Технология изготовления изделий из металла: способы и этапы производства

Основные технологии изготовления металлических изделий

Для создания изделий из металлов используют разные технологии. Получение любой простой детали или сложного элемента многокомпонентной конструкции требует обработки исходного сырья или заготовки.

Металлообработка осуществляется на технически оснащённых предприятиях, на профессиональном оборудовании. Это различные ручные, механизированные и автоматизированные станки. Они придают металлическому сырью нужные формы, характеристики.

На обрабатывающие предприятия сырьё поставляется обычно в форме металлопроката. Например, полуфабрикаты из бронзы, чугуна и прочих хрупких сплавов поступают в больших слитках, чушках. Более твёрдые металлы поставляют в виде болванок, прутьев, листов. Для обработки используют заготовки – профили, трубы.

Технология изготовления изделий из металла определяется с учётом таких факторов:

• Характеристики: физические, химические свойства, марка.


• Конечная конфигурация: сложность формы, наличие и количество изгибов, соединений, прочих конструктивных элементов.


• Требования к готовым изделиям: прочность, допустимая степень шероховатости, возможные погрешности, отклонения от заданных параметров.


• Возможности предприятия: оснащение, имеющиеся инструменты, оборудование, расходные материалы.

Ниже рассмотрим используемые способы изготовления металлической детали, их суть.

Литейное производство

Литьё – самый древний способ изготовления металлоизделий, который обычно применяется в промышленных масштабах, для серийных производств деталей. Метод заключается в придании нужной формы расплавленному сырью. Металл сначала нагревается и достигает текучего, жидкого состояния. Потом он заливается в форму. Отливка застывает и извлекается.

Технология подходит для металлов и сплавов, которые в жидком агрегатном состоянии после расплавления обладают высокой текучестью. Применяют плавильные печи с разными температурными режимами, габаритами и источниками энергии. Устройства подбираются для каждого материала индивидуально.

Плюсы:

• возможность серийного производства в промышленных масштабах;


• получение мелких металлоизделий, которые нельзя изготавливать другими методами, например, механическими;


• производство запчастей разных конфигураций, габаритов и масс.

Минусы:

• сложная технология с интенсивным термическим воздействием;


• невозможность получать полностью готовые изделия: требуется финишная доработка, например, на токарных станках.

Для литья подойдут многие чёрные металлы, лёгкие цветные (магний, алюминий, титан), тяжёлые цветные (никель, медь, цинк, свинец, олово), а также благородные, такие как серебро, платина, золото, иридий, осмий, палладий, рутений, родий.

Обработка резанием

Резание – создание детали нужной формы из заготовки путём удаления лишнего материала. Этот технологический процесс обычно используется для раскроя листовых материалов или профильного проката.

Виды резки:

• Механическая. Метод для относительно мягких сплавов и металлов. Для их резки используют инструменты и оборудование с режущими высокопрочными элементами. Это ножницы, болгарки, ударные гильотины, пилы, резаки, абразивные круги, фрезерные станки. Всем этим осуществляют разные виды обработки: фрезерование, распиловку, рубку, сверление. Эти варианты подходят для листов, а также профилей и труб небольшой толщины.


• Плазменная. Подходит для листовых металлов, на которые воздействует плазменная струя температуры до 30-50 тысяч градусов Цельсия. Поток плазмы подаётся на рабочую зону с ионизированным газом, создаваемым электрической дугой. Для газовой среды могут использоваться аргон, кислород, азот. Скорость разрезания высокая, рез получается гладким, ровным, не требующим финишной обработки. В зоне воздействия материалы не перегреваются и не плавятся, сохраняют структуру. Возможно раскраивать электропроводящие металлы и диэлектрики, включая твёрдые, высоколегированные. Максимальная толщина реза – до 20-50 см, в зависимости от используемого оборудования.


• Газовая. Метод бесконтактный, основан на действии струи пропана и кислорода. Направленный поток пламени интенсивно нагревает зону реза, перемещается по толщине, расплавляет металл и одновременно устраняет образующиеся окислы. Технология позволяет работать с многослойными заготовками, титановыми листами. Возможно выполнять шаблонные операции с заданными настройками. Метод не подходит для высоколегированной стали, алюминия.


