Все технологии металлообработки: от классических до ультрасовременных

Современный уровень развития разных отраслей производства способствовал появлению большого количества новых материалов. Они имеют совершенно разный состав, но многие из них содержат в себе металлы. В связи с этим технологии металлообработки не только не утрачивают своей популярности, но и активно развиваются. Современные способы обработки металла позволяют создавать высокоточные механизмы, сложные конструкции и уникальные детали для любого оборудования.

История обработки металлов в России

О том, как появилась и развивалась металлообработка в нашей стране, очень мало информации. Известно, что в X веке мастера Руси уже довольно хорошо владели навыками изготовления металлической посуды и оружия. К XII веку появились простые сверлильные и токарные станки, которые запускались в работу под действием ручного привода.

Развитие оружейной промышленности шло полным ходом и потребность в мощных и производительных станках быстро возрастала. К XV веку люди научились использовать воду для обеспечения энергией развивающиеся производства. Усовершенствованное оборудование работало на основе энергии, получаемой от водяной мельницы.

К XVI веку на Руси появилось уже несколько крупных оружейных заводов, а обработка металла вышла на новый уровень. В зависимости от места расположения железной руды строили металлообрабатывающие заводы.

Наивысшую активность в развитии технологий металлообработки можно отметить в период правления Петра I. Именно в это время изобретатель А. К. Нартов создал механический суппорт для токарного станка, который впоследствии получил название «суппорт Нартова». В результате его применения функционирование станка значительно усовершенствовалось: теперь появилась возможность легко передвигаться вдоль обрабатываемой детали с помощью зубчатого колеса. На этом Нартов не остановился и создал уникальные зуборезный и винторезный станки.

На Руси первое оборудование с приводом от колеса водяной мельницы появилось на оружейном заводе под Тулой. Известно, что в 1714 году на таком станке высверливали стволовые части ружей. Эта технология была настолько популярна и востребована, что Я. Батищев изобрел аналогичный станок, способный одновременно высверливать сразу 24 ствола.

В середине XVIII века появляются шлифовальные, лоботокарные и сферотокарные станки, к созданию которых приложил руку сам Ломоносов. Большую известность получили изобретения И. П. Кулибина, который занимался созданием особо точных установок, выпускающих зубчатые колеса для часовых механизмов. Другой изобретатель И. И. Ползунов изобрел не только паровую машину, но и специальный станок, производящий детали для парового котла.

Развитие технологий металлообработки в нашей стране тесно связано с развитием военной промышленности, так как долгое время это была единственная сфера массового производства. Показателем уровня развития металлообработки всегда выступал Тульский оружейный завод как самое современное предприятие в данной отрасли. Именно на нем впервые применили медные калибры для контроля качества изготовления деталей. Позже появились специальные лекала, по которым можно было достаточно точно обрабатывать сопрягаемые детали оружия. Петр I настолько глубоко вникал в технологию изготовления вооружения, что даже издал специальный указ о применении этих лекал.

Примечательно то, что даже в те времена при изготовлении калибров использовали искусственное старение металла, которое позволяло снять внутреннее напряжение материала.

К началу XX века скорость развития технологий металлообработки значительно возросла. Появилась потребность в изготовлении высокоточных деталей определенной формы, размера, свойств. Необходимо было создать новые методы обработки материала, приводящие к нужной цели. Конечная деталь после обработки должна была идеально подходить к создаваемому изделию.

Труд А. Тиме «Производство работ при организации фабрик в машиностроении в их техническом и экономическом отношении. Основы машиностроения», изданный в 1885 году, можно считать первым изданием, направленным на изучение технологии металлообработки. Дополнительно основы технологии машиностроения изучал Б. С. Балакшин. Опираясь на вышеперечисленные работы, технологи уже могли создать более точные механизмы для изготовления деталей.

Стандартные и современные технологии металлообработки

Металлообработка необходима для того, чтобы создать определенное изделие с нужной формой, размерами и физико-химическими свойствами. Человек издавна стремился к тому, чтобы разработать наиболее совершенные технологии металлообработки, отвечающие всем потребностям быстроразвивающегося мира.

