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:
- 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.
- 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.
- Отпуск. Ему подвергаются прочные стали, закаленные металлические сплавы. Основные параметры метода – температура нагрева, скорость охлаждения, время выдержки.
- Старение применяется к сплавам, которые были подвержены закалке без полиморфного превращения. После закалки повышается прочность и твердость магниевых, алюминиевых, никелевых, медных сталей.
- 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.
- 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:
- Электроискровой способ. Этот метод основан на явлении разрушения прочных металлов под действием электроискровых разрядов.
- 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.
Детали машин, станков и приборов изготовляют различными методами: отливкой, обработкой давлением (прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой), сваркой и механической обработкой на металлообрабатывающих станках.
Литейное производство. Сущность литейного производства заключается в том, что изделия или заготовки деталей машин получают заливкой расплавленного металла в формы. Полученная литая деталь называется отливкой.
а - раздельная модель отливки, б - разъемный стержневой ящик, в - отливка втулки с литниковой системой, г - стержень.
Технологический процесс литейного производства состоит из подготовки формовочных и стержневых смесей, изготовления форм и стержней, плавки металла , сборки и заливки формы, удаления отливок из формы и в отдельных случаях термической обработки отливок .
Литье применяют для изготовления самых различных деталей: станин металлорежущих станков, блоков цилиндров автомобилей, тракторов, поршней, поршневых колец, радиаторов отопления и т. п.
Отливки изготовляют из чугуна, стали, медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, обладающих необходимыми технологическими и техническими свойствами. Наиболее распространенным материалом является чугун - самый дешевый материал, обладающий высокими литейными свойствами и низкой температурой плавления.
Фасонные отливки с повышенной прочностью и высокой ударной.вязкостью изготовляют из углеродистых сталей марок 15Л, 35Л, 45Л и т. д. Буква Л означает литую сталь, а цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Литейную форму, полость которой представляет собой отпечаток будущей отливки, получают из формовочной смеси при помощи деревянной или металлической модели.
В качестве материала для формовочных; смесей применяют бывшую в употреблении формовочную землю (горелую), свежие составляющие - кварцевый песок, формовочную глину, модифицирующие добавки, связующие вещества (смолы, жидкое стекло и пр.), пластификаторы, разрыхлители и прочие. Выбор их зависит от геометрии отливки, ее веса и толщины стенок, химического состава заливаемого металла.
Стержни, предназначенные для получения в отливках полостей и отверстий, изготовляют из стержневой смеси в специальных ящиках.
Стержневая смесь обычно состоит из малоглинистого песка и связующих веществ.
В индивидуальном и мелкосерийном производстве литейные формы выполняют ручным способом (формуют), используя деревянные модели, в поточно-массовом производстве - на специальных машинах (формовочных), по модельным плитам (металлическая плита с прочно закрепленными на ней частями модели) и в двух опоках.
Чугун плавят в вагранках (шахтных печах), сталь - в конверторах, дуговых и индукционных электрических печах, а цветное литье - в плавильных тигельных горнах. Металл, выплавленный в вагранках, сначала разливается в ковши, а затем через литниковую систему (систему каналов в форме) - в форму.
После заливки и охлаждения отливку вынимают (выбивка) из формы, удаляют прибыли (питатели), очищают от заусенцев, остатков литниковой системы и пригоревшей земли.
Специальные способы литья. Кроме литья в земляные формы, на заводах в настоящее время применяют следующие прогрессивные способы литья: литье в металлические формы (кокили) центробежное литье, литье под давлением, точное литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы. Эти способы позволяют получать детали более точной формы и с небольшими припусками на механическую обработку.
Литье в металлические формы. Этот способ состоит в том, что расплавленный металл заливают не в разовую земляную форму, а в постоянную металлическую, изготовленную из чугуна, стали или других сплавов. Металлическая форма выдерживает от нескольких сот до десятков тысяч заливок.
Центробежное литье. При этом способе расплавленный металл заливается в быстровращающуюся металлическую форму и под действием центробежных сил прижимается к ее стенкам. Металл обычно заливают на машинах с вертикальной, горизонтальной и наклонной осью вращения.
Центробежное литье применяют для изготовления втулок, колец, труб и т. п.
