Новейшие технологии и тренды металлообработки

Металлообработка шагает в ногу со временем, поскольку от нее зависит развитие и других видов промышленности, в которых она нашла применение. Например, для того, чтобы ускорить темпы машиностроения и улучшить качество производимого оборудования, необходимо оптимизировать способы обработки металла, из которого собирают машины. Предприятия стараются снижать издержки и повышать точность выполнения работ, в чем помогает внедрение цифровых технологий и автоматизация привычных рабочих процессов. Но также внедряются и совершенно новые технологии металлообработки, о которых лет 50 назад еще никто не знал. В статье мы расскажем о них подробнее.

Новые технологии и способы металлообработки

Прежде всего, это технологии, которые были изобретены в 50-60-х годах ХХ века и постепенно развивались на рубеже веков. Это и плазменная резка металла, и резка электроэрозией, которые прочно вошли в арсенал металлообрабатывающих предприятий. Другие технологии продолжают развиваться и со временем могут потеснить своих предшественников:

• Лазерная резка. 
  Первый рабочий лазер был создан в 1960 году. В последние десятилетия его активно используют, когда раскраивают листовой металлопрокат и вырезают детали для сборки различного оборудования.
  С помощью лазерного луча металл нагревают до температуры плавления, луч прорезает его поверхность, и «лишние» частицы металла испаряются. Такая резка делается быстро, исключает деформацию материала и оставляет минимум отходов. Для отслеживания качества реза в лазерный станок встраивается система онлайн-контроля. Благодаря тому, что инструмент, то есть лазер, не контактирует с металлом, ему не грозит износ. 
• Гидроабразивная резка, или водоструйная. 
  В 30-е годы ХХ века инженеры начали использовать струю воды в горнодобывающей промышленности, а в 50-е придумали, как с ее помощью резать металл. Водой можно разрезать закаленную сталь, железобетон и другие композиты, а также керамику и стекло. 
  Суть технологии в том, что на металл подается струя воды толщиной в доли миллиметров на очень высокой скорости, нередко с добавлением абразива.  Вода делает чистый и точный рез, не нагревает и не разрушает металл, не содержит вредных веществ и не оказывает губительного влияния на экологию.
• Ультразвуковая обработка металла.
  Обработку металлов с помощью ультразвука открыли в конце 40-х годов и начали активно применять спустя 10 лет. Посредством ультразвуковых колебаний металл сваривают, чистят, формуют, упрочняют и т.д. Такой метод резки подходит для непроводящих материалов, для сплавов, которые туго плавятся и не обладают пластичностью, а также для обработки очень мелких и хрупких деталей. 
  Принцип действия основан на подаче ультразвуковых волн во внутреннюю часть металла или на его поверхность. Для этого применяют специальные излучатели. Важное преимущество такой металлообработки — ее экологичность и отсутствие износа оборудования. Кроме того, обработка ультразвуком убирает напряжение внутри металла. 
• Электронно-лучевая сварка.
  ЭЛС изобрели в 50-х годах, а первые электронно-лучевые станки были разработаны в 60-х. Технологию стали применять для создания элементов различных конструкций в энергетике и машиностроении, в том числе аэрокосмическом. Электронами сваривают высокоактивные и тугоплавкие металлы.
  Сваривание происходит за счет кинетической энергии пучка электронов, которые подает электронная пушка. Они ускоряются до экстремальных показателей (от 30 до 70% скорости света) и при столкновении с металлом нагревают его, вызывая эффект плавления. В числе преимуществ обычно отмечают быстроту и чистоту процесса. Электронно-лучевая сварка затрачивает меньше энергии, чем дуговая, и не передает газы в расплавленный металл. 

В середине ХХ века появились и первые станки с ЧПУ, которые в наше время используются практически повсеместно. Сверление, токарная и фрезерная обработка стали более точными и быстрыми за счет внедрения числового программного управления. 

