Изучение процесса изготовления металла: Полное руководство

Введение

Металлообработка, в частности промышленная металлообработка, - это один из наиболее значимых производственных процессов, который включает в себя несколько процессов, необходимых для создания функциональных металлических деталей, узлов и конструкций. От микроуровня электронных гаджетов до макроуровня строительной индустрии, металлические изделия используются практически во всех сферах общества и экономики. Индустрия производства металлических изделий очень велика и постоянно расширяется и развивается.

Цель данной статьи - описать различные этапы процесса изготовления металлоконструкций с момента разработки проекта до его завершения и сдачи. В этой статье мы расскажем об основных методах, видах используемого металла и других факторах, которые могут повлиять на успешную реализацию проекта, чтобы читатели получили представление об этой важной отрасли.

Что такое изготовление металлоконструкций?

Металлообработка, по своей сути, - это процесс создания машин и конструкций из сырья и необработанных кусков металлических материалов. По сути, это процесс удаления материала, сгибания и соединения металлических деталей для получения определенной формы. В отличие от формообразующих процессов, таких как механическая обработка, литье или ковка, процесс изготовления обычно начинается с заготовки металлических изделий, таких как листовой металл, плиты, трубы или элементы конструкции. Эти материалы затем формируются с помощью различных процессов, таких как резка, гибка или формовка материалов в желаемые геометрические формы и их сборка для формирования конечной детали или структуры. Металлообработка - это широкая область, которая охватывает все: от тонких, замысловатых корпусов из листового металла до больших, сложных сварных стальных конструкций, что требует различных навыков, инструментов и процедур контроля качества.

Дизайн и планирование: Основа

Каждый проект по изготовлению металлических изделий начинается задолго до того, как начинается собственно резка и формовка материала. Для успешного проекта необходима прочная основа, которая включает в себя преобразование идеи в практический план производства.

В современных производственных процессах автоматизированное проектирование (CAD) играет ключевую роль в создании сложных конструкций. Дизайнеры и инженеры создают 2D-чертежи и 3D-модели, которые могут быть физически скорректированы благодаря точному представлению на начальном этапе работы, что делает возможным внесение заранее продуманных изменений. Цифровой план способствует углубленному изучению, снижая вероятность дорогостоящих ошибок и значительных потерь лишних материалов.

После этого наступает этап планирования, который является прямым преемником этапа проектирования. Выбор материала зависит от его прочности, веса, способности противостоять коррозии и стоимости. Также необходимо определиться с наиболее подходящими методами изготовления в зависимости от объема производства, допусков и оборудования. Этот этап включает в себя определение порядка действий, используемых ресурсов и времени, необходимого для бесперебойной работы проекта.

Еще одним важным фактором, который необходимо принимать во внимание, является проектирование для производства (Design for Manufacturability, DFM). DFM стремится уменьшить сложность процесса изготовления путем стандартизации размеров отверстий, определения достижимых радиусов изгиба, уменьшения количества соединений, требующих сварки, и установления правильных допусков для процессов и применения изготовления. Эти стратегии помогают сократить расходы и в то же время не влияют на качество услуг.

При эффективной работе этот этап позволяет сократить количество ошибок, уменьшить количество брака и переделок, сократить время цикла и гарантировать, что конечный продукт будет правильным с первого раза и каждый раз при минимальных затратах.

Техника резки металла: Точная формовка

После завершения проектирования и выбора материала первым процессом изготовления является резка материала до желаемого размера и формы. Тип используемого метода резки зависит от типа материала, толщины материала, требуемой точности и стоимости.

Стрижка: это быстрый и эффективный метод, используемый для обрезки ненужного материала и прямых линий на листовом или листовом металле. В нем используются два лезвия, одно из которых неподвижно, а другое движется по принципу ножниц. Этот процесс лучше всего подходит для простых прямых разрезов, а не для сложных форм.

Пиление: Ленточные или дисковые пилы используются для резки прутков, труб и конструкционных форм. Хотя это универсальный процесс, распиловка выполняется относительно медленно и может привести к тому, что поверхность будет нуждаться в дальнейшей отделке.

Лазерная резка: это процесс, в котором используется мощный лазерный луч, расплавляющий или испаряющий материал для получения чистых краев. Некоторые из распространенных типов - CO2-лазеры, которые подходят для большинства материалов, и волоконные лазеры, которые идеально подходят для тонких металлов, таких как алюминий и медь. Лазерная резка быстра и точна, особенно при работе с тонким материалом, и может вырезать сложные формы.

