工场制造

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本文主要论述了制造具有竞争性价格的不锈钢建筑部件的几个实际问题。
  由于许多金属加工厂熟悉碳钢，所以，我们从影响制造工艺的碳钢和不锈钢间的差异开始谈。这些差异包括热膨胀、热传导性能、电阻、机械性能和冷作硬化反应。
  考虑了这些差异后，就可以在不锈钢部件制造过程中采用制造碳钢部件的绝大多数技术。但是重要的是要有良好的辅助性操作。常见的问题是在制造过程中沾染碳钢微粒对表面的污染。造成污染的原因很多，例如，用碳钢钢丝刷清理焊缝，修磨不锈钢和碳钢用同一块砂轮，在碳钢上拖拉不锈钢。
  切割
  切割碳钢的绝大多数方法可用来切割不锈钢。但是，由于不锈钢的强度更大，冷作硬化反应更强，所以，采用机械方法进行切割，所需功率就更大，而且还降低了机器的最大切割厚度。
  不锈钢在用氧炔切割时不能燃烧，但可以向火焰内喷射粉末作为热源。不过粉末燃烧时会产生大量烟雾。可以使用碳弧焊炬在不锈钢上烧孔，但切边不规则，绝大多数情况下需要进行修整。
  1.手动剪切
  利用常规的手动剪切机，如果剪刃锋利，可以剪切0．9mm以下的不锈钢。但是由于每剪剪切长度较短，所以在剪切过程中，钢板易卷曲，而且切边的质量较差。除非对切边外观的要求不高或不整齐的切边对下一道工序没有妨碍（如不易使焊缝对齐等），不推荐使用手动剪机进行剪切。
  2.步进式冲裁
  该工艺使用圆形和三角形冲子冲出一列搭接的孔。采用这种工艺显然无法使切口十分平滑，但是，通过采用良好的工具设计和使切口重叠，可使切边满足大多数用途的要求。手提式步进冲裁机通常用于切割碳钢薄板，如果用来切割奥氏体不锈钢，需要增加60％的力。而且，也要降低机器切割的最大厚度。加工厂的机器至少可以对8mm的不锈钢进行冲孔。现代化机器还可以利用剪冲结合的方法生产所需的坯料。
  3．铡刀剪
  大多数加工厂采用这种手操作剪机。这种剪切机的刃长可以达到3m，但如果剪切机的端部是开口的，可以用连续剪切得到长于剪刃的切口。不过要注意不要切出台阶来。
  由于剪切不锈钢所需功率较大，所以，剪切机在剪切软钢时所能剪切的厚度在剪切铁素体钢时要降低两个线规号，剪切奥氏体不锈钢时要降低4个线规号。因此一个最大能剪切2mm软钢的剪机在剪切铁素体钢时要降低到1．6mm以下和奥氏体钢1．2mm以下，并且剪刃间隙也相应需要降低，剪切奥氏体不锈钢典型的剪刃间隙值是5％。
  绝大多数加工厂都知道在剪切过程中牢固夹持钢板和保持刀刃良好状态的重要性，然而，刚接触不锈钢的人可能不知道为防止对不锈钢表面造成污染，需在铡刀式剪机工作台上或其它与碳钢有接触的地方放置保护垫。如果该铡刀式剪机也剪切碳钢，那么，在剪切不锈钢前最好检查一下刀片，除去可能粘附并污染不锈钢的碳钢微粒。
  4．圆盘剪
  圆盘剪的基本工作原理与铡刀式剪机相同，但通过使用圆盘刀片可以进行连续剪切。 钢铁厂利用在两根轴上装若干刀片来对宽钢卷进行纵切。不过，用一对刀片也可以用来剪切单一直条。有些剪机在剪切过程中还可以使刀片向一边移动来切割楔形坯料，另一些则可以使刀具转动来切割圆形坯料。
  5．锯
  虽然可以用弓形锯和带锯来切割窄薄板，但这两种锯通常是用来切割中厚板、型钢和管材的。
  奥氏体不锈钢是会冷作硬化的，严禁摩擦，这点很重要，必须注意。因此，在锯的回程中要把锯抬起来。高速工具钢锯条在锯厚材料时每英寸为8到10个齿，在锯薄板和管材时每英寸为24到32个齿，机动切割奥氏体不锈钢时，每分钟锯50／80下，切割铁素体不锈钢时每分钟锯100／200下。在常规的带锯机上切割时使用锋利的锯齿低速度和均匀的小给进量保持锯条的切割。
  6．砂轮切割
  此法采用高速旋转的砂轮片切割钢材。砂轮片是用纤维、树脂或橡胶将磨料粘合制成的。在熟练的手工操作中，砂轮可进行快速、准确地切割，而且切割得整齐、无毛刺。利用砂轮仅能进行直线切割，但这对绝大多数用途来说已经足够了。
  砂轮通常用来切割管材。加工厂也用砂轮磨不通长的槽。
  现场修理通常采用手操作砂轮机。但是，使用手操作砂轮机工作时产生大量的粉尘和"钢屑，所以需要除尘或保护装置。生产厂内所用的砂轮机一般安有冷却系统，这样，既可以减少粉尘，又可以防止对材料造成热损伤。
