Способ холодной обработки металла

Холодная обработка металлов

Обработка металлов может быть холодной или горячей. У каждого из этих способов есть свои преимущества и недостатки, технологические особенности и специальные методики.

Поскольку разные металлы имеют разные физические и механические свойства, для них выбираются различные методы обработки.

Наиболее экономный способ изготовления деталей и их заготовок – пластическая деформация. При таком воздействии давлением меняются физические и химические показатели готовых изделий, им придается необходимая форма и размер без нарушения целостности материала.

Холодная обработка металлов давлением часто используется в промышленных масштабах и на частных кузницах, поскольку она помогает быстро, без затрат энергии создавать самые различные продукты.

История холодной штамповки как технологии обработки металла

Известно, что человек нашел для себя такое полезное и многофункциональное ископаемое, как металл, еще в древние времена. Именно с того времени он и научился обрабатывать слитки, изготавливать из них оружие, предметы быта, украшения и другие полезные предметы.

В Древней Руси холодная обработка металлов методом штамповки была известна с конца первого тысячелетия, тогда мастера использовали технологию для производства посуды.

Принцип изготовления деталей и изделий заключается в том, что на лист железа механически воздействует штамп, после прессования получается готовый продукт.

Стоит отметить, что и древние, и современные изделия, изготовленные методом штамповки, отличаются высоким качеством.

Какие металлы поддаются холодной обработке

Поскольку холодная обработка металлов – это процесс, в ходе которого изменяется форма и размер заготовок и изделий при комнатной температуре, или температуре, которая не приводит к рекристаллизации, есть только определенные виды материалов, которые ей поддаются.

Степень подогрева металла зависит от его пластичности.

Холодной обработке поддаются такие металлы:

• Низкоуглеродистая сталь;
• Латунь;
• Бронза;
• Медь;
• Алюминиевая бронза;
• Аустенитные и ферритные нержавеющие стали;
• Сплавы, изготовленные на основе никеля;
• Нелегированный алюминий и некоторые его сплавы.

Процессы холодной обработки металла

Обрабатывать металлы при комнатной температуре или температуре, ниже температуры рекристаллизации можно несколькими способами.

Деформирование материалов срезом или сдвигом, например, вырубка, перфорирование, обрезка и подобные действия можно проводить с деталями, которые не нагреваются до высоких температур.

Волочение, чеканка, правка растяжение также допустимы для металлов, находящихся в холодном или слегка нагретом состоянии.

Обработка давлением, которая включает в себя клепку, штамповку, холодную прокатку, холодную ковку, накатку резьбы и насечки, является наиболее популярным методом холодной обработки, так же, как и гибка различных деталей и их частей.

Холодная обработка обладает такими преимуществами:

• Повышается предел прочность и предел эластичность металла;
• Повышается твердость, но в то же время, и понижается пластичность;
• Повышается качество поверхности и допуски на размеры;
• Альтернатива для повышения твердости металлов, которые не поддаются термической обработке.

Недостатки холодной обработки:

• Только определенные материалы с высокой пластичностью поддаются такой обработке;
• Возникновение остаточного напряжения в материалах, повышение их хрупкости, для восстановления пластичности проводят отжиг;
• Искажение и фрагментация зернистой структуры металла, устранить которую можно термической обработкой;
• Сложность обработки больших деталей.

Как проводят холодную обработку металла

Работа с металлом всегда считалась прерогативой сильных и ловких мужчин-кузнецов, о которых ходили легенды и пересказы. Однако в наше время все изменилось, холодная обработка металлов, как и горячая, все чаще осуществляется специальными автоматизированными или автоматическими машинами.

Современные производства, которые хотят выпускать продукцию высокого качества, давно отказались от ручного труда, поскольку он малопроизводительный, кроме того, на выходе могут получиться бракованные изделия, исправить которые невозможно.

Специальные машины с программным обеспечением четко и слаженно выполняют все заданные им функции, контролирует их диспетчер, чье участие в процессе минимальное. Такие агрегаты позволяют налаживать серийное и массовое изготовление изделий из металла.

Где узнать о последних инновациях в сфере холодной обработки металла

В ЦВК Экспоцентр будет проходить специализированная международная выставка «Металлообработка», на которой можно узнать, какими инновационными методами производится холодная обработка металлов на ведущих отечественных и зарубежных предприятиях.