Литье под давлением - это способ получения фасонных отливок в металлических формах, при котором металл в форму заливают под принудительным давлением. Таким способом получают мелкие фасонные тонкостенные детали автомобилей, тракторов, счетных машин и т. д. Материалом для отливок служат медные, алюминиевые и цинковые сплавы.
Литье под давлением производится на специальных машинах.
Точное литье по выплавляемым моделям. Этот способ основан на применении модели из смеси легковыплавляемых материалов - воска, парафина и стеарина. Литье осуществляется следующим образом. По металлической прессформе с большой точностью изготовляют восковую модель, которую склеивают в блоки (елочки) с общей литниковой системой и облицовывают огнеупорным формовочным материалом. В качестве облицовочного материала применяют смесь, состоящую из кварцевого песка, графита, жидкого стекла и других компонентов. При высыхании и обжиге формы облицовочный слой образует прочную корку, которая дает точный отпечаток восковой модели. После этого восковая модель выплавляется, а форма прокаливается. Расплавленный металл заливают в форму обычным способом. Точным литьем изготовляют мелкие фасонные и сложные детали автомобилей, велосипедов, швейных машин и т. п.
Литье в оболочковые формы является разновидностью литья в разовые земляные формы. Подогретая до 220-250°С металлическая модель будущей отливки обсыпается из бункера формовочной смесью, состоящей из мелкого кварцевого песка (90-95%) и термореактивной бакелитовой смолы (10-5%). Под действием тепла смола в слое смеси, соприкасающаяся с плитой, сначала плавится, затем затвердевает, образуя на модели прочную песчано-смоляную оболочку. После просушки оболочковую полуформу соединяют с соответствующей ей другой полуформой, в результате чего получается прочная форма. Корковое литье применяют для отливки стальных и чугунных деталей станков, машин, мотоциклов и т. д.
Основными дефектами отливок в литейном производстве являются: коробление - изменение размеров и контуров отливки под влиянием усадочных напряжений; газовые раковины - пустоты, расположенные на поверхности и внутри отливок, которые возникают от неправильного режима плавки; усадочные раковины - закрытые или открытые пустоты в отливках, получаемые в результате усадки металла при охлаждении.
Незначительные дефекты в отливках устраняют заваркой жидким металлом, пропиткой термореактивными смолами и термической обработкой.
Обработка металла давлением. При обработке металла давлением широко используют пластические свойства металлов, т. е. их способность в определенных условиях под действием приложенных внешних сил изменять, не разрушаясь, размеры и форму и сохранять полученную форму после прекращения действия сил. При обработке давлением изменяются также структура и механические свойства металла.
Чтобы повысить пластичность металла и уменьшить величину работы, затрачиваемой на деформацию, перед обработкой давлением металл необходимо нагреть. Металл обычно нагревают при определенной температуре, зависящей от его химического состава. Для нагрева применяют горны, нагревательные пламенные печи и электронагревательные установки. Большую часть обрабатываемого металла нагревают в камерных и методических (непрерывных) печах с газовым обогревом. Для подогрева под прокатку крупных стальных слитков, поступающих неостывшими из сталеплавильных цехов, используют нагревательные колодцы. Цветные металлы и сплавы нагревают в электрических печах. Нагрев черных металлов производится двумя способами: индукционным и контактным. При индукционном способе заготовки нагреваются в индукторе (соленоиде), по которому пропускают ток высокой частоты, за счет тепла, возникаемого под действием индукционного тока. При контактном электронагреве ток большой величины пропускают через нагреваемую заготовку. Тепло выделяется в результате омического сопротивления нагреваемой заготовки.
К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, волочение, прессование, свободная ковка и штамповка.
Прокатка - самый массовый способ обработки металлов давлением, осуществляемый путем пропуска металла в зазор между вращающимися в разных направлениях валками, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения исходной заготовки, а в ряде случаев изменяется ее профиль. Схема прокатки изображена на рис. 31.
Прокаткой получают не только готовые изделия (рельсы, балки), но и сортовой прокат круглого, квадратного, шестигранного профилей, трубы и т. п. Прокатка производится на блюмингах, слябингах, сортовых, листовых, трубопрокатных и других станах, на гладких и калиброванных валках с ручьями (калибрами) определенной формы. На блюмингах из крупных и тяжелых слитков прокатывают заготовки квадратного сечения, называемые блюмсами, на слябингах - заготовки прямоугольного сечения (стальные диски), называемые слябами .