В 1980-1990-х годах были разработаны совершенно новые технологии, которые продолжают развиваться:

• Криогенная резка. 
  Обработка осуществляется струей сжатого азота в жидком состоянии, охлажденного до температуры около -170°С. Он способен разрезать даже очень прочные материалы, которые не подвергаются прочим видам обработки. Говорят, что за этой технологией будущее, поскольку с теоретической точки зрения для нее нет никаких ограничений. В практическом смысле резка струей азота — это очень сложный и дорогостоящий процесс, поэтому криогенная обработка пока мало где используется.   
• Фрикционная сварка с перемешиванием (FSW или СТП, сварка трением).
  При использовании этого метода металлы сваривают друг с другом, не расплавляя их. Способ подходит для медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, для некоторых видов стали, а также для сваривания разнородных металлов и полимеров. 
  Для сварки трением с перемешиванием используют более твердый сварочный инструмент, чем металлы, которые требуется соединить. Инструмент погружают в стык свариваемых материалов, их кромки под воздействием трения нагреваются и размягчаются. За счет движения инструмента материалы кромок перемешиваются и образуют прочный шов. 
• Аддитивное производство, или 3D печать.
  Это способ изготовления деталей последовательным наложением слоев расплавленного материала в соответствии с заданной электронной моделью. Слои накладываются при помощи 3D-принтера. Таким способом изготавливают детали автомобилей, аэрокосмических и военных машин, электронных приборов, строительных металлоконструкций.
  3D печать получила распространение за счет простоты, производительности и низкого энергопотребления. У полученных изделий нет сварочных швов и соединений.

Распространение метода 3D печати наглядно показывает, как быстро развиваются и меняются технологии в сфере металлообрабатывающей промышленности. Изготовление металлоизделий аддитивным способом становится полноправным методом производства. Уже разработаны промышленные принтеры, которые создают детали будущих конструкций из нержавеющей стали, никелевых сплавов, алюминия.

Кроме того, в металлообработке стали применяться нанотехнологии, что дало повод говорить о таком способе шлифовки, как наношлифование. Под ним понимают ультрапрециозное шлифование, которое позволяет проводить обработку поверхности металла с максимальной точностью и минимальными допусками шероховатости.

Новые тренды в сфере металлообработки

Новые направления металлообрабатывающей промышленности разрабатываются таким образом, чтобы оптимизировать производственные сферы, сделать производство машин, приборов и металлоконструкций более гибким и устойчивым. 

В сферу металлообработки активно внедряются:

• Роботизация и автоматизация. Уже существуют и используются роботизированные комплексы, которые умеют быстро и с максимальной точностью резать, фрезеровать и сваривать детали. Автоматизация производственного процесса минимизирует влияние человеческого фактора и количество производственных ошибок.
• Цифровизация. Цифровые технологии используются не только в бытовых приборах, но и в промышленных установках. В металлообработке применяется цифровой мониторинг процессов, который обеспечивает постоянный контроль производства и сводит количество бракованных экземпляров до минимума. 
• Искусственный интеллект. На базе ИИ разрабатываются и внедряются системы интеллектуального управления на производстве, которые анализируют его эффективность и оптимизируют в реальном времени.

Новые технологии направлены на то, чтобы повышать:

• Гибкость производства. Для этого разрабатывают станки и целые производственные линии, которые можно в случае необходимости перенастроить под выполнение других задач, если меняется запрос рынка.  
• Экологичность. Металлообрабатывающие предприятия стараются снизить влияние производства на экологию и минимизировать объем производственных отходов. 
• Энергоэффективность. Многие предприятия стали применять оборудование, потребляющее меньше энергии, чем традиционные станки. В современных конструкциях используют автоматизированные системы управления, которые контролируют процесс и прекращают работу в случае холостого хода. Внедряются технологии, которые возвращают часть энергии, затраченной на торможение. 

Кроме того, металлургическая промышленность активно осваивает работу с новыми материалами. К ним относятся:

• сложнолегированные сплавы (никель+хром, никель+хром+титан+алюминий, никель+молибден+железо и др.);
• композиты (стеклопластик, углепластик, боропластик, бетон, железобетон, древесные полимеры и др.).

Соответственно, металлообрабатывающие предприятия внедряют новые технологии, предназначенные для работы с такими материалами. Разрабатываются инструменты для эффективной резки, шлифовки и сверления композитов и сложных сплавов.

Прогнозы развития металлообработки

Перечисленные технологии будут продолжать свое развитие и постепенно внедряться на большинство предприятий. Производители, которые окажутся не готовы к инновациям, будут вынуждены уступить место конкурентам. 

Прежде всего будут распространяться:

• Роботы и «умные» станки;
• Аддитивные методы производства;
• Новые материалы;
• Зеленые технологии.

Благодаря новым подходам повысится производительность металлургических и металлообрабатывающих предприятий. Снизится потребление энергии, объемы производственных издержек и отходов, минимизируется влияние промышленности на экологию. Специалисты считают, что в перспективе роботизированные комплексы смогут с высокой точностью выполнять основную часть рутинной работы, в то время как люди смогут уделять больше времени сложным и творческим задачам.