Введення
Використання металів людиною почалося в далекій давнині (понад п'ять тисячоліть до н. Е..). Спочатку знаходили застосування кольорові метали (мідь, сплави міді, золото, срібло, олово, свинець і ін), пізніше почали застосовувати чорні - залізо і сплави на його основі.
Тривалий час виробництво металів мало примітивний характер і за обсягом було досить незначним. Проте в кінці XIX ст. світова виплавка сталі різко зросла з 0,5 млн. т в 1870 р. до 28 млн. т в 1900 р. Ще в більшому обсязі зростає металургійна промисловість в XX столітті. Поряд зі збільшенням виплавки стали з'явилася необхідність організувати у великих масштабах отримання міді, цинку, вольфраму, молібдену, алюмінію, магнію, титану, берилію, літію та інших металів.
Металургійне виробництво поділяється на дві основні стадії. У першій отримують метал заданого хімічного складу з вихідних матеріалів. У другій стадії металу в пластичному стані надають ту чи іншу необхідну форму при практично незмінному хімічному складі оброблюваного матеріалу.
Для виготовлення окремих деталей і виробу в цілому використовують різні способи обробки металів і інших матеріалів. Найбільш поширені види обробки металів будуть розглянуті нижче.
Зварювання
Зварюванням називають технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань з металів (або пластмас), здійснюваний встановленням міжатомних (у пластмас - міжмолекулярних) зв'язків між зварюються частинами вироби при їх місцевому або загальному нагріванні, або пластичному деформуванні, або при спільній дії цих двох факторів. Між зварюваними частинами вироби утворюється зварний шов.
Зварювання є однією з поширених технологічних операцій, широко застосовується в машинобудуванні, на транспорті і в будівництві. Пояснюється це значною економією металів у порівнянні з болтовими клепаних з'єднаннях, високою міцністю і низькою вартістю зварних конструкцій.
Залежно від стану металу в зварювальній зоні всі види зварювання можна розділити на дві групи: за способом з'єднання зварювальних частин вироби і по виду використовуваної енергії. У першому випадку розрізняють зварювання плавленням і зварювання тиском. При зварюванні плавленням зварний шов утворюється із загальної зварювальної ванни розплавлених металів з'єднуються частин виробу. При зварюванні тиском, для підвищення пластичності металу в зоні зварювання, що з'єднуються частини виробу нагрівають і здавлюють. До зварювання плавленням відносяться: дугова, електрошлакове, електронно-променева, лазерна, газова, термітна; до зварювання тиском - контактна, дифузійна, електрозвуковая, тертям, вибухом і ін Електричної дугою можна робити не тільки дугове зварювання, але й різання металів. Однак утворюється при цьому поверхня розрізу має нерівності з напливами. Тому електродугову різання зазвичай застосовують. Для обробки металобрухту та відділення прибутків і літників в деталях, отриманих при литті в піщано-глинисті форми.
По виду використовуваної енергії зварювання підрозділяють на термічну (зварювання дугова, плазмова, газова та інших), термомеханічну (зварювання контактна, дифузійна та ін) і механічну (зварювання вибухом, тертям, ультразвукова та ін.)
При зварюванні плавленням утворюється литий зварний шов з характерним дендритних будовою. При зварюванні тиском утворюється Шов, що представляє собою зону зрощених кристалітів металу з'єднуються частин виробу. Зону, безпосередньо примикає до зварному шву, називають зоною термічного впливу. Вона має грубозернистої будову і є найбільш механічно слабкою в зварному з'єднанні. Цей дефект можна усунути відпалом.
Найбільш поширені види зварних з'єднань - стикові, внахлестку, кутові і таврові. При зварюванні внахлестку зварювані елементи виробу накладаються один на одного з перекриттям, рівним 3-5 товщинам пластин. При цьому не потрібна підготовка кромок. Кутові і таврові з'єднання також не завжди вимагають підготовки крайок. При стиковому зварюванні характер підготовки крайок залежить від товщини зварюваних елементів.
Пайка
Пайка - це процес отримання нероз'ємних з'єднань в результаті розплавлення припою, змочування їм металу, розтікання припою по поверхні металу і заповнення зазору між сполучаються заготовками (деталями) і, нарешті, затвердіння припою.
На відміну від зварювання при пайку не потрібно розплавлювання основного металу, що дозволяє виробляти Распай деталей. Найбільш широко пайку застосовують в електро-і радіотехніці та приладобудуванні. У цих галузях промисловості пайку виробляють для створення механічно міцного, іноді герметичного, шва або для отримання постійного (нековзного або розривного) електричного контакту з невеликим перехідним опором.
Ливарне виробництво
Ливарним виробництвом називають процес одержання литих заготовок, званих виливками, шляхом заливання розплавленого металу в робочу порожнину ливарної форми. Отримані виливки набувають конфігурацію і розміри робочої порожнини.
Лиття є найбільш простим і дешевим промисловим способом отримання заготовок, в тому числі що мають складну геометричну форму.