• Лазерная. Такая резка точна, производительна и эффективна, осуществляется лучами мощного лазера, которые расплавляют зону воздействия. Благодаря большой мощности и фокусировке материал после плавления сразу испаряется, поэтому кромка остаётся гладкой, чистой. Лазерная резка используется для работ с тонколистовыми (до 20 мм) металлами: тугоплавкими, хрупкими, твёрдыми, в том числе цветными, разными марками стали.


• Гидроабразивная. Рабочий элемент – направленная струя абразива (твёрдых мелких частиц) и воды. Поток выходит из оборудования с большой скоростью, под давлением до 6000 атмосфер. Ширина реза достигает 1,5 мм, а толщина – 20-30 см. Нагрев в зоне воздействия не превышает 80-90℃.

Сварка деталей

Сварка металлических изделий – это формирование неразъёмных соединений достижением межатомных связей между свариваемыми элементами. Детали в зоне воздействия плавятся, возникает сварная ванна, куда попадает присадочный материал. Две части надёжно фиксируются с созданием прочного шва между ними.

Сварка применяется в машино-, приборо-, судостроении, других отраслях промышленности. Источником энергии может быть лазер, ультразвук, газ, электрическая дуга или ток, плазма, электронный луч.

Выделяют разновидности сварки:

• Лазерная. Интенсивное тепло с расплавлением кромок соединяемых деталей обеспечивает лазер. Сварку выполняют в защитных газовых средах или на воздухе. Она демонстрирует высокую скорость, точность соединений, аккуратные швы.


• Электродуговая. Электрическая дуга выступает в качестве теплового источника. Она формируется под влиянием сварочного тока между соединяемой зоной и электродом. Создаётся сварочная ванна – участок расплавления в жидком состоянии. По мере его остывания происходит кристаллизация, возникает сварной шов.


• Плазменная. Сваривание осуществляется плазменной струёй. Это сжатая дуга, формируемая плазмотроном. Электромагнитные силы сжимают и ускоряют плазменный поток. На зону соединения действуют одновременно тепло и газовая среда.


• Электронно-лучевая. Осуществляется электронным (катодным) лучом, который образуется при термоэлектронной эмиссии с катода, находящегося в электронной пушке.


• Газовая, она же газопламенная, газоплавильная. Для источника энергии используется пламя газа. Оно образуется при интенсивном горении горючей газово-кислородной смеси, выделяющей тепло.


• Литейная. Зона сварки заливается предварительно расплавленным металлом, который локально нагревает зону соединения и обеспечивает фиксацию.

К подвидам электродуговой сварки относят следующие технологии: электрошлаковая, гипербарическая, ручная дуговая, в защитных газах (например, аргоновая), под флюсом, с использованием неплавящихся электродов.

Выбор способа сварки зависит от характеристик свариваемых материалов, требований к сборке конструкции, метода производства соединяемых заготовок, ожидаемого качества сварных швов.

Обработка давлением

Многие металлы пластичны, поэтому придавать им нужные формы можно без разрушения структуры, с помощью значительного давления. Оно создаётся искусственно, в специальном оборудовании с прессами, которые с силой сдавливают заготовки.

Иногда для увеличения пластичности и податливости нужен нагрев. Но температура должна быть ниже той, при которой происходит рекристаллизация или расплавление. Остывая, материал меняется в объёме, и такую особенность нужно учитывать для получения желаемых результатов обработки.

В различных отраслях промышленности используют такие способы металлообработки с высоким давлением:

• Прокатка (вальцевание). Металлическая заготовка многократно протягивается через систему вращающихся валков. Итог – листы, трубы или профили нужной толщины.


• Штамповка. При таком процессе происходит пластическая деформация. Заготовка меняет размеры, конфигурацию. Для обработки применяют специальные штампы. Технология бывает объёмной и листовой. При первой обрабатываются объёмные заготовки, а при второй – листовые материалы. Штамповка делится на горячую (с нагреванием) и холодную (без термического воздействия). По используемой оснастке штампов технология классифицируется на: импульсную (гидравлическую и магнитную), инструментальную, валковую, с эластичными средами, взрывную. Штамповка используется для серийных производств деталей.