Плазменная резка: предполагает использование высокоскоростного потока ионизированного газа для резки электропроводящих металлов. Этот метод больше подходит для резки толстых материалов толщиной от одного дюйма и выше и идеально подходит для резки стали, нержавеющей стали и алюминия. Качество кромки хорошее, но не такое тонкое, как при лазерной или гидроабразивной резке, и при этом образуется зона термического влияния (HAZ).

Гидроабразивная резка: это метод резки, при котором для разрезания металла используется струя воды под высоким давлением, смешанная с абразивными гранулами. Это процесс холодной резки, при котором не образуются зоны термического влияния или деформации материала. Гидроабразивная резка способна разрезать любой материал с высокой точностью и хорошим качеством обработки кромок, но она относительно медленнее и дороже, чем лазерная или плазменная резка.

Выбор правильного метода резки очень важен для достижения желаемой геометрии, качества обработки кромок и производительности.

Формовка и гибка: Достижение желаемых форм

После того как металлические детали вырезаны по размеру, на следующем этапе их часто формуют и сгибают в нужные трехмерные формы. На этом этапе могут быть использованы следующие методы:

Сгибание: С помощью специализированного оборудования, такого как листогибочные прессы, металлические листы и плиты могут быть согнуты под точными углами. Для получения различных форм и радиусов изгиба используются различные типы штампов и оснастки.

Штамповка: Это процесс, при котором плоский металлический лист подается в штамповочный пресс, где с помощью штампа ему придается нужная форма. Штамповка очень эффективна при производстве широкого ассортимента продукции и множества одинаковых деталей в больших количествах.

Рисование: При вытяжке пуансон вдавливает лист металла в полость штампа, чтобы придать ему чашеобразную или другую более сложную форму. Глубокая вытяжка применяется при изготовлении деталей с большой толщиной или глубиной по отношению к их ширине.

Ковка: Это процесс, который предполагает использование силы для придания металлу формы при сжатии, что позволяет добиться желаемой формы. Она может выполняться горячим или холодным способом, а получаемые детали обладают повышенной прочностью и долговечностью.

Экструзия: Металл принудительно пропускается через штамп определенной формы поперечного сечения, и в результате получаются длинные прутки с одинаковыми размерами поперечного сечения. Этот способ широко применяется при производстве алюминиевых и других профилей из цветных металлов.

Роллинг: Металлопрокат предполагает использование двух роликов для утончения металлических листов, плит или прутков или придания им определенной формы поперечного сечения. Он также может использоваться для получения цилиндрических или конических форм из плоского материала (листовой или сортовой прокат).

Удар: Это похоже на штамповку, но в основном используется для создания отверстий или других форм на листовом металле с помощью пуансонов и штампов. Револьверные штамповочные прессы с ЧПУ - это универсальные инструменты, которые могут вмещать несколько инструментов и быстро создавать сложные узоры из отверстий и элементов.

Решение о том, какой метод формовки и гибки использовать, зависит от сложности требуемой формы, свойств материала и количества деталей, которые необходимо изготовить.

Процессы обработки: Обработка деталей

В большинстве строительных проектов, связанных с металлами, всегда есть определенные размеры, гладкость и другие характеристики, которые невозможно достичь только путем резки и формовки, и именно здесь на помощь приходит механическая обработка. К распространенным процессам механической обработки относятся:

Бурение: С помощью сверла делают круглые отверстия. Очень важен при выполнении отверстий под болты или гайки, а также при подготовке отверстия к нарезанию внутренней резьбы.

Фрезерование: Это процесс, в котором используется вращающаяся фреза с несколькими режущими кромками для резки материала на заготовке. Фрезерные станки с ЧПУ позволяют создавать различные формы, пазы, карманы, плоские или контурные поверхности с высокой точностью.

Поворот: Это процесс, который обычно выполняется на токарном станке, где заготовка вращается, а режущий инструмент остается неподвижным. Он используется при токарной обработке цилиндрических деталей, снятии конусов, прорезании канавок, нарезании наружной и внутренней резьбы.

Измельчение: Использует абразивные круги для сбривания небольших слоев материала с целью получения очень гладких и точных поверхностей и размеров. Обычно применяется в качестве заключительной операции после других видов обработки или термообработки.