Весь спектр технологий металлообработки можно разделить на несколько основных групп:

1. Способы механической обработки металлов.

Все виды технологий металлообработки на металлорежущих станках объединяет один основной принцип, на котором строится работа: берется острый и твердый по отношению к заготовке инструмент, к которому прикладывают механическое усилие. Под воздействием инструмента изменяется форма или размер заготовки. Величина, на которую заготовка превышает размер конечного изделия, называется «припуск».

Выделяется целый ряд способов металлообработки, основанных на механическом воздействии:

• Точение. Эта технология металлообработки на токарном станке предполагает жесткое закрепление детали и ее вращение вокруг своей оси. В это время резец снимает слой металла с поверхности заготовки. Такой способ металлообработки применяется для производства деталей, имеющих форму тела вращения.
• Сверление. Основная цель заключается в проделывании отверстий в заготовке. Деталь жестко фиксируют с помощью тисков и в ней сверлят отверстие быстро вращающимся сверлом. Размер отверстия зависит от параметров сверла.
• Фрезерование. Фрезеровальный станок дает возможность создавать детали практически любой требуемой формы. Это обеспечивается тем, что рабочая поверхность фрезы может перемещаться практически в любом направлении (вертикально, вправо, влево, вперед, назад). Существует даже диагональная фрезеровка.
• Строгание. Резец движется относительно неподвижно закрепленной детали взад-вперед, каждый раз снимая продольную полоску металла. В некоторых моделях станков закреплен резец, а двигается деталью. Применяется для создания продольных пазов.
• Шлифование. Заготовка обрабатывается посредством воздействия шлифовальным кругом, который крутится продольно, поперечно или вокруг заготовки. В результате получается высокоточная деталь. Эта технология металлообработки нужна для подготовки поверхности к нанесению покрытий.

При изготовлении металлической детали может понадобиться различное оборудование. Зачастую все операции комбинируются и группируются для достижения наилучшего результата, снижения затрат и упрощения процессов.

2. Литейное производство.

Одним из древнейших способов металлообработки является литье. Еще в XII веке до нашей эры человек научился выплавлять железо из руды. Делалось это в сыродутных печах. Сейчас с помощью литья получают многие сплавы, раскисляют металл и рафинируют его. Так, раскисление меди с помощью фосфора помогает значительно повысить ее пластичность. Если необходимо увеличить электропроводимость металла, то его можно переплавить в инертной среде.

Высокий уровень развития металлургии позволил получить новые сплавы, устойчивые к воздействию кислот, высокой температуры, коррозии. Появилась нержавеющая высоколегированная сталь аустенитного и ферритного класса. Введение титана в состав сплава позволило стабилизировать материал.

Новые, более совершенные сплавы появились в цветной металлургии. Вторичный алюминий общего назначения 1105, алюминий высокой чистоты А0 для пищевой промышленности, авиалиний, среди которого наиболее востребованы в авиационной промышленности марки АВ, АД31 и АД 35, устойчивый к морской воде корабельный алюминий 1561 и АМг5, свариваемые алюминиевые сплавы, легированные магнием или марганцем, жаропрочные алюминии, такие как АК4. Большое количество сплавов создано на основе меди. Их отличительные особенности позволили найти широкое применение таких материалов в народном хозяйстве.

3. Термические виды обработки металлов.

Улучшить физико-механические свойства материала можно с помощью термической металлообработки.

Выделяется пять технологий металлообработки, на основе воздействия температурой:

• Отжиг. Эта технология металлообработки подразумевает нагрев изделия, а затем быстрое охлаждение прямо в печи. В результате временно снижается твердость стали и повышается вязкость. Это может понадобиться в том случае, когда необходимо гнуть или резать металлическую заготовку. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.
• Закалка. Ее используют с целью придания большей прочности различным сплавам. Изделие нагревают до таких температур, когда происходит разрушение кристаллической структуры материала, но твердое состояние еще сохраняется. После этого следует быстрое охлаждение при помощи воздуха, воды или масла. В итоге повышается твердость материала, уменьшается его вязкость. Но, соответственно, повышается и хрупкость. Это подходит для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.
• Отпуск. Он повышает прочность изделия на сжатие, растяжение и изгиб, снижая хрупкость закаленного материала. Деталь нужно нагреть до температуры, несколько меньшей, чем температура закалки, а затем медленно охладить. Применяется в инструментальном производстве.
• Старение. Искусственное старение заключается в стимуляции фазовых превращений в массе металла. Его проводят при умеренном нагреве для придания материалу свойств, возникающих при естественном старении за долгое время.
• Нормализация. Нужна, чтобы повысить ковкость материала без снижения твердости. Путем нормализации сталь приобретает мелкозернистую структуру. Технология проведения нормализации аналогична отжигу, но остывает заготовка на открытом воздухе. Данная методика значительно облегчает дальнейшее резание материала.