• Волочение. Под воздействием давления заготовки фасонного или круглого профиля протягиваются через меньшее по размеру отверстие волочильного аппарата. Это уменьшает площадь сечения, но при этом увеличивает длину изделия. Технология подходит для арматуры, труб, прутьев, проволоки.


• Прессование. Его суть – придание обрабатываемой заготовке заданной формы с помощью выдавливания изделия из полости резервуара через канал под действием силы пресс-штемпеля.


• Ковка. Формообразование материала осуществляется сжимающими локализованными силами. Деталь фиксируется, по ней штампом или молотком наносятся удары. Ковка бывает холодной, подходящей для высокопластичных материалов, а также горячей, предполагающей интенсивный нагрев до податливого, мягкого состояния.


• Гибка. Она применима к листам, профилям, трубам. Подходит для металлов, обладающих оптимальной пластичностью, сохраняющих целостность после сжатия внутренней части и растяжения наружной поверхности сгибаемой заготовки. Возможна гибка латуни, алюминия, меди, нержавеющей стали. Используются профессиональные гибочные станки: гидравлические, электромеханические, профилегибы, гидропрессы, универсальные автоматы, трубогибы.

Технологии обработки под давлением считается универсальной, подходит для изготовления многих деталей для разных целей. Можно за короткое время выпускать большие партии. Но есть риски брака: расколов заготовок, их трещин.

Механическая обработка

Вид металлообработки предполагает механические воздействия с использованием режущих или иных инструментов: фрез, резцов, свёрл. С деталей снимают лишние части, избыточный верхний слой. Также в заготовках можно формировать углубления, каналы, отверстия.

Виды механической обработки:

1. Резание. Деталь фиксируется в металлорежущем станке, далее в её тело внедряется рабочий инструмент. В процессе обработки образуется новая поверхность, появляется стружка. К подвидам резания относят: шлифование, притирку, обкатывание, точение, зенкерование, растачивание, развёртывание, долбление, хонингование, протягивание, фрезерование, строгание. Вариант подбирается с учётом поверхности: наружной или внутренней, цилиндрической, плоской.


2. Пластическая деформация. Размер, физикомеханические свойства, конфигурация заготовки меняются под воздействием внешних сил. В эту категорию входят выглаживание, прессование, штамповка, накатывание резьбы, ковка.


3. Деформирующее резание. Принцип резки сочетается с пластическим деформирующим воздействием. Эта обработка используется для формирования макрорельефных поверхностей (фильтрующих, теплообменных), а также для корректировки объёмов деталей, изношенных из-за активного трения.


4. Электрофизическая металлообработка. Физические свойства меняются под действием внешнего явления, например, искры.

Иногда разные способы металлообработки сочетаются, например, когда изготавливаемый элемент сложный, и к его характеристикам предъявляются высокие требования.

Отдельно рассмотрим некоторые варианты механической обработки с резанием:

• Токарная. Обработка тел вращения: втулок, валов, муфт, шкивов, гаек, шестерёнок, колёс. Деталь фиксируется в токарном станке, с неё режущим рабочим инструментом срезается лишний поверхностный слой. Это нужно, чтобы получить требуемые размеры, степень гладкости, формы.


• Фрезерование. Детали обрабатываются фрезами. Такие рабочие инструменты движутся с вращением, а заготовки – поступательно. Фрезерование позволяет получать канавки, карманы, пазы, лыски, окна, каналы, несквозные и сквозные отверстия.


• Сверление. С помощью сверла в листе или детали создают глухие либо сквозные отверстия разных диаметров, глубин и сечений. Сверлить возможно разные металлы, но необходимо подбирать сверлильные инструменты нужной прочности.


• Шлифование. Абразивный метод обработки, необходимый для придания заданных размеров и степени шероховатости, соответствующей ГОСТ для данного типа деталей.


• Точение. При нём сочетаются линейное движение рабочего инструмента и вращение обтачиваемой заготовки.