Механическая обработка обычно выполняется как дополнительный процесс к основным процессам резки и формовки для получения деталей или соблюдения определенных допусков.

Соединение и сборка: Создание конечного продукта

Очень немногие промышленные компоненты создаются из одного куска металла. Таким образом, все методы соединения деталей, например, соединение отдельных частей в целое изделие, включая технологии производства автомобилей, требуют процессов сборки.

Сварка: Это самый распространенный способ неразъемного соединения металлических деталей. Он осуществляется путем расплавления основного металла (часто в сочетании с присадочным металлом) и его охлаждения для затвердевания соединения. Основными процессами сварки являются:

• MIG (газовая дуговая сварка металлов - GMAW): Используются проволочные электроды, подаваемые непрерывно, и защитный газ. Она универсальна, быстра и относительно проста в освоении. Считается лучшим и применимым для многих металлов и толщин.
• TIG (газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом - GTAW): Используются нерасходуемые вольфрамовые электроды и защитный газ. Известен высокой точностью и контролем, что позволяет получать высокопрочные сварные швы. Лучше всего подходит для тонких материалов и сплавов, таких как алюминий и нержавеющая сталь, но медленнее, чем MIG.
• Дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW): Используются электроды с флюсовым покрытием, которые расходуются в процессе сварки. Покрытие выделяет безопасный газ для сварочной ванны. Отлично подходит для простых работ на открытом воздухе, а также для работы с нечистыми или незнакомыми материалами, где требуется мобильность, но требует большего мастерства для получения чистых, аккуратных сварных швов.
• Точечная сварка (Точечная сварка сопротивлением - RSW): Разновидность сварки, при которой одновременно расплавляются и соединяются наложенные друг на друга листы металла путем пропускания сильного электрического тока через электроды, которые зажимают и сжимают листы вместе. Очень популярна в автомобильной промышленности.

Пайка и пайка: Два метода соединения металлов с использованием наполнителя, который плавится при температуре ниже температуры основного металла. Основные металлы предварительно нагреваются, и наполнитель всасывается в соединение за счет капиллярного действия. Пайка производится при более низких температурах, чем пайка, что позволяет получить более прочные соединения.

Заклепки: Соединение деталей с помощью металлических штифтов (заклепок), пропущенных через отверстия в деталях и деформированных (чаще всего молотком или прессом) для получения головного соединения. Распространено в аэрокосмической промышленности и в конструкциях.

Крепеж Сборка: Использует винты, болты, гайки и другие механические приспособления для соединения деталей. Разборка допускается при необходимости и не требует теплового воздействия, в отличие от сварки.

С точки зрения прочности, стоимости, деформации, внешнего вида соединения, совместимости материалов и техники соединения, будет принято решение о выборе метода соединения.

Отделка поверхности: повышение эстетичности и защита

После изготовления и сборки существуют различные процессы обработки поверхности, которые используются для улучшения внешнего вида, защиты от коррозии или улучшения эксплуатационных характеристик. К распространенным методам обработки поверхности относятся:

Живопись: Использование жидкой или порошковой краски придает цвет и защитный слой. Порошковая окраска - это процесс нанесения сухой порошковой краски с помощью электростатического аппарата, а затем с помощью тепла краска запекается, образуя твердый и прочный слой, который еще более устойчив к сколам, чем жидкая краска.

Покрытие: Покрытие поверхности слоем другого металла, такого как цинк, никель, хром или олово, с помощью гальванической или любой другой техники. Это улучшает защиту от коррозии, износа, электропроводность или эстетический вид. Цинкование или гальванизация широко используется для защиты стали от ржавчины.

Анодирование: Электрохимический процесс, который чаще всего применяется к алюминию. Он образует на поверхности материала прочный, износостойкий и антикоррозийный оксидный слой. Слой также может быть окрашен в различные цвета.

Полировка и шлифовка: Механические процессы, включающие использование абразивных материалов для сглаживания поверхности и придания ей блеска и отражающей поверхности, которые в основном используются в декоративных целях на таких материалах, как нержавеющая сталь или алюминий.

Пескоструйная обработка (абразивоструйная обработка): Процесс нанесения абразивного материала на очищаемую поверхность для удаления окалины или старого покрытия, а также для достижения определенного качества поверхности (матовости) перед покраской или нанесением покрытия.

Обработка поверхности - это последний процесс изготовления изделия, который гарантирует, что оно не только выполняет свои функции, но и имеет желаемый внешний вид и долговечность.

