Основные виды обработки металлов. Механическая обработка металла: виды и способы

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.

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.

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);

Наиболее распространенный способ изготовления деталей связан с удалением слоя материала , в результате чего получается поверхность с чистотой, величина которой зависит от технологии и режимов обработки.

Вид обработки с удалением слоя материала обозначается знаком, в виде латинской буквы « V » который состоит из трёх отрезков, два из которых менее длинные третьего и один из них расположен горизонтально.

Обработка резанием получила широкое распространение во всех отраслях промышленного производства связанных с формоизменением геометрических размеров различных материалов, например таких как: дерево, металлы и сплавы, стекло, керамические материалы, пластмассы.

Суть процесса обработки с удалением слоя материала заключается в том, что с помощью специального режущего инструмента с заготовки удаляют слой материала, постепенно приближая форму и размеры к конечному изделию в соответствии с техническим заданием. Методы обработки резанием разделяются на ручную обработку и станочную. С помощью ручной обработки производится отделка материала с использованием таких инструментов как: ножовка, напильник, сверло, зубило, надфиль, стамеска и многое другое. На станках используются резцы, свёрла, фрезы, зенковки, зенкера и др.

В машиностроении основным видом обработки является процесс резания на металлорежущих станках, который выполняют согласно техническому заданию.

Наиболее распространение виды обработки материалов резанием это: точение и растачивание, фрезерование, шлифование, сверление, строгание, протягивание, полировка. В качестве оборудования для обработки материалов резанием используются универсальные токарные и фрезерные станки, сверлильные станки, зуборезные и шлифовальные станки, протяжные и т.д.

От шероховатости поверхности зависит и прочность деталей . Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках, объясняется наличием концентраций напряжений, из-за присущих ей неровностей. Чем меньше степень шероховатости, тем меньше вероятность возникновения поверхностных трещин вследствие усталости металла. Дополнительные отделочные виды обработки деталей такие как: доводка, полирование, притирка и т. п., обеспечивает весьма значительное повышение уровня их прочностных характеристик.

Улучшение качественных показателей шероховатости поверхности значительно увеличивает антикоррозионную стойкость поверхностей деталей. Это становится особенно актуально в том случае, когда для рабочих поверхностей не могут быть задействованы защитные покрытия, к примеру, у поверхности цилиндров двигателей внутреннего сгорания и других сходных элементов конструкций.

Должное качество поверхности играет значительную роль и в сопряжениях, отвечающих условиям герметичности, плотности и теплопроводности.

С понижением параметров шероховатости поверхностей улучшается их способность отражать электромагнитные, ультразвуковые и световые волы; снижаются потери электромагнитной энергии в волноводах, резонансных системах, уменьшается емкостные показатели; в электровакуумных приборах убавляется газопоглощение и выделение газов, становится более лёгкая очистка деталей от адсорбированных газов, паров и пыли.

Важной рельефной характеристикой качества поверхности является направленность следов остающихся после механической и других видов обработки. Она влияет на стойкость к износу рабочей поверхности, определяет качество посадок, надёжность прессовых соединений. В ответственных случаях разработчик должен оговаривать направление следов обработки на поверхности детали. Это может оказаться актуальным, например, в связи с направлением скольжения сопрягаемых деталей или способом движения по детали жидкости или газа. Износ значительно уменьшается при совпадении направлений скольжения с направлением шероховатости обеих деталей.

Высоким требованиям точности отвечают шероховатость с минимальным значением. Это определяется не только условиями, в которых задействованы сопрягаемые детали, но и необходимостью получения точных результатов измерения в производстве. Уменьшение шероховатости имеет большое значение для сопряжений, так как размер, зазора или натяга, полученный в результате измерения частей деталей, отличается от размера номинального зазора или натяга.

Для того чтобы поверхности деталей получались эстетически красивыми, их обрабатывают до получения минимальных значений шероховатости. Полированные детали помимо красивого внешнего вида создают условия для удобства содержания их поверхностей в чистоте.

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.