Металлообработка

Металлообработка — что это такое

Термин «металлообработка» включает в себя несколько десятков различных процессов получения из металлических заготовок необходимых деталей и целых узлов для машин и механизмов. В каждом из процессов изменяется форма заготовки, ее размеры, физические свойства. Путем соединения деталей различными способами создают как громадные металлоконструкции (корабли, мосты, ракеты), так и мельчайшие компоненты современной техники.

Металлообработка каждого металла и сплава имеет свои особенности, свою технологию, способы и инструменты. Выбор способа обработки зависит от свойств металла, характеристик заготовки и цели. Для большинства металлов применяются следующие способы обработки:

• механическая (точение, сверление, строгание, шлифовка, фрезеровка, резка, долбление, протягивание);
• термическая (отжиг, отпуск, закалка, нормализация, глубокая заморозка);
• литьё (центробежное, электрошлаковое, в землю или в кокиль, в формы, по выплавляемым моделям);
• давлением (прессование, штамповка, прокатка, волочение, ковка); давление может быть создано механически (прессом), жидкостью, газом (воздухом), потоком частиц абразива;
• свариванием, пайкой (электросварка, газосварка, плазменная, термитная, электронно-лучевая).

Виды услуг по металлообработке

В процессах металлообработки заготовки постепенно приобретают форму и размеры, указанные в технической документации. В зависимости от физических и химических свойств металла, размеров заготовки, требуемой формы выбирают способ металлообработки, станки и инструменты. Качество материалов и культура производства напрямую влияют на долговечность металлоконструкций и произведенного оборудования.

Спрос на услуги металлообработки растет из года в год, количество заказов увеличивается; очень популярны некоторые виды работ с цветными металлами. Много предложений поступает от строительных, машиностроительных предприятий, от индивидуальных заказчиков.

К самым востребованным видам услуг по металлообработке принадлежат следующие:

• механическая; по эскизам и чертежам заказчика заготовке придают требуемый вид и размеры для дальнейшей обработки; обрабатываются главным образом внешние плоскости изделий;
• токарная — для изменения размеров деталей круглой формы, устранения припусков;
• фрезерная — для проделывания снаружи и внутри заготовок продольных пазов, углублений прямоугольной (в большинстве случаев) формы; может производиться в одной плоскости, в двух плоскостях, по сложной криволинейной траектории (таким способом изготавливаются все прямозубые и косозубые шестерни для транспорта);
• шлифовка — окончательная обработка поверхностей изделий, доводка до нужных размеров с высокой точностью (коренные и шатунные шейки коленвала, цилиндры двигателей внутреннего сгорания).

Для изготовления большого количества несложных предметов с тонкими стенками применяют такой вид металлообработки как штамповка: пластическая деформация образцов под действием механической силы. Бывает двух видов: листовая и объемная; в зависимости от температуры процесса — холодная и горячая штамповка.

Самой ответственной частью станков для этой операции являются штампы, состоящие из двух частей: матрицы и пуансона. Делают их из особо прочных сортов стали с высокоточной последующей обработкой. Объемную штамповку сложных деталей (кузова автомобилей) проводят в несколько приемов, частями, используя несколько прессов (производственная линия). Отштампованная деталь может быть не готовым изделием, а промежуточной заготовкой для дальнейших технологических процессов.

Особенности металлообработки

Выполнение заказов по металлообработке за индивидуальными проектами пользуется стабильно высоким спросом, имеет некоторые нюансы. Для работы используются многие виды металлопроката, поэтому металлообработкой могут заниматься предприятия, которые сами его производят, или компании, занимающиеся его поставками.

Ремонт испорченной техники путем замены деталей может затянуться надолго, если ее искать по каталогу, выписывать из другой страны. Значительно быстрее и проще изготовить ее на месте, пользуясь возможностями металлообработки. По качеству и свойствам изделие не уступает импортным образцам, но стоит гораздо меньше.

Во многих проектах, осуществляемых народными умельцами, необходимы оригинальные детали и узлы, которых нет в магазине, они не производятся. На помощь приходит услуга металлообработки, благодаря которой можно на заказ изготовить деталь самой сложной конфигурации.

