Obróbka wstępna - odlewnictwo
W specjalnych piecach hutniczych produkuje się surówkę z rudy żelaza, a następnie w stalowni powstaje stal. Ten proces nazywany jest obróbka wstępną, w której powstaje półwyrób gotowy do dalszej obróbki. Maszyny odlewnicze ciśnieniowe i maszyny odlewnicze do żeliwa szarego mogą produkować elementy wprost z surówki. Do maszyn odlewniczych zaliczamy piece, kokilarki, maszyny do odlewania ciągłego itp. Odlewanie ciśnieniowe cechuje duża dokładność i jakość odwzorowania kształtów, dlatego jest dość rozpowszechnioną technologią. Odlewy ciśnieniowe są produkowane dla wielu branż przemysłu.
Obróbka metali
Obróbka metali
Po wstępnej obróbce stal zostaje poddana kolejnym procesom, w wyniku których otrzymuje się bloki, arkusze lub zwoje. Rodzaje obróbki metali to walcowanie, kucie, tłoczenie, gięcie, krawędziowanie czy kucie. Do każdego z tych procesów służy odpowiednia maszyna:
- Walcowanie odbywa się w stalowniach i najczęściej ma za zadanie prostowanie i konfekcjonowanie cienkich blach.
- Rezultatem tłoczenia jest otrzymywanie różnego rodzaju produktu końcowego.
- Krawędziarki poddają blachę zginaniu w żądanym kierunku.
- Kucie odbywa się na prasach przeznaczonych do szczególnie dużych elementów. Używa się ich do produkcji bardzo trwałych elementów konstrukcyjnych.
Kucie jest procesem, dzięki któremu powstają elementy i produkty o szczególnych parametrach twardości i wytrzymałości. Aby otrzymać zaawansowany produkt, na przykład wał korbowy, należy poddać materiał obróbce na wielu stanowiskach, stosując wiele specjalistycznych pras kuźniczych, które krok po kroku formują element aż do fazy produktu końcowego. Tego typu obróbka nie powoduje zmiany masy półfabrykatu. W większości procesów obróbki stali jest to nie do uniknięcia.
Popularna maszyna do cięcia metalu to nożyce gilotynowe. Krawędziarka i prasa są także maszynami do obróbki blach.
Skrawanie
Obróbka skrawaniem metali wykonywana jest na następujących rodzajach obrabiarek:
Technologie obróbki skrawaniem
Najprostsza maszyna do cięcia metalu, głównie blachy, to nożyce do blach i gilotyny. Wykonują one cięcie wzdłużne blach w wyznaczonym kierunku. Wykrawarki i wykrawarki krawędziowe wycinają zadane elementy z półfabrykatu. Precyzyjna obróbka skrawaniem CNC wykonywana jest najczęściej przez automaty frezarskie CNC sterowane numerycznie, które pozwalają na obróbkę skrawającą bloków ze stali w dowolnym zakresie. Rezultatem ich pracy są bardzo zaawansowane kształty.
Tokarki służą do obróbki brył obrotowych. Toczenie to obróbka powierzchni zewnętrznej, a wytaczanie wewnętrznej. Oba typy obrabiarek do metalu zaliczamy do maszyn skrawających, których narzędziem jest ostrze skrawające.
Najbardziej zaawansowane technologicznie frezarki CNC to centra obróbcze. Są to maszyny wykonujące obie funkcje toczenia i frezowania z bardzo dużą precyzją i w stałej jakości. Centra obróbkowe CNC dla zastosowań przemysłowych należą do najdroższych maszyn w tej branży. Dotyczy to także zakupu maszyn używanych.
Szczególnym typem frezarko-szlifierki jest frezarka obwiedniowa do produkcji kół zębatych. Aby sprostać niezwykle wysokim wymaganiom dotyczącym precyzji i jakości wykonania w produkcji seryjnej konieczne jest zastosowanie bardzo zaawansowanej technicznie maszyny, która wprawdzie jest dość podobna w pracy do konwencjonalnych centrów obróbkowych, jednak posiada kilka specjalnych funkcji dostosowanych do konkretnych potrzeb produkcyjnych. Z frezarkami obwiedniowymi i szlifierkami, czy dłutownicami do kół zębatych najczęściej pracują też urządzenia do ich hartowania, które sprawiają, że stalowe koła zębate stają się szczególnie wytrzymałe. Kolejną, dość prostą i bardzo popularną maszyną w obróbce skrawaniem jest wiertarka. Służąca do wykonywania otworów przelotowych i ślepych, a także wycinania otworów na gwinty. Nowoczesne wiertarki są obecnie zintegrowane z centrami obróbkowymi CNC.