Контроль качества и инспекция: Обеспечение стандартов

Этапы обеспечения качества и контроля качества являются основными компонентами процесса изготовления металла. Контроль качества позволяет убедиться в том, что конечный продукт соответствует требованиям и стандартам качества. Контроль начинается с оценки исходного материала и доходит до оценки конечного продукта. Некоторые из методов, используемых для контроля, включают:

Визуальный осмотр: Для этого необходимо осмотреть товар на предмет явных и видимых повреждений, таких как царапины, трещины и неправильные размеры.

Проверка размеров: В процессе проверки используются измерительные инструменты - штангенциркули, калибры и микрометры. Они проверяют, соответствуют ли размеры изготовленных деталей проектным спецификациям.

Неразрушающий контроль (НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ): Такие методы, как ультразвуковой контроль, магнитопорошковый контроль, радиографический контроль, используются для поиска внутренних дефектов в металле. Самое приятное, что это не наносит вреда уже изготовленному изделию.

Контроль сварочных работ: Сварные швы считаются прочными и соответствующими требуемому качеству, если они прошли визуальный контроль и неразрушающий контроль.

Контроль качества и инспекция имеют решающее значение для обеспечения безопасности, долговечности и отсутствия дефектов в изготовленных металлических изделиях.

Основные материалы, используемые при изготовлении

Металлообработка подразумевает использование ряда изделий, изготовленных из металлических материалов, и каждый из них имеет свои характеристики и применение. Некоторые из распространенных материалов включают:

Примечание: Свойства основаны на стандартных или средних значениях и могут изменяться в зависимости от состава материала и методов обработки.

Применение металлоконструкций в различных отраслях промышленности

Процессы изготовления металлов позволяют создавать многочисленные отрасли промышленности и продукты, необходимые для современного мира. Адаптивность и масштабируемость этих технологий позволяет применять их в самых разных областях - от мелких деталей до крупных конструкций:

Автомобиль: Детали двигателя, рамы шасси, кузовные панели, выхлопные системы, кронштейны.

Аэрокосмическая промышленность: Топливные баки, шасси, спутниковые компоненты, каркасы самолетов и компоненты двигателей.

Строительство: Металлическая кровля и облицовка, мосты, воздуховоды, балки и колонны из конструкционной стали, перила, лестницы.

Электроника: Корпуса для компьютеров и серверов, радиаторы, шасси для бытовой электроники, монтажные кронштейны. (Часто требуется точное изготовление листового металла)

Промышленное оборудование: Корпуса, ограждения, рамы, роботизированные манипуляторы, конвейеры и технологическое оборудование.

Энергия: Компоненты и башни для ветряных турбин, трубопроводы, конструкции нефтяных вышек, компоненты электростанций и каркасы для солнечных панелей.

Медицина: Хирургические имплантаты и инструменты, каркасы и корпуса для медицинского оборудования

Потребительские товары: Посуда, инструменты, оборудование для отдыха, бытовая техника (стиральные машины, холодильники) и каркасы мебели.

Судостроение: Внутренняя обшивка, корпуса, палубы и надстройки.

Этот список не является исчерпывающим, но он демонстрирует широкое распространение и критическое значение производства металлов для мировой экономики.

Выбор правильного процесса изготовления

Выбор правильного процесса или процессов изготовления очень важен для достижения поставленной цели желаемым способом. При этом необходимо учитывать следующие факторы:

Тип и толщина материала: Некоторые процессы больше подходят для определенных типов материала или толщины, например, плазменная резка - для толстых листов, а лазерная - для тонких.

Допуски и точность: Высокая точность может потребовать лазерной резки, гидроабразивной резки или обработки с ЧПУ, которые являются дорогостоящими. Возможно, что более низкие допуски позволят использовать более быстрые и дешевые методы, такие как стрижка или плазменная резка.

Часть Сложность и геометрия: Для сложных форм может потребоваться лазерная или гидроабразивная резка, многоосевая обработка на станках с ЧПУ или сложная формовка. Некоторые более простые формы можно получить с помощью ножниц и простой гибки на листогибочном прессе.

Объем производства: Крупносерийное производство может осуществляться с помощью штамповки или роботизированной сварки, которые имеют высокую первоначальную стоимость оснастки. Небольшие или первые партии продукции обычно изготавливаются с помощью таких методов, как лазерная резка, листогибочный пресс и ручная сварка, поскольку они дешевле в настройке.