Современное оборудование и большие запасы металла позволяют в сжатые сроки выпускать большое количество одинаковых деталей, что невозможно в кустарных условиях. Мелкие фирмы, занимающиеся металлообработкой, с успехом выполняют несложные единичные заказы, небольшие серии.

Из истории получения и применения железа

Возраст дошедших до нашего времени древнейших изделий и украшений из железа достигает 6 000 лет (4-е тысячелетие до нашей эры). Упоминания о железе, способах его получения и обработки встречаются в письменных источниках многих народностей: у шумеров, египтян, хеттов, … Детальное исследование найденных археологами железных предметов указывает на его космическое происхождение, из упавших метеоритов.

Постепенно развивалась металлообработка; в 12 веке до нашей эры в письменных источниках упоминаются первые плавки железа в примитивных печах на Кавказе, в Индии, в Африке (для изготовления орудий и инструментов). В Библии, в Главе 4, стихе 22 есть упоминание о ковке орудий из железа и меди.

Прокатка и волочение

Более трех четвертей всей стали получают одним из способов металлообработки давлением — прокаткой. В этом процессе слитки стали, цветных металлов превращают в прокат квадратного, круглого, полосового профиля; трубы, листы, фасонный профиль (тавровый, корытный, зетовый) получают этим же способом.

В процессе прокатки происходит пластическая деформация слитков между валками прокатного стана. Холодный или нагретый металл обжимается чугунными или стальными валками заданного профиля, вращающимися в противоположные стороны. Валки не только формируют профиль заготовки, но с помощью силы трения придают ей поступательное движение.

Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через отверстие — фильер; пластина с несколькими фильерами — волока. Площадь поперечного сечения фильеры меньше, чем площадь заготовки, поэтому при волочении заготовка становится тоньше и длиннее. Коэффициент утонения выбирают таким, чтобы возникающее механическое напряжение не превышало предел прочности.

Где применяется волочение?

Протягивание заготовок через отверстия различной конфигурации небольшого поперечного сечения применяют для профилей большого и среднего сечения с отношением его ширины к толщине не более 20. Профиль на выходе имеет гладкую и ровную поверхность. Оптимальной данная технология является в том случае, когда небольшие отклонения от заданного размера не играют существенной роли. Длина заготовок большого и среднего сечения не превышает 6 м.

Проволока характеризуется маленьким поперечным сечением и большой длиной, отношение ширины к толщине менее 12. Изготавливается из стали, меди, алюминия, сплавов; максимальный диаметр — 8 мм. После окончания процесса волочения поверхность поддают дополнительной обработке: растворяют верхний слой в электролите, растягивают на спецоборудовании.

Волочение оказывается оптимальным технологическим процессом при изготовлении тонкостенных трубок диаметром до 1 мм. Они могут быть не только круглыми, а с более сложной формой поперечного сечения: квадратными, прямоугольными трубками.

Волочение: специфика технологии

Далеко не все металлы и сплавы можно обрабатывать способом волочения. Пригодны пластичные материалы с высоким пределом прочности. Повышение температуры заготовок увеличивает пластичность, но снижает прочность. Для каждого материала определяют свои оптимальные параметры.

Максимальный диаметр готовой проволоки ограничен 8 мм; получение изделий больших диаметров связано с возрастающими техническими трудностями. Длина продуктов волочения ничем не ограничена, достигает десятков и сотен метров. Диаметр одинаков по всей длине; получение за один проход проволоки переменного сечения технически пока не реализовано.

В процессе протягивания под воздействием сил трения внутренние грани фильер стираются, диаметр проволоки постепенно увеличивается, поэтому их периодически меняют на новые. Через одну волоку можно параллельно протягивать несколько металлических нитей. Скорость обработки зависит от материала и диаметра готовых изделий. Для проволоки диаметром 0,05-1 мм скорость волочения достигает 20 м/с. Для высокоскоростного волочения требуется охлаждение трущихся деталей и смазка.

Обработка металлов давлением

При любом способе обработки металла давлением происходит его пластическая деформация. Для организации процесса требуется комплексный подход для реализации конструктивных и технологических решений. Обработка давлением не приводит к разрушению структуры металла. Под действием внешней силы заготовке придается заданная матрицей форма.

