Это руководство по обработке металлов В книге рассказывается о том, как металлы превращаются в пригодные для использования детали, чем обработка отличается от механической обработки и как инженеры, покупатели и производители могут выбрать правильный маршрут с учетом прочности, точности, времени выполнения и стоимости.
Обработка металла включает в себя широкий спектр операций, в том числе литье, ковку, прокатку, экструзию, штамповку, сварку, термообработку, обработку поверхности и изготовление изделий, близких к чистой форме. Механическая обработка металла, такая как фрезерование, точение, сверление, шлифование и электроэрозионная обработка с ЧПУ, часто используется после первичной обработки для достижения более точных размеров или лучшего качества поверхности.
Что такое обработка металла?
Обработка металла - это промышленное преобразование сырого металла в промежуточные формы, готовые детали или узлы. При этом может изменяться форма металла, его микроструктура, механические свойства, состояние поверхности или точность размеров. Распространенными исходными формами являются слитки, заготовки, слябы, листы, плиты, прутки, трубы, проволока, отливки и поковки.
В инженерной практике обработка металла - это не одна операция. Типичный производственный маршрут может включать плавку, формовку, термообработку, механическую обработку, нанесение покрытий и контроль. Например, автомобильный рычаг управления может быть изготовлен из алюминиевого сплава, подвергнут ковке для улучшения зернистости, термообработке для достижения заданной прочности, обработке с ЧПУ на монтажных поверхностях, а затем анодированию или нанесению покрытия для защиты от коррозии.
Обработка металла в сравнении с механической обработкой металла
Разница между обработкой металла и механической обработкой металла важна для оценки стоимости, проектирования с учетом технологичности и выбора поставщика. Обработка металла изменяет заготовку путем ее формирования, придания формы, соединения, обработки или отделки, в то время как обработка металла Это субтрактивная операция, которая удаляет материал для создания окончательной геометрии.
Проще говоря, металлообработка - это более широкая категория производства; Обработка металла Удаление материала с помощью контролируемой резки, абразивного износа или электрического разряда. Механическая обработка может быть частью рабочего процесса обработки металла, но не вся обработка металла является механической обработкой.
| Точка сравнения | Обработка металла | Обработка металла |
|---|---|---|
| Основная цель | Формирование, придание формы, соединение, термообработка или отделка металла | Удаление материала для достижения точной геометрии |
| Типичные методы | Литье, ковка, прокатка, экструзия, штамповка, сварка, термообработка, покрытие | Фрезерование с ЧПУ, токарные работы, сверление, растачивание, шлифование, электроэрозионная обработка, протяжка |
| Эффективность использования материалов | Часто высок, когда используются методы, близкие к сетевой форме | Может образовывать значительную стружку, особенно из заготовок или пластин. |
| Точность размеров | Зависит от метода; часто умеренный перед вторичными операциями | Высокий уровень; общие допуски составляют от ±0,005 мм до ±0,1 мм в зависимости от технологического процесса и размера детали |
| Лучший вариант использования | Заготовки большого объема, конструкционные детали, улучшение зернистости или свойств материала | Прецизионные элементы, плотная посадка, резьбовые отверстия, уплотнительные поверхности и окончательная отделка |
| Фактор затрат | Инструментальная оснастка, штампы, пресс-формы, печные циклы, выход материала и размер партии | Машинное время, время наладки, износ инструмента, программирование, сложность приспособлений и количество брака |
Когда обработка металла является лучшим основным способом
Используйте литье, ковку, экструзию, штамповку или порошковую металлургию, когда деталь может быть изготовлена близко к окончательной форме, когда структура зерна имеет значение или когда объем оправдывает изготовление инструмента. Например, кованый стальной шатун может обладать лучшей усталостной прочностью, чем полностью обработанная деталь, поскольку зернистость повторяет траекторию движения нагрузки.