Бюджетные ограничения: Некоторые процессы имеют разную стоимость эксплуатации с точки зрения трудозатрат, расходных материалов и энергии, а также стоимости капитального оборудования. Очень важно найти баланс между качеством и производительностью, с одной стороны, и доступной суммой денег - с другой.

Желаемое качество и отделка кромки: Гидроабразивная и лазерная резка реже требует вторичной отделки по сравнению с плазменной резкой или распиловкой. Требования к чистоте поверхности определяют, потребуется ли шлифовка, полировка, покраска или покрытие.

Время выполнения: По сравнению с другими процессами, ножницы, штамповка и некоторые методы автоматической сварки работают быстрее, что делает их предпочтительными при сжатых сроках. Однако они должны соответствовать другим требованиям.

Все чаще для производства конечного продукта требуется более одного процесса. Оптимизация выбора процесса с точки зрения качества, стоимости и доставки возможна благодаря детальному анализу этих факторов, предпочтительно на ранней стадии проектирования.

Ищете партнера по изготовлению листового металла? Откройте для себя преимущества TZR

Если ваш проект предполагает высокоточное изготовление листового металла, TZR - надежная компания, с которой стоит сотрудничать. Мы работаем в этом бизнесе уже более двух десятилетий и предлагаем широкий спектр услуг для автомобильной промышленности, производства медицинского оборудования, 3D-принтеров и возобновляемых источников энергии. Наше современное оборудование включает в себя лазерный резак мощностью 20 000 Вт, полноразмерное инспекционное оборудование, автоматические гибочные рычаги и анодирование.

Владея такими методами, как лазерная резка, плазменная резка, лазерная резка труб, штамповка с ЧПУ, гибка труб и прецизионная гибка, мы умело работаем с различными листовыми металлами, такими как нержавеющая сталь, алюминий, медь и латунь, с глубоким пониманием их специфических потребностей. Соответствуя стандарту ISO 9000 и имея уровень качества 98%, мы отвечаем международным стандартам. Будь то мелкосерийное или массовое производство, TZR предоставит вам разумные расценки. Кроме того, вы можете воспользоваться услугами нашей команды DFM с 30-летним опытом работы для улучшения дизайна. Свяжитесь с TZR сегодня, чтобы узнать больше о том, как мы можем помочь вам с вашим проектом и получить преимущество.

Заключение

Изготовление металлических изделий - это сложная область, которая включает в себя огромное количество процедур, в том числе различные виды изготовления металлических изделий, а также факторы, которые необходимо принимать во внимание. Начиная с этапа проектирования и планирования и заканчивая этапом контроля качества и инспекции, каждый этап важен для изготовления функциональных и долговечных металлических изделий. Каждому, кто занимается производством или инжинирингом, крайне важно понимать основные процессы, материалы, используемые в этих процессах, и факторы, определяющие выбор того или иного процесса. С развитием технологий индустрия производства металлических изделий также будет развиваться и предлагать более эффективные способы создания конструкций в обществе.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Вопрос: Как определяется стоимость изготовления металлоконструкций?

A: Стоимость изготовления металлических деталей складывается из стоимости используемых материалов, стоимости рабочей силы, стоимости используемого оборудования и времени, затраченного на обработку материалов. Все эти факторы играют роль в определении стоимости изготовления металлической детали.

В: Какие меры принимаются для поддержания точности при изготовлении металлических изделий?

A: Для достижения высокой точности необходимо правильно выбрать технологический процесс, использовать точные станки и оборудование, задать рациональные технологические параметры, контролировать процесс и при необходимости вносить коррективы. Кроме того, использование высокоточных измерительных приборов, таких как координатно-измерительные машины, для периодического контроля гарантирует, что конечный продукт соответствует требуемой точности.

Вопрос: Какие меры принимаются для обеспечения согласованности серийного производства?

A: Для поддержания постоянства в серийном производстве можно принять следующие меры: Оборудование и инструменты, используемые в производственном процессе, должны быть высокого стандарта, производственный процесс должен быть четко определен, сотрудники должны быть хорошо обучены, а процесс должен строго соблюдаться. Существует два типа систем, которые могут быть внедрены в процессе производства, чтобы гарантировать соответствие продукции требуемому качеству: автоматизированные системы управления и системы сбора данных.