Obróbka końcowa wygładzająca powierzchnie metali wykonywana jest przez szlifierki, polerki i docierarki. Te maszyny stosowane są do bardzo precyzyjnego wygładzania powierzchni metalowych, ale także w celu przygotowania do galwanizacji, czyli procesowi elektrolitycznego powlekania metalu. Niemożliwe byłoby chromowanie elementów z metalu, czyli wykonanie trwale przylegającej powłoki bez wcześniejszego przygotowania.
Obrabiarki do metalu specjalnego przeznaczenia to drążarki elektroiskrowe. Za pomocą prądu elektrycznego wykonują one pracę odwrotną do spawarki, czyli wycinają otwory w twardym materiale np. węgliku spiekanym czy hartowanej stali. Maszyny wykonują bardzo precyzyjne otwory w materiałach przewodzących prąd, a wykonany otwór jest odwzorowaniem narzędzia, czyli elektrody. Drążarki znajdują zastosowanie w produkcji narzędzi np. bardzo wytrzymałych narzędzi do pras, wykrawarek, odlewarek ciśnieniowych i wtryskarek.
Wycinanie
Oprócz procesów rozdzielania mechanicznego, takich jak piłowanie, frezowanie czy szlifowanie, cięciu metali służą procesy, w których nie używa się ostrza skrawającego.
Cięcie metalu laserem
Najprostszym i najtańszym postępowaniem jest cięcie gazowe zwane także tlenowym polegające na doprowadzeniu materiału do temperatury zapłonu, dzięki czemu płynne tlenki metalu są spalane i wydmuchiwane pod dużym ciśnieniem.
Wadą tej metody jest duży obszar strefy wpływu ciepła, co sprawia, że praktycznie niemożliwe jest rozdzielanie cienkiej blachy. Cięcie tą metodą nawet przy zastosowaniu sterowania numerycznego niej jest precyzyjne - krawędzie utwardzają się tak bardzo, że często trzeba je potem poddawać procesowi frezowania.
Zdecydowanie bardziej precyzyjną metodą cięcia jest cięcie plazmowe, podczas którego materiał jest topiony i wydmuchiwany ze szczeliny plazmowym łukiem elektrycznym. Zastosowanie maszyn sterowanych numerycznie CNC pozwala uzyskać bardzo precyzyjne kształty nawet z twardych materiałów jak stal węglowa, stopowa itp. Przecinarki i wypalarki gazowe i plazmowe wymagają materiału o grubości co najmniej kilku milimetrów i wykonują bez problemu cięcia w elementach o grubości do kilku centymetrów.
Do cięcia cienkich blach służą wycinarki laserowe. Laser pracuje bardzo czysto i precyzyjnie, bez strat materiału. Nie istnieją urządzenia laserowe w postaci ręcznych narzędzi, tak jak to jest w przypadku przecinarek gazowych czy plazmowych. Maszyny do cięcia laserem to sterowane numerycznie maszyny stacjonarne ze stołem roboczym.
Jeśli cięcie ma być wykonane w technologii „na zimno”, wybierane jest zazwyczaj cięcie strumieniem wody. Ekstremalnie ostry strumień wody tnie powierzchnię bardzo precyzyjnie, a uzyskiwana gładkość krawędzi jest wysoka i nie posiada odkształceń cieplnych. Technika taka zwana jest „Water-Jet” lub „Aqua-Cut”.
Łączenie metali metodą spawania
Łączenie metali
Najpopularniejszą techniką spajania metali jest spawanie. Najprostszą techniką, rzadko stosowaną, jest zgrzewanie. Dużo bardziej rozpowszechnione są różne techniki spawania elektrycznego i w osłonie gazu.
Do szczególnie twardych blach stosowane jest spawanie łukiem krytym. Spawanie elektryczne i w osłonie gazu odbywać się może zarówno urządzeniami ręcznymi, jak też na stacjonarnych spawarkach stołowych. Zgrzewarek i spawarek do spawania łukiem krytym używa się wyłącznie do obróbki elementów o dużych gabarytach.
Oprócz tej metody spajania istnieją też techniki skręcania i klejenia.
Powlekanie powierzchni metali
Oprócz szlifowania oraz polerowania istnieją jeszcze inne maszyny do obróbki powierzchni metali. Są to urządzenia, które powlekają lub pokrywają powierzchnie metali w celu ochrony lub dla potrzeb estetycznych.
