Изготовление изделий из металла: основные технологические особенности процесса

Среди современных конструкционных материалов по-прежнему наиболее популярны металлы и их соединения. Их используют для изготовления деталей машин, строительных элементов и других изделий. В разнообразнейшем перечне продукции из металлов представлены как микроскопические детали для часовых механизмов, так и огромные элементы зданий или фермы для сооружения мостов. Для каждого изделия используется своя особая технология. Нужно отметить, что изготовление изделий из металла связано с выполнением сложных и высокоточных операций. В этой статье мы рассмотрим основные технологические особенности этого процесса.

Технология изготовления изделий из металла

Прежде чем осуществить выпуск готовой продукции, производители изделий из металла должны провести ряд технологических операций, которые необходимы для придания им определенных характеристик.

На металлообрабатывающие предприятия металлургическая промышленность поставляет сырье (металлопрокат) в виде различных полуфабрикатов. При этом хрупкие сплавы (чугун и бронза) поступают массивных чушках, а другие материалы могут поставляться в прутках, в листах или болванках разных размеров.

После механической обработки металлопроката получают необходимые изделия и конструкции. Чтобы готовая продукция соответствовала требуемым стандартам и ГОСТам, все технологические операции должны проходит в соответствии с определенными требованиями. Нарушение технологии часто приводит к появлению дефектов изделий (явных или скрытых).

Для проверки изделий из металла, к которым предъявляются особые требования, применяют современные методики неразрушающего контроля. С их помощью можно установить наличие скрытых дефектов (к примеру, можно выявить внутренние раковины, некачественный сварной шов, неоднородный состав материала и т. д.). Но даже самые лучшие методики скрытого контроля не позволяют установить наличие некоторых недостатков.

К ним относят остаточные внутренние напряжения, возникающие при обработке или формообразовании, которые должны сниматься на этапе термической обработки. Нарушение параметров термообработки (температурных условий, скорости повышения температуры, длительности выдержки изделия в требуемом температурном режиме или скорости охлаждения) приводит к формированию высоких внутренних напряжений металла. В результате таких процессов может произойти разрушение деталей в процессе эксплуатации.

Кроме того, в ходе подготовки полуфабрикатов могут появляться дефекты металла, обусловленные недостаточным контролем соответствия материала ГОСТам или нарушением технологии очистки емкостей, используемых для производства сплавов.

На этапе формообразования дефекты материала могут возникать из-за изношенности форм. Они могут привести не только к изменениям размеров изделия из металла, но к нарушению его конфигурация.

В процессе механической обработки металла также могут возникать дефекты, обусловленные нарушением технологии производства, чрезмерной длительностью обработки или применением некачественных инструментов.

Стадии изготовления изделий из металла по чертежам:

1. Формообразование

На этом этапе изготовления изделиям из металла придают требуемую форму и размеры готовой детали. Формообразование может выполняться несколькими способами: литьем, воздействием высоким давлением (ковкой, штамповкой, прессованием, волочением, прокаткой) или резкой металла.

2. Обработка поверхности изделия

Эта стадия механической обработки металла позволяет придавать изделиям требуемые размеры, форму и качественные характеристики. Для этого используются такие методы, как ручная опиловка напильником или механическая на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, строгальных и т. д.).

Процесс обработки изделий из металла на станках предполагает закрепление детали и воздействие на нее режущим инструментом. В ходе такого воздействия происходит снятие стружки с поверхности заготовки резцом (точение), фрезой (фрезерование, сверлом (сверление) или шлифовальным кругом (шлифовка).

В процессе обработки поверхности с заготовок из металла снимают припуск на обработку, удаляют облой и шероховатости. В результате изделия получают размеры и форму, соответствующую чертежам. После механической обработки на поверхности деталей остаются микронеровности, величина которых определяется «чистотой» точения, сверления, фрезерования или шлифования. Они настолько малы, что не видны невооруженным глазом. В то же время микронеровности способствуют ускорению процессов коррозии и преждевременному выходу изделий из строя.

3. Термическая обработка

Термообработка металла включает такие операции, как нагрев, выдержку и охлаждение. Их последовательное проведение способствует изменению внутреннего строения сплава, снятию напряжений металла и придает ему требуемых характеристик.

Термическая обработка металлических изделий проводится четырьмя способами:

• отжигом;
• нормализацией;
• закаливанием;
• отпуском.

4. Вторичная обработка поверхности

Вторичная обработка поверхности изделий из металла производится с помощью механических методов (шлифовка, полировка) или с применением электрофизических и физико-химических технологий. Воздействие на поверхность металлических деталей в зоне обработки электроэнергией, химическими или физическими методами обеспечивает дополнительные технологические преимущества.

