Механическая обработка - это процесс, во время которого изменяются размеры и конфигурация заготовок и деталей. Если же говорить о металлических изделиях, то для их обработки используются специальные режущие инструменты, такие как резцы, протяжки, сверла, метчики, фрезы и т. д. Все операции выполняются на металлорежущих станках согласно технологической карте. В данной статье мы узнаем, какие бывают способы и виды механической обработки металлов.

Способы обработки

Механообработка подразделяется на две большие группы. В первую входят операции, которые происходят без снятия металла. К ним относят ковку, штамповку, прессование, прокат. Это так называемая с помощью давления или удара. Её применяют для того, чтобы придать необходимую форму заготовке. Для цветных металлов чаще всего используют ковку, а для черных - штамповку.

Вторая группа включает в себя операции, в ходе которых с заготовки снимается часть металла. Это необходимо для придания ей необходимых размеров. Такая механическая обработка металла называется резанием и выполняется при помощи Наиболее распространенными способами обработки являются точение, сверление, зенкерование, шлифование, фрезерование, развертывание, долбление, строгание и протягивание.

От чего зависит вид обработки

Изготовление металлической детали из заготовки - трудоёмкий и достаточно сложный процесс. Он включает в себя множество различных операций. Одной из них является механическая обработка металла. Прежде чем к ней приступить, составляют технологическую карту и делают чертеж готовой детали с указанием всех необходимых размеров и классов точности. В некоторых случаях для промежуточных операций также подготавливают отдельный чертеж.

Кроме того, существует черновая, получистовая и чистовая механическая обработка металла. Для каждой из них выполняется расчет и припусков. Вид обработки металла в целом зависит от обрабатываемой поверхности, класса точности, параметров шероховатости и размеров детали. Например, для получения отверстия по квалитету Н11 используют черновое сверление сверлом, а для получистого развертывания на 3 класс точности можно использовать развертку или же зенкер. Далее мы изучим способы механической обработки металлов более детально.

Точение и сверление

Точение выполняется на станках токарной группы при помощи резцов. Заготовка крепится в шпиндель, который вращается с заданной скоростью. А резец, закрепленный в суппорте, совершает продольно-поперечные движения. В новых ЧПУ-станках все данные параметры вводятся в компьютер, и устройство само выполняет необходимую операцию. В старых моделях, например, 16К20 продольно-поперечные движения выполняются вручную. На токарных станках возможно точение фасонных, конических и цилиндрических поверхностей.

Сверление - это операция, которую выполняют для получения отверстий. Главным рабочим инструментом является сверло. Как правило, сверление не обеспечивает высокий класс точности и является либо черновой, либо получистовой обработкой. Для получения отверстия с квалитетом ниже Н8 используют развертывание, рассверливание, растачивание и зенкерование. Кроме того, после сверления также могут выполнять нарезание внутренней резьбы. Такая механическая обработка металла выполняется при помощи метчиков и некоторых видов резцов.

Фрезерование и шлифование

Фрезерование - один из наиболее интересных способов обработки металлов. Данная операция выполняется при помощи самых разнообразных фрез на фрезерных станках. Различают концевую, фасонную, торцевую и периферийную обработку. Фрезерование может быть как черновым и получистовым, так и чистовым. Наименьший квалитет точности, получаемый при чистовой обработке,- 6. При помощи фрез вытачивают различные шпонки, канавки, колодцы, подсечки, фрезеруют профили.

Шлифование - механическая операция, используемая для повышения качества шероховатости, а также для снятия лишнего слоя металла вплоть до микрона. Как правило, данная обработка является завершающим этапом при изготовлении деталей, а значит, является чистовой. Для срезания используются на поверхности которых расположено огромное количество зерен, имеющих разную форму режущей кромки. При такой обработке деталь очень сильно нагревается. Для того чтобы металл не деформировался и не надкололся, используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОРЖ). Механическая обработка цветных металлов осуществляется при помощи алмазных инструментов. Это позволяет обеспечить наилучшее качество изготавливаемой детали.