  7．激光切割
  该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。
  利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割8～10mm厚的不锈钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸误差较大。
  激光切割设备的价格相当贵，约150美元以上。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的。由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。目前，激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置，采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计（CAD）工作站来接受切割数据。
  8．等离子弧切割
  此法是将混合气体通过高频电弧。气体可以是空气，也可以是氢气、氩气和氮气的混合气体。高频电弧使一些气体"分解"或离子化，成为基本的原子粒子，从而产生"等离子"。然后，电弧跳跃到不锈钢工件上，高压气体把等离子从割炬烧嘴吹出，出口速度为每秒800～1000米（约3马赫）。这样，结合等离子中的各种气体恢复到正常状态时所释放的高能量产生2700℃的高温。该温度几乎是不锈钢熔点的两倍。从而使不锈钢快速熔化，熔化的金属由喷出的高压气流吹走。因此，需要用排烟和除渣设备。
  此法可以用来切割3．0～80.0mm厚的不锈钢。切割面被氧化，并且由于等离子的特性所致，切口呈八字形。
  9．高压水射流切割
  这项新技术采用的是水的0.80～1．50mm射流，喷射速度为600～800米／秒（速度大于2马赫）。水压为3000～4000巴（bar），用水量每分钟仅4升。
  为了用磨料如氧化铝或碳化硅等切割不锈钢，在喷射水流抵达钢材前，向水流内射入磨料颗粒。现代化的设备可切割20．0mm厚的不锈钢。切边准确、切面干净光滑。
  切割作用所产生的热由水带走，金属温度仅为50～60℃。这样再加上由喷射水流在金属上所产生的力，就可以防止变型，提高切割精度。
  机加工
  和利用锯条进行切割一样，防止奥氏体不锈钢的摩擦和冷作硬化至关重要。在对某些不锈钢种进行机加工时，为使机加工更加容易，可添加硫（例如：切割303型钢时）或 硒（例如：切割303Se型钢时）。
  这个工厂的用途仅仅是钻孔，因为钻孔是薄板或管材上所采用的主要机加工形式。
    · 钻孔
  钻孔首先是要尽可能减少冷作硬化。因此，在钻孔前，建议不要冲孔，因为冲孔会使钻孔的表面产生冷作硬化。最好采用中心钻，如果不能使用中心钻，就用样冲冲中心孔。同样，当使用手动进给钻进时，要紧的是不能使钻进中断，而且钻压要保持均匀连续。
  应使用高速钢麻花钻，为了防止产生摩擦，钻头要保持锋利，关于最佳切削角、前角、后隙角和切削速度应按制造厂说明。
  成型
  绝大多数成型技术通用于所有金属。主要区别仍是不锈钢强度更高和它的冷作硬化特性。和碳钢不同的是保护不锈钢表面不受损伤至关重要。这需要加工厂做好各种辅助性工作。
  此外，有些成型工艺使金属间有滑动接触，成型过程中的局部高压会使保护不锈钢的钝化膜破坏。如果发生这种情况，就有可能发生把无保护层的不锈钢表面冷焊到工具表面的危险。该焊点在下一步滑动中断裂时，已经沾染的工具表面就会在不锈钢表面上造成严重划伤。这里还有修理工具及修理工具所造成的停机方面的时间损失。因此，对不锈钢不熟悉的加工厂家应就采用最佳工艺进行咨询。在许多情况下，采用合适的塑料膜就可以对表面兼顾保护和润滑。
  l．冷弯
  冷弯广泛用于用不锈钢薄板和带钢制作部件。冲床基本上是开式单动、机械或液压传动的，有一个狭长的工作台。该机仅能生产直线部件，但是熟练的工具设计人员也可用该机生产形状复杂的部件。显然，该机所生产的部件长度取决于不锈钢原料的类型和厚度，机器的功率和所能安装工具的尺寸。有些大型冲床长11米，标准的900吨冷弯冲床、可生产长度为9m，厚度为8．0mm的奥氏体不锈钢冷弯件。为了尽量降低不锈钢的擦伤，冷弯冲床的工具通常用铬含量为12％的热作模具钢制造。而且还可使用塑料膜来进一步保护。