• Обкатывание. Воздействие шариковых или роликовых раскаток и обкаток для упрочнения верхнего слоя заготовки.


• Растачивание. Осуществляется на расточных или иных станках. Отверстие изнутри механически обрабатывается резцами до требуемого размера.


• Развёртывание. Механическая чистовая обработка, применимая к отверстиям. Она необходима для доведения до нужного состояния: гладкости, точных размеров, форм.


• Строгание. Срезание слоя с детали поступательным движением резца с усилием.


• Протягивание. Инструментом с множеством лезвий (зубьев) при поступательных движениях обрабатывается заготовка до достижения нужных параметров.

Совокупность рассмотренных выше методов называется слесарными работами. Они охватывают комплекс операций, которые проводятся при изготовлении изделий. Слесарно-сборочные работы – это черновая и чистовая обработка деталей, их финишная подготовка и соединение. Сюда, помимо уже перечисленных процессов, входят нанесение разметки, правка, рихтовка, пайка, склеивание, лужение, клёпка, доводка, припасовка, пригонка. Все слесарные операции для получения единой конструкции с заданными характеристиками должны выполняться в строгой последовательности.

3D-печать

Новейшая технология, позволяющая с помощью специальных лазерных принтеров получать металлические изделия любых форм, включая сложные конфигурации, например, с полыми внутренними участками, ячейками. Погрешность при 3D-печати составляет всего 0,05 мм, поэтому изготовление высокоточное, с заданными параметрами.

Эта передовая технология востребована в автомобильной промышленности, авиации, судостроении, челюстной лицевой хирургии, оборонной и военной отраслях. Изделия производятся послойно, после создания виртуальной точной модели и трёхмерного компьютерного конструирования.

Виды металлических изделий

Металлоизделия делятся на виды по способу производства, материалам, назначению. Они изготавливаются из разного сырья или полуфабрикатов, применяются в быту, строительстве, других сферах. Рассмотрим некоторые отдельные виды.

Штампованные

Штампованные изделия производят методом холодной либо горячей штамповки. Их используют в промышленности, хозяйстве, производствах, быту, при прокладке инженерных коммуникаций. В качестве сырья применяют цветные, чёрные и благородные металлы.

Основные виды штампованных деталей и металлоизделий:

• ёмкости, столовые приборы, посуда: вилки, тарелки, кастрюли, ложки, контейнеры;


• крепёж, фурнитура: задвижки, болты, шпильки, винты;


• элементы каркасов, других сборных конструкций: швеллеры, уголки, балки, профиль, арматура,


• корпусы или их составляющие (например, обшивка) для бытовой техники, оборудования, морских и речных судов, самолётов, вертолётов;


• детали автомобилей: кузова, бамперы, элементы некоторых узлов, например, ступицы, коленчатые валы, шаровые опоры;


• составляющие сложных механизмов: испарители холодильных установок, оси, зубчатые колёса, рычаги рулевого управления, шестерни, крестовины, поворотные кулачки, фланцы;


• металлическая сувенирная, интерьерная продукция: статуэтки, рамки для фотографий;


• сельскохозяйственные инструменты: грабли, лопаты, мотыги, лейки.

Некоторые штампованные металлоизделия – готовая продукция. Другие являются составляющими сборных конструкций.

Из листового металла

Листовые металлы для формовки подвергаются резке, гибке и другим способам обработки. Из них изготавливают стальные бочки, профнастил для кровель, грузовые контейнеры, баки и прочие ёмкости, шкафы, стеллажи, полки, водостоки, вентиляционные коробы, ограждения, подносы, поддоны, противни, мангалы, вёдра, дымоходы, ливневые желоба, столы, обшивку и многое другое.

Из листов можно изготавливать изделия и конструкции сложных форм. Производство включает несколько этапов: проектирование, создание заготовок, их первичную обработку, соединение частей, завершающую обработку, финишную сборку.

Из цветных металлов

Это свинец, олово, никель, медь, титан, вольфрам, магний, цинк, алюминий. Используют и сплавы: бронзу, латунь. Цветной металлопрокат подходит для высокотехнологичных отраслей, например, космонавтики, медицины, авиации, электротехники, электроники, транспортной промышленности, робототехники. Материалы обладают хорошими характеристиками, но стоят довольно дорого.

