Металлообработка — это процесс формования и переформования металлов для создания полезных объектов, деталей, узлов и крупномасштабных структур. Как термин, он охватывает широкий и разнообразный спектр процессов, навыков и инструментов для производства объектов любого масштаба: от огромных кораблей , зданий и мостов до точных деталей двигателей и изящных ювелирных изделий .
Исторические корни металлообработки уходят корнями в историю, предшествующую письменным источникам; ее использование охватывает культуры, цивилизации и тысячелетия. Она развивалась от обработки мягких, природных металлов, таких как золото , с помощью простых ручных инструментов, через плавку руд и горячую ковку более твердых металлов, таких как железо , вплоть до высокотехнологичных современных процессов, таких как механическая обработка и сварка . Она использовалась как промышленность, двигатель торговли, индивидуальных хобби и в создании произведений искусства; [1] ее можно рассматривать как науку и ремесло.
Современные процессы металлообработки, хотя и разнообразны и специализированы, могут быть отнесены к одной из трех широких областей, известных как процессы формовки, резки или соединения. Современные мастерские по металлообработке, обычно известные как механические цеха , содержат широкий спектр специализированных или универсальных станков, способных создавать высокоточные, полезные продукты. Многие более простые методы металлообработки, такие как кузнечное дело , больше не являются экономически конкурентоспособными в больших масштабах в развитых странах; некоторые из них все еще используются в менее развитых странах для ремесленных или хобби-работ или для исторической реконструкции.
Древнейшим археологическим свидетельством добычи и обработки меди было обнаружение медного кулона в северном Ираке, датируемого 8700 годом до н. э. [2] Самым ранним обоснованным и датированным свидетельством обработки металлов в Америке была обработка меди в Висконсине , недалеко от озера Мичиган . Медь ковали до тех пор, пока она не становилась хрупкой, а затем нагревали, чтобы ее можно было обрабатывать дальше. В Америке эта технология датируется примерно 4000–5000 годами до н. э. [3] Древнейшие золотые артефакты в мире происходят из болгарского некрополя Варна и датируются 4450 годом до н. э.
Не все металлы требовали огня для их получения или обработки. Айзек Азимов предположил, что золото было «первым металлом». [4] Он рассуждал так: по своей химии оно встречается в природе в виде самородков чистого золота. Другими словами, золото, каким бы редким оно ни было, иногда встречается в природе как самородный металл . Некоторые металлы также можно найти в метеоритах . Почти все другие металлы встречаются в рудах , минералосодержащих породах , которым требуется тепло или какой-либо другой процесс для высвобождения металла. Еще одной особенностью золота является то, что его можно обрабатывать сразу после того, как его нашли, что означает, что для обработки металла не требуется никаких технологий, кроме каменного молота и наковальни . Это является результатом таких свойств золота, как ковкость и пластичность . Самыми ранними инструментами были камень, кость , дерево и сухожилия , и все это было достаточно для обработки золота.
В неизвестное время стал известен процесс высвобождения металлов из горных пород с помощью нагрева, и горные породы, богатые медью, оловом и свинцом, стали пользоваться спросом. Эти руды добывались везде, где их узнавали. Остатки таких древних рудников были найдены по всей Юго-Западной Азии . [5] Металлообработка осуществлялась южноазиатскими жителями Мехргарха между 7000 и 3300 годами до н. э. [6] Конец начала металлообработки приходится на период около 6000 года до н. э., когда плавка меди стала обычным явлением в Юго-Западной Азии.
Древние цивилизации знали семь металлов. Здесь они расположены в порядке их окислительного потенциала (в вольтах ):
Окислительный потенциал важен, поскольку он является одним из показателей того, насколько прочно металл связан с рудой. Как можно видеть, железо значительно выше, чем остальные шесть металлов, а золото значительно ниже, чем шесть металлов выше. Низкая степень окисления золота является одной из главных причин, по которой золото находят в самородках. Эти самородки представляют собой относительно чистое золото и пригодны для обработки по мере их нахождения.