При таком воздействии снятие слоя металла (припуска) осуществляется при минимальных механических усилиях, что обеспечивает более высокие показатели точности и качества обработки. Такие технологии могут применяться для изготовления изделий из металла любой прочности или вязкости. В большинстве случаев их применение обеспечивает минимальный дефектный слой на поверхности деталей после обработки. Такие методы позволяют обрабатывать изделия самой сложной конфигурации в наиболее труднодоступных местах.

5. Соединение деталей

Для этого применяются технологии пайки и сварки.

Сварка предполагает формирование неразъемного соединения за счет создания атомно-молекулярных связей между соединяемыми элементами. При сваривании деталей происходит плавка присадочного и основного металлов.

Для сваривания изделий из металла используются технологии плавления или соединения элементов под давлением.

В ходе плавления новые атомно-молекулярные связи создаются за счет нагрева кромок соединяемых изделий таким образом, чтобы образовалась смачиваемая их ванна. Расплавленный металл в такой ванне после остывания соединяет части изделия в единое целое. При этом в нее обычно вводят присадочный металл, заполняющий зазор между деталями. Существуют технологии изготовления изделий с применением сварки без дополнительных присадок.

Изготовление основных видов штампованных изделий из металла

Металлопрокат из чугуна и стали получил широкое применение в качестве сырья для производства широкого ассортимента продукции. В процессе его обработки можно изготовить великое множество изделий из металла, которые используются в разных отраслях промышленности, строительства и народного хозяйства. Продукция, полученная методом прокатки, в зависимости от используемых сплавов металла разделяется на два вида:

1. Черный металлопрокат

В эту категорию входят чугунные изделия и прокат из сплавов стали. Продукция черной металлургии получила более широкое применение, чем цветной. Это объясняется более низкой себестоимостью, а также высокой прочностью изделий. В то же время некоторые конструкционные элементы должны быть изготовлены только из цветного металла, который входит в следующую группу проката.

2. Цветной металлопрокат

В эту категорию входят изделия из таких видов металлов, как:

• легкие – алюминий, олово;
• редкие – вольфрам, титан;
• тяжелые – медь, свинец, цинк;
• драгоценные – золото, серебро, платина;
• радиоактивные – урановые сплавы.

Цветной металлопрокат применяют для изготовления изделий, использующихся в высокотехнологичных сферах. Данная продукция применяется для производства инструментов и оборудования, использующегося в медицине, электронике, авиации, космической отрасли и т. д. Кроме того, цветной металлопрокат используют при изготовлении небольших сувенирных изделий из металла. Продукция из такого сырья имеет более высокую стоимость.

Рассмотрим более подробно, какие прокатные детали и изделия изготавливаются из металла:

1. Арматура

Этот вид продукции выпускается в виде прутков, мотков, прядей, канатов и т. д. В большинстве случаев такие изделия применяют для армирования строительных конструкций из бетона. ЖБ продукция, укрепленная арматурой, имеет высокие прочностные характеристики.

Чтобы обеспечить необходимые показатели сцепления с бетоном, для армирования конструкций применяют гладкие или ребристые армирующие изделия. В ассортименте предприятий, выпускающих металлопрокат, представлена стальная арматура из разных сплавов, которые отличаются прочностью и другими характеристиками.

2. Балки

В данном сегменте представлены габаритные изделия из металла, которые получили широкое применение в строительной сфере. Балки служат опорными элементами для перекрытий и для соединения колонн. С их помощью сооружают мосты и другие конструкции, к которым предъявляют высокие требования по прочности и надежности.

3. Трубы

Трубная продукция входит в перечень наиболее востребованных изделий проката. Сегодня в некоторых отраслях уже используют полиэтиленовые трубы, но они намного уступают металлическим по прочностным показателям и по надежности.

Трубная продукция используется для сооружения магистралей, по которым транспортируются различные жидкости и газы. Такие системы используются на промышленных, химических и пищевых предприятиях, а также в нефтегазовой сфере. Для сборки трубопроводов используются фасонные детали. Изготовление фасонных изделий из металла осуществляется в широком диапазоне диаметров, длин и форм сечений.

4. Задвижки

Они имеют непосредственное отношение к трубной продукции. С их помощью осуществляется управление напором и направлением перемещения транспортируемой среды. Выбор определенного вида задвижек для трубопровода производится с учетом вида среды, конфигурации системы и других характеристик.