Maszyny do powlekania metali
Najczęstszą techniką powlekania jest metoda galwaniczna, czyli wykonywanie trwałej przylegającej cienkiej powłoki w procesie elektrolizy. Powłoka katodowa jest skuteczna tylko wówczas, kiedy cała powierzchnia stalowa jest nią szczelnie pokryta. Często stosowanym zabiegiem powlekania jest chromowanie. Jest to kompleksowa obróbka w wannach galwanicznych, gdzie krok po kroku otrzymuje się cieniutką warstwę lśniącego chromu.
Obok powlekania w galwanizerniach metal pokrywać można tak zwaną metodą proszkową. Jest to nowoczesna metoda nanoszenia powłok malarskich polimeryzujących, czyli wygrzewanych w wysokich temperaturach. Elementy stalowe przygotowywane są do malowania poprzez śrutowanie lub obróbkę chemiczną odtłuszczania, trawienia i fosforanowania, co zapewnia właściwe przygotowanie powierzchni do procesu malowania. Malowanie proszkowe polega na wykorzystaniu sił pola elektrycznego w procesie nanoszenia cząsteczek farby w wybranym kolorze i strukturze. Dzięki temu cząsteczki farby układają się bardzo równomiernie. Po ich nałożeniu następuje polimeryzacja farby poprzez wygrzewanie w odpowiednich piecach. Tak uzyskane powłoki są niezwykle trwałe i estetyczne.
Metale można także w bardzo prosty sposób pokrywać lakierem lub oklejać zgodnie z potrzebą.
Urządzenia do hartowania stali
Do urządzeń, które mają za zadanie utwardzanie stali metodą hartowania należą piece hartownicze, które powodują nagrzewanie, wygrzewanie a następnie szybkie chłodzenie w kąpieli, najczęściej olejowej, czego rezultatem jest powstanie bardzo wytrzymałej i odpornej na zużycie stali.
Produkty z hartowanej stali to koła zębate, wały, panewki łożysk, ślimacznice itp., które muszą wykazywać się szczególną trwałością.
Aparatura pomiarowa i kontrolna do metali
Pomiary w obróbce metali
Produkt finalny ze stali jest jakościowo tak dobry jak materiał, z którego powstał. Aby wszystkie elementy konstrukcji w każdym zakresie wykazywały właściwe cechy, wykonuje się odpowiednie pomiary kontrolne za pomocą różnego rodzaju aparatury pomiarowej i kontrolnej. Kontrola materiałów stanowi osobną kategorię w branży obróbki stali. Rozróżnia się badania niszczące i nieniszczące.
Badania niszczące
Klasyczną maszyną do badania mechanicznej wytrzymałości materiału jest uniwersalna zrywarka. Badanie polega na umieszczeniu próbki metalu w urządzeniu i rozciąganiu tak długo, aż dojdzie do pęknięcia. W ten sposób wyznacza się wartości sił i odkształceń materiału.
Także często przeprowadzane są próby udarności polegające na złamaniu próbki z naciętym karbem jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego. Energia zużyta na złamanie próbki wyrażona w dżulach jest miarą udarności materiału.
Młot Charpy’ego wykorzystywany jest do badania udarności stali i złączy spawanych, przeznaczonych do pracy zakresie nawet bardzo niskich temperatur.
Maszyny do badań wykonywanych manualnie coraz częściej zastępowane są przez systemy zautomatyzowane. Spektrometry emisyjne, iskrowe, optyczne przekazują informację dotyczącą składu stali oraz metali kolorowych.
Metody badań nieniszczących
Do metod badań nieniszczących należą metody: wizualna, penetracyjna, szczelności itd. Metoda wizualna polega na oględzinach wzrokowych z ewentualnym wsparciem prostych urządzeń dodatkowych np. linijki, miarki, suwmiarki, lupy czy mikroskopy. Istnieje cała gama tego typu narzędzi do przeprowadzania badań metodą wizualną. Badanie takie może być wspomagane urządzeniami laserowymi.
W przypadku konstrukcji spawanych najczęściej przeprowadza się skanowanie 3D. Numerycznie sterowana, bardzo czuła głowica prowadzona jest w wyznaczonych punktach elementu i pozwala na odczytanie wyniku pomiaru, który wskazuje na precyzję wykonania.
Aby zbadać wnętrze metalu bez jego niszczenia, stosuje się dwie metody: badanie rentgenowskie i ultrasonograficzne. Badanie rentgenowskie, choć bardzo precyzyjne i wiarygodne, nie jest pozbawione pewnego niebezpieczeństwa ze względu na emisję promieniowania. Poza tym w zależności od grubości badanie takie może trwać wiele godzin. O wiele szybciej przeprowadza się badanie ultradźwiękami. Ultrasonografy są urządzeniami podręcznymi i stacjonarnymi a do tego ich stosowanie jest całkowicie bezpieczne.