Медная руда, будучи относительно распространенной, и оловянная руда стали следующими важными веществами в истории металлообработки. Используя тепло для выплавки меди из руды, было произведено большое количество меди. Она использовалась как для ювелирных изделий , так и для простых инструментов. Однако сама по себе медь была слишком мягкой для инструментов, требующих кромок и жесткости. В какой-то момент в расплавленную медь добавили олово, и таким образом была разработана бронза . Бронза - это сплав меди и олова. Бронза была важным достижением, поскольку она обладала прочностью кромок и жесткостью, которых не хватало чистой меди. До появления железа бронза была самым передовым металлом для инструментов и оружия общего пользования ( подробнее см. в разделе Бронзовый век ).
За пределами Юго-Западной Азии эти же достижения и материалы были обнаружены и использованы по всему миру. Люди в Китае и Великобритании начали использовать бронзу, уделяя мало времени меди. Японцы начали использовать бронзу и железо почти одновременно. В Америке все было по-другому. Хотя народы Америки знали металлы, только с европейской колонизацией обработка металла для инструментов и оружия стала обычным явлением. Ювелирные изделия и предметы искусства были основными сферами применения металлов в Америке до европейского влияния.
Около 2700 г. до н. э. производство бронзы было распространено в местах, где можно было собрать необходимые материалы для плавки, нагрева и обработки металла. Железо начали выплавлять, и оно стало важным металлом для инструментов и оружия. Последующий период стал известен как железный век . [ необходима цитата ]
К историческим периодам фараонов в Египте , ведических царей в Индии , племен Израиля и цивилизации майя в Северной Америке , среди других древних народов, драгоценные металлы начали иметь ценность. В некоторых случаях правила владения, распределения и торговли были созданы, введены в действие и согласованы соответствующими народами. К вышеуказанным периодам мастера по металлу были очень искусны в создании предметов украшения, религиозных артефактов и торговых инструментов из драгоценных металлов (цветных), а также оружия, как правило, из черных металлов и/или сплавов . Эти навыки были хорошо выполнены. Эти методы практиковались ремесленниками, кузнецами , практиками атхарваведы , алхимиками и другими категориями мастеров по металлу по всему миру. Например, метод грануляции использовался многочисленными древними культурами до того, как исторические записи показывают, что люди путешествовали в далекие регионы, чтобы поделиться этим процессом. Мастера по металлу сегодня все еще используют этот и многие другие древние методы.
С течением времени металлические предметы стали более распространенными и все более сложными. Необходимость дальнейшего приобретения и обработки металлов возросла. Навыки, связанные с извлечением металлических руд из земли, начали развиваться, и кузнецы по металлу стали более осведомленными. Кузнецы по металлу стали важными членами общества. Судьбы и экономика целых цивилизаций были в значительной степени затронуты доступностью металлов и кузнецов по металлу. Металлург зависит от добычи драгоценных металлов для изготовления ювелирных изделий , создания более эффективной электроники , а также для промышленных и технологических применений от строительства до грузовых контейнеров , железной дороги и воздушного транспорта . Без металлов товары и услуги перестали бы перемещаться по всему миру в тех масштабах, которые мы знаем сегодня.
Металлообработка обычно делится на три категории: формовка , резка и соединение . Большая часть резки металла выполняется инструментами из быстрорежущей стали или твердосплавными инструментами. [7] Каждая из этих категорий содержит различные процессы.
Перед большинством операций металл необходимо разметить и/или измерить в зависимости от желаемого конечного продукта.
Разметка (также известная как макет) — это процесс переноса дизайна или рисунка на заготовку и первый шаг в ручном металлообработке. Она выполняется во многих отраслях промышленности или хобби, хотя в промышленности повторение исключает необходимость разметки каждой отдельной детали. В области металлообработки разметка заключается в переносе плана инженерана заготовку для подготовки к следующему этапу — обработке или производству.
Штангенциркули — это ручные инструменты, предназначенные для точного измерения расстояния между двумя точками. Большинство штангенциркулей имеют два набора плоских параллельных кромок, используемых для измерения внутреннего или внешнего диаметра. Эти штангенциркули могут иметь точность до одной тысячной дюйма (25,4 мкм). Различные типы штангенциркулей имеют различные механизмы для отображения измеренного расстояния. Когда более крупные объекты необходимо измерить с меньшей точностью,часто используется рулетка .
