Введение

Обработка материалов – это производственный процесс, при котором желаемая форма или деталь создается путем контролируемого удаления материала, чаще всего металла, из заготовки путем резания. Обработка является формой материалоудаляющего производства, использующей станки, в отличие от аддитивного производства (например, 3D-печати), которое предполагает контролируемое добавление материала. Обработка – основной процесс в производстве многих металлических изделий, но также может применяться к другим материалам, таким как дерево, пластик, керамика и композиционные материалы. Специалист по обработке материалов называется токарем-фрезеровщиком. Как коммерческая деятельность, обработка обычно выполняется в механическом цехе, который состоит из одного или нескольких помещений, содержащих основное оборудование. Хотя механический цех может быть самостоятельным предприятием, многие компании содержат собственные механические цеха или инструментальные комнаты для удовлетворения своих специализированных потребностей. В современном производстве широко используется компьютерное числовое управление (ЧПУ), при котором компьютеры управляют движением и работой фрезерных, токарных и других режущих станков.

История и терминология

В течение последних полутора веков, с развитием технологий, изменилось точное значение термина "механообработка". В XVIII веке слово "машинист" означало человека, который строил или ремонтировал машины. Работа этого человека в основном выполнялась вручную, с использованием таких процессов, как резьба по дереву, кузнечная ковка и ручная доработка металла. В то время это определение подходило для мельничных мастеров и строителей новых типов двигателей (то есть, машин любого рода), таких как Джеймс Уатт или Джон Уилкинсон. Термины "машина-инструмент" и глагол "обрабатывать" (обработанный, механическая обработка) еще не существовали. Около середины XX века эти термины появились, поскольку описанные ими концепции получили широкое распространение. Таким образом, в эпоху машин "механообработка" относилась к (тому, что мы сегодня могли бы назвать) "традиционными" процессами обработки, таким как точение, сверление, фрезерование, протягивание, пиление, строгание, шлифование, абразивная резка, развертывание и нарезание резьбы. В этих "традиционных" или "обычных" процессах механической обработки используются станки, такие как токарные, фрезерные, сверлильные и другие, с применением режущего инструмента для удаления материала и получения требуемой геометрии. С появлением новых технологий в послевоенный период, таких как электроэрозионная обработка, электрохимическая обработка, электронно-лучевая обработка, фотохимическая обработка и ультразвуковая обработка, ретроним "обычная механическая обработка" стал использоваться для различения этих классических технологий и более новых. В настоящее время "механообработка" без дополнительных уточнений обычно подразумевает традиционные процессы обработки. В 2000-х и 2010-х годах, когда аддитивное производство (AM) вышло за рамки лабораторных исследований и быстрого прототипирования и стало стандартом на всех этапах производства, термин "субтрактивное производство" стал общепринятым ретронимом в логическом противопоставлении AM, охватывая по сути любые процессы удаления материала, ранее также охватываемые термином "механообработка". Эти два термина фактически являются синонимами, хотя устоявшееся использование термина "механообработка" сохраняется. Это сопоставимо с тем, как значение глагола "связаться" расширилось из-за увеличения способов связи с людьми (телефон, электронная почта, мгновенные сообщения, SMS и т. д.), но не полностью вытеснило более ранние термины, такие как "позвонить", "поговорить" или "написать".

Обработка

Обработка – это любой процесс, в котором режущий инструмент удаляет материал из заготовки (заготовку часто называют "деталью"). В традиционной обработке необходимо относительное движение между инструментом и деталью для удаления материала; в нетрадиционных процессах обработки используются другие методы удаления материала, такие как электрический ток в электроэрозионной обработке (EDM). Это относительное движение достигается в большинстве операций обработки путем перемещения (поступательного, вращательного или комбинированного) либо инструмента, либо детали. Форма инструмента, относительное движение и глубина его проникновения в деталь определяют форму получаемой поверхности. Операции обработки можно разделить на традиционные и нетрадиционные. В рамках традиционных операций выделяют две категории обработки в зависимости от формы обрабатываемой поверхности: обработка вращающихся поверхностей, включающая точение, расточку, сверление, развертывание, нарезание резьбы и другие операции, и обработка плоских и фасонных поверхностей, включающая фрезерование, протягивание, пиление, шлифование и строгание.

