Металлообрабатывающая промышленность: от формовки до финишной обработки

Вспомните прецизионные инструменты в ваших руках или критически важные компоненты внутри автомобильного двигателя. Как сырье превращается в конечные продукты с определенными формами, эксплуатационными характеристиками и свойствами поверхности? Производство металлических деталей - сложный процесс, объединяющий множество технологий. Эта статья исследует сложные этапы производства металлических компонентов, от первоначальной формовки до передовых методов обработки поверхности, раскрывая лежащую в основе науку и технологии. Мы рассмотрим различные производственные процессы и обсудим, как выбрать оптимальное сочетание технологий для достижения наилучших характеристик и экономической эффективности.

Производство металлических компонентов обычно включает в себя ряд процессов, которые в широком смысле можно разделить на первичные и вторичные операции. Многие детали требуют сочетания обоих. В процессе производства незавершенные компоненты называются «незавершенным производством» (WIP), ожидающим дальнейшей обработки.

• Первичные процессы: Они придают материалам форму, близкую к окончательным размерам и геометрии. Они формируют основную структуру детали и распределение материала.
• Вторичные процессы: Они модифицируют поверхность, свойства материала или наносят покрытия на WIP. Когда одних только первичных процессов недостаточно для удовлетворения проектных требований, используются вторичные операции. После первичной обработки WIP становится «подложкой». Например, в детали, изготовленной из спеченной глиноземной керамики с металлическим покрытием, глинозем служит подложкой. В оцинкованном стальном винте сталь является подложкой.

Первичные процессы составляют основу производства металлических компонентов, определяя базовую структуру детали. Ниже приведены основные типы первичных операций:

Литье и формование включают в себя впрыск расплавленного материала в форму, позволяя ему затвердеть, а затем извлечение отформованной детали. Эти методы применимы к металлам, полимерам и стеклу. Для пластмасс распространенными методами являются литье под давлением и выдувное формование; для металлов преобладают литье под давлением, литье в песчаные формы и литье по выплавляемым моделям.

• Литье пластмасс под давлением: Термопластичные гранулы поступают в бункер и подаются в литьевую машину. Вращающийся шнек перемещает материал вперед, в то время как трение и зоны нагрева расплавляют его. Когда накапливается достаточно расплавленного пластика, шнек впрыскивает его в полость формы. После охлаждения форма открывается, и деталь извлекается.
• Литье под давлением: Расплавленный металл подается в полость формы под давлением. После затвердевания форма открывается, и деталь извлекается.

Все процессы литья и формования требуют контроля состава материала и температуры плавления. Дополнительные переменные, такие как давление впрыска, температура формы, время извлечения и смазка формы, также могут быть критическими.

Этот процесс уплотняет металлический или керамический порошок в форме под давлением, а затем спекает его в высокотемпературной печи, чтобы частицы сплавились в твердую деталь. Горячее прессование и горячее изостатическое прессование сочетают уплотнение и спекание.

Идеальные спеченные детали демонстрируют контролируемую пористость, спроектированную с помощью параметров уплотнения и спекания для достижения желаемых свойств.

Эти процессы придают форму твердым металлам или полимерам посредством механической деформации. Исходными материалами являются листы, трубы, прутки или заготовки, иногда нагреваемые для облегчения формовки. Металлические детали могут быть штампованы, вытянуты, откованы или экструдированы; полимеры формуются методом компрессионного формования или термоформования.

• Компрессионное формование: Пластмассовые детали формируются из порошка, гранул или заготовок. Когда форма закрывается, сжатие создает сдвиг, в то время как нагретые половины формы размягчают материал, чтобы заполнить полости. Продолжающееся тепло и давление отверждают пластик.

Этот субтрактивный процесс удаляет материал с листов, блоков или прутков для доработки литых или формованных деталей, достижения более жестких допусков или изменения эстетики. Методы включают механическую обработку, химическое травление и обработку лазерным лучом, применимые к металлам, полимерам и керамике.

• Механическая обработка: Включает шлифование, фрезерование и сверление.
• Химическое травление: Создает мелкие детали на тонких металлических листах или удаляет ненужные участки.
• Обработка лазерным лучом: Сверлит или режет металлы, полимеры и керамику.

Ламинирование собирает отдельные слои материала в многослойные структуры, часто для композитов. Слои прессуются вместе с клеями или без них, иногда под воздействием тепла.

Вторичные процессы модифицируют WIP и делятся на три категории:

• Модификация материала: Изменяет свойства по поперечному сечению детали.
• Модификация поверхности: Изменяет характеристики поверхности.
• Нанесение покрытия: Наносит или выращивает покрытия на поверхности.

Термическая обработка изменяет микроструктуру металла для повышения прочности, пластичности или магнитных свойств. Контролируемые циклы нагрева и охлаждения варьируются в зависимости от материала и желаемых результатов.

• Стальные сплавы: Нагреваются в печах, а затем охлаждаются со скоростями, влияющими на микроструктуру. Медленное охлаждение происходит на воздухе; быстрое охлаждение осуществляется с использованием масла или закалки водой.
• Алюминиевые, медные и никелевые сплавы: Упрочняются путем обработки раствором (нагрев и быстрое охлаждение), за которой следует дисперсионное твердение (старение при более низких температурах).

Химические, механические или термические методы уточняют состав, текстуру или химию поверхности для повышения износостойкости, усталостной прочности, трения или способности к склеиванию.

• Термическая обработка поверхности: Такие процессы, как индукционная, лазерная или пламенная закалка, создают прочные поверхностные слои над пластичным сердечником.
• Термохимические процессы: Цементация, азотирование или карбонитрация диффундируют элементы в поверхности для образования твердых слоев.
• Механические процессы: Дробеструйная обработка (повышает усталостную прочность), пескоструйная обработка (очищает/шероховатость) или шлифовка (отделка поверхностей).
• Химическая очистка: Удаляет загрязнения с помощью кислот, щелочей или растворителей.

Тонкие слои (от нанометров до микрометров) повышают износостойкость, коррозионную стойкость или эстетику за пределами возможностей подложки. Примеры включают:

• Гальванопокрытие: Погружает детали в проводящие растворы; ток осаждает ионы металла (например, меди, золота, никеля) на поверхности.
• Конверсионные покрытия: Выращиваются посредством химических реакций (например, фосфатирование на стали, хроматирование на алюминии).
• Анодирование: Электрохимически окисляет поверхности алюминия, магния или титана.
• Покраска/порошковое покрытие: Наносит жидкие или сухие порошки на полимерной основе, отверждаемые путем нагрева.
• Вакуумное напыление: Распыляет или испаряет металлы (например, алюминий, титан) в вакуумных камерах.
• Термическое напыление: Проецирует расплавленные капли (металлы, керамика) на поверхности с помощью пламени, дуги или плазменных методов.

Некоторые компоненты подвергаются нескольким вторичным процессам. Например, пескоструйная обработка может предшествовать покраске для очистки и шероховатости поверхностей. Предварительное нанесение покрытий на материалы (например, цинк на стальные листы) перед формованием может снизить затраты по сравнению с нанесением покрытий после формования.

Помимо объемной формовки, методы осаждения, травления или химической конверсии создают сложные структуры, особенно в электронике (например, интегральные схемы, MEMS). Здесь подложки обеспечивают механическую поддержку, интегрируясь в функциональные конструкции.