Литье позволяет получить определенную форму путем заливки расплавленного металла в форму и остывания без применения механической силы. Формы литья включают:
Эти процессы формования модифицируют металл или заготовку путем деформации объекта, то есть без удаления какого-либо материала. Формование осуществляется с помощью системы механических сил и, особенно при объемной формовке металла, с помощью тепла.
Пластическая деформация подразумевает использование тепла или давления для того, чтобы сделать заготовку более проводящей к механической силе. Исторически это и литье выполнялись кузнецами, хотя сегодня этот процесс стал промышленным. При объемной формовке металла заготовка обычно нагревается.
Эти типы процесса формовки включают применение механической силы при комнатной температуре. Однако некоторые недавние разработки включают нагрев штампов и/или деталей. Достижения в области автоматизированной технологии металлообработки сделали возможной прогрессивную штамповку, которая представляет собой метод, который может охватывать пробивку, чеканку, гибку и несколько других способов, указанных ниже, которые модифицируют металл с меньшими затратами, в результате чего образуется меньше отходов. [9]
Резка — это совокупность процессов, в ходе которых материал доводится до заданной геометрии путем удаления излишков материала с использованием различных видов инструментов, чтобы получить готовую деталь, соответствующую спецификациям. Конечным результатом резки являются два продукта: отходы или излишки материала и готовая деталь. В деревообработке отходами являются опилки и излишки древесины. При резке металлов отходами являются стружка или стружка и излишки металла.
Процессы резки делятся на три основные категории:
Сверление отверстия в металлической детали — наиболее распространенный пример процесса получения стружки. Использование кислородно-топливной резательной горелки для разделения стальной пластины на более мелкие части — пример сжигания. Химическое фрезерование — пример специального процесса, который удаляет излишки материала с помощью травильных и маскирующих химикатов.
Существует множество технологий резки металла, в том числе:
Смазочно-охлаждающая жидкость или хладагент используются там, где есть значительное трение и тепло на режущем интерфейсе между резцом, таким как сверло или концевая фреза, и заготовкой. Охлаждающая жидкость обычно вводится путем распыления по поверхности инструмента и заготовки для уменьшения трения и температуры на интерфейсе режущий инструмент/заготовка, чтобы предотвратить чрезмерный износ инструмента. На практике существует много методов подачи хладагента.
Использование угловой шлифовальной машины при резке не является предпочтительным, так как образуется большое количество вредных искр и паров (и частиц ) по сравнению с использованием возвратно-поступательной или ленточной пилы . [12] Угловые шлифовальные машины производят искры при резке черных металлов. Они также производят осколки при резке других материалов.
Фрезерование — это сложная обработка металла или других материалов путем удаления материала для придания им окончательной формы. Обычно это делается на фрезерном станке , машине с электроприводом, которая в своей базовой форме состоит из фрезы , вращающейся вокруг оси шпинделя (как сверло ) , и рабочего стола , который может перемещаться в нескольких направлениях (обычно в двух измерениях [оси x и y] относительно заготовки). Шпиндель обычно перемещается по оси z. Можно поднять стол (на котором лежит заготовка). Фрезерные станки могут управляться вручную или с помощью числового программного управления (ЧПУ) и могут выполнять огромное количество сложных операций, таких как прорезание пазов, строгание , сверление и нарезание резьбы , выборка пазов , фрезерование и т. д. Два распространенных типа фрезерных станков — горизонтальный и вертикальный.
Изготавливаемые детали обычно представляют собой сложные 3D-объекты, которые преобразуются в координаты x, y и z, которые затем подаются в станок с ЧПУ и позволяют ему выполнять требуемые задачи. Фрезерный станок может производить большинство деталей в 3D, но некоторые требуют вращения объектов вокруг осей координат x, y или z (в зависимости от необходимости). Допуски бывают разных стандартов в зависимости от региона. В странах, все еще использующих имперскую систему, это обычно тысячные доли дюйма (единица, известная как thou ), в зависимости от конкретного станка. Во многих других европейских странах вместо этого используются стандарты, следующие ISO.
Для того чтобы и сверло, и материал оставались холодными, используется высокотемпературная охлаждающая жидкость. В большинстве случаев охлаждающая жидкость распыляется из шланга непосредственно на сверло и материал. Эта охлаждающая жидкость может управляться как машиной, так и пользователем, в зависимости от машины.