Когда обработка должна занимать доминирующее положение в маршруте
Применяйте механическую обработку, если годовой объем производства невелик, геометрия часто меняется, допуски жесткие, а инвестиции в оснастку не оправданы. Обработка с ЧПУ часто предпочтительна для изготовления прототипов, аэрокосмических кронштейнов, прецизионных корпусов, медицинских инструментов и сменных деталей.
Основные виды обработки металлов
Правильный выбор метода изготовления металла зависит от марки материала, геометрии детали, механических требований, объема производства и критериев контроля. В большинстве реальных проектов наилучший результат дает комбинирование нескольких методов, а не использование только одного процесса.
Кастинг
При литье металл расплавляется и заливается в форму. Оно подходит для сложных форм, внутренних полостей и средне- и крупносерийного производства. К распространенным процессам литья относятся литье в песчаные формы, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям, литье в постоянные формы и центробежное литье.
Литье алюминия под давлением широко используется для изготовления корпусов, крышек, радиаторов и автомобильных компонентов. Литье по выплавляемым моделям применяется для изготовления деталей из нержавеющей стали, сверхпрочных сплавов и деталей аэрокосмического назначения, где требуется тонкая проработка деталей и лучшее качество поверхности.
Ковка
При ковке металл сжимается под большим усилием для улучшения формы и внутренней структуры зерна. Она используется для изготовления валов, шестерен, коленчатых валов, крюков, клапанов, шатунов и высокопрочных конструктивных элементов.
По сравнению с литьем, ковка обычно повышает усталостную прочность и ударную вязкость, но для ее изготовления требуются штампы, а после ковки может потребоваться механическая обработка для достижения окончательных размеров.
Прокат
Прокатка уменьшает толщину металла или изменяет его поперечное сечение, пропуская его через ролики. Горячая прокатка эффективна для конструкционной стали, листового и сортового проката, в то время как холодная прокатка улучшает контроль размеров, качество поверхности и механические свойства.
Экструзия
Экструзия заставляет металл проходить через фильеру для создания непрерывных профилей. Экструзия алюминия используется для изготовления рам, рельсов, радиаторов, корпусов и архитектурных компонентов. Этот метод эффективен, когда требуется постоянное поперечное сечение на большой длине.
Обработка листового металла
Обработка листового металла включает лазерную резку, пробивку, гибку, штамповку, глубокую вытяжку, подшивку, клепку и сварку. Она широко используется для изготовления кронштейнов, панелей, шкафов, корпусов, лотков для батарей и деталей приборов.
Сварка и соединение
Сварка соединяет металл под воздействием тепла, давления или того и другого. К распространенным методам относятся сварка MIG, сварка TIG, контактная точечная сварка, лазерная сварка, сварка трением и электронно-лучевая сварка. Механические методы соединения включают клепку, зажим, болты и пресс-фитинг.
Термообработка
Термическая обработка изменяет микроструктуру и механические свойства. К распространенным процессам относятся отжиг, нормализация, закалка, отпуск, обработка раствором, старение, науглероживание, азотирование и снятие напряжения. Термообработка может повысить твердость, пластичность, усталостную прочность, износостойкость или стабильность размеров.
Обработка поверхности и отделка
Обработка поверхности улучшает коррозионную стойкость, внешний вид, износостойкость или трение. К распространенным вариантам относятся анодирование, пассивирование, гальваническое покрытие, электролитическое никелирование, порошковое покрытие, черная окись, фосфатирование, полировка, дробеструйная обработка, упрочнение и термическое напыление.
Распространенные методы обработки металла после обработки
Механическая обработка часто является заключительным этапом, превращающим обработанную заготовку в функциональную прецизионную деталь. Для команд, занимающихся закупками, ключевой вопрос заключается не в том, что лучше - обработка или механическая обработка, а в том, какой объем механической обработки требуется после первичной обработки.
- Фрезеровка с ЧПУ: Изготавливает пазы, карманы, торцы, контуры и поверхности от 3 до 5 осей.
- Токарная обработка с ЧПУ: Изготавливает цилиндрические детали, такие как валы, штифты, втулки, фитинги и резьбовые детали.