  利用冷弯冲床的通用模具生产小批量的通用部件是相当经济的。除上述原因外，如果冷弯冲床还用于生产碳钢部件，保持好冷弯冲床车间的环境是很重要的。
  2．辊轧成型
  辊轧成型方法是使用一组连续机架来把不锈钢轧成复杂形状。辊子的顺序是这样设计的，即：每个机架的辊型可连续使金属变形，直到获得所需的最终形状。如果部件的形状复杂，最多可用三十六个机架，但形状简单的部件，三、四个机架就可以了。
  采用辊轧成型技术生产大批量的长型件最经济。带钢的宽度范围是2.5～1500mm，厚度是 0．25～3.5mm。所加工部件的形状从简单的到复杂的、闭合的断面。
  一般来说，由于刀具加工成本和安装成本高，只有产量在30000米以上时采用辊轧成型工艺才经济。然而，对于用碳钢型材的辊轧成型机来试生产不锈钢的情况现在还不清楚。在这种情况下，必须小心谨慎，以防表面污染或擦伤，而且设备还需留有承受不锈钢冷作硬化和较高的回弹余量。
  3．冲压成型
  该技术采用冲床和模具来生产所需的形状。冲床既可以是机械传动的，也可以是液压传动的，但是深冲时最好还是用液压传动的，因为在冲程全长上液压冲床都能提供满载压力。
  绝大多数传统技术可用于不锈钢的冲压成型，但不要忘记，冲压不锈钢所需的力要比冲压低碳钢所需的力大60％。显然，冲床的机架应能承受这么大的力才行。而且，解决划伤也很关键，特别是冲压不锈钢时的高摩擦力和高温所造成的划伤。常用的肥皂液或乳化液效果不好，应进行咨询。如果使用含有特高压（EP）添加剂的油，应在冲压成型以后把这种添加剂除掉，因为这种添加剂会造成腐蚀。
由于模具加工成本高，所以，只有进行大批量生产时才采用这种技术。
  4．橡胶衬垫成型
  采用橡胶衬垫成型大幅度降低了模具成本，可用来生产小批量的产品。
  该技术采用的成型机构是用成本不高的材料制成的，例如，用硬木或钢筋环氧树脂来作阳模，利用橡胶垫作阴模。橡胶可以是实心橡胶块，也可以是层状橡胶块，其深度要比成型机构高出30％左右。在成型机闭合时，橡胶块将不锈钢坯料挤压成型，当成型机抬起时，橡胶垫复原，橡胶衬垫可以反复使用。
  显然，利用这种工艺生产复杂的形状很困难，而且所生产的部件的最大深度也受限制，然而，通常使用该工艺来生产厚度在1.5mm以下的小批量的不锈钢部件。
  5．折边机
  折边机为简单的弯曲机，既可以是手动的，也可以是机动的。最简单的方法是用有弯曲半径的模型把钢板牢固地固定在机床工作台上。伸出的部分材料放在另一个工作台上，该工作台能沿弯曲半径中心旋转。当活动工作台上升时，它把不锈钢弯曲成所需的角度。很明显，当进行弯曲时，不锈钢在工作台上滑动。所以，为防止划伤不锈钢，工作台表面必须平滑。在实际加工过程中，通常用塑料膜保护不锈钢表面。
  上梁片通常做成楔型以便形成间隙，这样就可用适当形状的坯料折成四边形箱或槽。
  折边机曾经用于生产大范围形状简单的不锈钢薄板制品，但是这些产品目前更多是用冷弯冲床生产。
  6．筒体成型
  通常采用弯板方法来生产各种用途的、用薄板制造的筒体或筒体段。
  传统的卷板机有一对可调辊，可根据钢板厚度进行调整，第三个辊，即弯曲辊，控制成型筒体的直径。
  还有一种这种机器的变型，采用的也是三个辊，辊的配置是宝塔形。底辊为传动辊，顶辊是通过顶辊和工件间所产生的摩擦进行旋转的。底辊直径通常为顶辊直径的一半。
  采用上述两种设备所生产的筒体的最小直径为顶辊直径加50mm。所生产的筒体最大直径取决于来料的尺寸、机器设备的上方净空高度及成型件的刚性。在特殊情况下需用外部支架来对筒体进行支撑。
  回弹
  回弹是用来说明当去除成型工具的压力时，成型的部件所产生的尺寸变化。其产生的原因有两点：
  首先，当施加压力时工具挠曲，但利用现代化设备这应当不成为问题。
  第二，和许多材料一样，不锈钢也有一些弹性恢复。例如，如果对不锈钢进行折边，折的角度应比所需角度大一些，这样，当去掉压力时，就能使它回弹到所需角度。同样，在设计冷弯冲床模具时，应包括回弹余量。例如为在不锈钢上获得90度的角，模具的坡口角度可能是80度。