Материалы, которые можно фрезеровать, варьируются от алюминия до нержавеющей стали и почти всего между ними. Каждый материал требует разной скорости фрезерного инструмента и отличается количеством материала, которое можно удалить за один проход инструмента. Более твердые материалы обычно фрезеруются на более низких скоростях с небольшим количеством удаляемого материала. Более мягкие материалы различаются, но обычно фрезеруются с высокой скоростью фрезы.
Использование фрезерного станка увеличивает затраты, которые учитываются в процессе производства. При каждом использовании станка также используется охлаждающая жидкость, которую необходимо периодически добавлять, чтобы предотвратить поломку сверл. Фрезерное сверло также необходимо менять по мере необходимости, чтобы предотвратить повреждение материала. Время является самым большим фактором затрат. Для выполнения сложных деталей могут потребоваться часы, в то время как для очень простых деталей требуются всего несколько минут. Это, в свою очередь, также изменяет время производства, поскольку для каждой детали потребуется разное количество времени.
Безопасность — ключ к успеху в этих станках. Фрезы движутся с высокой скоростью и удаляют куски обычно обжигающе горячего металла. Преимущество фрезерного станка с ЧПУ в том, что он защищает оператора станка.
Токарная обработка — это процесс резки металла для получения цилиндрической поверхности с помощью одноточечного инструмента. Заготовка вращается на шпинделе, а режущий инструмент подается в нее радиально, аксиально или обоими способами. Изготовление поверхностей, перпендикулярных оси заготовки, называется торцеванием. Изготовление поверхностей с использованием как радиальной, так и аксиальной подачи называется профилированием. [13]
Токарный станок — это станок, который вращает блок или цилиндр материала таким образом, что при применении абразивных , режущих или деформирующих инструментов к заготовке можно придать ей форму, которая будет иметь вращательную симметрию относительно оси вращения . Примерами объектов, которые можно изготовить на токарном станке, являются подсвечники , коленчатые валы , распределительные валы и опоры подшипников .
Токарные станки имеют четыре основных компонента: станину, переднюю бабку, каретку и заднюю бабку. Станина представляет собой точное и очень прочное основание, на котором для выравнивания покоятся все остальные компоненты. Шпиндель передней бабки фиксирует заготовку с помощью патрона , кулачки которого (обычно три или четыре) затянуты вокруг детали. Шпиндель вращается с высокой скоростью, обеспечивая энергию для резки материала. В то время как исторически токарные станки приводились в действие ремнями от линейного вала , современные образцы используют электродвигатели. Заготовка выступает из шпинделя вдоль оси вращения над плоской станиной. Каретка представляет собой платформу, которую можно перемещать точно и независимо параллельно и перпендикулярно оси вращения. Закаленный режущий инструмент удерживается на нужной высоте (обычно посередине заготовки) резцедержателем. Затем каретка перемещается вокруг вращающейся заготовки, и режущий инструмент постепенно удаляет материал с заготовки. Заднюю бабку можно скользить вдоль оси вращения, а затем фиксировать на месте по мере необходимости. Он может содержать центры для дополнительной фиксации заготовки или режущие инструменты, ввинчиваемые в конец заготовки.
Другие операции, которые можно выполнять с помощью одноточечного инструмента на токарном станке: [13]
Снятие фаски: Срезание угла на углу цилиндра.
Разделение: Инструмент подается радиально в заготовку, чтобы отрезать конец детали.
Нарезание резьбы : Инструмент подается вдоль и поперек внешней или внутренней поверхности вращающихся деталей для создания внешней или внутренней резьбы .
Расточка : Одноточечный инструмент подается линейно и параллельно оси вращения для создания круглого отверстия.
Сверление : Подача сверла в заготовку в осевом направлении.
Накатка : Использует инструмент для создания шероховатой текстуры поверхности на заготовке. Часто используется для обеспечения захвата рукой металлической детали.
Современные токарные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и обрабатывающие центры (ЧПУ) могут выполнять вторичные операции, такие как фрезерование, используя приводные инструменты. При использовании приводных инструментов заготовка перестает вращаться, а приводной инструмент выполняет операцию обработки вращающимся режущим инструментом. Станки с ЧПУ используют координаты x, y и z для управления токарными инструментами и производства продукта. Большинство современных токарных станков с ЧПУ способны производить большинство токарных объектов в 3D.
