Обработка материалов, серия операций, которые превращают промышленные материалы из сырьевого состояния в готовые детали или изделия. Промышленные материалы определяются как материалы, используемые в производстве «твердых» товаров, таких как более или менее долговечные машины и оборудование, производимые для промышленности и потребителей, в отличие от одноразовых «мягких» товаров, таких как химикаты, продукты питания, фармацевтические препараты и одежда.
Ручная обработка материалов так же стара, как и цивилизация. Механизация началась с промышленной революции XVIII века, а в начале XIX века были разработаны основные машины для формования, придания формы и резки, главным образом в Англии. С тех пор методы, способы и машины для обработки материалов становятся все более разнообразными и многочисленными.
Цикл производственных процессов, в ходе которых материалы превращаются в детали и изделия, начинается сразу после того, как сырье либо добывается из полезных ископаемых, либо производится из основных химических или природных веществ. Металлическое сырье обычно производится в два этапа. Сначала сырую руду обрабатывают, чтобы повысить концентрацию нужного металла; это называется обогащением. Типичные процессы обогащения включают дробление, обжиг, магнитную сепарацию, флотацию и выщелачивание. Во-вторых, дополнительные процессы, такие как плавка и легирование, используются для получения металла, который должен быть изготовлен в виде деталей, которые в конечном итоге собираются в изделие.
В случае с керамическими материалами природная глина смешивается с различными силикатами для получения сырья. Пластиковые смолы производятся химическими методами в виде порошка, гранул, шпаклевки или жидкости. Синтетический каучук также производится химическим способом, как и натуральный, в виде плит, листов, крепа и пены для изготовления готовых деталей.
Процессы, используемые для преобразования сырья в готовые изделия, выполняют одну или обе из двух основных функций: во-первых, они формируют материал в желаемую форму, а во-вторых, изменяют или улучшают свойства материала.
Процессы формования и придания формы можно разделить на два основных типа: те, которые выполняются на материале в жидком состоянии, и те, которые выполняются на материале в твердом или пластичном состоянии. Обработка материалов в жидком состоянии обычно называется литьем, когда речь идет о металлах, стекле и керамике; она называется формовкой, когда применяется к пластмассам и некоторым другим неметаллическим материалам. Большинство процессов литья и формовки включает четыре основных этапа: (1) изготовление точного шаблона детали, (2) изготовление формы по шаблону, (3) введение жидкости в форму и (4) извлечение затвердевшей детали из формы. Иногда требуется финишная обработка.
Материалы в твердом состоянии формируются в желаемые формы под действием силы или давления. Обрабатываемый материал может находиться в относительно твердом и стабильном состоянии и иметь такие формы, как брусок, лист, гранула или порошок, или же он может быть мягким, пластичным или похожим на шпатлевку. Твердые материалы можно формовать как горячим, так и холодным способом. Обработку металлов в твердом состоянии можно разделить на два основных этапа: во-первых, сырье в виде крупных слитков или заготовок подвергается горячей обработке, обычно путем прокатки, ковки или экструзии, в более мелкие формы и размеры; во-вторых, эти формы перерабатываются в конечные детали и изделия с помощью одного или нескольких более мелких процессов горячей или холодной формовки.
После того как материал сформирован, он обычно подвергается дальнейшему изменению. В обработке материалов процесс «удаления» — это процесс, при котором удаляются части куска или тела материала для достижения желаемой формы. Хотя процессы удаления применяются к большинству типов материалов, они наиболее широко используются для металлических материалов. Материал может быть удален с заготовки механическим или немеханическим способом.
Существует множество процессов обработки металлов. Почти во всех из них обработка заключается в давлении режущего инструмента на материал, которому необходимо придать форму. Инструмент, более твердый, чем разрезаемый материал, удаляет ненужный материал в виде стружки. Таким образом, элементами механической обработки являются режущий инструмент, средства для удержания и позиционирования заготовки и, как правило, смазочный материал (или смазочно-охлаждающая жидкость). Существует четыре основных процесса удаления материала без резания: (1) При химическом фрезеровании металл удаляется в результате реакции травления металла химическими растворами; хотя обычно этот метод применяется для металлов, он также может использоваться для пластмасс и стекла. (2) Электрохимическая обработка использует принцип металлического покрытия в обратном направлении, так как заготовка, вместо того чтобы наращиваться в процессе покрытия, разъедается контролируемым образом под действием электрического тока. (3) Электроэрозионная обработка и шлифование разъедают или разрезают металл высокоэнергетическими искрами или электрическими разрядами. И (4) лазерная обработка разрезает металлические или тугоплавкие материалы интенсивным лучом света от лазера.
Другим дополнительным изменением может быть «соединение» — процесс постоянного, иногда только временного, склеивания или прикрепления материалов друг к другу. Используемый здесь термин включает в себя сварку, пайку, пайку, а также адгезивное и химическое соединение. В большинстве процессов соединения связь между двумя частями материала образуется за счет применения одного или комбинации трех видов энергии: тепловой, химической или механической. При этом может использоваться или не использоваться связующий или заполняющий материал, такой же или отличный от соединяемых материалов.
Свойства материалов могут быть дополнительно изменены горячей или холодной обработкой, механическими операциями и воздействием некоторых видов излучения. Изменение свойств обычно происходит за счет изменения микроскопической структуры материала. В эту категорию входят как термическая обработка, предполагающая температуру выше комнатной, так и холодная обработка, предполагающая температуру ниже комнатной. Термическая обработка — это процесс, в котором температура материала повышается или понижается для изменения свойств исходного материала. Большинство процессов термической обработки основано на временно-температурных циклах, включающих три этапа: нагрев, выдержку при температуре и охлаждение. Хотя некоторые виды термической обработки применимы к большинству семейств материалов, наиболее широко они используются для металлов.
Наконец, процессы «отделки» могут использоваться для изменения поверхности материалов с целью защиты материала от разрушения в результате коррозии, окисления, механического износа или деформации; для придания особых характеристик поверхности, таких как отражательная способность, электропроводность или изоляция, или несущие свойства; или для придания материалу особых декоративных эффектов. Существуют две большие группы процессов отделки: те, в которых на поверхность наносится покрытие, обычно из другого материала, и те, в которых поверхность материала изменяется под воздействием химических веществ, тепла или механической силы. К первой группе относятся металлическое покрытие, например гальваническое, органическая отделка, например окраска, и эмалирование фарфора.
