Механическая обработка: процессы, инструменты и применение

Что такое механическая обработка?

Механическая обработка — это контролируемый процесс удаления материала (обычно металла) для получения заданной формы и размеров. Технологии с этой общей чертой называют вычитающим производством (subtractive manufacturing), в отличие от аддитивного, где материал наносится слоями. Понятие «контролируемый» подразумевает использование станков с ЧПУ или традиционных станков.

Обработка применяется для изготовления множества металлических изделий, а также изделий из дерева, пластика, керамики, композитов. Специалист по обработке называется наладчик (токарь, фрезеровщик и т.д.). Цех механической обработки — это помещение или предприятие, где выполняются эти работы. Современная обработка массово использует ЧПУ (CNC): компьютеры управляют движением фрезеров, токарных резец и других инструментов, что позволяет работать бесперебойно и снижает затраты на труд.

В статье рассматриваются: определение, применение, назначение, схема, типы, операции, принцип работы, преимущества и недостатки обработки, а также понятие режущего инструмента.

Назначение обработки

Большинство технических деталей — шестерни, подшипники, муфты, винты, гайки — требуют высокой точности размеров, формы и чистоты поверхности. Методы литья и ковки не обеспечивают нужной точности. Такие заготовки (бланки) требуют доводки — механической обработки и шлифования. Высокая точность и чистота позволяют изделию: выполнять функциональные требования, повышать производительность, продлевать срок службы.

Типы процессов механической обработки

Процессы делятся на две большие группы: традиционные (конвенциональные) и нетрадиционные (неконвенциональные).

Традиционная обработка

Традиционная обработка выполняется классическими методами без сложных технологий. Используются острые режущие инструменты (например, конусообразные резьбы на токарных станках). Основные виды:

Токарные станки

Горизонтально-токарный станок (винторезной) — самый важный из станков. Во многих других станках заложены его принципы. Он выполняет токарную, الوجهовую, сверлильную операции. Работает однолезвичным резецом. Операции: точение цилиндрических и конических поверхностей, канавок, уступов, резьб, обработка торцов, внутренние операции (сверление, растачивание, резьбование).

Шлифовальные станки

Используют вращающийся абразивный круг или ленту для удаления микрослоев. Самый точный из базовых методов. Современные станки обеспечивают точность ±0,0001 дюйма (0,0025 мм).

Строгальные и строго-планерные станки

Одноразовые резацы обрабатывают плоские поверхности, канавки, уступы, Т-образные пазы, угловые поверхности. Крупнейшие строгали обрабатывают детали до 900 мм длины с ходом 900 мм. Резец совершает возвратно-поступательное движение.

Фрезерные станки

Заготовка подается против вращающегося фрезы. Разнообразные фрезы позволяют обрабатывать плоскости, канавки, уступы, скосы, хвостовики, Т-пазы, зубья шестерен.

Сверлильные станки

Сверлильные станки (станки вертикального сверления) используют спиральные сверла для отверстий. Также применяются резьбы для растачивания, зенкевания, нарезки резьбы.

Прессы

Операции: срезание, выемка, вытягивание, гибание, ковка, прессовка, усадка, обкатка, прессование, молотковая ковка. Требуют подвижного пуансона, действующего на سندку. Привод: гравитационный, механический, гидравлический, пневматический.

Нетрадиционная обработка

Традиционные методы требуют, чтобы инструмент был тверже заготовки. Но некоторые материалы (никелевые и титановые сплавы в авиации) слишком тверды или хрупки. Это стимулировало развитие нетрадиционных методов, особенно электрофизических.

Электронно-лучевая обработка (EBM)

Создает отверстия Ø0,001 дюйма (0,025 мм) или щели шириной 0,001 дюйма в материалах толщиной до 0,25 дюйма (6,25 мм). Применяется в полупроводниковой промышленности вместо фотолитографии.

Электроэрозионная обработка (EDM)

Электрод и заготовка в диэлектрической жидкости. Искровые разряды плавят/испаряют частицы заготовки. Точно, но медленно. Применяется для штампов, форм, отверстий, пазов, полостей любой формы.

Электрохимическая обработка (ECM)

Обратный электролиз: металл растворяется от заготовки (анода) постоянным током в электролитической ячейке. Нет износа инструмента, можно обрабатывать более твердые материалы мягким катодом. Применяется в авиации и автопроме для зачистки, сверления микроотверстий, обработки лопаток турбин.

Ионно-лучевая обработка (IBM)

Пучок ионов инертного газа (аргон) в вакууме снимает атомы с поверхности. Используется в полупроводниках и производстве асферических линз: текстурирование, очистка зеркал лазеров, управление толщиной тонких покрытий.

Лазерная обработка (LM)

Интенсивный лазерный пучок плавит и испаряет материал. Сверление микроотверстий (0,005–0,05 дюйма) в твердых материалах. Энергозатратно, но позволяет обрабатывать неподдающиеся традиционным методам материалы.

Плазменно-дуговая обработка (PAM)

Плазменная струя (20 000–50 000 °F) режет большинство металлов, включая те, что не режутся кислородно-ацетиленовым резаком. Режет алюминий до 150 мм и нержавейку до 100 мм. Применения: контурная резка листов, канавки в нержавейке, обработка закаленных сталей на токарных станках.

Другие нетрадиционные методы: ультразвуковая (USM), химическая (CHM), фотокимческая (PCM), водоструйная обработка.

Преимущества и недостатки

Преимущества традиционной обработки

• Высокое качество поверхности (при доводке)
• Обработка разнообразных материалов: дерево, пластик, композиты, керамика
• Возможность получать резьбу, идеально прямые края, точные отверстия
• Высокая размерная точность

Недостатки традиционной обработки

• Качество зависит от квалификации оператора
• Низкая повторяемость — требуется 100% контроль
• Низкая производительность из-за ручного труда
• Кадровые проблемы при больших объемах
• Сложно обрабатывать сложные формы (параболические, кубические кривизны)
• Частые изменения конструкции трудно внедрять

Преимущества нетрадиционной обработки

• Высокая точность и качество поверхности
• Нет износа инструмента (нет физического контакта)
• Не образуются опилки/стружка
• Низкий уровень шума
• Легко автоматизируется
• Может обрабатывать любые сложные формы

Недостатки нетрадиционной обработки

• Высокие первоначальные затраты на оборудование
• Требуется высококвалифицированный персонал
• Низкая производительность по удалению металла
• Высокое энергопотребление
• Неэкономично для крупносерийного производства

Заключение

Процессы обработки делятся на традиционные (токарная, сверлильная, шлифовальная, строгальная, планерная) и нетрадиционные (новые методы). В статье рассмотрены определение, применение, назначение, типы, операции, преимущества и недостатки механической обработки.

Надеемся, материал был полезен — делитесь им с коллегами и студентами!