Токарной обработке поддаются практически все виды металлов, хотя для обработки более твердых заготовок требуется больше времени и специальные режущие инструменты .
Существует множество процессов нарезания резьбы, включая: нарезание резьбы метчиком или плашкой , фрезерование резьбы, нарезание резьбы в одной точке, накатка резьбы, холодная накатка и формовка корня и шлифование резьбы. Метчик используется для нарезания внутренней резьбы на внутренней поверхности предварительно просверленного отверстия, в то время как плашка нарезает наружную резьбу на предварительно сформированном цилиндрическом стержне.
Шлифовка использует абразивный процесс для удаления материала с заготовки. Шлифовальный станок — это станок, используемый для получения очень тонкой отделки, выполнения очень легких разрезов или высокоточных форм с использованием абразивного круга в качестве режущего устройства. Этот круг может быть изготовлен из различных размеров и типов камней, алмазов или неорганических материалов.
Самый простой шлифовальный станок — это настольный шлифовальный станок или ручная угловая шлифовальная машина для снятия заусенцев с деталей или резки металла с помощью отрезного круга.
Шлифовальные станки увеличились в размерах и сложности с течением времени и развитием технологий. От старых времен ручного шлифовального станка, затачивающего концевые фрезы для производственного цеха, до сегодняшних производственных ячеек с ЧПУ с автоматической загрузкой на 30000 об/мин, производящих реактивные турбины, процессы шлифования сильно различаются.
Шлифовальные машины должны быть очень жесткими машинами для получения требуемой отделки. Некоторые шлифовальные машины даже используются для производства стеклянных шкал для позиционирования осей станков с ЧПУ. Общее правило заключается в том, что машины, используемые для производства шкал, должны быть в 10 раз точнее машин, для которых производятся детали.
В прошлом шлифовальные машины использовались только для финишных операций из-за ограничений инструмента. Современные материалы шлифовальных кругов и использование промышленных алмазов или других искусственных покрытий (кубический нитрид бора) на формах кругов позволили шлифовщикам достигать превосходных результатов в производственных условиях, а не быть сосланными в заднюю часть цеха.
Современные технологии позволяют усовершенствовать операции шлифования, включая управление с помощью ЧПУ, высокую скорость съема материала и точность, что хорошо подходит для применения в аэрокосмической отрасли и крупносерийного производства прецизионных компонентов.
Опиливание представляет собой комбинацию шлифования и нарезания зубьев пилы с использованием напильника . До появления современного оборудования для обработки это было относительно точным средством для производства мелких деталей, особенно с плоскими поверхностями. Умелое использование напильника позволяло машинисту работать с точными допусками и было отличительной чертой ремесла. Сегодня опиливание редко используется в качестве производственного метода в промышленности, хотя оно остается распространенным методом удаления заусенцев .
Протяжка — это операция по обработке, используемая для вырезания шпоночных пазов в валах. Электронно-лучевая обработка (ЭЛМ) — это процесс обработки, при котором электроны с высокой скоростью направляются на заготовку, создавая тепло и испаряя материал. Ультразвуковая обработка использует ультразвуковые колебания для обработки очень твердых или хрупких материалов.
Сварка — это процесс изготовления , который соединяет материалы, обычно металлы или термопластики , вызывая коалесценцию. Это часто делается путем расплавления заготовок и добавления присадочного материала для формирования ванны расплавленного материала, который охлаждается, становясь прочным соединением, но иногда давление используется в сочетании с теплом или само по себе для получения сварного шва. [14]
Для сварки можно использовать множество различных источников энергии, включая газовое пламя , электрическую дугу , лазер, электронный луч, трение и ультразвук . Хотя сварка часто является промышленным процессом, ее можно выполнять в самых разных условиях, в том числе на открытом воздухе, под водой и в космосе . Однако, независимо от места, сварка остается опасной, и необходимо принимать меры предосторожности, чтобы избежать ожогов, поражения электрическим током , ядовитых паров и чрезмерного воздействия ультрафиолетового света .