5. Швеллер

Этот вид продукции из металла отличается П-образным сечением. Изготовление швеллеров осуществляется из стали методом горячей прокатки. Разные виды таких изделий отличаются расположением боковых граней. Они могут быть параллельными или иметь внутренний уклон.

Часто на металлобазах продажа швеллеров осуществляется на вес. Это обусловлено тем, что требования ГОСТ четко регламентируют массу этих изделий из металла.

6. Уголки

Балка из сортового металла, которая имеет Г-образное сечение, получила название уголок. Основное предназначение этого вида металлопроката такое же, как и у арматуры: уголок, как правило, используется для укрепления строительных конструкций.

Разные виды изделий этого типа могут отличаться длиной, технологией производства и сортностью металлопроката. В зависимости от перечисленных здесь характеристик определяется и возможность использования уголка на разных объектах.

7. Лист

Листовой металлопрокат является прекрасным стройматериалом. Он используется для сооружения заборов и различных временных строений. Кроме того, листы металла применяются для производства разных емкостей и других видов промышленной продукции. В ассортименте листового проката представлены изделия, различающиеся видом поверхности (гладкая, рифленая), технологией изготовления, размерами, толщиной и т. д.

Изготовление изделий из листового металла

Из листового металла производят надежные и прочные изделия, которые, к тому же, могут иметь достаточно эстетичный внешний вид. Этот вид металлопроката отличается способностью к пластической (остаточной) деформации. Из листового металла можно создавать изделия любой формы. Его применяют для разных конструкций, включая элементы декора и даже мебельную продукцию.

Изготовление изделий из тонколистового металла предполагает следующую последовательность действий:

• формирование проекта детали и разработка технологии ее производства;
• изготовление заготовки изделия из листа металла с ее последующей обработкой;
• соединение отдельных элементов сваркой, пайкой и т. д.;
• финишная обработка;
• сборка готового изделия.

Проходя все производственные этапы на пути к готовому изделию, листовой металл может подвергаться нескольким видам механической обработки (обрезке, проческе, вырубке, гибке, выколотке, формовке, штамповке и т. д.).

Для раскроя листового металла в процессе изготовления изделий могут использоваться разные технологии. К примеру, может выполняться резка на лазерном или гидроабразивном оборудовании. Эти методы обеспечивают высокую точность раскроя листовой стали, меди, латуни, алюминия и т. д. Резка на таком оборудовании обеспечивает высокое качество кромок и точные размеры готового изделия.

Чтобы изготовить фасонные изделия из листового металла, чаще всего применяют технологию гибки. Такой метод обеспечивает возможность выпуска цельных деталей, у которых отсутствуют соединительные швы. В отличие от сварной, продукция, полученная в результате гибки, имеет более высокий срок службы. При использовании современного гибочного оборудования можно изготавливать детали сложной формы из различных сплавов металлов. Специальное оснащение гибочных станков позволяет выполнять гибку металла под любым углом и с разным радиусом.

Для изготовления перфорированных изделий из металла применяется технология координатной пробивки. Такая обработка известна уже достаточно давно. Ее применяют не только при работе с листовым металлом, но и для других видов металлопроката. Координатная пробивка позволяет изготавливать большие партии изделий из листового металла за короткое время. Для производства малых партий продукции, а также в тех случаях, когда нужно изготовить детали со сложной формой, применяется технология лазерной резки.

Изготовление изделий из цветных металлов

Изделия из металла составляют значительную часть продукции промышленности. Они пользуются спросом как на внутреннем, так и на международных рынках. Продажа готовых изделий более перспективное направление в сравнении с поставками металла. Именно поэтому, помимо предприятий металлургического комплекса, создаются заводы по металлообработке, которые выпускают разные виды металлопроката и других изделий.

Продукция из цветных металлов выпускается из сплавов алюминия, титана, меди, никеля, цинка, свинца, магния, латуни, бронзы и т. д.

Потребителями таких изделий выступают российские и зарубежные компании, которые работают в отраслях, выпускающих продукцию общественного потребления:

• производство транспортных средств (самолеты, автомобили, ЖД транспорт и др.);
• выпуск упаковочных материалов и продукции для строительства;
• производство электротехнических изделий.

Несмотря на то, что РФ входит в число стран, которые лидируют по объемам производства алюминия, уровень потребления алюминиевого проката на внутреннем рынке остается достаточно низким. В настоящее время Россия больше импортирует готовые изделия из алюминия. Похожая ситуация наблюдается с прокатом тяжелых цветных металлов. Объемы цветного металлопроката на основе бронзы, латуни и меди остаются достаточно низкими. Эта отрасль обеспечивает исключительно спрос внутреннего потребителя.

