Металлообработка предполагает выполнение ряда операций, нацеленных на изменение формы, габаритов и характеристик металлических материалов в процессе производства готовых изделий. Качество металлообработки во многом зависит от выбора исходного сырья. Свойства металла (прочность, пластичность, коррозионная стойкость, теплопроводность) непосредственно влияют на характеристики и долговечность конечного изделия.
Выбор материала определяется назначением детали, условиями ее эксплуатации и экономической целесообразностью. В металлообработке используются как черные, так и цветные металлы, а также композиционные материалы, каждый из которых обладает уникальным набором характеристик.
Железо и его сплавы являются наиболее распространенными материалами в металлообрабатывающем производстве. К черным металлам прежде всего относятся сталь и чугун.
Углеродистые стальные сплавы классифицируются по содержанию углерода:
Легированные стали содержат добавки легирующих элементов (хром, никель, молибден, ванадий и др.), которые значительно улучшают их свойства. Например, добавление хрома повышает коррозионную стойкость (нержавеющие стали), никеля – прочность и жаростойкость.
Марки стали, например, 40Х, 30ХГСА, 12Х18Н10Т, характеризуются составом и областью применения: различают инструментальные, нержавеющие, жаропрочные типы.
Инструментальные стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, что делает их сложными в обработке. Они требуют применения специальных режущих инструментов из твердых сплавов или сверхтвердых материалов (CBN, алмаз). Скорости резания обычно ниже, чем для конструкционных сталей, а подача и глубина резания — меньше.
Нержавеющие стали отличаются высокой коррозионной стойкостью, они могут быть вязкими и склонными к наклепу. Обработка требует:
Жаропрочные стали – стойки к высоким температурам и прочны, но сложно поддаются обработке. Характеризуются значительной твердостью при комнатной температуре и повышенной склонностью к образованию трещин. Для обработки необходимы:
Это черный металл, который представляет собой сплав железа с углеродом. В металлообрабатывающей промышленности применяются следующие разновидности:
Серый чугун. Наиболее распространенный вид. Характеризуется наличием пластинчатого графита в структуре. Это придает ему относительно высокую прочность на сжатие, хорошую жидкотекучесть и виброгашение.
Обрабатывается материал относительно легко, но из-за наличия графита в структуре может происходить налипание стружки на режущий инструмент. Это может привести к ухудшению качества обработки и износу резца. Поэтому для обработки серого чугуна используют специальные режущие инструменты из твердых сплавов с определенной геометрией и режимами резания.
Белый чугун. Графит в этом металле отсутствует, углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C). Это придает ему высокую твердость и износостойкость, но делает металл чрезвычайно хрупким, из-за чего он сложно обрабатывается. Белый чугун требует применения высокопрочных режущих инструментов и специальных режимов резания. Из него изготавливают износостойкие детали (направляющие, втулки).
Ковкий чугун. Получают путем длительного отжига белого чугуна, в результате чего цементит распадается на пластинчатый графит. Это значительно улучшает механические свойства по сравнению с серым аналогом – повышается прочность на растяжение, ударная вязкость и пластичность. Материал обрабатывается легче, чем белый, но сложнее, чем серый чугун. Свойства ближе к стали, но все еще требует аккуратного подхода к выбору инструментов и режимов резания.
Высокопрочный чугун. Характеризуется повышенными механическими свойствами (прочность, пластичность, ударная вязкость), что позволяет использовать его в ответственных конструкциях.
К цветмету относятся: алюминий, медь, цинк, магний, никель, свинец, олово, титан. Обрабатываемость цветных металлов и их сплавов сильно зависит от конкретного состава и легирующих добавок. В металлообработке используются:
Алюминий – легкий, коррозионностойкий металл с высокой электропроводностью. Алюминиевые сплавы бывают деформируемые (листы, трубы) и литейные (сложные отливки). Они широко применяются в авиакосмической промышленности, автомобилестроении, пищевой отрасли (в упаковке).
Медь – хорошо обрабатывается методами резания (точение, фрезерование, сверление), однако склонна к наклепу и требует использования СОЖ для предотвращения налипания. Хорошо поддается сварке, пайке и ковке. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью.
Латунь (сплав меди и цинка) – обрабатывается резанием с умеренными усилиями, хорошо поддается штамповке и прессованию. Сварка возможна, но требует определенных навыков из-за образования хрупких зон. Подходит для изготовления деталей для сферы электротехники, сантехники.
Бронза (сплав меди с оловом, алюминием или другими металлами). Обрабатываемость резанием зависит от легирующих элементов. Оловянистые бронзы более хрупки, чем алюминиевые. Из бронзы изготавливают компоненты подшипников, декоративные изделия.
Титан – высокопрочный, легкий и коррозионностойкий металл. Обработка усложняется из-за высокой химической активности и склонности к наклепу. Требуется специальное оборудование и инструменты.
В металлообработке также используется металлокерамика (сплавы с керамическими компонентами) и металлопластики, армированные полимерными нитями. Кроме того, существует много других видов композитов на металлической основе – например, волокнисто-армированные материалы.
Композиты обладают повышенной прочностью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, но могут быть дороже в производстве. Они применяются в авиационной промышленности, автомобилестроении, судостроении и других областях, где требуется сочетание высокой прочности и малого веса.