Процесс металлообработки

С давних времен человечество использует металлы и их сплавы для изготовления различных вещей — оружия, орудий, украшений, предметов быта и т. д. Прежде чем получить готовый продукт, металлическую руду нужно соответствующим образом обработать, придав ей нужные размеры, форму, физические и химические свойства. При этом для производства каждого изделия необходим определенный процесс металлообработки.

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Что подразумевается под процессом металлообработки
• В чем заключается процесс механической обработки металла
• Каковы особенности термической металлообработки
• В чем преимущества сварки как процесса обработки металла

Немного об истории металлообработки в России

Тема металлообработки на Руси, в частности история появления и развития соответствующих технологий, полностью еще не изучена. Но на данный момент можно с уверенностью сказать, что уже в X веке русские мастера умели изготавливать из металла надежные образцы оружия и предметов утвари.

Спустя пару веков в арсенале оружейных мастеров появились простые сверлильные и токарные инструменты для работы по металлу. В данных станках заготовка приводилась в движение вручную, либо таким же образом вращался режущий инструмент.

Оружейное дело на протяжении следующих трех веков непрерывно развивалось, в связи с чем требовались увеличенные производственные мощности. Поэтому уже в XV веке для производства оружия стали применять более мощные станки, получавшие энергию от водяной мельницы.

Известно, что к XVI веку рядом с Тулой в селе Павлово на Оке были сооружены целые заводы по производству оружия, где производилась металлообработка. Скорее всего, предприятия строились непосредственно рядом с местами добычи железной руды (возведение по сырьевому принципу).

В период правления Петра I в стране происходил стремительный процесс развития металлообработки. Русским механиком и изобретателем А. К. Нартовым было разработано приспособление для токарного станка — механический суппорт. Этот элемент перемещался вдоль изделия с помощью зубчатой рейки и колеса. Механизм так и называется — суппорт Нартова. Помимо этого изобретатель создал принципиально новые станки: винторезный и зуборезный.

На Тульском заводе в 1714 году механиком Сидоровым был внедрен механизм оригинальной конструкции, приводящийся в движение колесом водяной мельницы. Мощный на тот момент станок использовался для высверливания отверстий в ружейных стволах. В то же время другой именитый мастер Яков Батищев создал станок, позволяющий обрабатывать до 24 стволов одновременно.

Абсолютно новые для нашей страны сферотокарные, лоботокарные и шлифовальные станки были изобретены Михаилом Ломоносовым в середине XVIII века. Еще одно изобретение — точный станок для производства часовых зубчатых колес — принадлежит другому известному мастеру, И. П. Кулибину. Наконец, гениальный инженер, изобретатель и создатель паровой машины И. И. Ползунов спроектировал специальные цилиндрорасточные установки для производства элементов парового котла.

В целом развитие российской металлообрабатывающей отрасли диктовалось военными нуждами. Военное производство в те годы было единственным по-настоящему массовым. Самым инновационным предприятием был упомянутый выше Тульский оружейный завод, где впервые в стране внедрили медные калибры, позволяющие контролировать процесс металлообработки. Позднее в соответствии с указом императора Петра I начали применять специальные лекала, по которым можно было самостоятельно обрабатывать сопрягаемые детали оружия. Примечателен факт, что уже тогда применяли искусственное старение металла как способ снятия внутреннего напряжения в заготовках калибров.

На рубеже XIX и XX столетий часть российских предприятий стали учитывать допуск в чертежах деталей в процессе их производства. Начало прошлого века знаменуется стремительным развитием технологических процессов металлообработки. Активно изучались и развивались способы обработки металлов. Производители стремились изготавливать детали, в точности соответствовавшие предъявляемым требованиям к готовому изделию.

Современный процесс металлообработки

Предметы из металла встречаются практически везде. Металл служит основой для производства всевозможных приборов, машин, механизмов и их отдельных узлов. Добиться отличного результата в максимально короткий срок помогает металлообработка. Этот технологический процесс позволяет менять форму и размер металлической заготовки. Подбор сырья для производства готового изделия — процесс не менее важный, требующий определенных знаний, умений, опыта, а также должного терпения.