4. Обработка давлением.

Чтобы изменить форму заготовки, при этом не нарушая ее целостности, используют такую технологию металлообработки, как воздействие давлением. Выделяется два вида такой обработки:

• Штамповка.
• Ковка.

Штамповка выполняется с помощью двух форм, которые являются зеркальным отражением друг друга (матрица и пуансон). Они размещаются напротив, между ними закладывается заготовка (лист металла), затем формы сдвигаются под давлением. В результате металл принимает форму матрицы. Если нужно обработать заготовку большой толщины, то используют горячую штамповку, когда лист металла подвергается предварительному нагреву до точки пластичности.

В процессе штамповки применяют следующие операции:

• гибка;
• вытягивание;
• осаживание и другие.

Штамповку можно использовать для изготовления различных изделий, где необходим корпус из листового металла (бензобаки, корпуса бытовой техники и даже колесные диски).

В процессе ковки также оказывается механическое воздействие на заготовку. Нагретую деталь устанавливают на твердой поверхности и ударяют по ней тяжелым молотом до тех пор, пока она не примет нужную форму.

Раньше ковкой занимались кузнецы вручную. Они грели деталь на огне и потом на наковальне обрабатывали ее с помощью кузнечного молота. Современные технологии металлообработки позволили заменить ручной молот на молот кузнечного пресса, который способен оказывать давление до нескольких тысяч тонн. Также для нагревания огромных заготовок используются индукционные и газовые печи. Даже подача деталей осуществляется специальными транспортными системами.

Отдельно следует сказать об упрочнении давлением. Эту технологию применяли еще в древности, когда кузнецы ковали металл на холодную. В этом случае происходит максимально возможное механическое обжатие заготовки с дальнейшим отжигом излишков при необходимости. В результате таких действий увеличивалась плотность металла. Так можно было создать клинок или косу. Сам метод называется нагартовка и маркируется буквой «Н». В зависимости от степени упрочнения материала, он может быть промаркирован Н2 (полунагартовка), Н3 (треть нагартовка) и т. д.

5. Сварка металлов.

Одной из популярных технологий металлообработки является сварка. Она заключается в соединении двух деталей теми местами, которые были нагреты до температуры плавления кромки. В итоге получается единый неразъемный объект.

Для осуществления сварки может быть использована электрическая дуга, ультразвук, лазерное излучение. Кроме этого, существуют способы сваривания при помощи давления или внезапного торможения заготовок, которые быстро вращаются. Столь широкий ассортимент методов проведения сварочных работ позволяет выполнять их как в условиях производства, так и в любом другом месте, включая воду и даже космос.

Важно помнить, что сварочный процесс представляет собой довольно опасную деятельность. При сваривании может воспламениться одежда или окружающие предметы, выделяются вредные газы, яркие ультрафиолетовые лучи несут опасность для глаз, расплавленный металл может разбрызгиваться, возможно поражение электрическим током, инфракрасным или тепловым излучением.

Принято выделять три разновидности сварки, в зависимости от того, каким образом нагревают материал:

• Химическая. При этом способе нагрев металла осуществляется за счет тепла химической реакции. Для труднодоступных мест и сварочных работ под водой больше всего подходит термитная сварка.
• Газовая. Нагрев металла при газовой сварке осуществляется с помощью пламени газовой горелки. Такой способ позволяет путем изменения формы факела выполнять как сварку, так и резку материала.
• Электросварка. Является одной из наиболее популярных технологий металлообработки. При дуговой сварке энергия электрической дуги помогает нагреть и расплавить рабочую зону. Все это делается с помощью сварочного аппарата и обсыпных электродов либо сварочной проволоки в атмосфере инертных газов. Сильный электроток, пропущенный через точку соприкосновения деталей, локально их нагревает. Существует точечная и роликовая сварка: при точечной сваривание происходит в конкретной точке, а при роликовой образуется сварочный шов по месту движения ролика.