Экспоненты представят оборудование, инструменты и станки для работы с разными металлами, в том числе продемонстрируют технологии холодной обработки металла, а также поделятся своими последними достижениями в этой сфере и планами на будущее.

Источник

Виды механической обработки металлов

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Какие существуют стандартные способы обработки металла?
• Как обрабатывают металл на современном производстве?
• Какие новые технологии металлообработки появились в последнее время?

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.

Описание холодной обработки металла

Метод холодной обработки металла заключается в деформировании, которой подвергается заготовка, при температуре менее точки рекристаллизации или при нормальной (комнатной) температуре. Степень и глубина воздействия на заготовку во многом зависит от пластичности металла.

На практике из всех методов холодной обработки чаще всего используют слесарные работы, которые объединяет понятие «механическая обработка металлов».

Это достаточно большая группа, в которой при всех способах применяется твердый острый инструмент, механически воздействующий на заготовку. При этом в результате отделения слоев материала происходит смена формы изделия. Разница между величиной конечного продукта и первоначальной заготовки называется припуском.

Существует несколько видов механической обработки:

• Точение. В этом случае к закрепленной на вращающейся основе заготовке подводится резец – он снимает металл, создавая деталь с установленными в конструкторской документации размерами. Таким образом получают изделия, которые имеют форму тела вращения.
• Сверление. При этом к неподвижно закрепленной заготовке продольно подводится сверло, которое вращается вокруг своей оси, а затем медленно погружается в деталь. Данный вид обработки используется для изготовления круглых отверстий.

• Фрезерование. Отличие данного вида от сверления заключается в рабочей поверхности. Если у сверла это только передний конец, то у фрезы еще и боковая поверхность. Кроме того, фреза имеет возможность перемещаться в разные стороны (вправо, влево, вперед и назад). Данный вид обработки помогает создать изделие, имеющее необходимую конструктору форму.
• Строгание. Заготовка неподвижно закрепляется на основе, а резец перемещается относительно нее назад и вперед. Каждый проход инструмента снимает с детали слой металла. Некоторые агрегаты работают неподвижным резцом по двигающемуся изделию. Такой вид обработки используется для изготовления продольных пазов.
• Шлифование. Процесс осуществляется с помощью абразивного материала, который вращается или поверхность заготовки обрабатывается продольно возвратно-поступательными движениями, снимая с нее тонкие слои материала. Таким образом происходит подготовка изделия к нанесению покрытия.

Помимо вышеперечисленного, к холодной обработке металла относятся:

• Деформирование срезом или сдвигом – пробивка, обрезка, вырубка и перфорирование, а также поперечная, продольная резка и пр.
• Гибка – на угол, роликовая правка, гибка прутков, отбортовка.
• Обработка давлением – чеканка, холодная ковка, прокатка и штамповка, клепка, накатка, насечка, резьба, пр.

Науглероживание (цементация)

Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.

Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.

Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.

Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.

При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.

Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.

Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.

Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.

Распространенные виды холодной обработки металла давлением

Чаще всего под холодной обработкой материала подразумевается только один из ее методов – давлением. Давайте рассмотрим разновидности данного процесса.

Это высокотемпературный процесс, при котором происходит нагрев детали до оптимальной ковочной температуры – индивидуальной для каждой марки металла. Существуют следующие способы ковки:

• на молотах (паровых, гидравлических, пневматических);
• ручная.

На молотах (иначе – машинная ковка), а также ручная – это свободные варианты обработки. Они носят такое название, поскольку не происходит ограничения металла в процессе воздействия на него оборудования или инструмента.

Штамповка – это несвободная ковка. Причина заключается в матрице штампа, которая ограничивает заготовку. Под воздействием инструмента изделие приобретает ее форму.

Ковку часто используют при небольших объемах производства – единичном или мелкосерийном. Поковку получают разогревом изделия и размещением его между бойками молота. Подкладными же делают обжимку, топор или раскатку.