Важность металлообработки в промышленности сложно переоценить, она востребована в широчайшем спектре производства, начиная от изготовления мелких декоративных изделий и заканчивая конструированием космических кораблей. В частности, процесс металлообработки позволяет получить:

• промышленное оборудование;
• бытовые предметы;
• различные металлические конструкции;
• производственные площади и т. д.

Объясним этот сложный процесс на очень простом примере. У нас имеется металлический лист, из которого нужно сделать определенное изделие. Для этого мы отдаем лист на обрабатывающее предприятие, где специалисты по нашим требованиям изготавливают на современном оборудовании образец детали, причем в кратчайшие сроки.

Металлообработка выполняется различными методами, основные из которых следующие:

• механическая обработка путем резания;
• литье;
• термическая обработка;
• обработка давлением;
• электрическая обработка;
• сварка металла.

Каждый метод подразумевает под собой собственный процесс. При этом каждый отдельный способ может разделяться на подвиды. Наиболее востребованные методы металлообработки рассмотрим далее.

Технологические процессы механической металлообработки

Процесс, при котором меняются геометрические параметры заготовки и ее конфигурация, называется механической обработкой. В качестве обрабатывающих элементов применяются резцы, сверла, протяжки, фрезы, метчики и другие режущие инструменты. Вся механическая металлообработка осуществляется на металлорежущих станках в соответствии с технологической картой.

Существует две группы обработки металла механическим способом: без снятия и со снятием материала. К первой группе причисляют ковку, прессование, прокат и штамповку. Процесс металлообработки в данном случае происходит через давление или удар. Таким способом заготовке придается нужная форма. Черные металлы обычно подвергаются штамповке, в то время как для обработки цветных чаще применяют ковку.

Ко второй группе механической металлообработки относят резание металла с использованием металлорежущих станков. В процессе этой операции с заготовки частично снимается металл, благодаря чему деталь приобретает нужные размеры. Большая часть металлических изделий производится именно в результате обработки их резанием.

Резание металла образует на деталях новые поверхности. При этом часть поверхностных слоев деформируется и отделяется от заготовки, образуя стружку. Снимаемая часть металла называется припуском. Другими словами, припуском является избыточный металл заготовки, не соответствующий чертежным размерам, который в процессе резания отделяется.

В результате снятия припуска с помощью металлорежущих станков деталь будет иметь заданные размеры и форму. Для снижения трудозатрат и, как следствие, для уменьшения себестоимости обработки объем припуска минимизируют. Вместе с тем он должен быть достаточным для достижения требуемой шероховатости поверхности и обеспечения хорошего качества готовой детали. Современное развитие машиностроения предполагает снижение объема металлорежущих работ с повышением точности изготовления заготовок.

Металлообработка резанием включает следующие методы:

• Точение. Данным методом обрабатываются тела вращения, спиральные и винтовые. Резание осуществляется резцом токарного станка, в котором заготовке придается вращение, а резец в процессе работы движется поступательно в продольном или поперечном направлении, снимая с детали припуск.
• Фрезерование. Эта операция производится на фрезерных станках с использованием различных фрез. Металлообработка таким способом имеет несколько разновидностей: концевая, торцевая, периферийная и фасонная. Кроме того, фрезерование бывает черновым, получистовым и чистовым. Фрезами в заготовках вытачиваются шпонки, колодцы, канавки, подсечки, также фрезеруются профили.
• Сверление. Процесс металлообработки сверлением выполняется, когда в заготовке необходимо проделать отверстие. Рабочим инструментом в данном случае служит сверло. Резание осуществляется на сверлильном станке путем вращения сверла и одновременного его поступательного движения вдоль своей оси. Обычно сверление не дает высокой точности и служит черновой или получистовой обработкой.

• Строгание. Применяется для обработки плоских или линейчатых поверхностей. Рабочим инструментом служит изогнутый резец, совершающий поступательное движение вдоль обрабатываемой плоскости. Заготовка в свою очередь совершает движение подачи.
• Долбление. Данным методом обрабатываются также плоскости либо фасонные поверхности. Как и в предыдущем случае, инструментом является резец, движущийся поступательно вдоль поверхности в ответ на движение подачи заготовки.
• Шлифование. Используется для снятия микроскопического слоя металла и для улучшения шероховатости поверхности. Как правило, шлифованием выполняется процесс чистовой металлообработки детали на завершающей стадии ее изготовления. Для шлифования применяются абразивные круги с очень большим количеством зерен различной структуры. Такая обработка значительно нагревает поверхность заготовки. Во избежание деформирования детали и надкола обрабатываемой поверхности используются смазочные жидкости с охлаждающим эффектом.