Сортовые станы используют для прокатки из блюмсов сортовых и фасонных профилей, листовые станы - для листовой прокатки из слябов в горячем и холодном состоянии, а трубопрокатные станы - для прокатки бесшовных (цельнотянутых) труб. Бандажи, дисковые колеса, шарики для подшипников, зубчатых колес и т. п. прокатывают на станах специального назначения
Волочение. Этот способ состоит в протягивании металла в холодном состоянии через отверстие (фильер) в матрице, поперечное сечение которого меньше, чем у обрабатываемой заготовки. При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, благодаря чему длина заготовки увеличивается. Волочению подвергают черные и цветные металлы и сплавы в прутках, проволоке и трубах. Волочение позволяет получать материалы точных размеров и с высоким качеством поверхности.
Волочением получают сегментные шпонки, стальную проволоку диаметром 0,1мм, иглы для медицинских шприцев и т. д.
Волочение производят на волочильных станах. В качестве инструмента применяют волочильные доски и матрицы, изготовляемые из инструментальной стали и твердых сплавов.
Прессование. Оно осуществляется продавливанием металла через отверстие матрицы. Профиль прессованного металла соответствует конфигурации отверстия матрицы, оставаясь постоянным по всей длине. Прессованием изготовляют прутки, трубы и различные сложные профили из таких цветных металлов, как олово, свинец, алюминий, медь и т. д. Прессуют обычно на гидравлических прессах усилием до 15тыс. т.
Ковка. Операция, при которой металлу ударами инструментов придают требуемую внешнюю форму, называется ков кой . Ковку, осуществляемую под плоскими бойками, называют свободной, так как изменение формы металла при этом виде обработки не ограничивается стенками особых форм (штампов) и металл «течет» свободно. Свободной ковкой можно изготовлять самые тяжелые поковки - вплоть до 250 т. Свободная ковка разделяется на ручную и машинную. Ручную ковку в основном применяют при изготовлении мелких изделий или при ремонтных работах. Машинная ковка - это основной вид свободной ковки. Она выполняется на ковочных пневматических или паровоздушных молотах, реже - на ковочных гидравлических прессах. При ручной ковке инструментом являются наковальня, кувалда, зубило, пробойники, клещи и т. д. При машинной ковке рабочим инструментом служат бойки ковочных молотов и прессов, вспомогательным - раскатки, прошивки и клеши. Кроме вспомогательного инструмента, применяют машины, называемые манипуляторами, предназначенные для удержания, перемещения и кантовки тяжелых заготовок в процессе ковки.
Основными операциями технологического процесса свободной ковки являются: осадка (уменьшение высоты заготовки), вытяжка (удлинение заготовки), прошивка (получение отверстий), рубка, сварка и т. п.
Штамповка. Способ изготовления изделий давлением при помощи штампов, т. е. металлических форм, очертания и форма которых соответствует очертанию и форме изделий, называют штамповкой. Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке поковки штампуют на штамповочных и ковочных прессах. Штампы состоят из двух частей, каждая из которых имеет полости (ручьи). Очертания ручьев соответствуют форме изготовляемой поковки. Поковки можно штамповать и на паровоздушных молотах одинарного и двойного действия падающей частью (бабой) весом до 20-30 т и кривошипных прессах с усилием до 10 тыс. т. При штамповке нагретая заготовка под действием удара молота деформируется и заполняет полость штампа, излишек металла (облой) поступает в специальную канавку и затем обрезается на прессе. Мелкие поковки штампуют из прутка длиной до 1200мм, а крупные - из штучных заготовок.
Листовой штамповкой изготовляют тонкостенные детали из листов и лент различных металлов и сплавов (шайбы, сепараторы подшипников, кабины, кузовы, крылья и другие детали автомобилей и приборов). Листовой металл толщиной до 10мм штампуют без нагрева, более 10мм - с нагревом до ковочных температур.
Листовую штамповку обычно производят на кривошипных и листоштамповочных прессах простого и двойного действия.