- Сверление и нарезание резьбы: Создает отверстия, резьбу и крепежные элементы.
- Измельчение: Обеспечивает жесткие допуски, плоскостность, округлость и тонкую шероховатость поверхности.
- EDM: Режет твердые металлы, острые внутренние углы, штампы и сложные профили с помощью электрического разряда.
- Броширование: Производит шпоночные пазы, шлицы и внутренние профили в больших объемах.
- Хонингование и притирка: Улучшает геометрию отверстия, уплотнительные поверхности и сверхтонкую обработку.
Как выбрать правильный маршрут обработки металла
Надежный процесс выбора начинается с требований к конечной детали, а не с производственного оборудования. Перед выбором литья, ковки, экструзии, штамповки или механической обработки инженеры должны определить степень нагрузки, рабочую температуру, коррозионную среду, допуски на размеры, шероховатость поверхности, годовой объем и целевую стоимость единицы продукции.
Практическое правило, начните с процесса, который создает ближайшую форму сети, Затем добавьте механическую обработку только там, где этого требуют точность, герметичность, сборка или обработка поверхности.
| Требования к дизайну | Вероятный предпочтительный процесс | Причина |
|---|---|---|
| Сложная внутренняя полость | Литье или аддитивное производство | Создает формы, которые трудно или дорого обрабатывать из цельной заготовки |
| Высокая усталостная прочность | Ковка плюс механическая обработка | Улучшенный поток зерна и уменьшение внутренних дефектов |
| Длинный постоянный профиль | Экструзия | Эффективное непрерывное производство с хорошим выходом материала |
| Тонкий корпус или кронштейн | Резка и гибка листового металла | Быстрое производство и малое количество отходов материала |
| Очень жесткий допуск | Обработка с ЧПУ или шлифование | Лучший контроль размеров по сравнению с большинством методов первичной формовки |
| Мелкие детали большого объема | Штамповка, холодная штамповка или порошковая металлургия | Низкое время цикла после изготовления оснастки |
Инженерный пример: снижение затрат за счет изменения технологического маршрута
Обработанный алюминиевый корпус, первоначально изготовленный из заготовки 6061-T6, потребовал 48 минут работы ЧПУ и снял около 62% исходного материала в виде стружки. При перепроектировании заготовки в алюминиевую литейную форму с обработкой только уплотнительных поверхностей, резьбовых отверстий и посадочных мест под подшипники время работы ЧПУ сократилось до 14 минут. Даже с учетом штамповой оснастки точка безубыточности наступила примерно при 3800 единицах продукции, а себестоимость единицы продукции снизилась на 28% при 10 000 единиц в год.
Выбор материала для обработки металла
Выбор материала влияет на нагрузку при формовке, износ инструмента, реакцию на термообработку, коррозионную стойкость, свариваемость, обрабатываемость и стоимость готовой детали. Технически правильный процесс может оказаться неудачным, если сплав плохо подобран к условиям производства.
Углеродистая и легированная сталь
Углеродистая сталь экономически эффективна и широко доступна. Низкоуглеродистые стали легче поддаются формовке и сварке, а среднеуглеродистые и легированные стали можно подвергать термообработке для повышения прочности и износостойкости. Обычно применяются валы, шестерни, кронштейны, рамы, крепеж и детали машин.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь обеспечивает коррозионную стойкость и прочность. Аустенитные марки, такие как 304 и 316, обычно используются в пищевой, медицинской, морской и химической промышленности. Мартенситные и закаленные в осадке нержавеющие стали используются, когда требуется более высокая твердость или прочность.
Алюминиевые сплавы
Алюминий отличается низкой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью и отличной обрабатываемостью. 6061 обычно используется для Обработка на станках с ЧПУ 7075 используется для высокопрочных деталей, а ADC12 или A380 - распространенные сплавы для литья под давлением.