Международные компании чаще всего готовы покупать в РФ крупные объемы металла и полуфабрикатов, но не готового металлопроката. На фоне низкого уровня загруженности мощностей российских предприятий металлообрабатывающей отрасли осуществляется ввоз в РФ изделий из тяжелых цветных металлов.

Еще один важный сегмент продукции цветной металлургии составляют твердосплавные материалы, обладающие высокой прочностью и режущими характеристиками. Их используют для производства режущих, штамповочных и измерительных инструментов.

Широкое распространение на рынке изделий из металла получили жаропрочные материалы. Их уникальные характеристики позволяют сопротивляться текучести и разрушению при воздействии высоких температур. Жаропрочные сплавы производят на основе железа, никеля, кобальта, титана, молибдена, ниобия, бериллия.

Из таких сплавов изготавливают детали паровых и газовых турбин, детали двигателей, обшивки и наружные элементы корпусов сверхзвуковых летательных аппаратов.

В перечень продукции цветной металлургии входят также материалы на основе графита (электроды, огнеупорные блоки, электродная масса и т. д.). Такая продукция в больших объемах используется алюминиевыми заводами.

Изготовление изделий из драгоценных металлов

Как и в других металлообрабатывающих отраслях, первым этапом производственного цикла ювелирных предприятий является закупка сырья. Для изготовления готовых изделий необходимы драгоценные металлы, камни и различные вспомогательные материалы.

Закупка слитков драгоценных металлов осуществляется через банковские учреждения. Помимо стандартного заключения контрактов купли-продажи, в этом случае происходит оформление актов приема/передачи ценностей. При покупке драгоценных металлов, как правило, не применяется входной контроль качества слитков (банковской гарантией соответствия слитка заявленным характеристикам является проба).

Кроме того, на слитки драгоценных металлов предоставляется соответствующий паспорт (качественный сертификат). Закупка драгоценных камней и других вставок ювелирными предприятиями производится у специализированных производителей или огранщиков. На каждый бриллиант предоставляется отдельный сертификат. Поступление сырья в цех происходит по установленной процедуре.

Технологические карты на изготовление изделий из драгоценных металлов включают информацию по всем основным производственным и отделочным операциям.

В перечень основных операций входит плавка, литье, штамповка, вальцевание, отжиг, волочение, цепевязание, обезжиривание, пайка, промывка и сушка.

Для каждого вида ювелирных изделий применяются определенные виды отделочных операций. К примеру, в процессе изготовления цепочек может использоваться сколотка, размягчение, алмазная обработка и огранка, нарезка, конечная сборка. Производство колец включает шлифование, полировку, крепление вставок, матование, нанесение защитно-декоративного покрытия.

Технологическая операция, в ходе которой металл под воздействием высокой температуры переходит из твердого состояния в расплавленное, называют плавкой. При этом к драгоценным металлам добавляют определенное количество лигатуры для получения сплава строго установленной пробы. В настоящее время на ювелирных предприятиях плавка металлов осуществляется в индукционных печах непрерывного литья.

Для оперативного контроля качества готового сплава применяется метод количественного химического анализа. На этом этапе происходит проверка соответствия процентного содержания драгоценного металла в сплаве установленным нормативам.

После контроля золотая заготовка (пруток или пластина) определенной пробы поступает к специалисту по изготовлению изделий из драгоценных металлов, который выполняет операцию вальцевания или ювелирного литья.

13 стадий и способов изготовления изделий из драгоценных металлов:

1. Литье – процесс, в ходе которого происходит изготовление изделия из расплавленного металла в специальной форме.

2. Вальцевание (прокатка) – процесс обработки металла, основанный на многократном протягивании металла под вращающимися валками. В результате получают листы или профилированные изделия с различной толщиной.

3. Отжиг – технология, которая подразумевает нагревание сплава металла до определенной температуры с последующей выдержкой в таком температурном режиме и дальнейшим охлаждением. Задача такой обработки состоит в приведении сплава в устойчивое равновесное состояние. После такой процедуры пластины металла подвергаются штамповке, а прутки – волочению.

4. Штамповка – вид обработки металла давлением, что приводит к его пластической деформации в специальных штампах. В ювелирном производстве на изделии «продавливается» рисунок, выгравированный на специальном штампе. При производстве украшений сложной формы штамповка осуществляется в несколько этапов с промежуточным отжигом. Штампование применяется для производства продукции массового производства. Именно так производятся обручальные кольца. Штампование и штамповка с вырубкой широко используются в процессе производства столовых приборов из серебра и других драгоценных металлов.

5. Волочение представляет собой технологию обработки металла, которая позволяет производить проволоку с круглым сечением и заданным диаметром (до 0,1 мм).