Из чёрных металлов

К ним относятся чугун, сплавы на основе железа, например, сталь. Такие материалы достаточно прочны, доступны, износостойки, универсальны. Из них разными способами изготавливают кухонные принадлежности, станки, инструменты, прокатную продукцию типа балок, профилей.

Из драгоценных металлов

В эту группу входят золото, платина, серебро. Из них изготавливают ювелирные изделия, украшения для интерьера, иногда посуду: кольца, ложки и другие столовые приборы, цепи, серьги, браслеты, подвески, статуэтки.

В качестве сырья обычно используют слитки, которые расплавляют и подвергают дальнейшей обработке: отжигу, плавке, штамповке, литью, волочению, цепевязанию, пайке. Обязательны обезжиривание, промывка, сушка. Конечные изделия шлифуются и полируются, на некоторых проставляются пробы. Иногда используют насечку, чеканку, гравировку. Обработка может быть механической или ручной.

Этапы изготовления металлических изделий

Чтобы изготовить из металла изделия высокого качества, соответствующие требованиям заказчика и ГОСТ, нужно соблюдать технологию и выполнять обработку поэтапно. Если изделия стандартные, то для них действуют общепринятые нормы. Если для производства используются полуфабрикаты или черновые заготовки, то весь процесс включает несколько этапов.

Проектирование

Любое производство начинается с разработки проекта. Это подробные чертежи с указанием проекций деталей, размеров во всех плоскостях. Схематические изображения подготавливаются на основе предварительных расчётов, если они требуются. Заказчик формирует подробное техническое задание.

Проектная документация изучается специалистами, которые изготавливают металлоизделия на заказ. Обсуждаются все детали, при необходимости вносятся корректировки.

Выбор материалов

Этот этап пропускается, если на предприятие поставляются полуфабрикаты или заготовки. В таком случае организация-исполнитель использует предоставленное сырьё. Если же клиент ставит задачу запустить производство полного цикла, тогда нужно подобрать оптимально подходящий металл или сплав: его состав, марку.

При выборе нужно учитывать:

1. Физические, механические, химические свойства материала. От них зависит поведение сырья или заготовки при обработке.


2. Технология производства. Например, гибке поддаются только металлы со свойством пластичности, сохраняющие свои характеристики и структуру при деформациях.


3. Доступные методы металлообработки. Например, мощностей завода может не хватить для высокотехнологичного производства.


4. Техническое задание: тип производимых изделий, их форма, размеры, ожидаемая прочность, стойкость к внешним условиям.

Формовка

Этап подразумевает придание полуфабрикатам или заготовкам необходимых размеров, конфигурации. Формовка выполняется разными методами: литьём, резанием, механообработкой, давлением. Способ выбирается с учётом свойств материала: его гибкости, термостойкости, твёрдости, пластичности.

Термообработка

Многие детали в составе главных узлов или конструкций должны быть устойчивыми к нагреву, трению, химическим агрессивным средам, перепадам температур, высоким механическим, вибрационным, ударным, динамическим, статическим нагрузкам.

Для придания стойкости используют термообработку. Повышенные температуры не меняют состав металлов и сплавов, но совершенствуют, упрочняют их структуру. Например, после термообработки размягчённая сталь не раскрошится, не растрескается при фрезеровании.

К термической металлообработке относятся операции:

• Отжиг. Нагрев до высоких температур (свыше 800 градусов Цельсия) с последующим замедленным охлаждением в печи. Отжиг делает металл более мягким, поддающимся обработке.


• Закалка. После нагревания до критических температур (800-880℃) материал быстро охлаждают маслом или водой. Это придаёт максимальную прочность и твёрдость. Но чрезмерно резкое понижение температуры может спровоцировать внутреннее напряжение.


• Отпуск. Следует за закалкой, позволяет снимать внутреннее напряжение. Осуществляется нагрев до средних или средневысоких температур. В таком состоянии материал находится некоторое время, а потом естественным путём (на воздухе) охлаждается.