В условиях массового производства подшипников, болтов, гаек и других деталей широкое применение находят специализированные кузнечные машины. Наибольшее распространение получила горизонтально-ковочная машина.
Основные дефекты проката и поковок . При прокатке заготовок могут возникать следующие дефекты: трещины, волосовины, плены, закаты.
Трещины образуются из-за недостаточного прогрева металла или при большом обжатии в валках.
Волосовины появляются на поверхности проката в виде вытянутого волоса в тех местах металла, где были газовые пузыри, раковины.
Плены возникают при прокатке некачественных слитков.
Закаты - это дефекты наподобие складок, получающиеся при неправильном прокате.
В кузнечно-штамповочном производстве могут быть следующие виды брака: забоины, недоштамповка, перекос и т. д.
Забоины, или вмятины, - это простые повреждения поковки, образующиеся при неточной укладке заготовки в ручей штампа перед ударом молота.
Недоштамповка, или «недобой», - это увеличение поковки по высоте, возникающее из-за недостаточного количества сильных ударов молота или из-за остывания заготовки, в результате чего металл теряет пластичность.
Перекос, или смещение, - это вид брака, при котором верхняя половина поковки смещается или перекашивается относительно нижней.
Устранение дефектов и брака достигается правильным выполнением технологических процессов прокатки, ковки и штам повки.
Сварка металлов. Сварка - один из важнейших технологических процессов, применяемых во всех областях промышленности. Сущность процессов сварки состоит в получении неразъемного соединения стальных деталей путем местного нагрева до плавления или до пластического состояния. При сварке плавлением металл расплавляется по кромкам соединяемых частей, перемешивается в жидкой ванне и затвердевает, образуя после охлаждения шов. При сварке в пластическом состоянии соединяемые части металла нагревают до размягченного состояния и под давлением соединяют в одно целое. В зависимости от видов энергии, применяемой для нагрева металла, различают химическую и электрическую сварку.
Химическая сварка. При этом виде сварки источником нагрева служит тепло, получаемое при химических реакциях. Она подразделяется на термитную и газовую сварку.
Термитная сварка основана на использовании в качестве горючего материала термита, представляющего собой механическую смесь алюминиевого порошка и железной окалины, развивающего при горении температуру до 3000°С. Этот вид сварки применяют для сварки трамвайных рельсов, концов электрических проводов, стальных валов и других деталей.
Газовую сварку осуществляют нагревом металла пламенем горючего газа, сжигаемого в струе кислорода. В качестве горючих газов при газовой сварке и резке металлов используют ацетилен, водород, природный газ и т. п., но наиболее распространенным является ацетилен. Максимальная температура газового пламени 3100° С.
Аппаратурой для газовой сварки служат стальные баллоны и сварочные горелки со сменными наконечниками, а материалом - конструкционные малоуглеродистые стали. В качестве присадочного материала для сварки сталей используют специальную сварочную проволоку.
Газовой сваркой можно производить сварку чугунов, цветных металлов, наплавку твердых сплавов, а также кислородную резку металлов.
Электрическая сварка. Она подразделяется на дуговую и контактную сварку. При дуговой сварке энергия, необходимая для нагрева и расплавления металла, выделяется электрической дугой, а при контактной электросварке-при прохождении тока по свариваемой детали.
Дуговую электросварку осуществляют на постоянном и переменном токе. Источником тепла для такого вида сварки является электрическая дуга.
Сварочная дуга питается постоянным током от сварочных машин-генераторов, переменным током - от сварочных трансформаторов.
Для дуговой сварки применяют металлические электроды, покрываемые специальной обмазкой для защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха, и угольные.
Дуговая сварка может быть ручной и автоматической. Автоматическая сварка осуществляется на сварочных автоматах. Она обеспечивает получение качественного сварного шва и резко увеличивает производительность труда.
Флюсовая защита в этом процессе позволяет без потерь металла повысить силу тока и тем самым увеличить производительность в пять и более раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.
Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через свариваемый участок детали. Свариваемые детали в месте контакта нагревают до сварочного состояния, после чего под давлением получают неразъемные соединения.
Контактная сварка делится на стыковую, точечную и роликовую.