Титановые сплавы
Титан обеспечивает высокое соотношение прочности и веса и устойчивость к коррозии, но он дорог и трудно поддается обработке из-за низкой теплопроводности и закалки. Он широко используется в аэрокосмической промышленности, медицинских имплантатах, морской технике и высокопроизводительных устройствах.
Медь, латунь и бронза
Медные сплавы выбирают по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости и несущей способности. Латунь хорошо обрабатывается и используется для изготовления фитингов, клапанов, соединителей и декоративных деталей. Бронза часто используется для изготовления втулок, подшипников и износостойких пластин.
Допуски, шероховатость поверхности и контроль размеров
Планирование допусков - один из наиболее распространенных источников увеличения стоимости металлических деталей. Слишком жесткие допуски увеличивают время контроля, время обработки, износ инструмента и риск брака. Для большинства узлов не все поверхности нуждаются в прецизионной обработке.
Лучшие инженерные чертежи отделяют критические для функционирования элементы от некритических. Штабель толерантности следует проверять на сопрягаемых деталях, приспособлениях, крепежах и условиях теплового расширения.
| Процесс | Типичный диапазон допусков | Типичная шероховатость поверхности | Примечания |
|---|---|---|---|
| Литье в песок | Приблизительно ±0,5 мм до ±3,0 мм | От грубого до умеренного | Хорошо подходит для крупных деталей; часто требуется обработка функциональных поверхностей |
| Литье под давлением | Приблизительно от ±0,05 мм до ±0,25 мм для выбранных характеристик | От умеренного до хорошего | Отлично подходит для изготовления большого количества деталей из алюминия или цинка |
| Гибка листового металла | Приблизительно ±0,1 мм - ±0,5 мм в зависимости от толщины и оснастки | Зависит от обработки листа | Необходимо контролировать радиус изгиба, направление зерна и пружинистость |
| Фрезерование с ЧПУ | Приблизительно ±0,01 мм до ±0,1 мм | Обычно достигается Ra от 0,8 до 3,2 мкм | Зависит от станка, приспособления, фрезы, материала и геометрии детали. |
| Шлифование | Приблизительно ±0,002 мм до ±0,02 мм | Обычно достигается Ra от 0,1 до 0,8 мкм | Используется для прецизионной плоскостности, округлости и чистовой обработки |
Замечание инженера: деформация после термообработки
Искривления часто возникают при неравномерной толщине стенок, резких переходах или несбалансированности обрабатываемой заготовки. Стальная заготовка шестерни может увеличиться, уменьшиться или деформироваться после науглероживания и закалки. Общепринятая стратегия контроля заключается в оставлении припусков на шлифование перед термообработкой, снятии напряжений после черновой обработки, а затем в чистовом шлифовании отверстий, торцов и зубьев шестерен после закалки.
Факторы, определяющие затраты при обработке металлов
Стоимость металлических деталей - это не только цена за килограмм сырья. Покупатели должны оценить общая стоимость наземной части, включая выход материала, оснастку, наладку, время цикла, обработку, отходы, термообработку, покрытие, контроль, упаковку, логистику и риск поставщика.
- Использование материалов: Ковка, литье и экструзия могут уменьшить количество отходов по сравнению с обработкой из цельной заготовки.
- Инвестиции в оснастку: Штампы и пресс-формы увеличивают первоначальную стоимость, но снижают стоимость единицы продукции при увеличении объема.
- Время цикла: Высокоскоростная штамповка может изготовить детали за несколько секунд, в то время как сложная 5-осевая обработка может занять несколько часов.
- Вторичные операции: Термическая обработка, удаление заусенцев, полировка, нанесение покрытий и контроль могут превысить стоимость первичной формовки.
- Лом и переделка: Жесткие допуски, сложные сплавы и нестабильные процессы увеличивают скрытые расходы.
- Качественная документация: PPAP, контроль первого изделия по стандарту AS9102, сертификаты на материалы и прослеживаемость увеличивают стоимость, но снижают риск цепочки поставок.
