Основы производственных процессов при обработке материалов

Производство в общем понимании включает в себя контролируемое усилие, применяемое к материалу (обычно имеющего простейшее или бесформенное состояние) для его преобразования в готовое изделие с приданием ему определенной формы, внутренней структуры и свойств.

Обычно производство представляет из себя последовательное изменение формы продукта, осуществляемое посредством ряда различных технологических процессов. Каждый отдельный технологический шаг известен как «единичный процесс производства».

Единичные технологические процессы

Эти единичные процессы можно рассматривать как фундаментальные строительные блоки, из которых состоят производственные мощности страны.

Существует необычайно большое количество единичных процессов. Тем не менее, многие из них имеют общие черты, которые могут быть использованы в качестве основы для их группировки.

Для структурирования и систематизации операций можно использовать таксономию на основе физических процессов, посредством которых меняется конфигурация или структура материала. Чтобы сузить область данных, можно исключить рассмотрение следующих типов единичных процессов: производство сырья, разработка сплавов, химический синтез, изготовление электронных компонентов и их сборка, информационные технологии. Принимая во внимание эти исключения, можно выделить пять направлений:

1. Процессы изменения массы, при которых материал удаляется или добавляется механическими, электрическими или химическими средствами (к ним относятся традиционные процессы механической обработки, шлифование и нанесение покрытия, а также такие нетрадиционные процессы, как электроразряд и электрохимическая обработка);
2. Процессы с фазовым переходом, вследствие которых получают твердый материал, первоначально находящийся в жидкой или паровой фазе (к типичным примерам можно отнести литье металлов, изготовление композитов методом инфильтрации и литье полимеров под давлением);
3. Процессы изменения структуры, когда изменяется микроструктура заготовки, либо по всему ее объему, либо в локализованной области, такой как ее поверхность (термическая обработка и упрочнение поверхности являются типичными процессами этого направления, которое также охватывает фазовые изменения в твердого тела, например, отверждение осадков);
4. Процессы деформации, которые изменяют форму твердой заготовки без изменения ее массы или состава (к этой категории относятся классические процессы объемной штамповки в металлообработке, такие как прокатка и ковка, а также процессы формовки листов, такие как глубокая вытяжка и глажение);
5. Соединительные процессы, которые объединяют такие материалы, как частицы, цепочки частиц или сплошные секции, чтобы сформировать твердый компонент (примерами являются порошковая металлургия, керамическое формование и прессование полимерно-матричных композитов, а также такие соединительные процессы, как сварка и пайка).

Несмотря на то, что эти единичные процессы очень разнообразны, все они обладают пятью ключевыми компонентами: материал детали, технологический инструмент, локализованная рабочая зона внутри материала, взаимодействие инструмента и рабочей зоны, технологическое оборудование, которое обеспечивает контролируемое применение необходимого усилия.

Прогресс в технологиях организации модульных процессов может быть нацелен на один или все эти компоненты, вместе взятые. Таким образом, системный подход необходим для улучшения существующих производственных процессов и для разработки новых.

Таксономия единичных процессов не зависит от типа обрабатываемого материала. Конкретные материальные соображения принимаются во внимание, исходя из понимания механизмов, которые происходят в рабочей зоне.

Общая организация единичных процессов может быть визуализирована в трехмерном пространстве, где одна ось является семейством единичных процессов; вторая ось - это блок компонентов процесса; и третья - типы и комбинации обрабатываемых материалов.