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.

1. 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.

Термообработка представляет собой совокупность процессов нагрева металлов до заданной температуры, выдержки и охлаждения с целью придания заготовке определенных физико-механических свойств в результате изменения структуры (внутреннего строения) детали. Материал для заготовок – цветные металлы, сталь.

Основные виды термообработки:

1. Отжиг 1-го или 2-го рода. В процессе нагрева металлов до определенной температуры, после выдержки и охлаждения получается равновесная структура, повышается вязкость и пластичность, снижается твердость и прочность заготовки.
2. Закалка с полимерным превращением или без. Цель термообработки – повысить параметры прочности и твердости материала за счет образования неравновесной структуры. Применяется для тех сплавов, которые претерпевают фазовые превращения в твердом состоянии при процессах нагрева и охлаждения.
3. Отпуск. Ему подвергаются прочные стали, закаленные металлические сплавы. Основные параметры метода – температура нагрева, скорость охлаждения, время выдержки.
4. Старение применяется к сплавам, которые были подвержены закалке без полиморфного превращения. После закалки повышается прочность и твердость магниевых, алюминиевых, никелевых, медных сталей.
5. Химико-термическая обработка. Технологический процесс изменяет химический состав, структуру и свойства поверхности деталей. После обработки повышается износостойкость, твердость, сопротивление усталости и контактной выносливости, антикоррозийная устойчивость материала.
6. Термомеханическая обработка. Этот вид включает процесс пластической деформации, с помощью которой создается повышенная плотность дефектов (дислокации) кристаллического строения заготовки. Применяют данный метод для сплавов алюминия и магния.

Сварочный, электрический и токарный способ обработки

Сварка – получение неразъемного соединения детали из стали за счет нагрева до плавления или до высокопластического состояния. В процессе обработки материал расплавляется по краю соединяемых частей, перемешивается и затвердевает, при этом образуется шов после охлаждения. Различают электрическую (дуговую или контактную) и химическую (термитную или газовую) сварку.

Токарный способ обработки – ручные работы на специальных станках с целью удаления лишнего слоя и придания деталям определенных форм, шероховатости, точности, габаритов. Основные виды в зависимости от назначения работ: основные, ремонтные и сборочные.

К электрическим методам металлообработки относят:

1. Электроискровой способ. Этот метод основан на явлении разрушения прочных металлов под действием электроискровых разрядов.
2. Ультразвуковой метод. При помощи специальных установок обрабатываются драгоценные камни, твердые сплавы, закаленная сталь и прочие материалы.

Литье металлов

Технологический процесс литья состоит в том, что детали получаются после заливки расплавленного металла в определенные формы. Применяют различные материалы:

• чугун;
• сталь;
• медные, магниевые, алюминиевые и цинковые сплавы.

Обработка металла берет начало в доисторический период, когда древние люди научились отливать из меди орудья труда и наконечники стрел. Так началась эпоха металла, ископаемого которое и по сей день остается актуальным. Сегодня новые технологии обработки металла позволяют создавать различные сплавы, изменять технологические свойства, получать сложные формы и конструкции.

В наши дни самым востребованным материалом является железо. На его основе отливают множество сплавов с различным содержанием углерода и легирующих добавок. Кроме стали, в промышленности широко применяют цветные металлы, которые также используются в широком разнообразии сплавов. Каждый сплав характеризуется не только эксплуатационными свойствами, но и технологическими, что и определяет способ его обработки:

• литье;
• термическая обработка;
• механическая обработка резанием;
• холодная или горячая деформация;
• сваривание.

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.

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.

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).

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.

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.

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

Плазменная резка

Если по сравнению с лазерной резкой плазменная отличается большей толщиной реза, то по экономичности в разы её превосходит. Это самый распространенный на сегодня метод серийного производства с высокой точностью повторения. Методика заключается в выдувании электрической дуги высокоскоростной струей газа. Уже существуют и ручные плазменные резаки, которые являются превосходящей альтернативой газовой резке.

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.

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 23,6х10 6 на мм 2 .

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.