Всі види лиття, що застосовуються в промисловості, можна розділити за матеріалом, ливарній формі, способу заливання металу у форму, необхідних точності розмірів і шорсткості поверхні виливків і за іншими ознаками. Розглянемо дві основні групи лиття: лиття в піщано-глинисті форми та спеціальні види лиття.
Лиття в піщано-глинисті форми. Для виготовлення ливарної форми служить формувальна суміш, що представляє собою багатокомпонентну систему, склад якої визначається типом і масою виливки і природою металу. Основними компонентами формувальної суміші є кварцовий пісок і формувальна глина. Глина є сполучною і при оптимальному вмісті води (4-5%) надає формувальної суміші необхідну міцність і пластичність. Пісок збільшує пористість і, отже, газопроникність формувальної суміші. Крім того, у формувальну суміш вводять протипригарних добавки (кам'яновугільну пил, графіт), захисні присадні матеріали (борну кислоту, сірчаний колір) та інші інгредієнти. Для виготовлення стрижнів використовують стрижневі суміші, що складаються з кварцового піску і самотвердіючих неорганічних (рідке скло з добавкою 10% розчину NaOH) або органічних (фенолформальдегидная або карбамідофурановая смоли) зв'язуючих.
Спеціальні види лиття. До спеціальних видів лиття відносяться: лиття в оболонкові форми, лиття по виплавлюваних моделях, лиття в металеві форми, лиття під тиском і відцентрове лиття. Ці методи дозволяють одержувати виливки підвищеної геометричної точності, з малою шорсткістю поверхні, мінімальним припуском на механічну обробку або виключає її повністю і мають високу продуктивність.
Відцентрове лиття - це лиття в Швидкообертаюча ливарні форми: металеві, піщані, оболонкові, по виплавлюваних моделях. Під дією відцентрових сил розплавлений метал відтісняється до зовнішньої поверхні форми, де твердне рівним шаром. Легкі домішки і гази відтісняються до внутрішньої поверхні виливки. У результаті цих процесів метал у литві ущільнюється і її механічні властивості поліпшуються. Цим методом отримують водопровідні і каналізаційні труби, колеса, шківи, зубчасті колеса і т.п. Переваги ті ж, що і при лиття в кокілі, проте якість внутрішньої поверхні з причин, викладених вище, гірше, ніж зовнішньою.
Обробка металів тиском
Обробка металів тиском заснована на їх пластичної деформації під дією зовнішніх сил, в результаті якої металева заготовка набуває певну форму і розміри. У ході пластичної деформації зерна подрібнюються, структура металу в цілому поліпшується і, як наслідок, поліпшуються механічні властивості.
Основними видами ОМД є: прокатка, пресування, волочіння, кування, об'ємна і листове штампування.
Прокатка полягає у пластичній деформації металу в результаті обтиснення заготовки між двома обертовими валками. Сили тертя Pw втягують заготівлю між валками, і під дією сил Р, нормальних до поверхні валків, зменшується товщина заготовки. Мета прокатки - отримання продукції різноманітної форми і різними розмірами поперечного перерізу. Форму поперечного перерізу прокатаної продукції називають профілем. Перелік різних профілів, які мають різні геометричні розміри, становить сортамент прокату. Сортамент прокочуються профілів поділяють на наступні п'ять основних груп: сортовий прокат, листової, трубний, спеціальний і періодичний.
Пресування - це технологічна операція, яка полягає в продавлюванні заготовки, що у формі, через отвір матриці за допомогою давить пуансона. Форма і розміри поперечного перерізу одержуваного профілю відповідають формі і розмірам отвори матриці. Чим вище температура металу, тим легше протікає процес пресування. Цим методом отримують прутки, труби та інші вироби більш складних профілів.
Волочіння. Процес волочіння складається з протягування заготовки через сужающееся отвір матриці (волочильне дошки). У результаті площа поперечного перерізу заготовки зменшується, і вона набуває профіль і розміри отвору (вічка) волочильне дошки; довжина заготовки при цьому збільшується. Сортамент виробів, що виготовляються волочінням, різноманітний: дріт діаметром 0,002-10 мм і різні фасонні профілі. Для отримання сталевого дроту діаметром до 0,5 мм використовують волочильні дошки зі вставними очима (фільєри) з твердих сплавів, а для отримання тонкої мідної або вольфрамової дроту діаметром до 0,25 мм - алмазні оченята. Волочіння застосовують також для калібрування прутків різного профілю. Отримані вироби мають точні розміри і гладку поверхню.
Вільна кування. Розрізняють ковку вільну і в штампах (штампування). При вільному куванні заготовка не обмежується стінками спеціальних форм (штампів), і формоутворення відбувається вільно в просторі між бойками молота шляхом пластичної деформації металу заготовки. Цей процес і якість поковки багато в чому залежать від мистецтва оператора-коваля. Вільна кування ділиться на ручну і машинну.
