деталь погружают сверло, которое быстро вращается вокруг своей оси и медленно подается к заготовке в продольном направлении. Применяется для проделывания отверстий круглой формы.
• Фрезерование. В отличие от сверления, где обработка проводится только передним концом сверла, у фрезы рабочей является и боковая поверхность, и кроме вертикального направления, вращающаяся фреза перемещается и вправо-влево и вперед-назад. Это позволяет создавать детали практически любой требуемой формы.
• 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. Обработка производится вращающимся или совершающим продольные возвратно- поступательные движения абразивным материалом, который снимает тонкие слои с поверхности металла. Применяется для обработки поверхностей и подготовки их к нанесению покрытий.

Каждая операция требует своего специального оборудования. В технологическом процессе изготовления детали эти операции группируются, чередуются и комбинируются для достижения оптимальной производительности и сокращения внутрицеховых расходов.

Обработка давлением

Обработка металла давлением применяется для изменения формы детали без нарушения ее целостности. Существуют следующие виды:

Перед ковкой заготовку нагревают, опирают на твердую поверхность и наносят серию ударов тяжелым молотом так, чтобы заготовка приняла нужную форму.

Исторически ковка была ручной, кузнец разогревал деталь в пламени горна, выхватывал ее клещами и клал на наковальню, а потом стучал по ней кузнечным молотом, пока не получался меч или подкова. Современный кузнец воздействует на заготовку молотом кузнечного пресса с усилием до нескольких тысяч тонн. Заготовки длиной до десятков метров разогреваются в газовых или индукционных печах и подаются на ковочную плиту транспортными системами. Вместо ручного молота применяются кузнечные штампы из высокопрочной стали.

Для штамповки требуется две зеркальные по отношению друг к другу формы — матрица и пуансон. Тонкий лист металла помещают между ними, а потом с большим усилием сдвигают. Металл, изгибаясь, принимает форму матрицы. При больших толщинах листа металл нагревают до точки пластичности. Такой процесс называют горячая штамповка.

Во время штамповки могут выполняться такие операции, как:

С помощью штамповки выпускают широчайший ассортимент изделий — от корпусов бытовой техники до колесных дисков и бензобаков.

Обработка с помощью резки

Металл поступает на предприятие в виде проката — листов или профилей стандартных размеров и толщин. Чтобы разъединить лист или профиль на изделия или заготовки нужных размеров, применяют обработку резкой.

Для профиля чаще всего используют резку абразивным кругом или дисковой пилой.

Для раскроя листов металла применяют несколько видов резки:

• Ручная. Газосварщик с газовой горелкой вырезает куски металла нужного размера и формы. Применяется в небольших мастерских и на опытных производствах.
• Газовая. Установка газовой резки режет пламенем автоматизированной газовой горелки и позволяет не только быстро произвести раскрой листа, но и разложить вырезанные заготовки по контейнерам для доставки их на сборочные участки
• Лазерная. Режет металл лазерным лучом. Отличается высокой точностью и малым коэффициентом отходов. Кроме резки, может выполнять операции сварки и гравировки — нанесения на металл не удаляемых надписей.
• Плазменная. Режет металл факелом высокоионизированного газа — плазмы. Применяется для раскроя листов из твердых и специальных сплавов.

В условиях промышленного производства и средних или крупных серий на первый план выходит такое понятие, как коэффициент использования металла. Он повышается как за счет более плотной раскладки деталей по площади, так и за счет прогрессивных технологий резки, дающих меньше отходов

Химическая обработка металлов для повышения защитных свойств материала

Химическая обработка металла — это воздействие на него специальными веществами с целью вызвать управляемую химическую реакцию.

Выполняются как подготовительные операции для очистки поверхности перед сваркой или покраской, так и как финишные отделочные операции для улучшения внешнего вида изделия и защиты его от коррозии.

С помощью электрохимической обработки гальваническим методом наносят защитные покрытия.

Термические виды обработки металлов

Термическая обработка металлов применяется для улучшения их физико-механических свойств. К ней относя такие операции, как:

Термическая обработка стали

Термическая обработка заключается в нагревании детали до определенной температуры и ее последующем охлаждении по специальной программе.

Отжиг

Заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи.

Отжиг снижает твердость стали, но существенно повышает пластичность и ковкость.

Применяется перед штамповкой или раскаткой. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.

Закалка

При закалке заготовку прогревают до температуры пластичности и держат в таком состоянии в течение определенного времени, за которое стабилизируются внутренние структуры металла. Далее изделие быстро охлаждают в большом количестве воды или масла. Закалка существенно повышает твердость материала и снижает его ударную вязкость, повышая, таким образом, и хрупкость. Применяют для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.