Процесс металлообработки заготовки до получения готовой детали довольно сложен и трудозатратен. Он состоит из множества операций, для выполнения которых составляется технологическая карта и создается чертеж детали с требуемыми размерами, допусками и указанием классов точности. Иногда для отдельных операций создают вспомогательные чертежи. Способ металлообработки определяется видом обрабатываемой поверхности, заданными размерами и параметрами шероховатости, классом точности обработки. Цветные металлы механически обрабатываются алмазными инструментами, позволяющими достичь наилучшего качества производимого изделия.

Производственный процесс термической металлообработки

Закалка металла известна человечеству с давних времен. Тогда кузнецы использовали примитивный метод закалки, заключавшийся в погружении раскаленного железа в воду, масло либо вино. С течением времени способы закалки развивались, образовалась отдельная отрасль металлообработки — термическая обработка металлов.

Данная отрасль включает в себя искусственное создание процессов, меняющих структуру и физико-механические свойства сплавов под действием высокой температуры. Химический состав материала при этом остается неизменным.

Изделия из металла, используемые во всех сферах народного хозяйства, должны быть устойчивыми к износу, отвечая самым высоким требованиям. Изначальные качества металлического сырья необходимо усиливать путем термической обработки. Воздействие на металл высокой температуры меняет структуру кристаллической решетки, преобразуя форму и размер ее элементов и перераспределяя их. В результате таких преобразований удается минимизировать внутреннее напряжение металла и, как следствие, увеличить прочность и другие важные физико-механические свойства металла.

Процесс термообработки сплава можно разбить на три этапа: нагрев металлического сырья до требуемой температуры, поддержание заданных параметров определенное время, быстрое охлаждение металла. Данная схема одинакова для всех существующих сегодня видов термической металлообработки, которые, тем не менее, отличаются между собой некоторыми особенностями.

Общий принцип технологии термообработки таков: время, затрачиваемое на термообработку, складывается из времени полного нагрева, времени выдерживания заготовки при нужной температуре и времени охлаждения определенным способом до нормального состояния.

Степень и скорость нагрева металла в каждом случае выбираются в зависимости от следующих факторов:

• размера заготовки;
• вида металла;
• используемой для обработки печи;
• скорости изменения свойств данного металла.

Различают несколько способов термической металлообработки:

• термообработка, включающая в себя процессы закалки, отпуска, отжига, старения и последующего криогенного воздействия на металл;
• термомеханическая обработка, заключающаяся в сочетании воздействия высоких температур и механического воздействия на металл;
• химико-термическая обработка, при которой после термической обработки поверхность заготовки подвергается обогащению углеродом, азотом, хромом и другими химическими элементами.

Термическая обработка обладает такими важными достоинствами:

• продлевает срок службы металлического изделия за счет повышения его износостойкости;
• значительно снижает процент брака;
• экономит затрачиваемые ресурсы на производстве как результат улучшения прочностных и качественных характеристик металлических деталей для промышленного оборудования.

Обработка металла давлением

Типовой технологический процесс металлообработки давлением заключается в пластической деформации разных видов металла. Технология деформирования металла при этом может быть различной. Получаемая в результате продукция используется в машиностроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности.

В процессе обработки давлением значение действующей на металл нагрузки превышает значение предела упругости этого металла, заставляя его атомы менять свое положение в кристаллической решетке. Пластическая деформация изменяет не только механические, но и химические свойства металла.

Металлообработка давлением бывает холодной и горячей — это зависит от условий обработки. Данные методики различаются следующим образом:

• Горячий метод состоит в обработке металла при температуре, превышающей температуру его рекристаллизации.
• При обработке холодным методом температура, соответственно, ниже температуры рекристаллизации металла.