Поскольку металлы не только пластичны, но и упруги, необходимо время для устранения остаточных деформаций и сохранения формы изделий. Размеры деталей выдерживаются с высокой точностью. Потери металлопроката по сравнению с другими процессами обработки меньше. Работа прессов и других станков производственных линий автоматизирована.

Ассортимент металлопроката, получаемого в процессах обработки давлением, обширен:

• металлический профиль стандартных размеров и конфигурации постоянного или переменного сечения — после прокатки, прессования, волочения;
• изделия штучной номенклатуры, получаемые в процессах штамповки и ковки; изготавливаются в соответствии с конструкторской и технической документацией для новых проектов и разработок.

Ковка

Один из первых и древнейших способов обработки металла — ковка. Его повсеместное распространение и популярность обусловлены относительной простотой технологии, отсутствием сложных инструментов, доступностью исходных материалов. Для облегчения и ускорения процесса ковки обрабатываемые изделия периодически нагревают. Холодная ковка тоже возможна, но используется значительно реже.

Температура, до которой нагревают заготовку перед ковкой, своя для каждого металла. Опытные мастера определяют ее по характерному свечению поверхности. Температура ковки зависит от физических свойств металла: плотности, теплопроводности, количества легирующих добавок; для всех известных металлов и сплавов она определена опытным путем и на 10-20% ниже температуры плавления.

Если температура плавления и кристаллизации — величина точная, то температура ковки занимает определенный диапазон; для железа — 800-1250 °С, для меди — 650-1000 °С, для алюминия и сплавов на его основе — 400-480 °С, для титана — 900-1600 °С. Перед ковкой заготовку нагревают полностью или частично.

В зависимости от вида применяемых инструментов различают такие способы ковки:

• на молотах с пневматическим, гидравлическим, паровым, электрическим приводом;
• ручная ковка;
• штамповка.

Готовые изделия и незаконченные детали, предназначенные для дальнейших процессов обработки, называются поковками. Ковка может быть как свободной, при которой значение имеет форма изделия, а не его точные размеры, так и с применением штампов. В процессе свободной ковки используется ручной инструмент и спецоборудование, к которому принадлежат:

• молоты; масса ударных приспособлений варьируется в пределах 40 кг — 5 т;
• гидравлические пресса, развивающие усилие 2-200 МН;
• ковочные устройства и механизмы.

Особенности свободной ковки

Возможен вариант свободной ковки с установкой ограничителей размеров с одной или нескольких сторон. Удары могут производиться по самой поковке или по обрабатывающему инструменту. Особенности процесса в том, что время воздействия ударом незначительное и оно может быть направлено не на всю поковку, а на выделенную часть.

В процессе свободной ковки происходит изменение структуры металла, улучшаются качественные его характеристики. Происходит дробление крупных кристаллов, устраняются структурные дефекты, повышается прочность. Мелкозернистый состав и волокнистое строение придают поковкам особую твердость.

Поковки могут иметь массу до 100 т и более; для их подъема и перемещения применяют грузоподъемные машины: краны, манипуляторы.

По энергетическим затратам и сложности оборудования ковка — экономически выгодный способ обработки металла. Использование штампов выгодно при массовом, крупносерийном производстве однотипных деталей с минимальными изменениями конфигурации. В мелкосерийном и поштучном производстве уникальных изделий предпочтительнее свободная ковка с применением специальных кузнечных инструментов и приспособлений.

Некоторые простые операции по обработке металлических заготовок небольшого размера и веса можно провести в бытовых условиях. Слесарного верстака, фрезерного, шлифовального станка и ручного электроинструмента достаточно для ремонта и изготовления несложных изделий. Наличие кузницы значительно расширяет возможности домашних умельцев.

Свободная ковка в домашних условиях требует знания свойств металлов, опыта и инструмента. Ответы на многие вопросы для начинающих и опытных мастеров собраны на страницах сайта. В статьях изложена не только теория кузнечного производства, но и практические советы. Компания «Ресурс» предоставляет услуги по всем видам металлообработки на промышленном оборудовании.