Стыковая сварка - это разновидность контактной сварки. Она используется для сварки рельсов, стержней, инструмента, тонкостенных труб и т. д.
Точечная сварка производится в виде точек в отдельных местах деталей. Она широко применяется для сварки из листового материала кузовов легковых автомобилей, обшивки самолетов, железнодорожных вагонов и т. п.
Роликовая, или шовная, сварка осуществляется при помощи роликовых электродов, подключаемых к сварочному трансформатору. Она позволяет получать на листовом материале сплошной и герметически плотный сварной шов. Роликовую сварку используют для изготовления масляных, бензиновых и водяных баков, труб из листовой стали.
Дефекты сварки. Дефектами, возникающими при сварке, могут быть непровары, шлаковые включения, трещины в сварочном шве и основном металле, коробление и т. д.
Обработка металла резанием. Основное назначение такой обработки - получение необходимых геометрических форм, точности размеров и чистоты поверхности, заданных чертежом.
Лишние слои металла (припуски) с заготовок снимаются режущим инструментом на металлорежущих станках. В качестве заготовок применяют отливки, поковки и заготовки из сортового проката черных и цветных металлов.
Резание металлов является одним из наиболее распространенных способов механической обработки деталей машин и приборов. Обработка деталей на металлорежущих станках осуществляется в результате рабочего движения обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, при котором инструмент снимает стружку с поверхности заготовки.
Металлорежущие станки подразделяются на группы в зависимости от способов обработки, типов и типоразмеров.
Токарные станки предназначаются для выполнения разнообразных токарных работ: точения цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, растачивания отверстий, нарезания резьбы резцом, а также обработки отверстий зенкерами и развертками.
Для работы на токарных станках применяют различные виды режущего инструмента, но основными из них являются токарные резцы.
Сверлильные станки используют для получения в заготовках отверстий, а также для зенкерования, развертывания и нарезания резьбы метчиками.
Для работы на сверлильных станках применяют такой режущий инструмент, как сверла, зенкеры, развертки и метчики.
Сверло - это основной режущий инструмент.
Зенкер служит для увеличения диаметра предварительно просверленных отверстий.
Развертки предназначаются для выполнения точных и чистовых отверстий, предварительно обработанных сверлом или зенкером.
Метчики используют при изготовлении внутренних резьб.
Фрезерные станки предназначаются для выполнения самых разнообразных работ - от обработки плоских поверхностей до обработки различных фигур. Инструментом для фрезерования служат фрезы.
Строгальные станки применяют для обработки плоских и фасонных поверхностей, а также для прорезания прямых канавок у деталей. При работе на строгальных станках металл снимают только во время рабочего хода, так как обратный ход - холостой. Скорость обратного хода в 1,5-3 раза больше скорости рабочего хода. Строгание металла осуществляется резцами.
Шлифовальные станки используют для отделочных операций, обеспечивающих высокую точность размеров и качество обрабатываемых поверхностей. В зависимости от видов шлифования станки подразделяют на круглошлифовальные - для наружного шлифования, внутришлифовальные - для внутреннего шлифования и плоскошлифовальные - для шлифования плоскостей. Детали шлифуют шлифовальными кругами.
Под слесарными работами понимают ручную обработку металла резанием. Они подразделяются на основные, сборочные и ремонтные.
Основные слесарные работы производятся с целью придания обрабатываемой детали форм, размеров, необходимой чистоты и точности, заданных чертежом.
Сборочные слесарные работы выполняются при сборке узлов из отдельных деталей и сборке машин и приборов из отдельных узлов.
Ремонтные слесарные работы осуществляются с тем, чтобы продлить срок службы металлорежущих станков, машин, кузнечных молотов и другого оборудования. Сущность таких работ заключается в исправлении или замене изношенных и поврежденных деталей.
Электрические методы обработки металлов. К ним относятся электроискровой и ультразвуковой методы. Электроискровой метод обработки металлов применяют для изготовления (прошивки) отверстий различной формы, извлечения из отверстий деталей сломанных метчиков, сверл, шпилек и т. п., а также для заточки твердосплавных инструментов. Обработке подвергаются твердые сплавы, закаленные стали и другие твердые материалы, которые не могут быть обработаны обычными способами.