Отпуск

Проводится после закалки. Образец нагревают до температуры, несколько меньшей температуры закалки, и охлаждают медленно. Это позволяет компенсировать излишнюю хрупкость, появившуюся после закалки. 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

Нормализация проводится для повышения ковкости без заметного снижения твердости за счет приобретения сталью мелкозернистой структуры.

Ее применяют перед закалкой и для повышения обрабатываемости резанием. Проводят так же, как и отжиг, но остывает заготовка на открытом воздухе.

Механическая обработка металла. Оборудование, принцип работы, виды

Механическая обработка металла помогает придать изделию нужную форму, размер. Для этого процесса используется специальное оборудование. Способы механической обработки различаются в зависимости от желаемого конечного результата, а также от тонкостей технологического процесса.

Станки для механической обработки также отличаются по управлению, воздействию на металл.

Общее описание механического процесса

Два основных метода, по которым производится механическое воздействие на металл:

1. Давление. Способ воздействия без снятия стружки с металлической формы. Материал изменяется приложением силы. Классический пример — кузничная обработка.
2. Воздействие резанием. В этом случае с металла снимается стружка. К таким методам относятся: фрезерование, строгание, шлифование.

Во время воздействия механическим способом на металл происходит придание необходимой формы. Но для точности в любом случае нужно изготавливать технологическую карту, где будут указаны класс точности и размер выпускаемой детали. На основе карты создается чертеж готового изделия, также с указанием деталей точности и всех размеров.

От чего зависит тип обработки металла

Воздействие механическим методом в зависимости от многих деталей, габаритов изделия, класса точности может быть:

Важно правильно создать технологическую карту и применить определенное оборудование, которое придаст заготовке необходимы габариты, размеры и класс точности.

Оборудование для механической обработки

В зависимости от конкретного вида механической обработки, а также от масштабов производства, используются следующие разновидности станков:

Каждая разновидность оборудования обладает нюансами использования.

Вертикально-фрезерные станки

На каждом предприятии, работающим с металлическими заготовками, в зависимости от специфики есть следующие подвиды фрезерного оборудования:

• фрезерные станки;
• зубофрезерные;
• радиально-сверлильные;
• горизонтально-сверлильные;
• вертикально-сверлильные.

На крупных предприятиях с успехом применяют карусельные станки. Фрезерное оборудование используют для обработки металлических заготовок с целью получения сложных форм.

Оборудование для обработки под давлением

Кузнечное воздействие чаще всего проводится вручную и для этого используется молот и наковальня. Принцип работы за многие столетия не поменялся: на нагретую поверхность обрабатываемой заготовки опускается пресс.

В современных производствах используют следующие разновидности молотов:

Прессовые устройства могут подразделяться и по другому принципу:

• винтовое;
• фрикционное;
• гидравлическое;
• парогидравлическое;
• кривошипный;
• пружинный.

На производствах все чаще заменяют горячее воздействие на металл, используют холодное воздействие, называемое штамповкой.

Штамповка имеет несколько видов:

• гибка;
• обжатие — уменьшает полость детали;
• вытягивание — обработка на специальном давильном станке;
• формование;
• выпучивание — дает изделию пространственную форму;
• разбортовывание.

Для этого используют специальные формовочные штампы.

Методы резки металла

Резанием называется обработка с помощью специальных устройств разного рода. Тяжело обрабатывать цветные металлы. Поэтому в современных производствах применяется лазерная технология.

Основные разновидности резки металла:

• обточка;
• сверление — воздействие при помощи сверла, вращающегося вокруг своей оси;
• строгание — воздействие резцом, который двигает вперед и назад при этом заготовка надежно закреплена;
• шлифование — обработка при помощи вращающимся абразивным материалом.

Обточка применяется, если нет необходимости изменять размер детали. При сверлении в заготовке получает отверстия различного диаметра. Для этого технологического процесса необходимо сверло нужно диаметра, а также тиски, которые будут фиксировать заготовку.

Завершающий этап механического воздействия практически любого изделия — шлифование металла. Данный процесс позволяет придать заготовке гладкую поверхность и снять лишний слой. Специальные устройства для данного вида деятельности не нужны. Достаточно использовать шлифовальный круг.

Для различных видов воздействия механикой можно использовать как ручные станки, так и полностью автоматические. Первый вариант чаще всего подходит для небольших мастерских и индивидуальных мастеров. А крупные центры по металлообработке и изготовлению различных деталей предпочитают использовать крупные современные станки с автоматическим и полуавтоматическим режимом управления. На таком оборудовании намного выше класс точности и выше производительность.

Механическая обработка металла — основа любого металлургического производства. Для придания формы и необходимых габаритов применяются самые различные способы механической обработки.

Среди наиболее древних — ковка. Сейчас она уже уступает место холодной штамповке, но и применение молота и наковальни после предварительного разогрева материала, не уходит в прошлое. Но есть и другие методы механической обработки. Все из них требуют изготовления технологической карты с последующим чертежом