Новые методы обработки металлов. Технология обработки материалов

Кроме указанных выше методов обработки металлов и изготовления заготовок и деталей машин применяют и другие– сравнительно новые и весьма прогрессивные методы.

Сварка металла. До изобретения сварки металла производство, например, котлов, металлических корпусов судов или других работ, требующих соединения друг с другом металлических листов, было основано на применении метода клёпки.

В настоящее время клёпку почти не применяют, ее заменили сваркой металла. Сварное соединение надежнее, легче, производится быстрее и позволяет экономить металл. Сварные работы требуют меньшей затраты рабочей силы. Сваркой можно также соединять части поломанных деталей и путем наварки металла восстанавливать изношенные детали машин.

Существуют два способа сварки: газовая (автогенная) – при помощи горючего газа (смесь ацетилена и кислорода), дающего очень горячее пламя (свыше 3000° С), и электросварка, при которой металл плавится электрической дугой (температура до 6000°С). Наибольшее применение в настоящее время имеет электросварка, при помощи которой прочно соединяют мелкие и крупные металлические части (сваривают друг с другом части корпусов крупнейших морских судов, фермы мостов и другие строительные конструкции, части огромных котлов самого высокого давления, детали машин и т.п.). Вес свариваемых частей во многих машинах в настоящее время составляет 50-80% их общего веса.

Традиционная обработка металлов резанием достигается снятием стружки с поверхности заготовки. В стружку идет до 30-40% металла, что весьма неэкономично. Поэтому все большее внимание уделяется новым способам обработки металлов, основанным на безотходной или малоотходной технологии. Появление новых методов обусловлено также распространением в машиностроении высокопрочных, коррозийно-стойких и жаропрочных металлов и сплавов, обработка которых обычными методами затруднена.

К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменно-лазерные, ультразвуковые, гидропластические.

При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Она заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла с поверхности заготовок путем травления их в кислотных и щелочных ваннах. В то же время поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора.

Химическими методами обработки получают местные утонения на нежестких заготовках, ребра жесткости; извилистые канавки и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают поверхности, труднодоступные для режущего инструмента.

При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозийные, электро-термические и электромеханические.

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющуюся анодом, происходит химическая реакция, и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом. Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, хонинговании, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины.

Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент – к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоки. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту
задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки.

При пропускании через электролит постоянного тока происходит процесс анодного растворения металла как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента (катода) с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки (анода) происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки.

Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров импульсов и вида, применяемых для их получения генераторов электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.

Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, режущего инструмента и для упрочнения поверхностного слоя деталей.

Электроимпульсная обработка используется как предварительная при изготовлении штампов, турбинных лопаток, поверхностей фасонных отверстий в деталях из жаропрочных сталей. В этом процессе скорость съема металла примерно в десять раз больше, чем при электроискровой обработке.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом (инструментом) и удалении из зоны обработки расплавленного металла механическим способом. Метод не обеспечивает высокой точности и качества поверхности деталей, но дает высокую скорость съема металла, поэтому используется при зачистке отлива или проката из специальных сплавов, шлифовании (черновом) корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов.

Электромеханическая обработка связана с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды.

Ультразвуковая обработка металлов – разновидность механической обработки – основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат электрозвуковые генераторы тока с частотой 16-30 кГц. Рабочий инструмент пуансон закрепляют на волноводе генератора тока. Под пуансоном устанавливают заготовку, и в зону обработки поступает суспензия, состоящая из воды и абразивного материала. Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, которые скалывают частицы материала заготовки. Ультразвуковая обработка используется для получения твердосплавных вкладышей, матриц и пуансонов, вырезания фигурных полостей и отверстий в деталях, прошивки отверстий с криволинейными осями, гравирования, нарезания резьбы, разрезания заготовок на части и др.

Плазменно-лазерные методы обработки основаны на использовании сфокусированного луча (электронного, когерентного, ионного) с весьма высокой плотностью энергии. Луч лазера используется как в качестве средства нагрева и размягчения металла впереди резца, так и для выполнения непосредственного процесса резания при прошивке отверстий, фрезеровании и резке листового металла, пластмасс и других материалов.

Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся за счет высоких температур металл уносится сжатым воздухом. Лазеры применяют для сварки, наплавки и разрезания в тех случаях, когда к качеству этих операций предъявляются повышенные требования. Например, лазерным лучом режут сверхтвердые сплавы, титановые панели в ракетостроении, изделия из нейлона и др.