Этот метод основан на явлении электрической эрозии, т. е. на разрушении металла под действием электроискровых разрядов.
Сущность электроискрового метода обработки металлов состоит в том, что к инструменту и изделию, служащим электродами, подводится электрический ток определенной силы и напряжения. При сближении электродов на определенном расстоянии между ними под действием электрического тока происходит пробой этого промежутка (зазора). В вместе пробоя возникает высокая температура, расплавляющая металл и выбрасывающая его в виде жидких частиц. Если к заготовке подвести положительное напряжение (анод), а к инструменту - отрицательное (катод), то при искровом разряде происходит, вырыв металла из заготовки. Чтобы раскаленные частицы, вырванные разрядом из электрода-изделия, не перескакивали на электрод-инструмент и не искажали его, искровой промежуток заполняют керосином или маслом.
Инструмент-электрод выполняют из латуни, меднографитовой массы и других материалов. При изготовлении отверстий электроискровым методом можно получать любой контур в зависимости от формы инструмента-катода.
Кроме электроискрового метода обработки металлов, в промышленности применяют ультразвуковой метод, основанный на использовании упругих колебаний среды со сверхзвуковой частотой (частота колебаний более 20 тыс. гц). При помощи ультразвуковых установок можно обрабатывать твердые сплавы, драгоценные камни, закаленную сталь и т. д
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.
Химические и электрические способы обработки материалов
При обработке металлов резанием получение деталей необходимых размеров достигается снятием стружки с поверхности обрабатываемой заготовки. Стружка, таким образом, является одним из наиболее распространенных отходов в металлообработке, объем которого составляет примерно 8 млн. т. в год. При этом, по меньшей мере 2 млн. т. - это отходы переработки высоколегированных и других особо ценных сталей. При обработке на современных металлорежущих станках в стружку зачастую идет до 30 - 40 % металла от общей массы заготовки.
К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменные, лазерные, ультразвуковые, а также гидропластическая обработка металлов.
При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Оно заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла в ваннах. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски, светочувствительные эмульсии и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора. Химическими методами обработки получают местные утончения и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают труднодоступные поверхности.
При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии, участвующие непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические.
Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющейся анодом, происходят химические реакции 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 и т.д.
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, проволоку. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки. Электролит подают в зону обработки через сопло.
При пропускании через раствор электролита постоянного электрического 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 и вида импульсов, применяемых для их получения генераторов, электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.
При определенном значении разности потенциалов на электродах, одним из которых является обрабатываемая заготовка (анод), а другим - инструмент (катод), между электродами образуется канал проводимости, по которому проходит импульсный искровой (электроискровая обработка) или дуговой (электроимпульсная обработка) разряд. В результате температура на поверхности обрабатываемой заготовки возрастает. При этой температуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла и на обрабатываемой поверхности заготовки образуется лунка. Удаленный металл застывает в виде мелких гранул. Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами наименьшее. При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс их эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, на котором возможен электрический пробой (0,01 - 0,05 мм) при заданном напряжении. Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически с помощью следящего устройства того или иного типа.
Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, сеток и для упрочнения поверхностного слоя деталей.
Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом (при относительном перемещении заготовки и инструмента).
Электромеханическая обработка связана преимущественно 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, лежащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки.
Различают три основных направления:
- Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
- Применение традиционных способов металлообработки, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
- Использование высокоэнергетических методов.
Выбор оптимального метода обработки определяется производственными требованиями и серийностью производства . Например, переутяжелённые конструкции оборудования вызывают повышенный расход энергии, а сниженная точность изготовления отдельных деталей и узлов – низкую производительность техники. Некоторые технологии не могут обеспечить необходимые прочностные свойства и микроструктуру металла, что в итоге сказывается на долговечности и стойкости деталей, пусть даже и изготовленных с минимальными допусками. Новая технология обработки металла основана на использовании нетрадиционных источников энергии, которые обеспечивают его размерное плавление, испарение или формообразование.
Мехобработка, связанная со снятием стружки, развивается в направлении изготовления особо высокоточных изделий преимущественно в мелкосерийном производстве. Поэтому традиционные станки уступают место оперативно переналаживаемым металлообрабатывающим комплексам с ЧПУ. Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при мехобработке он редко когда превышает 70…80% ) компенсируется минимальными допусками и высоким качеством финишной поверхности изделий.