И холодный, и горячий методы обработки давлением обладают высокой производительностью. Прокатка позволяет получать до 20 — 30 м готовой продукции в секунду. Скорость объемной штамповки горячим методом, выполняемой на прессовочном или штамповочном станке, составляет 2 — 3 поковки в минуту. Холодная же листовая штамповка одним пресс-автоматом позволяет получать до 1500 мелких деталей в минуту в процессе работы.

В металлообработке давлением выделяют прокатку, волочение, прессование, объемную ковку и листовую штамповку. Рассмотрим каждый способ более подробно.

Прокатка означает, что листовая заготовка пропускается между двумя взаимно вращающимися валами, подвергаясь таким образом пластической деформации.

Волочение представляет собой процесс пропускания заготовки в виде прессованного или катаного прута или трубы через волочильную матрицу — инструмент с постепенно сужающимся отверстием. Переменный диаметр отверстия позволяет вытянуть заготовку (увеличить ее длину за счет уменьшения диаметра). Таким образом можно получить прутки минимальным диаметром 100 мм (как круглого, так и любого другого сечения), проволоку минимальной толщиной 2 мкм, а также тонкостенные трубки малого диаметра.

Прессование — это процесс выдавливания металлической заготовки из замкнутого объема через отверстие специальной матрицы с сечением меньшим, чем сечение самой заготовки.

Ковка — это обработка горячим способом с помощью бойков или другого инструмента, при которой заготовка постепенно деформируется, обретая нужную форму, требуемые характеристики и размеры.

Объемная штамповка представляет собой процесс придания заготовке нужной формы, при котором материал заполняет внутренность соответствующего штампа. Штамповка отличается от ковки тем, что деформация металла проходит только по стенкам штампа.

Из рассмотренных способов самый простой — это ковка. Самым же производительным способом является прокатка.

Литье как незаменимый процесс металлообработки

Литейное производство представляет собой заливку расплавленного металла внутрь литейной формы, совпадающей с формой изготавливаемой детали. После застывания и охлаждения металла получают фасонную заготовку, называемую отливкой.

Главная задача литья — создавать отливки различной конфигурации, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали. Добиться полного соответствия параметров отливки параметрам готовой детали с помощью литья в настоящее время невозможно.

Форма для литья служит рабочей полостью, в которой формируется отливка в процессе остывания жидкого металла. Это основной рабочий инструмент литейного производства.

Литейные формы классифицируют по их использованию:

• Одноразовые формы. Предназначены для изготовления одного экземпляра отливки. Выполнены, как правило, из кварцевого песка, скрепляемого связующим компонентом.
• Полупостоянные формы. В таких формах отливается до 10 — 20 изделий. Изготовлены они из керамики.
• Постоянные формы. Используются для отливки множества заготовок (от десятков до сотен тысяч экземпляров). Данные формы выполняются из чугуна либо стали.

В качестве материала для отливок используются различные черные и цветные металлы: сталь, чугун, сплавы алюминия, магния, цинка. Металл или сплав выбирается исходя из требуемых от заготовки технических и технологических характеристик. Самым распространенным материалом для процесса отливки считается чугун благодаря своей дешевизне, низкой температуре плавления, хорошим литейным качествам.

Литье используется при производстве различной металлической продукции. Из отливок изготавливают элементы металлообрабатывающего производства (например, станины для станков), блоки цилиндров для автомобильных и тракторных двигателей, поршни и их элементы, радиаторы отопления и т. п.

Электрическая обработка металлов

Хрупкие, не пластичные и прочные металлы и сплавы обрабатывать механически достаточно трудно, а иногда и невозможно. Для их обработки изобрели и внедрили электрические методы. Изобретенные технологии позволили производить изделия сложной формы с высочайшей точностью в полном соответствии с чертежами.

Процесс металлообработки с помощью электричества активно используется в машиностроении, в производстве бытовой техники и электроники. Конкретные методы электрической металлообработки рассмотрим далее.

Электроэрозионная обработка

С помощью данного метода на заготовку наносятся гравировки, делаются отверстия, сложные фигурные пазы. Электроэрозионный метод также позволяет создавать пресс-формы, штампы, кокили и другие полезные инструменты для той же металлообработки.

