Виды обработки металлов: основные методы и способы

Металлообработка - одна из важнейших отраслей промышленности. Без нее невозможно представить современное машиностроение, приборостроение, автомобилестроение и многие другие сферы. В этой статье мы подробно разберем основные способы обработки металлов, чтобы получить представление об этой многогранной отрасли.

Литье

Литье является одним из древнейших способов обработки металлов. Еще в бронзовом веке люди научились изготавливать изделия, заливая расплавленный металл в формы из глины или камня. Суть процесса литья заключается в том, что металл расплавляется, а затем заполняет полость литейной формы, повторяя ее контуры. После затвердевания получается отливка с заданной формой.

Существует несколько разновидностей литья:

• Литье в песчаные формы - традиционный метод, используемый с древности. Форма изготавливается из смеси песка и глины.
• Кокильное литье - форма изготавливается из металла, что позволяет получить более точную поверхность отливки.
• Литье под давлением - расплавленный металл заливается в форму под высоким давлением.
• Центробежное литье - расплав разливается во вращающуюся форму под действием центробежных сил.

Для осуществления процесса литья используется специальное оборудование - плавильные печи, литейные машины, формовочные автоматы. Современные технологии литья позволяют получать отливки высокой точности и сложных конфигураций.

Основные преимущества литья как метода обработки металлов:

• Возможность изготовления крупногабаритных изделий сложных форм
• Высокая производительность
• Низкая себестоимость единицы продукции при массовом производстве

К недостаткам литья относятся относительно низкие механические свойства отливок и значительные припуски на механическую обработку. Тем не менее, этот метод широко применяется в машиностроении, автомобилестроении, судостроении и других отраслях для изготовления корпусных деталей, коленчатых валов, блоков цилиндров и многих других изделий.

Литье обладает большим потенциалом для дальнейшего развития. Создание новых формовочных материалов, компьютерное моделирование процессов позволяет совершенствовать это традиционное производство и расширять области его применения.

Ковка

Ковка является одним из древнейших способов обработки металла. Еще в железном веке люди освоили искусство ручной ковки. Суть этого процесса заключается в пластической деформации металла путем нанесения ударов или давления для придания ему нужной формы. Различают следующие основные виды ковки:

• Свободная ковка осуществляется ударами молота по нагретому металлу.
• Ковка в штампах производится с использованием специальных форм.
• Объемная штамповка позволяет получать объемные поковки сложной формы.

Для ковки применяются молоты, прессы и другое специальное оборудование. В зависимости от вида обработки используются различные кузнечные молоты, штампы, гидравлические прессы.

Основные преимущества ковки:

• Повышение прочности металла за счет деформационного упрочнения
• Возможность получения сложных поковок
• Высокая точность изделий

К недостаткам можно отнести высокую стоимость инструментов для ковки и ограничения по размерам поковок. Применяется ковка в авиа- и судостроении, для изготовления деталей машин. Перспективно использование высокоскоростной объемной штамповки на гидравлических прессах для получения особо прочных деталей.

Прокатка

Прокатка является эффективным способом обработки металлов давлением, заключающимся в пластической деформации заготовки между вращающимися валками. Различают несколько основных видов прокатки:

• Листовая прокатка для производства листового проката.
• Сортовая прокатка профилей различных сечений.
• Безоблочная прокатка для получения труб.

Для прокатки применяются станы различных конструкций: двухвалковые, трехвалковые, непрерывные. Современные станы оснащены системами автоматического управления для обеспечения необходимых режимов деформации.

К преимуществам прокатки относятся:

• Высокая производительность процесса.
• Хорошее качество поверхности проката.
• Точность прокатки по размерам и форме.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость прокатного оборудования. Прокатка широко используется в черной металлургии для производства сортового и листового проката. Перспективно применение непрерывных широкополосных станов и новых режимов горячей прокатки для повышения качества металлопродукции.

Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением - это группа технологических процессов, в которых заготовка деформируется без нарушения сплошности металла. К основным методам обработки давлением относятся:

• Прессование - деформирование заготовки в закрытом штампе.
• Волочение - протягивание заготовки через коническое отверстие.
• Выдавливание - истечение металла через формообразующее отверстие.

Для реализации этих методов применяются прессы, волочильные станы, выдавливающие агрегаты. Современное оборудование для ОМД оснащается системами ЧПУ и роботизированными комплексами.

К достоинствам обработки давлением относятся:

• Возможность получения сложных профилей деталей.
• Высокое качество поверхности.
• Повышение механических свойств металла.