• Нормализация. Напоминает отжиг. Но нагретый металл охлаждается не в печи, а в воздушной среде. Эта термообработка делает материал более твёрдым.

Шлифовка

Чтобы поверхность изготовленной детали была гладкой и ровной, её нужно отшлифовать. Все шероховатости, зазубрины и прочие дефекты вместе с тонким поверхностным слоем убираются специальными устройствами, оснащаемыми вращающимися валами и шлифовальными кругами с разной степенью абразивности.

Полировка

Полировка – финишная, более тонкая шлифовка. Она нужна, когда поверхность должна быть идеально гладкой, без малейших шероховатостей. Полировальные вращающиеся круги имеют покрытия с мелкой зернистостью.

Соединение

Соединение необходимо для сборки многокомпонентной конструкции. Её элементы могут соединяться друг с другом такими способами:

• Сварка. О ней подробно написано выше.


• Пайка. В зону стыка соединяемых деталей вводится горячий разжиженный металл с температурой плавления ниже значения фиксируемых материалов. Операция выполняется с помощью паяльника.


• Клёпка. Формирование неразъёмных соединений листов, полос и прочих тонких металлических элементов. Крепёжная деталь – стальная заклёпка из трёх частей: цилиндрического стержня, замыкающей и закладной головок.


• Склейка. Используются специализированные клеи.


• Болты и гайки с резьбовыми поверхностями. Для такого способа в соединяемых деталях нужно сформировать идентичные отверстия с резьбой. Гайка накручивается на болт.


• Шпильки. Если отверстия соединяемых деталей резьбы не имеют, подойдёт такой способ. Шпилька – стержень цилиндрической формы с резьбой на концах, без головок. На концевые части накручиваются гайки.

Химическая финишная обработка

Если нужно сформировать защитное покрытие или придать цвет, то технология изготовления деталей из металла включает финишную химическую обработку. Это может быть:

• Порошковая покраска. На поверхность наносят сухой красящий состав. Далее этот порошок закрепляется высокой температурой, образуя долговечное, устойчивое к внешним воздействиям покрытие.


• Хромирование. Поверхностное или диффузное (с внедрением в структуру) нанесение на металлы хрома для улучшения характеристик: антикоррозийной защиты, повышения износостойкости покрытия.


• Оцинкование. Обработка поверхности цинком для предотвращения окисления с последующей коррозией.


• Борирование. Химико-термическая обработка с насыщением боровым сплавом. Осуществляется с нагревом, погружением в химически активную среду. Борирование защищает от ржавчины и преждевременного износа, упрочняет поверхность.


• Гальванизация. Нанесение на деталь другого металла посредством осаждения наносимого материала из солевого раствора под действием электричества.


• Азотирование. Насыщение металлической поверхности азотом для упрочнения, антикоррозийной защиты.


• Цементация. Диффузионное внедрение в поверхностный слой стали углерода для увеличения прочности, износостойкости.

Где можно заказать изготовление металлических изделий

Если нужно сделать металлическое изделие, важно доверить его изготовление профессионалам, которые смогут соблюсти все пункты технического задания и требования заказчика.

При выборе металлообрабатывающей компании обращайте внимание на:

1. Период работы. Чем дольше предприятие функционирует в профильной сфере, тем больше у него опыта.


2. Услуги. Если предстоит многоэтапное изготовление, лучше обратиться в компанию полного цикла производства, которая сможет полноценно подготовить и обработать полуфабрикаты, а также собрать конструкцию.


3. Оснащение. Станки должны быть профессиональными, высокоточными, автоматизированными.

Изготовлением различных металлоизделий, а также обработкой металлов занимается компания Profbau. У нас работают опытные специалисты, которые владеют всеми востребованными технологиями. Оснащение Профбау – современные специализированные станки и инструменты.

Мы изготавливаем образцы, серийные детали, сложные изделия. Выполняем все виды обработки. Оказываем услуги недорого, оперативно, качественно, официально. Чтобы обратиться к нам, напишите в онлайн-чат, позвоните или оставьте заявку на сайте.