Работы по циркулярной обработке

Токарные операции включают вращение внешней поверхности заготовки относительно неподвижного режущего инструмента, который перемещается в заготовку. Вращение заготовки является способом создания относительного движения между заготовкой и инструментом. Токарные станки являются основным станком, используемым для токарной обработки. Расточка включает в себя обработку внутренней поверхности отверстия для увеличения его диаметра, что может быть выполнено либо вращением заготовки на токарном станке (также называемом внутренней токарной обработкой), либо на фрезерном станке, где инструмент вращается по окружности отверстия. Сверление – это операции, при которых отверстия создаются или дорабатываются путем контакта вращающегося режущего инструмента (часто сверла) с режущими кромками на торцевой и боковой поверхностях с заготовкой по оси вращения. Сверление может выполняться на токарном станке, фрезерном станке, сверлильном прессе или даже вручную. Нарезание резьбы включает в себя создание спирали (резьбы) в отверстии (нарезание внутренней резьбы) или на валу (нарезание наружной резьбы) с постоянным шагом и определенной геометрией, предназначенной для соединения с противоположной резьбой и объектом посредством вращательного движения для скрепления деталей (например, гайки и болта).

Обработка различных форм

Пиление предназначено для получения коротких отрезков из заготовок, используя пилу или отрезной станок, который перемещает вращающееся (дисковое) или линейное (ленточное) зубчатое лезвие относительно материала, создавая прорезь (толщину) до тех пор, пока материал не будет разрезан на две части. В зависимости от материала может потребоваться определенная скорость лезвия (в метрах в минуту или футах в минуту), измеряемая как линейная скорость зубьев, в диапазоне от 200 до 1000 футов в минуту. Фрезерование – это операции, при которых режущий инструмент с режущими кромками на цилиндрической поверхности приводится в контакт с заготовкой для удаления материала, формируя профиль, соответствующий форме вала и нижней кромке инструмента. Фрезерные станки являются основными станками, используемыми для фрезерования. Современные станки с ЧПУ могут объединять токарные и фрезерные операции. Разрезка (броширование) может относиться к двум операциям: линейной разрезке, при которой многозубый инструмент продавливается через отверстие для получения заданной формы (например, шлицевой, квадратной или шестигранной) или вдоль поверхности, снимая все более крупные слои материала за счет увеличения размера зубьев инструмента; или ротационной разрезке, при которой инструмент специальной формы вращается в специальном держателе, который качает инструмент вокруг смещенной оси, инструмент и заготовка соединяются во время обработки для получения желаемой формы. При выполнении на токарном станке заготовка и режущий инструмент вращаются вместе, в то время как держатель инструмента остается неподвижным в задней бабке; при фрезеровании режущий инструмент останавливается при контакте с заготовкой, совершая только качательные движения вокруг смещенной оси, а держатель инструмента вращается на фрезерном станке. Операции формования (шарения) заключаются в удалении материала с заготовки посредством линейного перемещения невращающегося режущего инструмента, который перемещается вдоль поверхности заготовки и предназначен для создания плоской геометрии. Шароходольный станок часто использует быстрорежущую сталь, аналогичную по форме и геометрии токарным инструментам. Формование аналогично точению, но выполняется по линейной, а не по круговой оси. Операции формования выполняются на шароходольном станке, который совершает возвратно-поступательные движения, но режет только в одном направлении. Подъемная коробка (клапперная коробка) используется для поднятия инструмента от заготовки, чтобы он мог двигаться назад. Шлифовальные операции включают в себя перемещение быстро движущегося/вращающегося абразивного материала, такого как камень, оксид алюминия или алмаз, относительно заготовки для удаления материала путем шлифования с использованием абразивной поверхности инструмента.

Отношения между методами вычитания и добавления

С недавним распространением технологий аддитивного производства, традиционная механическая обработка ретроспективно стала определяться как метод вычитающего производства. В отдельных случаях аддитивные и вычитающие методы могут конкурировать друг с другом, однако в масштабе целых отраслей они взаимодополняют друг друга. Каждый из этих методов имеет свои преимущества. Если аддитивное производство позволяет создавать очень сложные прототипы, которые невозможно изготовить методом механической обработки, то прочность и выбор материалов могут быть ограничены.