Штампування - це процес отримання поковок, що полягає у пластичній деформації металу в закритій порожнини спеціальної форми, званої штампом. Форма і розміри порожнини штампа відповідають формі і розмірам майбутньої деталі з урахуванням припуску на механічну обробку, якщо таке передбачено. Зазвичай штамповані поковки механічно обробляють тільки в місцях сполучення з іншими деталями: ця обробка може зводитися тільки до шліфування. Штамп - це дорогий інструмент і придатний для виготовлення тільки якоїсь однієї, конкретної деталі. Тому штампування використовують тільки при масовому виготовленні поковок. Розрізняють штампування об'ємну і листову.
Обробка металів різанням
Обробка металів різанням полягає в зрізає з поверхні заготовки шару металу, названого припуском, з метою отримання вироби необхідних геометричної форми, розмірів і шорсткості поверхонь. Зрізання припуску виробляють за допомогою ріжучого інструменту.
У більшості випадків вироби, отримані литтям, прокаткою, куванням, штампуванням, зварюванням та іншими методами, піддають обробці різанням. Видаляється при цьому припуск перетворюється в стружку, яка є характерною ознакою всіх процесів обробки металів різанням (ОМР). ОМР буває механічної, коли припуск зрізують на металорізальних стінках, і слюсарної, коли припуск видаляють вручну за допомогою відповідного слюсарного інструменту. ОМР застосовують і як самостійний спосіб виготовлення деталей.
Основними видами механічної ОМР є: гостріння; стругання; довбання; свердління (зенкування, розгортання і зенкування); фрезерування і шліфування, - вироблені на металорізальних стінках відповідної групи. Верстати розрізняють токарної групи, стругальних і довбальних, свердлильних і розточувальних, фрезерної, шліфувальної та ін При ОМР використовують різний ріжучий інструмент: різці, свердла, зенкера, розгортки, фрези, які мають спеціально заточену ріжучу частину, а також застосовують шліфувальні абразивні круги, зерна яких мають гострими гранями і кутами. Ріжучий інструмент виготовляють з матеріалу підвищеної твердості, міцності, термо-і зносостійкості, різних форм і розмірів.
Довбання. Ця операція є різновидом стругання і виробляється на довбальних верстатах. На них головний вид руху ν (зворотно-поступальний) здійснює різець у вертикальній площині, а рух подачі s - заготівля в горизонтальній площині. Довбання застосовують для отримання канавок, плоских і фасонних поверхонь невеликої висоти, але значних поперечних розмірів.
Свердління. При свердлінні (зенкерування, розгортання, зенковании) зазвичай головний рух ν і рух подачі s повідомляють різального інструмента. При свердлінні головний рух повідомляють заготівлі. Свердління застосовують для отримання наскрізних і глухих циліндричних отворів. Зенкер - для збільшення діаметра отвору, попередньо отриманого литтям, штампуванням або свердлінням, і надання йому більш правильної геометричної форми, досягнення найменшої шорсткості поверхні, ніж при свердлінні або розсвердлювання. Розгортання забезпечує отримання отворів з високою точністю розмірів та високою якістю поверхні; його застосовують в основному для остаточної обробки отворів. Зенкование - отримання отворів під потайні і напівпотайною головки болтів і заклепок.
Фрезерування. При фрезеруванні головний рух ν повідомляється багатолезових різального інструмента - фрезі, а рух подачі s - заготівлі. Існують схеми фрезерування, коли головний рух і рух подачі повідомляють фрезі. Фрезерування застосовують при обробці горизонтальних, вертикальних і похилих площин, фасонних поверхонь, пазів і канавок різного профілю, при виготовленні зубчастих коліс. Особливість процесу фрезерування полягає в уривчастості різання кожним зубом фрези. Зуб фрези вступає в контакт із заготівлею та виконує роботу тільки на деякій частині свого обороту. Потім зуб фрези, продовжуючи рух, не стосується заготівлі до наступного врізання; в цей момент він охолоджується, що подовжує термін служби фрези. Кожен зуб фрези має такі ж елементи і кути, що і токарний різець. Тому фрезу можна розглядати як набір токарних різців.
Шліфування. Процес шліфування застосовують як обробно-доводочну операцію з отриманням розмірів деталей з точністю по 6-7-му квалітетами і шорсткістю поверхні R2 = 0,08-0,32 мкм. Використовують шліфування і як обдирне операцію при очищенні лиття, поковок і т.д. Шліфування - це обробка поверхонь вироби шліфувальними абразивними колами. Для обдирного обробки застосовують грубозернисті абразиви, а для чистового шліфування - дрібнозернисті. Використовують абразиви природні - найбільше застосування отримали мінерал корунд і алмаз, і штучні - електрокорунд з різними добавками, карбід кремнію, нітрид бору та ін
Висновок
Розвиток народного господарства країни значною мірою визначається зростанням обсягу виробництва металів, розширенням сортаменту виробів з металів і сплавів і підвищенням їх якісних показників, що значною мірою залежить від умов механічної обробки. Знання закономірностей обробки металів допомагає вибирати найбільш оптимальні режими технологічних процесів, необхідну основне і допоміжне обладнання і технічно грамотно його експлуатувати.
Список літератури
1. С. М. Колесов, І. С. Колесов, Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів, М:. Вища школа. 2004