Производители систем с числовым управлением делают основной упор на расширенные технологические возможности рассматриваемого оборудования, использовании современных высокостойких инструментальных сталей и исключении ручного труда оператора. Все подготовительно-заключительные операции на таких комплексах выполняет робототехника.
Энергосберегающие методы пластического деформирования металлов
Технология обработки металлов давлением, кроме повышенного коэффициента использования металла, обладает и другими существенными достоинствами :
- В результате пластического деформирования улучшается макро- и микроструктура изделия;
- Производительность оборудования для штамповки в разы превышает аналогичный показатель для металлорежущих станков;
- После обработки давлением повышается прочность металла, возрастает его стойкость от динамических и ударных нагрузок.
Прогрессивные процессы холодной и полугорячей штамповки – дорнование, точная резка, выдавливание, ультразвуковая обработка, штамповка в состоянии сверхпластичности, жидкая штамповка. Многие из них реализуются на автоматизированном оборудовании, оснащаемом компьютерными системами контроля и управления. Точность изготовления штампованных изделий во многих случаях не требует последующей их доводки – правки, шлифования и т.д.
Высокоэнергетические способы формоизменения
Высокоэнергетические технологии применяются в тех случаях, когда традиционными методами изменять форму и размеры металлической заготовки невозможно.
При этом используются четыре вида энергии :
- Гидравлическая - давления жидкости, либо отдельных элементов, приводимых ею в движение.
- Электрическая , при которой все процессы съёма материала выполняются с помощью разряда – дугового или искрового.
- Электромагнитная , реализующая процесс металлообработки при воздействии на заготовку электромагнитного поля.
- Электрофизическая , действующая на поверхность направленным лучом лазера.
Существуют и успешно развиваются также комбинированные способы воздействия на металл, при которых используются два и более источника энергии.
Основана на поверхностном воздействии жидкости высокого давления. Подобные установки применяются, в основном, с целью повышения качества поверхности, снятия микронеровностей, очистки поверхности от ржавчины, окалины и т.п. При этом струя жидкости может воздействовать на изделие как непосредственно, так и через абразивные компоненты, находящиеся в потоке. Абразивный материал, содержащийся в эмульсии, постоянно обновляется, чтобы обеспечить стабильность получаемых результатов.
– процесс размерного разрушения (эрозии) поверхности металла при воздействии на него импульсного, искрового или дугового разряда. Высокая плотность объёмной тепловой мощности источника приводит к размерному плавлению микрочастиц металла с последующим выносом их из зоны обработки потоком диэлектрической рабочей среды (масла, эмульсии). Поскольку при металлообработке одновременно происходят процессы локального нагрева поверхности до весьма высоких температур, то в результате твёрдость детали в зоне обработки существенно увеличивается.
Заключается в том, что обрабатываемое изделие помещается в мощное электромагнитное поле, силовые линии которого воздействуют на заготовку, помещённую в диэлектрик. Таким способом производят формовку малопластичных сплавов (например, титана или бериллия), а также листовых заготовок из стали. Аналогичным образом на поверхность действуют и ультразвуковые волны , генерируемые магнитострикционными или пьезоэлектрическими преобразователями частоты. Высокочастотные колебания применяются также и для поверхностной термообработки металлов.
Наиболее концентрированным источником тепловой энергии является лазер. – единственный способ получения в заготовках сверхмалых отверстий повышенной размерной точности. Ввиду направленности теплового действия лазера на металл, последний в прилегающих зонах интенсивно упрочняется. Лазерный луч способен производить размерную прошивку таких тугоплавких химических элементов, как вольфрам или молибден.
– пример комбинированного воздействия на поверхность химическими реакциями, возникающими при прохождении через заготовку электрического тока. В результате происходит насыщение поверхностного слоя соединениями, которые могут образовываться лишь при повышенных температурах: карбидами, нитридами, сульфидами. Подобными технологиями может выполняться поверхностное покрытие другими металлами, что используется для производства биметаллических деталей и узлов (пластин, радиаторов и т.д.).
Современные технологии обработки металлов непрерывно совершенствуются, используя новейшие достижения науки и техники.