В процессе действия электроэрозии на поверхности металла происходит разрушение слоя электронов. Для такого типа обработки применяются электроимпульсные и электроискровые установки, где рабочим инструментом служит электрод, имеющий заданную для каждого конкретного случая форму. Воздействие на заготовку происходит в ванне с жидкостью, не проводящей электрический ток. К погруженной в жидкость детали, которая служит анодом, постепенно приближают инструмент, являющийся катодом. На определенном расстоянии между анодом и катодом, подключенным к источнику тока, рано или поздно происходит пробой с образованием электрического разряда.

Электрохимическая обработка

В данном случае используется проводящая ток жидкость (электролит), в которую погружается обрабатываемая заготовка. Электролит растворяет внешние слои погруженного в него металла. Данный метод успешно применяется для полировки поверхностей металлических деталей и очистки их от следов ржавчины и оксидов, а также для заточки режущих инструментов, для гравирования и нанесения металлических покрытий, для профилирования деталей и изготовления сверхтонких изделий. Кроме того, электрохимическая обработка при помощи режущей оснастки позволяет удалять растворенную пленку металла с поверхности заготовки, тем самым изменяя размеры этой заготовки.

Анодно-механическая обработка

В этом методе сочетаются принципы действия электрохимического и электроэрозионного способов. Рабочим инструментом служит вращающийся элемент, который является катодом. Роль анода, соответственно, выполняет сама заготовка. Анод и катод, погруженные в жидкий электролит, подключаются к источнику постоянного тока. Верхний слой заготовки, находящейся под напряжением, непрерывно плавится с образованием на поверхности изделия пленки, не проводящей ток. Под действием вращающегося инструмента пленка точечно разрушается, давая возможностью пройти току с увеличенной плотностью. Благодаря этому деталь локально оплавляется действующим на нее током. Лишние следы механически удаляются инструментом. Таки методом эффективно обрабатываются очень твердые и вязкие металлы и их сплавы.

Сварка

Сварка металла также используется с древних времен, однако большая часть ее методов разрабатывалась в последние сто лет. Принцип сварки заключается в соединении двух деталей местами, нагретыми до температуры плавления или пластичности металла. Соединяясь таким образом, две части образуют одну целую неразъемную деталь.

Используемые технологии сварки различаются в зависимости от способа нагревания и составляют несколько групп:

1. Химический способ. В процессе химической реакции выделяется тепло, которое нагревает металлическую заготовку. Такой способ сварки удобно использовать в труднодоступных местах, где нет места для размещения газового оборудования или нет возможности подвести электричество (например, под водой).
2. Газовый способ. Сварка происходит в зоне действия пламени газовой горелки. Форму пламени можно регулировать, и горелка может быть использована в том числе для резки металла.
3. Электросварка.

Наиболее распространены такие способы:

• Дуговая сварка. Нагрев и расплавление зоны обработки производится электрической дугой, вырабатываемой и поддерживаемой специальным сварочным аппаратом. Для сварки применяются обсыпные электроды либо сварочная проволока, специально созданная для работы в среде инертного газа.
• Контактная сварка. Осуществляется путем расплавления зоны контакта двух свариваемых деталей сильным электрическим током. Точечной сваркой можно варить непосредственно в точках либо по всему шву, используя проводящий ролик, соединяющий две детали непрерывным швом (роликовая сварка).

Сварка активно применяется в работе над строительными конструкциями, при соединении трубопроводов, производстве автомобильных кузовов, корабельных корпусов и других деталей и механизмов. Сварку вполне можно сочетать с иными способами металлообработки.

Главное достоинство сварки состоит в ее простоте: для обработки металлов не требуется сложное и дорогое оборудование, и достаточно вполне стандартного источника питания.

Другое положительно качество сварочных соединений — их прочность, не уступающая прочности самого обрабатываемого металла даже при действии повышенных нагрузок в широком диапазоне температур.

Еще одно преимущество сварки заключается в возможности соединять между собой различные по свойствам металлы и даже сваривать металл с пластиком, графитом и стеклом.

Среди других преимуществ сварочной технологии можно отметить высокую скорость работ, пригодность изделия для эксплуатации сразу же после сварки и возможность создавать детали сложной формы. По последнему параметру изделия сравнимы с продукцией литейных и кузнечных мастерских.