Сварку используют как самостоятельную технологию металлообработки и как элемент среди целого ряда действий по обработке материала.

6. Электрическая обработка металла.

Общие основы технологии металлообработки с помощью электричества опираются на локальное разрушение заготовки путем воздействия на нее тока высокой интенсивности.

С помощью данной технологии можно затачивать инструмент, делать отверстия в металлических листах, обрабатывать твердосплавные заготовки и даже доставать отломившийся кончик сверла из отверстия.

Сущность метода заключается в работе с электродом. Находящийся под напряжением электрод подводят к месту обработки. От искры материал плавится и разбрызгивается. Специальное масло, залитое между электродом и деталью, помогает улавливать частицы металла.

Ультразвук также относят к электрическим способом металлообработки. Под его воздействием в заготовке начинаются колебания с интенсивностью свыше 20 кГц. При наступлении резонанса происходят точечные разрушения поверхностного слоя. Таким способом можно обрабатывать нержавейку, прочные сплавы и драгоценности.

7. Химическая обработка металлов.

Технология химической обработки подразумевает собой изменение физико-химических свойств поверхности материала. Она применяется только при наличии высокой температуры и активной среды. Может быть использована жидкая, газообразная или твердая среда. В результате такой обработки происходит изменение физико-химических свойств диффузного слоя железа.

Этот способ используют для предотвращения коррозии материала, повышения его прочностных характеристик и значительного увеличения срока эксплуатации.

Можно выделить целый ряд преимуществ, которые дает такая обработка диффузной поверхности железа:

• Производительность. Из-за высокой скорости реакций можно применять технологию в промышленных объемах.
• Универсальность. Даже на токарном станке есть возможность увеличить эксплуатационные качества обрабатываемого элемента, если правильно выбрать способ отделки.
• Исключение (наиболее часто) термического или механического воздействия. Это усиливает эксплуатационные качества обработанного сырья.

Современная химико-термическая обработка может выполняться следующими методами:

• Цементация – в результате этого процесса происходит насыщение материала углеродом. Полученное вещество имеет очень прочную оболочку, при этом мягкость материала внутри сохраняется.
• Азотирование – этот процесс способствует насыщению поверхности материала азотом. Соответственно, увеличивается износостойкость изделия и стойкость к коррозии.
• Борирование – так называется процесс насыщения материала бором. Он приводит к тому, что повышается износоустойчивость металла. Поверхностный слой такого материала устойчив к холодной сварке. Значительно снижаются показатели трения и сухого скольжения данного материала, при этом повышается устойчивость к различным видам кислот.
• Алитирование – данная технология металлообработки подразумевает обогащение материала алюминием. В результате полученное вещество имеет высокую устойчивость к агрессивным газам (сероводороду или серному ангидриду).
• Хромирование – с помощью этого способа вы не сделаете изделие более прочным, но защитите его от коррозии и повысите износостойкость.

Инновационные технологии металлообработки

Развитие экономики каждой страны во многом опирается на уровень развития металлургии. Именно эта отрасль имеет большое влияние на всю государственную промышленность, поэтому часто как контроль, так и поддержка металлургии обеспечивается на самом высоком уровне. Большое внимание уделяется модернизации металлургических предприятий, своевременному внедрению инноваций на производстве.

• Технология биметаллов.

Ультрасовременная технология обработки биметаллов основана на соединении двух компонентов путем диффузионной связи. В результате получается материал, обладающий характеристиками обоих элементов.

Так, высоковольтные провода делают из стали и алюминия. Эти два материала в совокупности отвечают всем необходимым требованиям: высокой прочностью и максимальной электропроводимостью. Алюминий – прекрасный проводник, а сталь очень прочная. В термометрической технике используют биметаллы с различным коэффициентом термического расширения.

• Лазерная сварка.

Изобретение сфокусированного лазера значительно расширило спектр возможностей металлообработки. Теперь можно производить сварочные работы на самых мельчайших деталях. Это стало огромным плюсом для развития радиоэлектроники. Кроме того, подобная технология помогает наносить твердосплавные режущие элементы на фрезы.

Еще совсем недавно эта технология металлообработки была одной из самых дорогих, но сейчас, когда вместо импульсного лазера стали использовать газовый, произошло значительное удешевление методики. Технология лазерной сварки позволяет работать в инертной среде и в вакууме. При этом оборудование обладает высокой точностью, что объясняется наличием программного управления.

• Плазменная резка.

Технология плазменной резки более экономична, чем лазерная, но толщина реза получается больших размеров.

На сегодняшний день это самый популярный метод металлообработки, обеспечивающий высокую точность повторения. Эффективность метода обеспечивается высокоскоростной струей газа, которая выдувает электрическую дугу. Популярность метода настолько высока, что были созданы даже ручные плазменные резаки.

• Электроэрозионная обработка.

Наверное, все знают, что обычная молния может привести к большим разрушениям. Ее сила огромна. В то же время даже маленький электрический разряд можно использовать с немалой пользой на благо металлообработки. Так, в промышленности уже давно используют слабые электроразряды для создания металлических деталей сложной конфигурации.

Электроэрозионная металлообработка выполняется при помощи специального инструмента, сделанного из теплопроводящего или тугоплавкого материала. Его и заготовку подсоединяют к источнику энергии и систематически включают и отключают электрическое напряжение, создавая непродолжительные разряды тока. Другим вариантом электроэрозионной металлообработки будет быстрое перемещение инструмента относительно заготовки.

Обработанный металл охлаждают с помощью масла или керосина. Такой способ обработки используют тогда, когда нет возможности воспользоваться металлорежущим станком.

• Ультразвуковая обработка.

Применение ультразвука в последние годы стало очень популярным. С помощью него сверлят стекла, дубят кожу, измеряют морские глубины и даже сваривают металл. Звуковые волны по своей сути являются попеременным сжатием и разрежением частиц воздуха, воды или других элементов окружающей среды.

Чем больше сжатий и разрежений происходит, тем выше частота звука. Одно колебание представляет собой одно сжатие и разрежение.

С помощью ультразвукового станка можно сделать отверстие любой сложности в самом хрупком материале. Именно поэтому такое оборудование подходит для создания твердосплавных матриц штампов, ферритовых ячеек вычислительных машин и пр.

• Нанотехнологии.

Нанотехнологии позволяют создавать все новые методы металлообработки, отличающиеся более высокой эффективностью по сравнению с применяемыми ранее. Для получения наноотверстий в основном используется фемтосекундная лазерная абляция. Другим вариантом является способ ионного травления, когда можно получить тончайшие наномембраны с отверстиями диаметром 28,98 нм и плотностью 23,6х106 на мм².

Американские ученые работают над созданием новой технологии получения наноотверстий путем испарения металла по шаблону из кремния. Этот вариант особенно актуален в свете того, что данные мембраны можно использовать в солнечных батареях.

• Нанопокрытия с высокой износостойкостью.

Начиная с 70-х годов прошлого века начали разрабатывать технологии металлообработки, подразумевающие укрепление тонкого поверхностного слоя изделия. Подобные нанопокрытия могут быть получены разными путями. Наибольшую популярность получили: Сhemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (РVD) и Diamond Like Coatings (DLC) и пр.

Сhemical Vapor Deposition представляет собой процесс получения нанопокрытия с помощью химического осаждения из парогазовой среды. Все это происходит при очень высокой температуре (около +1000 °С). Так получается покрытие с высокой износостойкостью.

С помощью технологии CVD получают особо прочные режущие инструменты. При этом само покрытие состоит из нескольких слоев, что значительно улучшает адгезию при сохранении прочности основного материала изделия. Обычно в таком покрытии следующий порядок слоев:

1. Карбид титана.
2. Оксид алюминия.
3. Нитрид титана.

При этом оксид алюминия используется для того, чтобы снизить влияние высоких температур на основу изделия.

Physical Vapor Deposition (РVD), сущностью которой является конденсация с ионной бомбардировкой, появилась позже химической конденсации. В данном случае покрытие образуется из нитрида титана (TiN).

Технология металлообработки РVD обладает большим количеством преимуществ. Это и повышение уровня адгезии материала, и возможность нанесения покрытия на режущие кромки изделия.

Кроме этого, для нанесения покрытия необходима более низкая температура, чем для обработки CVD (достаточно +500 °С). Также толщина карбидно-титановых покрытий может быть больше, соответственно, их можно использовать для разных видов стали. Покрытие TiNAl на сегодняшний день считается самым перспективным.

Для создания покрытия Diamond Like Coatings применяется углерод. Это покрытие тоже относится к разновидностям PVD. Структура его напоминает алмаз и отличается очень высокой износостойкостью. Тем не менее, широкого распространения оно не получило, потому что склонно к окислению и нестабильно при температуре выше +300 °С. Сферой ее применения остается исключительно резка силумина и алюминия. Может быть, при развитии современных технологий металлообработки данные недостатки покрытия будут преодолены.

• Волоконный лазер.

Когда появилась плазменная обработка, она казалась очень перспективной технологией металлообработки, но затем создали лазерные устройства, а на их основе и волоконный лазер. Это открыло новые горизонты в области обработки металлов. Волоконный лазер состоит из световода, резонатора и модуля накачки. В обычной лазерной установке световода нет, поэтому мощность излучения может теряться по мере прохождения лазерного луча. В волоконном лазере излучение генерируется прямо в волокнах, поэтому не нужны сложные схемы заведения луча.

Несомненным преимуществом волоконного лазера является устойчивость к вибрации, небольшие габариты установки, качественное охлаждение и большая термоустойчивость. Все это обеспечивается соотношением объема резонатора к его площади.

Основной сферой применения волоконного лазера является сварка, резка и гравировка. Он незаменим в том случае, когда нужно изменить оптические свойства поверхности материала, не нарушая его внутреннюю структуру. Например, сварка стальных деталей медицинского оборудования или электронных приборов, где размер обрабатываемой поверхности не превышает нескольких миллиметров.

Возможно, вскоре новые технология металлообработки при помощи волоконного лазера будут занимать лидирующие позиции. Это объясняется большим количеством преимуществ данного метода:

• требует меньше энергии;
• не нужна газовая среда;
• легко сделать юстировку;
• воздух не является препятствием для высокого качества обработки;
• не возникает термических повреждений материала в зоне вне действия волоконного лазера;
• не требуются особые условия работы (допускается некоторый уровень загрязненности, вибрации, влажности, качества газов и пр.);
• срок эксплуатации без обслуживания может достигать 100 000 часов;
• низкие эксплуатационные расходы;
• более тонкий рез, в сравнении с газовыми лазерами СО₂, соответственно, и низкие выбросы рабочих газов, и экономия металла из-за более эффективной раскладки;
• нет эффекта расфокусировки луча из-за отсутствия потерь в световоде;
• низкие эксплуатационные расходы – благодаря высокому КПД, низкой стоимости и редкой замене расходных материалов, использования недорогих газов;
• широкий спектр использования – резка, сварка, наплавка, напыление, гравировка, маркировка, цветная маркировка, упрочнение;
• возможность масштабирования мощности источника лазера за счет увеличения числа кластеров светодиодов.

Если говорить о недостатках данной технологии, то можно отметить, что волоконный лазер не дает высокой стабильности поляризации там, где сложно применять волокна, сохраняющие поляризацию. Кроме этого, в спектральном промежутке от 0,7 до 1 мкм твердотельные лазеры показывают большую эффективность.

Тем не менее, если необходимо использовать такую длину волны, для которой нет приемлемой активной среды, то применяют именно волоконные лазеры. Подобная металлообработка производится при отсутствии зеркал, что делает конструкцию более простой и уменьшает погрешность операции.

Исходя из вышесказанного, следует понимать, что данная технология металлообработки в ближайшее время будет развиваться в области двух- и трехмерной сварки, разных техниках наплавления и увеличения прочности и т. п.