  焊接
  可以把焊接看成为小型的局部炼钢。有些焊接技术仅仅是熔化开口接头面的金属，形成共同的金属熔池，在冷却后形成固态的金属接头。这种焊接被称为自熔焊接。另外一种技术采用的是较宽的开口接头，为了填充接头处，向金属熔池内添加不锈钢。
  由于在焊接过程中涉及到钢液，保护熔池表面防止和大气接触很重要。通过向熔池吹惰性气体，例如，氩气，使表面形成保护渣，或在使用电阻焊的情况下，利用机械压力排除大气，防止和大气接触。
  由于奥氏体不锈钢本身所固有的良好的塑性和韧性再加上没有相变硬化产物，所以，其可焊性很好。同样，铁素体不锈钢也具有良好的焊接性能，但是，在材料的焊缝金属热影响区厚度超过2．5mm时，会使韧性不足。所以，铁素体不锈钢的焊接仅限于薄材。
  采用专门焊接技术来防止极高硬度和裂纹扩展所带来的问题可以焊接马氏体不锈钢。但是，有些情况例外，一般来说，马氏体不锈钢被认为是不可焊接的。
  和焊接铝材一样，保持不锈钢的原有表面至关重要。所以，在运输、存储时要小心，防止杂散启弧和减少飞溅是很重要的。对原先焊接碳钢的焊工来说，这可能是一种文化冲击，因为在焊接碳钢后，如果有电弧点火条或飞溅，用漆盖住就行了。同样，在用钢丝刷去除焊渣或用喷丸处理工件时，应防止碳钢对不锈钢表面造成污染。钢丝刷应用不锈钢制造，如进行喷丸处理，应使用未被碳钢或铸铁污染的玻璃球。
  1． TIG焊（惰性气体钨极保护焊）
  无论是手工焊接还是自动焊接0．5～4.0mm厚的不锈钢时，最常用的就是TIG焊。TIG焊还用于较厚断面根部焊道的焊接，主焊缝采用堆焊。
  TIG焊的热源为直流电弧，工作电压为10～15伏，但电流可达300安，把工件作为正极，焊炬中的钨极作为负极。
  惰性气体一般为氩气。
  惰性气体通过焊炬送入，在电弧四周和焊接熔池上形成屏蔽。为增加热输入，一般向氩内添加5％的氢。但是，在焊接铁素体不锈钢时，不能在氩气内加氢。气体耗量每分钟约8～10升。在焊接过程中除从焊炬吹入惰性气体外，最好还从焊缝下吹入保护焊缝背面用的气体。
  如果需要，可以向焊缝熔池内填充与被焊奥氏体材料成分相同的焊丝，在焊接铁素体不锈钢时，通常使用316型填料。
  2．MIG焊（惰性气体保护金属极电弧焊）
  MIG焊接除用金属丝代替焊炬内的钨电极外。其它和TIG焊一样。因此，焊丝由电弧熔化，送入焊接区。电力驱动辊按照焊接所需从线轴把焊丝送入焊炬。
  热源也是直流电弧，但极性和TIG焊接时所用的正好相反。所用保护气体也不同，要在氩气内加入l％氧气，来改善电弧的稳定性。
  在基本工艺上也有些不同，例如，喷射传递、脉动喷射、球状传递和短路传递。
  3.手工电弧焊
  这种焊接技术使用不同的方法保护焊接熔池，防止和大气接触。热能也是由电弧提供。和MIG焊一样，电极为自耗电极。金属电极外由矿物质熔剂包覆，熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池。此外，包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池，而且，还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。在有些情况下，包覆的熔剂内含有所有合金元素，中部的焊条仅是碳钢。然而，在采用这些类型的焊条时，需要特别小心，因为所有飞溅都具有软钢性质，在使用过程中焊缝会锈蚀。
  如果使用直流电弧，焊条连接到正极，但如果使用钛型焊条，也可以使用交流电弧。电压一般为20～30伏，电流取决于焊接材料的厚度、焊条规格、焊接结构，范围在 15～400
安。
  4．电阻焊
  这种焊接包括一系列的焊接技术。其共性是通过输入高电流使不锈钢局部熔化来完成焊接。最简单的例子是点焊，在点焊时，利用两块铜电极夹住要焊接的工件，然后，使电流流经所夹的材料。
  电阻焊的另一种形式是滚焊，在滚焊时，电极为铜辊。沿焊接的材料上移动来获得"连续的"点焊。缝焊广泛用于两片组合的容器和其它耐用消费品的焊接。
  高频焊也依靠电阻加热完成，但电流是通过磁感在不锈钢内部产生。这种焊接方法用于用带钢生产焊管。