Прокатка – это пластическая обработка металла в холодном состоянии обжиманием. Она происходит на прокатном стане посредством вращающихся валков. Применяют ее для уменьшения поперечного сечения детали, а также для создания необходимого профиля. В настоящее время используют такие три способа прокатки, как:

• Продольная. Посредством нее изготавливается наибольшее число изделий. В процессе обработки валки обжимают деталь, проходящую между разносторонне вращающимися валками, оставляя толщину, которая равна зазору между последними.
• Поперечная. Таким образом обрабатываются тела вращения (например, цилиндры, шары, втулки и пр.). Поступательных движений деталь не производит.
• Поперечно-винтовая. Способ объединяет два предыдущих. Используется для производства деталей, полых изнутри.

• Волочение.

Это обработка металла холодным способом, технология которого заключается в протяжке детали, имеющей профиль круглого (фасонного) вида, через волоку (фильеру). Таким образом изготавливается проволока. Катанка (заготовка, имеющая больший диаметр) протягивается между фильерами, в результате чего выходит проволока малого диаметра.

Процесс волочения классифицируют:

• По типу: на сухое, когда проволоку протаскивают через мыльный порошок, и мокрое, когда в процессе задействована мыльная эмульсия.
• По обработке поверхности: на черновое и чистовое.
• По кратности переходов: на однократные и многократные. Последние осуществляются в несколько переходов, а поперечное сечение детали уменьшается постепенно.
• По температуре: на горячее и холодное.

• Прессование.

Данный процесс позволяет работать с хрупкими металлами, выдавливая их сквозь отверстия матрицы с помощью пресса.

Метод используется для изготовления сплошных или полых профилей из таких материалов, как алюминий, магний, титановые сплавы, медь. Детали используют для самолетов и автотранспорта, например, делают подвески, лопатки, трубы и пр.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

Бывает холодное и горячее прессование. Для таких пластичных материалов, как медь, олово, алюминий в чистом виде, применяется холодная обработка металла. Для тугоплавких материалов и сплавов, какими являются металлы, содержащие титан, никель и пр., используется горячая обработка, то есть перед прессованием инструменты и детали нагревают.

Процесс позволяет получить изделия, имеющие различную конфигурацию, например, с периодическим (постоянным) профилем, наружными либо внутренними ребрами и пр.

Производство идет на специальных прессах, где можно менять матрицы. Материалом изготовления матриц являются штампованные стали с высокой жаропрочностью.

• Объемная штамповка.

Это метод, позволяющий получать деталь с помощью штампа, части которого ограничивают течение материала.

Используются два вида штампов: закрытые и открытые.

Открытые имеют зазор подвижных частей, через который происходит удаление облоя (переизбытка металла). Убирают его механическим способом в ходе окончательной обработки детали. Открытые штампы могут широко использоваться для обработки заготовок различной массы без предъявления к ней особых требований.

У закрытых штампов зазор отсутствует, поэтому металл остается внутри формы, не образуя облоя. Для такого процесса необходимо тщательно рассчитать деталь по объему.

• Листовая штамповка.

С ее помощью производят изделия из полосы, листа или ленты металла, которые были получены прокаткой.

В производстве используют два вида (группы) операций:

• разделение – отрезка, вырубка и пробивка;
• образование формы – раздача, вытяжка, чеканка, отбортовка, гибка и пр.

Для листовой штамповки используют гидравлические и кривошипные прессы. В качестве инструмента применяют штампы с такими основными деталями, как пуансоны и матрицы.

Штампованное изделие в последующем, как правило, не требует доработки механическим способом. Для этого размеры пуансонов и матрицы тщательно рассчитывают в соответствии с техническими требованиями и только после этого запускают в производство.

Листовую штамповку применяют практически во всех областях промышленности. Данный метод позволяет изготовить детали с высокой точностью. Это могут быть и небольшие изделия для микроэлектроники, и части кузова автомобиля. Холодная обработка металлов резанием и давлением чрезвычайно востребованы.

Плюсы и минусы холодной обработки металла

Рассмотрим сначала преимущества:

1. У металла возрастают пределы пластичности и прочности.
2. Увеличивается твердость материала при одновременном снижении пластичности.
3. Качество поверхности возрастает, как и допуски на размер.
4. Повышается твердость материалов, структура которых не может стать более прочной при термической обработке.