Контроль качества и инспекция
Контроль качества при обработке металла должен проверять как геометрию, так и целостность материала. Деталь может соответствовать размерам, но выйти из строя из-за пористости, трещин, неправильной твердости, плохого провара или дефектов покрытия.
Сайт стратегия инспекции должна соответствовать риску. Аэрокосмическая, автомобильная, энергетическая и медицинская отрасли часто требуют более жесткого контроля процесса, чем общепромышленные детали.
Общие методы проверки
- Контроль размеров: Штангенциркули, микрометры, высотомеры, КИМ, оптические измерения и лазерное сканирование.
- Проверка материалов: Сертификаты испытаний мельниц, испытания PMI, химический анализ и испытания на твердость.
- Неразрушающий контроль: Красящий пенетрант, магнитные частицы, ультразвуковые испытания, радиографические испытания и испытания вихревыми токами.
- Проверка поверхности: Измерение шероховатости, толщины покрытия, испытания в соляном тумане, испытания на адгезию и визуальные стандарты.
- Возможности процесса: Cp, Cpk, контрольные карты и контроль первого изделия для повторного производства.
Контрольный список покупателя и инженера перед заказом металлических деталей
Четко сформулированные требования сокращают количество ошибок в предложениях, задержек в производстве и споров о качестве. Прежде чем отправить запрос на коммерческое предложение, подготовьте полный технический пакет.
- 3D CAD-файл в формате STEP, Parasolid или в родном формате.
- 2D-чертеж с допусками, базовыми точками, маркой материала и отделкой поверхности.
- Годовой объем, размер партии и целевой график поставок.
- Необходимый технологический маршрут, если он уже указан, например, литье плюс механическая обработка или ковка плюс термообработка.
- Критические для качества размеры и требования к контролю.
- Спецификация термообработки, диапазон твердости и глубина обработки, если применимо.
- Требования к обработке поверхности, такие как анодирование, пассивация, порошковое покрытие или гальваническое покрытие.
- Отраслевые стандарты, такие как ASTM, ISO, SAE, AMS, ASME, AWS или специфические требования заказчика.
- Требования к упаковке, маркировке, прослеживаемости и документации.
Практические рекомендации по проектированию для улучшения обработки металлов
Проектирование с учетом требований технологичности позволяет снизить стоимость без ослабления детали. Следующие рекомендации полезны при литье, ковке, изготовлении листового металла и обработке на станках с ЧПУ.
- Используйте большие внутренние радиусы, чтобы уменьшить концентрацию напряжений и улучшить поток материала.
- Избегайте ненужных глубоких карманов, тонких стенок и длинных незакрепленных элементов.
- Для уменьшения усадки и пористости в отливках поддерживайте толщину стенок как можно более равномерной.
- По возможности используйте стандартные размеры материалов, крепежа, резьбы и направления доступа инструментов.
- Указывайте жесткие допуски только для функциональных элементов.
- Разработайте контрольные точки, соответствующие контрольным точкам при сборке и производстве.
- Позволяет реалистично обрабатывать запасы литья, поковок и сварных конструкций.
- На ранних этапах проектирования учитывайте такие факторы, как коррозия, гальваническая совместимость и условия эксплуатации.
Заключение: Постройте процесс вокруг требования к детали
Обработка металла - это полный набор производственных операций, используемых для превращения металла в функциональные детали, а механическая обработка металла - это прецизионный субтрактивный метод в рамках этой более широкой категории. Наиболее эффективный производственный план часто сочетает в себе процесс, близкий к чистовой форме, такой как литье, ковка, экструзия или штамповка, с целенаправленной механической обработкой с ЧПУ и контролируемой отделкой.
Для инженеров и покупателей наилучшие результаты дает согласование требований к материалу, геометрии, допускам, объему и качеству до начала производства. Правильно выбранный маршрут обработки металла позволяет сократить отходы материала, уменьшить время обработки, улучшить механические характеристики и создать более стабильную цепочку поставок.
