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);
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.
Металлообрабатывающее оборудование на сегодняшний день нашло широкое применение в различных промышленных отраслях: железнодорожной отрасли, энергетике, авиа и судостроении, строительстве, машиностроении и так далее.
Выбор станков напрямую зависит от объемов производства (механические, ручные, с ЧПУ, автоматические и так далее), необходимого качества детали и вида обработки.
Токарно-фрезерная обработка
Механическая обработка используется для того, чтобы производить новые поверхности. Работа состоит в разрушении слоя определенной области: при этом режущий инструмент осуществляет контроль степени деформации. Основным оборудованием для механической обработки металлов являются токарные и фрезерные станки, а также универсальные токарно-фрезерные обрабатывающие центры.
Токарная обработка - это процесс резания металла, осуществляемый при линейной подаче режущего инструментом при одновременном вращении заготовки.
Точение осуществляется срезанием с поверхности заготовки определенного слоя металла с помощью резцов, сверл или других режущих инструментов.
Главным движением при точении является вращение заготовки.
Движением подачи при точении является поступательное перемещение резца, которое может совершаться вдоль или поперек изделия, а также под постоянным или изменяющимся углом к оси вращения изделия.
Фрезерная обработка - это процесс резания металла, осуществляемый вращающимся режущим инструментом при одновременной линейной подаче заготовки.
Материал с заготовки снимают на определенную глубину фрезой, работающей либо торцовой стороной, либо периферией.
Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы.
Движением подачи при фрезеровании является поступательное перемещение обрабатываемой детали.
Токарно-фрезерная обработка металлов выполняется с помощью универсальных обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяющих выполнять сложнейшую высокоточную обработку без учета человеческого фактора. ЧПУ предполагает, что каждым этапом выполняемых работ управляет компьютер, которому задается определенная программа. Обработка детали на станке с ЧПУ обеспечивает максимально точные размеры готового изделия, т.к. все операции выполняются с одной установки обрабатываемой заготовки.
Электроэрозионная обработка
Суть метода электроэрозионной обработки (резки) заключается в полезном использовании электрического пробоя при обработке поверхности.
При сближении электродов, находящихся под током, происходит разряд, разрушительное воздействие которого проявляется на аноде, которым служит обрабатываемый материал.
Межэлектродное пространство заполняется диэлектриком (керосином, дистиллированной водой или специальной рабочей жидкостью), в котором разрушающее воздействие на анод значительно более действенно, чем в воздухе. Диэлектрик также играет роль катализатора процесса распада материала, т. к. он - при разряде в зоне эрозии - превращается в пар. При этом происходит «микровзрыв» пара, который также разрушает материал.
Важнейшим преимуществом проволочно-вырезных станков является малый радиус эффективного сечения инструмента (проволоки), а также возможность точного пространственного ориентирования режущего инструмента. В силу этого возникают уникальные возможности для изготовления точных деталей в широком диапазоне размеров с достаточно сложной геометрией.
Для некоторых изготавливаемых деталей применение электроэрозионной обработки является предпочтительным, в сравнении с другими видами обработки.
Электроэрозионные проволочно-вырезные станки позволяет рационально осуществить операции по:
изготовлению деталей со сложной пространственной формой и повышенными требованиями к точности и чистоте обработки, в том числе деталей из металла с повышенной твердостью и хрупкостью;
изготовлению фасонных резцов, матриц, пуансонов, вырубных штампов, лекал, копиров и сложных пресс-форм в инструментальном производстве.
Гидроабразивная обработка
Гидроабразивная обработка металла – это один из наиболее высокотехнологических процессов, обладающий высокими показателями точности и экологичности производства. Процесс гидроабразивной резки заключается в обработке заготовки тонкой струей воды под большим давлением с добавлением абразивного материала (например, мельчайший кварцевый песок). Технологический процесс гидроабразивной резки является очень точным и качественным способом обработки металла.
В процессе гидроабразивной обработки вода смешивается в специальной камере с абразивом и проходит через очень узкое сопло режущей головки под высоким давлением (до 4000 бар). Гидроабразивная смесь выходит из режущей головки со скоростью, превышающей скорость звука (часто более чем в 3 раза).
Наиболее производительное и универсальное оборудование – это системы консольного и портального типа. Такое оборудование идеально подходит, например, для аэрокосмической и автомобильной промышленности; оно может широко использоваться в любых других отраслях.
Гидроабразивный раскрой является безопасным способом обработки. Резка водой не производит вредных выделений и (за счет возможности получения узкого реза) экономично расходует обрабатываемый материал. Hет зон термического воздействия, закаливания. Небольшая механическая нагрузка на материал облегчает обработку сложных деталей, особенно с тонкими стенками.
Одним из важнейших преимуществ водоструйной технологии является возможность обработки практически любых материалов. Данное свойство делает технологию гидроабразивной резки незаменимой в ряде технологических производств и делает ее применимой практически в каждом производстве.
Лазерная обработка
Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.
Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния.
Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:
отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO 2 -лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств.
Благодаря высокой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.
16 Сен 2017 Suhih Victor
Несмотря на появление новых инновационных материалов, металл остаётся основой промышленности и строительства. Новые технологии машиностроения позволяют разработать новые способы обработки металлов, что и является главной задачей технологов и конструкторов. Обработка металлов по новым технологиям ведется с целью улучшения качества, повышения точности обработки, производительности и уменьшения количества отходов.
Различают три основных направления обработки металлов:
- Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
- Применение традиционных способов обработки металлов, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
- Использование высокоэнергетических методов.
Выбор оптимального метода обработки металлов определяется производственными требованиями и серийностью производства. Например, очень тяжелые 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.
Механическая обработка металла, 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 (Числовое Программное Управление). Числовое Программное Управление — станок, работающий на числовом программном управлении, способен совершать те или иные действия, которые ему задаются при помощи специальной программы. Параметры работы станка задаются посредством цифр и математических формул, после этого он выполняет работу согласно указанным программой требованиям. Программа может задавать такие параметры, как:
- мощность;
- скорость работы;
- ускорение;
- вращение и многое другое.
Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при механической обработке 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 металлов
Высокоэнергетические технологии обработки металлов 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 обработки металлов 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.
Гидроабразивная обработка металлов 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 обработке металла 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.
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