6. Пайка применяется для получения неразъемных соединений с применением легкоплавких припоев. Процесс соединения деталей происходит при смачивании расплавленного припоя, который разогрет до пластического состояния. Сплав припоя соединяется с кромками основного металла и охлаждается.

Для соединения элементов ювелирных изделий обычно применяют газопламенную пайку. Маркировка легкоплавких припоев, которые применяют для пайки ювелирных украшений, производится в соответствии с процентным содержанием драгоценного металла.

7. Отбеливание необходимо, чтобы очистить поверхность изделия от оксидной пленки и частичек флюса, которые образуются в процессе отжига и пайки.

8. Шлифовка позволяет создавать ровную поверхность ювелирных изделий. Для этой процедуры применяют шлифовальные круги из кожи, войлока или хлопчатобумажных материалов. Шлифовка может осуществляться на специальных станках или вручную. После такой обработки поверхность изделий из драгоценных материалов становится матовой.

9. Полировка позволяет придать ювелирным изделиям блеск с высоким коэффициентом отражения. Этот вид обработки драгоценных металлов осуществляется на полировальном станке или вручную. Для полировки используются специальные пасты, а также кожаные, войлочные или хлопчатобумажные полировальные круги.

10. Гравировка применяется для нанесения на поверхность изделий из драгоценного металла неглубоких нарезок. Для этого используются специальные резцы (штихели). С помощью гравировки на ювелирные изделия могут наноситься различные рисунки, узоры или орнаменты. Вначале изображение наносят стальной иглой, а затем углубляют его с помощью штихелей.

11. Насечка – процесс нанесения узора инкрустацией по металлу. В этом случае штихелем формируются небольшие углубления в поверхности металла, а затем в них вставляют пластинки или проволоку из другого материала. В результате получается определенное инкрустированное изображение.

12. Чеканка представляет собой процесс нанесения изображений на поверхность ювелирных изделий вручную. Для этого листовая заготовка из металла крепится на поверхности деревянного ящика, который залит расплавленной смолой. Затем с помощью иглы из стали на заготовку наносится контур будущего изображения и с помощью специального зубила по линии контура делаются возвышения или заглубления. Чеканы производят из металлов, более мягких, чем материал листовой заготовки (это необходимо, чтобы избежать появления царапин).

13. Золочением и серебрением называют процесс нанесения на изделие тонкого покрытия из сплава, более стойкого к коррозии и механическому износу. Такая обработка придает ювелирным изделиям привлекательный и респектабельный вид.

Изготовление художественных изделий из металла

В процессе изготовления декоративных изделий из металла могут применяться различные виды ручной и механической обработки. Некоторые из них известны с древних времен, но и сегодня не потеряли своей актуальности. В эту категорию, в основном, входят технологии ручной художественной обработки металлов: гравирование, дифовка, литье, филигрань и т. д.

Они отличаются трудоемкостью и низкой производительностью. Ручная обработка требует определенного мастерства специалиста. С помощью таких методов, как чеканка, насечка и др., создаются уникальные художественные произведения. Существуют также инновационные технологии изготовления изделий из металла, которые основаны на научных открытиях и достижениях в области развития техники – гальванопластика, новейшие виды литья, электрохимическая обработка и др.

Выбирая технологию изготовления нестандартного изделия из металла, мастеру, помимо экономической эффективности, необходимо учитывать особенности разных технологий обработки – их влияние на сам процесс формообразования детали и на эстетическую составляющую.

В зависимости от выбранного способа обработки готовое изделие приобретает определенные черты и характеристики. К примеру, детали, прошедшие обработку на станке для изготовления изделий из металла, отличаются точностью размеров, четкостью форм, а после ковки или дифовки изделия приобретают мягкость и пластичность.

Используя обработку резанием, можно получить четкие грани и острые углы деталей. Чтобы обеспечить правильную линию радиусного изгиба, необходимо использовать штамповку.

Еще на этапе разработки проекта художественных изделий специалист должен учесть характеристики материала и, в зависимости от этого, определить наиболее подходящие варианты обработки.

Определенные сплавы металлов могут быть обработаны несколькими способами. К примеру, золото и серебро могут подвергаться литью, ковке, резке и обработке давлением. В то же время есть материалы, характеристики которых значительно сужают перечень допустимых вариантов обработки.

Так, чугун может подвергаться литью или резке, но его хрупкость служит препятствием для применения технологий, при которых используется высокое давление (ковка, штамповка и т. д.). А медные сплавы легко поддаются чеканке или ковке, но плохо режутся и отливаются.