Однако имеется и ряд недостатков:

1. Холодная обработка используется исключительно при работе с пластичными металлами, например, с низкоуглеродистой сталью.
2. Остаточные напряжения, появляющиеся в результате обработки, неблагоприятны для металла, так как он может стать хрупким. Чтобы восстановить пластичность, необходимо его отжечь.
3. Вероятно проявление фрагментирования и искажения зеренной структуры металла. Для исправления требуется термическая обработка.
4. Холодная обработка проста в применении для изделий небольшого размера, в то же время крупные заготовки требуют больших затрат труда, времени и энергии.

Азотирование

Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.

С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.

Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.

Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.

Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.

Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.

При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.

Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.

Немного о химической обработке металла

Специалисты с небольшой натяжкой, но относят химическую обработку к холодным работам. Перед окраской или для получения какого-либо эффекта металлы обрабатывают различными составами. Одной из основных их болезней является ржавчина. Она значительно ухудшает свойства изделий, поэтому важно не допустить или убрать с металлических поверхностей любые признаки появления коррозии.

Химической обработкой называют процессы, которые должны помочь убрать с помощью химических реакций поверхностный слой, а затем защитить металл от ржавчины. Существуют растворы, которые помогают сформировать окисные (или иные) соединения. В результате на поверхности образуется пленка, качество которой зависит от температуры обработки, химического состава средства и периода его воздействия, а также от того, насколько изделие было хорошо подготовлено к данной процедуре.

Химическую обработку применяют для увеличения прочности, защиты от ржавчины, а следовательно – повышения срока эксплуатации изделия.

Существует ряд методов химической обработки. Выделим основные из них:

• Распыление раствора – происходит при низком давлении струи вещества, которым обрабатывают металл.
• Погружение в раствор – изделие помещают на определенный период времени в действующее вещество.
• Гидроструйная обработка раствором – происходит только с использованием соответствующего оборудования.

Глубокое травление или химическое фрезерование используют в металлургии, машиностроении и т. д. для изделий, которые сделаны из тонкого материала, чья поверхность имеет сложную конфигурацию, или при обработке множества малых изделий.

Существуют и иные методы. Например, цинкование, оксидирование, фторирование, нитрирование, анодирование, хромирование, воронение и пр. Наука не стоит на месте, с каждым днем появляются все новые методы химической обработки.

Охрана труда при холодной обработке металлов

В процессе холодной обработки работники могут подвергаться негативному воздействию вредных, а иногда и опасных факторов. Это может быть высокое напряжение электросети, двигающиеся части агрегатов и оборудования, перемещение механизмов и машин и пр. Причиной большинства несчастных случаев на производстве, которые произошли в ходе работы на оборудовании для обработки металлов, является полное или частичное его несоответствие требованиям техники безопасности.

Все движущиеся части механизмов, которые могут стать источником травмы, следует ограждать либо их расположение должно предотвращать прикосновение к ним работника. Возможно также применение иных способов защиты, к примеру, использование двуручного управления.

Существуют виды оборудования, в которых нельзя ограждать (или использовать иные средства защиты) места вероятного соприкосновения работника с движущимися элементами агрегатов. В таком случае конструкция должна быть оснащена сигнализацией, которая включается одновременно с запуском станка. Дополнительно можно использовать различные знаки безопасности и сигнализирующие об опасности цвета. Аварийные кнопки или иные средства экстренной остановки оборудования должны быть установлены вблизи движущихся частей, которые не видны работнику. Это следует делать в случае, когда работники находятся в опасной близости от движущихся элементов установки.

Однако необходимо не только соблюдать требования безопасной работы с оборудованием, но и правильно организовать рабочее пространство. Все рабочие места следует располагать так, чтобы над ними не проходили линии переноса грузов грузоподъемными агрегатами.

Рабочие пространства должны быть оснащены площадками, на которых располагаются столы, стеллажи, тара и прочие хранилища материалов и заготовок, оснастки и полуфабрикатов, а также отходов и готовых изделий. Специалистам, участвующим в технологических операциях и соблюдающим правила холодной обработки металла, должно быть максимально удобно и безопасно работать.

Вдоль всего оборудования по полу обязаны располагаться трапы из дерева шириной ≥ 60 см от выступающих элементов оборудования.

Складирование заготовок и готовых изделий должно проводиться в специально отведенных местах – нельзя загромождать рабочие поверхности. Все детали должны быть установлены основательно, обеспечивая удобство зачаливания при использовании подъемного оборудования. Штабели не могут быть выше 100 см. Проходы следует всегда оставлять свободными.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Источник