Пайка — это процесс соединения, при котором присадочный металл расплавляется и втягивается в капилляр , образованный сборкой двух или более заготовок. Присадочный металл вступает в металлургическую реакцию с заготовками и затвердевает в капилляре, образуя прочное соединение. В отличие от сварки, заготовка не расплавляется. Пайка похожа на пайку, но происходит при температурах свыше 450 °C (842 °F). Пайка имеет то преимущество, что создает меньшие термические напряжения, чем сварка, и паяные узлы, как правило, более пластичны, чем сварные соединения, поскольку легирующие элементы не могут разделяться и выпадать в осадок.
Методы пайки включают пламенную пайку, пайку сопротивлением, пайку в печи, диффузионную пайку, индукционную пайку и вакуумную пайку.
Пайка — это процесс соединения, который происходит при температуре ниже 450 °C (842 °F). Он похож на пайку твердым припоем тем, что наполнитель расплавляется и втягивается в капилляр для образования соединения, хотя и при более низкой температуре. Из-за этой более низкой температуры и различных сплавов, используемых в качестве наполнителей, металлургическая реакция между наполнителем и заготовкой минимальна, что приводит к более слабому соединению.
Клепка — один из древнейших процессов соединения металлических изделий. [15] Его использование заметно сократилось во второй половине 20-го века, [16] [ необходима цитата ] но оно по-прежнему сохраняет важные применения в промышленности и строительстве, а также в ремесленных изделиях, таких как ювелирное дело , средневековое доспехи и металлическая мода в начале 21-го века. Раннее использование заклепок вытесняется усовершенствованиями в сварке и методах изготовления компонентов .
Заклепка по сути является двухголовым и нерезьбовым болтом , который удерживает вместе два других куска металла. Отверстия сверлятся или пробиваются через два куска металла, которые должны быть соединены. После совмещения отверстий через них пропускается заклепка, и на концах заклепки с помощью молотков и штампов формируются постоянные головки ( холодной или горячей обработкой ). Заклепки обычно приобретаются с одной уже сформированной головкой.
При необходимости удаления заклепок головка одной из заклепок срезается зубилом . Затем заклепка выбивается молотком и пробойником .
Сюда входят винты , а также болты . Это часто используется, поскольку для этого требуется относительно небольшое специализированное оборудование, и поэтому часто используется в плоской упаковке мебели . Это также может использоваться, когда металл соединяется с другим материалом (например, деревом ) или определенный металл плохо сваривается (например, алюминием ). Это можно сделать для прямого соединения металлов или с промежуточным материалом, таким как нейлон . Хотя это часто слабее, чем другие методы, такие как сварка или пайка, металл можно легко удалить и, следовательно, повторно использовать или переработать. Это также можно сделать в сочетании с эпоксидной смолой или клеем, вернув его экологические преимущества.
Хотя эти процессы не являются основными процессами металлообработки, они часто выполняются до или после процессов металлообработки.
Металлы могут быть подвергнуты термической обработке для изменения свойств прочности, пластичности, вязкости, твердости или стойкости к коррозии. Обычные процессы термической обработки включают отжиг , дисперсионное твердение , закалку и отпуск :
Часто механическая и термическая обработка объединяются в так называемую термомеханическую обработку для улучшения свойств и более эффективной обработки материалов. Эти процессы являются общими для высоколегированных специальных сталей, суперсплавов и титановых сплавов.
Гальванопокрытие — это распространенная технология обработки поверхности. Она включает в себя связывание тонкого слоя другого металла, такого как золото , серебро , хром или цинк, с поверхностью продукта путем гидролиза. Она используется для уменьшения коррозии, создания стойкости к истиранию и улучшения эстетического вида продукта. Гальванопокрытие может даже изменить свойства исходной детали, включая проводимость, рассеивание тепла или структурную целостность. Существует четыре основных метода гальванопокрытия, обеспечивающих надлежащее покрытие и экономическую эффективность для каждого продукта: массовое покрытие, стеллажное покрытие, непрерывное покрытие и линейное покрытие. [17]
Методы термического напыления являются еще одним популярным вариантом отделки и часто имеют лучшие высокотемпературные свойства, чем гальванические покрытия из-за более толстого покрытия. Четыре основных процесса термического напыления включают в себя электродуговое напыление, напыление пламенем (кислородно-ацетиленовое горение), плазменное напыление и высокоскоростное кислородно-топливное напыление (HVOF). [18]
Общий:
