Ручная обработка металла и металлоконструкций: технология и инструменты

Обработка металла – это процесс, направленный на изменение форм, размеров и внешнего вида изделий. Для реализации проекта используют определенный набор инструментов. Касательно металла могут понадобиться разного рода станки и дополнительные приспособления.

• Методы и этапы Первый этап. Создание формы или заготовки
• Второй этап. Обработка деталей
• Третий этап. Сборка конструкции

Токарь или слесарь

Особенности обработки металла

Многочисленные виды металлообработки можно отнести к одной из больших групп:

• механическая (обработка резанием);
• литье;
• термическая;
• давлением;
• сварка;
• электрическая;
• химическая.

Литье — один из самых древних способов. Он заключается в расплавлении металла и розливе его в подготовленную форму, повторяющую конфигурацию будущего изделия. Этим способом получают прочные отливки самых разных размеров и форм.

Про другие виды обработки будет рассказано ниже.

Литье

Суть метода заключается в следующем, что расплавленный металл разливают в заранее подготовленные формы. Полученную деталь называют отливкой.

Процесс производства отливок состоит из следующих базовых этапов:

1. Подготовка смесей.
2. Выпуск литейных форм и стержней.
3. Сборка и проведение заливки.
4. Извлечение отливок из форм и последующая обработка.

Литье используют для производства широкой номенклатуры деталей – станин оборудования, блоков цилиндров, отопительных радиаторов и прочего.

Для изготовления отливок применяют – чугун, сталь, цветные металлы. Чаще всего из перечисленного списка используют чугунный литейный сплав. Это самый дешевый материал и отличается малой температурой плавления.

Форму для изготовления отливки собирают из формовочной земли или при использовании опоки изготовленной из металла или древесины.

Развитие литейного дела постоянно развивается и растет количества технологий, в частности, широкое применение получили такие способы, как литье под давлением, литье в кокиль, в выплавляемые формы. Это позволяет получить отливки, которые не нуждаются в дальнейшей обработке, а это приводит к снижению себестоимости готовой продукции.

Сварка

Сварка также известна человеку издревле, но большинство методов были разработаны в последнее столетие. Сущность сварки заключается в соединении нагретых до температуры пластичности или до температуры плавления кромок двух деталей в единое неразъемное целое.

В зависимости от способа нагрева металла различают несколько групп сварочных технологий:

• Химическая. Металл нагревают выделяемым в ходе химической реакции теплом. Термитную сварку широко применяют в труднодоступных местах, где невозможно подвести электричество или подтащить газовые баллоны, в том числе под водой.
• Газовая. Металл в зоне сварки нагревается пламенем газовой горелки. Меняя форму факела, можно осуществлять не только сварку, но и резку металлов.
• Электросварка. Самый распространенный способ: Дуговая сварка использует для нагрева и расплавления рабочей зоны тепло электрической дуги. Для розжига и поддержание дуги применяют специальные сварочные аппараты. Сварка ведется обсыпными электродами или специальной сварочной проволокой в атмосфере инертных газов.
• При контактной сварке нагрев осуществляется проходящим через точку соприкосновения соединяемых заготовок сильным электротоком. Различают точечную сварку, при которой детали соединяются в отдельных точках, и роликовую, при которой проводящий ролик катится по поверхности деталей и соединяет их непрерывным швом.

Дуговая сварка

С помощью сварки соединяют детали механизмов, строительные конструкции, трубопроводы, корпуса судов и автомобилей и многое другое. Сварка хорошо сочетается с другими видами обработки металлов.

Новые технологии обработки поверхности металла на выставке

На выставке «Металлообработка»

будут собраны ведущие специалисты отрасли обработки металла, в том числе технологий обработки поверхности. Специалисты расскажут о перспективах развития индустрии и планах на будущее, а также о новых способах и технологиях улучшения чистоты обработки поверхности металла.

Экспозиция «Металлообработка» – это ежегодное отраслевое событие в тяжелой промышленности. Оно посвящено новинкам специального оборудования и инновационным технологиям, а также их применению в отрасли.

Электрическая обработка

Метод основан на частичном разрушении металлических деталей под воздействием электрических разрядов высокой интенсивности.

Его применяют для прожигания отверстий в тонколистовом металле, при заточке инструмента и обработке заготовок из твердых сплавов. Он также помогает достать из отверстия обломившийся и застрявший кончик сверла или резьбового метчика.

Графитовый или латунный электрод, на который подано высокое напряжение, подводят к месту обработки. Проскакивает искра, металл частично оплавляется и разбрызгивается. Для улавливания частиц металла промежуток между электродом и деталью заполняют специальным маслом.

Ультразвуковая обработка металла

К электрическим способам обработки металлов относят и ультразвуковой. В детали возбуждаются колебания высокой интенсивности с частотой свыше 20 кгц. Они вызывают локальный резонанс и точечные разрушения поверхностного слоя, метод применяют для обработки прочных сплавов, нержавейки и драгоценностей.

Основные способы обработки

Основы металлообработки необходимо знать любому начинающему мастеру и литейщику. Зная, как себя ведут те или иные металлы при разных способах обработки, можно избежать ошибок при проведении технологического процесса.

Современная металлообработка включает в себя несколько основных направлений обработки:

1. Электрическая. С помощью этого способа можно сделать отверстия в металлических листах для заточки инструмента и работы с твердыми видами стали.
2. Механическая. Обширная группа методов обработки металлических заготовок. Их обрабатывают с помощью специального оборудования.
3. Химическая. Создание искусственной химической реакции с помощью кислот, щелочей и других компонентов.
4. Работа с давлением. Чтобы не нарушать целостность заготовки и изменить её форму, используется оборудование создающее мощное давление. Для изменения формы заготовки из твердых видов стали материал изначально разогревают.
5. Термическая. Чтобы улучшить технические характеристики материала, используются различные способы обработки заготовок температурой.

Технология металлообработки развивается и улучшается с каждым годом. Появляется новое оборудование и варианты работы с металлами.

От чего зависит тип обработки

Виды металлообработки подразумевают под собой разные способы работы с металлами. Каждый из методов выбирается в зависимости от твердости материала и других его характеристик. Также на это влияет то, что нужно сделать с заготовкой. Например, для изменения технических характеристик материала используется термическая обработка. Чтобы изменить форму заготовки, может применяться механический способ или оборудование нагнетающее давление.

Особенности художественной обработки металлов

К художественным видам обработки металлов относят литье, ковку и чеканку. В средине XX века к ним добавилась сварка. Каждый способ требует своих инструментов и приспособлений. С их помощью мастер либо создает отдельное художественное произведение, либо дополнительно украшает утилитарное изделие, придавая ему эстетическое наполнение.

Художественная чеканка

Чеканка — это создание рельефного изображения на поверхности металлического листа или самого готового изделия, например, кувшина. Чеканку выполняют и по нагретому металлу.

Способы механической обработки металлов

Большую группу способов механической обработки металлов объединяет одно: в каждом из них применяется острый и твердый по отношению к заготовке инструмент, к которому прикладывают механическое усилие. В результате взаимодействия от детали отделяется слой металла, и форма ее изменяется. Заготовка превышает размерами конечное изделие на величину, называемую «припуск»

Разделяют такие виды механической обработки металлов, как:

• Точение. Заготовка закрепляется во вращающейся оснастке, и к ней подводится резец, снимающий слой металла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные конструктором размеры. Применяется для производства деталей, имеющих форму тела вращения.
• Сверление. В неподвижную деталь погружают сверло, которое быстро вращается вокруг своей оси и медленно подается к заготовке в продольном направлении. Применяется для проделывания отверстий круглой формы.
• Фрезерование. В отличие от сверления, где обработка проводится только передним концом сверла, у фрезы рабочей является и боковая поверхность, и кроме вертикального направления, вращающаяся фреза перемещается и вправо-влево и вперед-назад. Это позволяет создавать детали практически любой требуемой формы.
• 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. Обработка производится вращающимся или совершающим продольные возвратно- поступательные движения абразивным материалом, который снимает тонкие слои с поверхности металла. Применяется для обработки поверхностей и подготовки их к нанесению покрытий.

Шлифовка металла

Каждая операция требует своего специального оборудования. В технологическом процессе изготовления детали эти операции группируются, чередуются и комбинируются для достижения оптимальной производительности и сокращения внутрицеховых расходов.

Обработка давлением

Обработка металла давлением применяется для изменения формы детали без нарушения ее целостности. Существуют следующие виды:

• Штамповка.
• Ковка.

Перед ковкой заготовку нагревают, опирают на твердую поверхность и наносят серию ударов тяжелым молотом так, чтобы заготовка приняла нужную форму.

Исторически ковка была ручной, кузнец разогревал деталь в пламени горна, выхватывал ее клещами и клал на наковальню, а потом стучал по ней кузнечным молотом, пока не получался меч или подкова. Современный кузнец воздействует на заготовку молотом кузнечного пресса с усилием до нескольких тысяч тонн. Заготовки длиной до десятков метров разогреваются в газовых или индукционных печах и подаются на ковочную плиту транспортными системами. Вместо ручного молота применяются кузнечные штампы из высокопрочной стали.

Ковка

Для штамповки требуется две зеркальные по отношению друг к другу формы — матрица и пуансон. Тонкий лист металла помещают между ними, а потом с большим усилием сдвигают. Металл, изгибаясь, принимает форму матрицы. При больших толщинах листа металл нагревают до точки пластичности. Такой процесс называют горячая штамповка.

Во время штамповки могут выполняться такие операции, как:

• гибка;
• вытягивание;
• осаживание;
• и другие.

С помощью штамповки выпускают широчайший ассортимент изделий — от корпусов бытовой техники до колесных дисков и бензобаков.

Ультразвуковая обработка металлических деталей

Эта технология представляет собой одну из разновидностей механической обработки металлических деталей. Ее суть сводится к тому, что под воздействием ультразвука разрушается верхний слой материала. Обработка производится не самим ультразвуком, а смесью абразивных частиц, которые приводятся в действие звуком частотой от 16 до 30 кГц. Звук производится ударами специального инструмента.

В данном случае в качестве режущего инструмента выступают частицы абразива, поэтому к ним предъявляются повышенные требования к твердости. Так, при ультразвуковой обработке используются мелкие частицы карбида бора, электрокорунда, и прочее.

С помощью ультразвуковой обработки можно сформировать металлическую деталь по сквозному контуру с помощью специального полого инструмента. Кроме этого, технология ультразвуковой обработки позволяет обрабатывать глухие отверстия самых разных форм, и при этом добиться высокой точности и чистоты обрабатываемой поверхности.

Если использовать технологию ультразвуковых колебаний в процессе шлифования обычным алмазным кругом, то можно добиться более высокого качества поверхности и устранить сопутствующие шлифованию дефекты. Скорость обработки деталей из металла при обработке ультразвуком зависит от таких показателей, как плотность, твердость, форма и размер обрабатываемого изделия, а также вида абразивных частиц и режимов, которые используются в процессе обработки.

Обработка с помощью резки

Металл поступает на предприятие в виде проката — листов или профилей стандартных размеров и толщин. Чтобы разъединить лист или профиль на изделия или заготовки нужных размеров, применяют обработку резкой.

Для профиля чаще всего используют резку абразивным кругом или дисковой пилой.

Для раскроя листов металла применяют несколько видов резки:

• Ручная. Газосварщик с газовой горелкой вырезает куски металла нужного размера и формы. Применяется в небольших мастерских и на опытных производствах.
• Газовая. Установка газовой резки режет пламенем автоматизированной газовой горелки и позволяет не только быстро произвести раскрой листа, но и разложить вырезанные заготовки по контейнерам для доставки их на сборочные участки
• Лазерная. Режет металл лазерным лучом. Отличается высокой точностью и малым коэффициентом отходов. Кроме резки, может выполнять операции сварки и гравировки — нанесения на металл не удаляемых надписей.
• Плазменная. Режет металл факелом высокоионизированного газа — плазмы. Применяется для раскроя листов из твердых и специальных сплавов.

Лазерная резка

В условиях промышленного производства и средних или крупных серий на первый план выходит такое понятие, как коэффициент использования металла. Он повышается как за счет более плотной раскладки деталей по площади, так и за счет прогрессивных технологий резки, дающих меньше отходов

Химическая обработка металлов для повышения защитных свойств материала

Химическая обработка металла — это воздействие на него специальными веществами с целью вызвать управляемую химическую реакцию.

Выполняются как подготовительные операции для очистки поверхности перед сваркой или покраской, так и как финишные отделочные операции для улучшения внешнего вида изделия и защиты его от коррозии.

Цинкование металла

С помощью электрохимической обработки гальваническим методом наносят защитные покрытия.

Термические виды обработки металлов

Термическая обработка металлов применяется для улучшения их физико-механических свойств. К ней относя такие операции, как:

• отжиг;
• закалка;
• отпуск;
• старение;
• нормализация.

Термическая обработка стали

Термическая обработка заключается в нагревании детали до определенной температуры и ее последующем охлаждении по специальной программе.

Отжиг

Заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи.

Отжиг снижает твердость стали, но существенно повышает пластичность и ковкость.

Отжиг

Применяется перед штамповкой или раскаткой. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.

Закалка

При закалке заготовку прогревают до температуры пластичности и держат в таком состоянии в течение определенного времени, за которое стабилизируются внутренние структуры металла. Далее изделие быстро охлаждают в большом количестве воды или масла. Закалка существенно повышает твердость материала и снижает его ударную вязкость, повышая, таким образом, и хрупкость. Применяют для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.

Отпуск

Проводится после закалки. Образец нагревают до температуры, несколько меньшей температуры закалки, и охлаждают медленно. Это позволяет компенсировать излишнюю хрупкость, появившуюся после закалки. 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.

Химическая и механическая обработка

Применяются методы термического воздействия с применением химии для насыщения металла элементами, например, углеродом. Такой способ воздействия называется химикотермический. А если на изделие в процессе его остывания воздействовать механически, придавая ему нужную форму, то это термомеханическая обработка.

Сварка

Прочное соединение двух и более металлических деталей между собой.

При сварке изделия нагревают в месте предполагаемого шва до расплавления. Затем атомы соединяемых деталей смешиваются, при остывании образуя шов.

В обычных условиях невозможно соединить детали, сдавливая их между собой, дело в том, что поверхность металла загрязнена разными веществами. В том случае, когда материал нагревается и плавиться, высвобождаются свежие слои металла, поэтому их соединение становится возможным.

Выделяют три вида сварки:

• термическая,
• термомеханическая,
• механическая.

Тепловое или термическое воздействие на детали подразумевает нагрев без применения дополнительного давления. Тепло получают от электрической дуги (электрическое воздействие), газового пламени.

При термомеханическом соединении детали нагревают лишь до состояния их пластичности, после чего плотно соединяют их, сдавливая друг с другом.

При сварке с применением давления металл деформируют до такой степени, что он начинает растекаться, как вода.

Сварка с применением давления

Стекают загрязненные слои, обнажая свежий слой. Затем начинается химическая реакция, соединяющая детали вместе.

Такой процесс происходит только с применением автоматики. Человек не обладает достаточной силой, чтоб привести к таким реакциям. Такая сварка применима в том случае, когда нужно соединить большие детали с толстыми стенками.

Ручная сварка

В быту чаще используют переносные сварочные аппараты, способные сварить конструкции из металлов небольшой толщины. Здесь используется принцип электрической дуги.

При помощи специального электрода вызывают короткое замыкание на свариваемое изделие. Возникает устойчивый дуговой разряд порядка 6 тыс. градусов по Цельсию. Затем, на расстоянии 2–5 миллиметров между электродом и изделием происходит сварочный процесс. В итоге получается прочный шов, способный выдержать большое давление извне.

Сварка под флюсом

В условиях производства используют автоматическую сварку под флюсом.

Процесс сварки под флюсом

Его насыпают на свариваемые изделия слоем в 50–60 миллиметров. Затем приступают к сварке.

Сначала нагревается сам флюс, и сварка происходит в газовой среде флюса, в то время как сам металл не подвергается воздействию кислорода. Шов такой сварки получается прочнее ручной сварки.

Обработка давлением

Для придания будущему изделию нужной формы, при изготовлении полуфабрикатов и деталей, на него воздействуют давлением. При этом свойства материала не изменяются, меняется только форма.

Существуют следующие способы воздействия давлением:

• ковка,
• штамповка,
• штамповка листовая,
• прокатка,
• прессование,
• волочение.

Ковка

Древнейший метод обработки – ковка. Металл нагревают до пластичного состояния, после чего придают ему нужную форму при помощи специальных инструментов. В древние времена с помощью ковки кузнецы изготавливали оружие, орудия работы, инструменты. Сейчас ковка больше используется в архитектуре, при создании узора ворот, поручней лестниц.

А также ковка возможна без предварительного нагрева. Нужную форму придают, изгибая определенным образом. При таком способе нужна будет дополнительная обработка металла, ведь появляются погрешности в работе.

Штамповка

Автоматизированный процесс, с применением станков. Будущую деталь либо помещают в специальную форму, после чего подвергают давлению, либо воздействуют на нее штампом заданной формы. В первом случае получают объемные изделия, во втором используют листовой металл.

При прокатке металл пропускают между двух крутящихся валиков. На выходе получают гладкие листы. Процесс волочения похож на прокатку, однако, получаются не листы, а проволока. А также используется комбинированное воздействие давления на металл.

Электрическая обработка

Одна из последних стадия обработки.

Применяется для очищения поверхности изделия от коррозии, его полировки, придания блеска. На него воздействуют электрическим током температурой до 10 тысяч градусов.

Такая обработка металлов применяется для особо твердых сплавов, требующих ювелирной работы и не поддающихся воздействию другими способами. Все этапы процесса выполняются скрупулезно, придерживая необходимые условия для получения качественного материала.

А также электрической обработкой вырезают в изделии мелкие отверстия, зазубрины, делают гравировку.