К недостаткам можно отнести ограничения по размерам и форме деталей. Обработка давлением широко применяется в автомобилестроении, авиастроении, производстве труб. Перспективным направлением является создание гибких производственных систем для ОМД на базе прессового оборудования с ЧПУ.

Электрофизические методы обработки

К электрофизическим видам обработки относятся следующие методы:

• Электроэрозионная обработка - разрушение металла импульсными электрическими разрядами.
• Электрохимическая обработка - растворение поверхности заготовки под действием электрического тока.
• Лазерная обработка - испарение металла сфокусированным лазерным лучом.

Для реализации этих методов используются электроэрозионные, электрохимические и лазерные установки. К преимуществам электрофизических методов можно отнести возможность обработки любых электропроводных материалов, высокую точность и качество обработки. Они позволяют получать сложные поверхности деталей, недостижимые другими методами. Ограничением является невысокая производительность. Электрофизические методы применяются для изготовления штампов и пресс-форм, в авиа- и ракетостроении.

Термическая обработка

Термическая обработка заключается в нагреве металлических изделий до определенных температур, выдержке и последующем охлаждении для придания нужных свойств. Различают следующие основные ^виды термообработки:

• Отжиг - нагрев для снятия внутренних напряжений.
• Закалка - быстрое охлаждение для повышения твердости.
• Отпуск - нагрев для снятия хрупкости после закалки.

Применяются печи, закалочные установки, термические автоматы. К преимуществам термообработки относятся улучшение механических свойств деталей, повышение износостойкости, коррозионной стойкости. К недостаткам - возможные коробление и растрескивание деталей. Термическая обработка широко используется в машиностроении, инструментальном производстве.

Нанесение покрытий

Нанесение покрытий на поверхность металлических изделий позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики. Различают следующие методы нанесения покрытий:

• Гальванические покрытия осаждаются электролизом на поверхность деталей.
• Газотермические покрытия напыляются распылением материалов в плазменной струе.
• Химические покрытия осаждаются из растворов.

Используются гальванические ванны, плазменные и детонационные установки. Покрытия повышают коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность деталей. К недостаткам можно отнести дополнительные операции подготовки поверхности. Нанесение покрытий широко применяется в автомобилестроении, авиастроении, химическом машиностроении.

Механическая обработка

Механическая обработка металлов включает такие методы, как точение, фрезерование, сверление, шлифование. Эти методы основаны на снятии слоя материала с заготовки режущим инструментом.

Точение производится на токарных станках путем обработки заготовки резцом. Фрезерование осуществляется фрезами на фрезерных станках. Сверление отверстий выполняется спиральными сверлами. Шлифование абразивными кругами на шлифовальных станках.

Для реализации используются токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные и другие станки. Современное оборудование оснащено ЧПУ и роботизировано.

Преимущества механической обработки - высокая точность размеров, хорошее качество поверхности. К недостаткам относятся ограничения по конфигурации деталей, большая металлоемкость.

Механическая обработка широко используется для изготовления деталей машин, приборов, автомобилей. Перспективно внедрение гибких производственных систем на базе обрабатывающих центров с ЧПУ.

Аддитивные технологии

К аддитивным технологиям относятся методы, основанные на послойном создании изделий по 3D-модели. Наиболее распространены:

• Селективное лазерное спекание - спекание порошкового материала лазером.
• Лазерное сплавление - сплавление металлического порошка.

Используются установки селективного лазерного сплавления и плавления. Преимущества аддитивных технологий - изготовление деталей сложной геометрии, сокращение отходов материала. К недостаткам относится пока относительно низкая производительность и высокая стоимость оборудования.

Аддитивные технологии перспективны для изготовления уникальных изделий малыми партиями, в том числе для аэрокосмической и медицинской отраслей.

Роботизация процессов

Современные технологии предусматривают высокий уровень автоматизации и роботизации процессов обработки металлов. Применяются промышленные роботы для выполнения таких операций, как:

• Загрузка/разгрузка заготовок и деталей
• Транспортировка внутри цеха
• Контроль качества

Роботизация позволяет повысить производительность труда, сократить производственный цикл, облегчить труд операторов. Перспективно создание гибких автоматизированных производственных систем, интегрирующих оборудование с ЧПУ и промышленных роботов.

Цифровизация производства

Современные технологии металлообработки немыслимы без широкого применения цифровых решений, таких как:

• Системы автоматизированного проектирования
• Программирование оборудования
• Моделирование и оптимизация техпроцессов
• Автоматизированные системы управления

Цифровизация обеспечивает высокое качество и точность обработки, сокращает сроки и затраты. Перспективны сквозное проектирование изделий и техпроцессов, виртуальные испытания, интеллектуальные системы поддержки принятия решений.