Гидропластическая обработка металлов применяется при изготовлении пустотелых деталей с гладкой поверхностью и малыми допусками (гидроцилиндры, плунжеры, вагонные оси, корпуса электродвигателей и др.). Пустотелую цилиндрическую заготовку, нагретую до температуры пластической деформации, помещают в массивную разъемную матрицу, сделанную по форме изготавливаемой детали, и закачивают под давлением воду. Заготовка раздается и принимает форму матрицы. Детали, изготовленные этим способом, имеют более высокую долговечность работы.

Новые способы обработки металлов выводят технологию изготовления деталей на качественно более высокий уровень по сравнению с традиционной технологией.

Уже много десятилетий большой популярностью для изготовления различных изделий пользуется обработка цветных металлов. Технологии и современные методы производства позволяют ускорить сам процесс, а также повысить качество конечного продукта.

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:

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

– 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.

– 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.

– 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.

– 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.

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.

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.

– 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.

– 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.

– 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.

Современные технологии обработки

Существует несколько основных методов обработки цветных металлов. Они делятся на несколько групп в зависимости от технологии и температурного режима: горячие и холодные, механические и термические.

Самые популярные из них:

сварка ( , химическая, газовая, дуговая, электрическая, контактная);

Под металлообработкой подразумевается технологический процесс изменения форм, качественных характеристик и механических свойств сталей и других материалов для достижения необходимых показателей. Современные технологии обработки твёрдых и сверхтвёрдых заготовок позволяют производить продукцию исключительного качества при минимальных затратах на производство.

При всём этом отрасль продолжает неуклонно эволюционировать. На сегодняшний день можно выделить 3 ключевых направления в развитии металлообработки:

разработка новых сплавов и материалов для их обработки;
повышение эффективности и производительности процесса;
оптимизация методов металлообработки.

Технологии обработки металлов

Все технологии металлообработки можно условно поделить на 4 категории:

Значительная доля металлоизделий изготавливается методом литья расплавленной стали, чугуна, бронзы, алюминия, меди, магния, цинка в специальные формы. Данный способ применяется для производства корпусов радиаторов отопления, насосов и редукторов, станин производственных станков. В подавляющем большинстве случаев процесс отливки сопровождается фрезерной и расточной обработкой рабочих и прижимных поверхностей.

Обработка давлением

К данной группе методов металлообработки относятся: прессовка, прокат, штамповка, волочение, ковка. Как правило, воздействие давления направлено на изменение формы и размера металлической заготовки без разрушения её свойств и структуры. Однако, прежде чем прикладывать какие бы то ни было механические усилия, зачастую необходимо повысить пластичность металла. Сделать это можно путём его нагрева до определённых температурных показателей, определяемых его химсоставом.

Технология пайки используется для получения неразъёмных соединений. Суть метода заключается в нагревании металла до температуры плавления. На сегодняшний день выделяют 6 видов сварки:

химическую;
термическую;
газовую;
электрическую;
дуговую;
контактную.

Механическая обработка на станках по металу

Для изготовления деталей требуемых геометрических форм и размеров применяется технология резки металлов на специальном станочном оборудовании по заранее спроектированным чертежам. На сегодняшний день это самый распространённый вариант обработки заготовок из стали, меди, латуни, золота, серебра и т.д. К металлорежущим относятся токарные, фрезерные, гравировальные, строгальные и шлифовальные станки.

Для обработки тонколистовых металлов применяется технология лазерного раскроя. Оптический лазерный луч выжигает металл вдоль заданной линии резки. Данный способ позволяет выполнять высокоточную обработку.

Ещё одним методом современной механообработки металлов является гидроабразивная резка. Её принцип заключается в воздействии на заготовку тонкой водяной струёй с частичками абразивов. Вода подаётся под высоким давлением, благодаря чему абразивные вещества буквально по молекулам разрушают материал в зоне воздействия. Гидроабразивная резка находит широкое применение на тех предприятиях, где техника безопасности запрещает сильный нагрев и образование искр.

И наконец, одним из наиболее безопасных и высокоскоростных способов раскроя металла является плазменная резка. Она позволяет точно, чисто и аккуратно раскраивать прокат любой толщины под любым углом. Плазма образуется из газа при участии электрического тока. Температура такой струи может достигать 30 000 градусов. Плазменная резка подходит для обработки любых металлов: цветных, чёрных, тугоплавких.

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 CO 2 -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.

Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент – к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоки. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки.