К вопросу о классификации обработки природного камня Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

------------------------------------- © П.И. Дубинин, А.П. Дубинина,

2006

УДК 679.8

П.И. Дубинин, А.П. Дубинина

К ВОПРОСУ О КЛАССИФИКАЦИИ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

~Щ~¥ од обработкой природного камня

II понимается совокупность технологических процессов, в результате которых камню придаются определенная форма и установленные размеры, заданная фактура лицевой поверхности, а также изменение физико-технических и (или) декоративных свойств предмета труда и (или) изделия.

Анализ существующих классификаций по обработке природного камня показал их существенные недостатки. Описанные классификации были разработаны в восьмидесятые годы XX века применительно к обработке строительного камня при изготовлении облицовочных материалов и не позволяют учитывать современные и перспективные достижения науки и техники, а также требования к качеству изделий из природного камня. Кроме того, терминология, приведенная в этих классификациях, не отображает механизм процесса разрушения природного камня и не всегда соответствует требованиям ГОСТ.

Создание инструмента и оборудования нового поколения с принципиально новыми исполнительными органами, разработка и применение новых компьютерных технологий управления процессами обработки камня, вызвали острую необходимость в создании классификации, отражающей современное состояние, а также дающей возможность прогнозировать перспективы развития камнеобрабатывающей отрасли.

В настоящее время большая часть терминов и определений, применяемых в камнеобработки, взята из других отраслей производства, связанных в основном с обработкой металлов и древесины. Терминология, применяемая при механической обработке металлов и древесины, базируется на теории пластичного разрушения твердых тел - обработка давлением или резанием (ГОСТ 3.1109-82, ГОСТ 25761-83, ГОСТ 2350579 и др.). Механизм процесса пластичного разрушения в корне отличается от механизма процесса хрупкого разрушения горных пород и минералов (природного камня). По этому терминологию, применяемую при классифицировании обработки природного камня, следует привести в соответствие с существующими ГОСТами или разработать новую терминологию и ГОСТы, не противоречащие теории хрупкого разрушения.

В связи с изложенным в основу разработанной классификации положены следующие критерии (рис. 1):

• терминология, применяемая в классификации, должна однозначно определять класс, род, вид и метод обработки природного камня, а также тип инструмента, трансформирующего энергию в источник трещин;

• разделение на классы обработки производится в зависимости от вида энергии, трансформированной в источник трещин для изменения свойств предмета труда:

Терминология,применяемая в кпассификации.должна однозначно определять класс.род.вид и метод обработка также род,вид и тип инструмента,'трансформирующего энергию._______________________________________________

Вид энергии,трансформируемой в предмет труде (природный камень) для изменения его свойств.

Род исполнительного органа .трансформирующего энергию [ предметтруда (природный камень) при изменении его

Степень изменения свойств предмета труда

Технологический признак.определяющий процесс (операцию) обработки предмета труда (природного камни).

Вид и тип исполнительного органа рабочего инструмента, используемого при осуществлении технологического процесса (операции) обработки.

Действие или система действий.применяемых при осуществлении технологического процесса (операции) обработки.

обработка природного камня

класс обработки

подкласс обработки

род обработки

вид обработки

подвид обраб( ЯКИ

метод обработки

Рис. 1. Критерии классифицирования обработки природного камня.

• разделение на подклассы производится в зависимости от рода рабочих элементов исполнительного органа камнеобрабатывающего оборудования, трансформирующих энергию в источник трещин;

• разделение рода обработки на виды производится по технологическому признаку, определяющему процесс (операцию) обработки природного камня, соответствующего класса и подкласса;

Рис.2. Разделение обработки природного камня на классы и подклассы

охончиэхишюпэи лиих оп кохигоа;.иос[и нїґияїіоіі вн имходисідо егиа зинзгзп.ес!

ЛЕЗВИЙНАЯ ОБРАБОТКА

АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

СТРУЙНАЯ ОБРАБОТКА

СТРУИНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

----(ЖИДКОСТИ О-АБ РАЗ И В НАЯ ОБРАБбТКА^-

ВИБРО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

ультрозвуковая абразивная __________обработка__________

МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

О

ь

>

о

о

ТЕРМООБРАБОТКА НАГРЕВОМ (ОХЛАЖДЕНИЕМ)

ТЕРМОСТРУИНАЯ ОБРАБОТКА

ОБРАБОТКА НЕВЗРЫВНЫМИ ХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

ОБРАБОТКА ВЗРЫВНЫМИ ХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОСТРИКЦИОННОГО ЭФФЕКТА

ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ИЛИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ_____________________

ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

СП

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

0 т

01 >< и > > Ї т ^

О т 3 о

>

ш

О

О* си 5 ті ^ > х

СП л

О т ^ ° а

т > О

> X (Л

СП > X

О ^ л;

СО

т

О Ч

т и

■п 11

> А

їм \

и Грі

ч X

£ X т

С)

а

7Ї

>

О

О

О

СП

-о

>

СП

О

ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО КАМНЯ

органа рабочего инструмента, применяемого при осуществлении технологического процесса (операции) обработки природного камня;

• разделение подвида обработки на группы и подгруппы (метод обработки) производится по способу осуществления технологического процесса (операции) обработки природного камня.

Предлагаемая классификация разработана на основе современных теорий развития трещин в твердых телах с использованием закона сохранения энергии. В качестве основного постулата принято положение, что, все способы разрушения горных пород имеют общую природу, а название класса обработки определяется видом энергии, трансформированной в источник трещин.

В соответствии с данным подходом вся обработка природного камня разделена на пять классов: механическая, термическая, химическая электрофизическая и комбинированная (рис. 2).

Разделение каждого класса обработки произведено на подклассы в зависимости от рода рабочих элементов исполнительного органа камнеобрабатывающего оборудования, трансформирующих энергию в источник трещин при направленном разрушении природного камня. По этому принципу выделены следующие подклассы:

• обработка лезвийным инструментом (лезвийная обработка) - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного направленного разрушения природного камня, осуществляемого инструментом, рабочие элементы исполнительного органа которого имеют установленную форму и размеры («лезвие»), а также точно заданное их количество;

• обработка абразивным инструментом (абразивная обработка) - обработка, заключающаяся в изменении формы, разме-

ров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного направленного разрушения природного камня, осуществляемого инструментом, рабочие элементы исполнительного органа которого имеют случайную, неопределенную форму и размеры («абразивные зерна»), а их количество точно не установлено;

• обработка струей жидкости или газа (струйная обработка) - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного направленного разрушения природного камня, осуществляемого струей жидкости или газа;

• струйно-абразивная обработка - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного направленного разрушения природного камня, осуществляемого абразивными зернами, введенными в струю жидкости или газа;

• жидкостно-абразивная обработка (галтовка) - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного хаотичного разрушения природного камня, осуществляемого при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в жидкости в замкнутой емкости;

• вибро-абразивная обработка (виброгалтовка) - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного хаотичного разрушения природного камня, осуществляемого при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в вибрирующей емкости;

• ультразвуковая обработка - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного разрушения природного камня, осуществляемого при вибрации с ультразвуковой частотой абразивного инструмента и (или) заготовки;

• магнитно-абразивная обработка -обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости предмета труда, а также фактуры обрабатываемой поверхности, вследствие хрупкого и (или) пластичного хаотичного разрушения природного камня, осуществляемого при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в магнитном поле;

• термообработка нагревом (охлаждением) - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров, шероховатости, физико-технических, технологических и (или) декоративных свойств предмета труда осуществляемая при его нагревании (охлаждении);

• термоструйная обработка - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости, а также фактуры обрабатываемой поверхности предмета труда, вследствие хрупкого направленного разрушения природного камня, осуществляемого высокотемпературной струей газа;

• обработка невзрывными химиче-

скими средствами - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров, шеро ховатости физико-техничес-ких,

технологических и (или) декоративных свойств предмета труда, осуществляемая в результате химических невзрывных реакций;

• обработка взрывными химическими средствами - обработка, заключающаяся

в изменении формы, размеров, шероховатости, физико-технических, технологических и (или) декоративных свойств предмета труда, осуществляемая в результате химических взрывных реакций;

• электро-имульсная обработка - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости, а также фактуры обрабатываемой поверхности предмета труда, вследствие хрупкого направленного разрушения природного камня, осуществляемого с применением электрических разрядов;

• магнитострикционная обработка -обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости, а также фактуры обрабатываемой поверхности предмета труда, вследствие хрупкого разрушения природного камня, осуществляемого с применением магни-тострикционного эффекта;

• электроннолучевая обработка - об-

работка, заключающаяся в изменении формы, размеров, шероховатости, физико-технических, технологических и

(или) декоративных свойств предмета труда, осуществляемая с применением электронного или оптического излучения;

• термомеханическая обработка- обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости, а также фактуры обрабатываемой поверхности предмета труда, вследствие хрупкого направленного разрушения природного камня, осуществляемого при одновременном термическом и механическом воздействии;

• электрохимическая обработка - обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости,

РОД

03 р

п>

43 ч

X р

я

о 2

о н о

3

я о 2 &з 3 4 43 Е

о

ч

р о СП

н 43

43 оэ

V- СП

Й р

Р ч

Е

СО 03

&Э

о П)

й о й о о я<

ч

03 я

я о

о 1

ОБЪЁМНАЯ ОБРАБОТКА ОБЪЁМНО-ПОВЕРХНО-СТНАЯ ОБРАБОТКА

Обработка,заключающаяся в разделении предмета груда (природного камня) по установленным поверхностям заготовки и(или) изделия заданной формы размеров, шероховатости, а также фактуры, вновь образованных поверхностей. Обработка,заключающаяся в изменении формы, размеров шероховатости, а также фактуры вновь образованных поверхностей, вследствие удаления части объёма предмета труда (природного камня) по строго заданным поверхностям.

В и д

Рис. 3. Разделение обработки природного камня по родам

ОБРАБОТКИ

ПОВЕРХОСТНАЯ ОБРАБОТКА ДЕКОРАТИВНО- ПРОЧНОСТНАЯ ОБРАБОТКА

Обработка установленных поверхностей предмета груда (природного камня), в результате которой заданные точность размеров шероховатость и (или) фактура обрабатываемых поверхностей. Обработка предмета труда (природного камня), в результате которой достигается изменение физико-технических,ТЄХНО' логических и (или) декоративных свойств обрабатываемого материала.

О Б Р А Б

О ТК И

разрушения природного камня в электролите под воздействием электрического тока.

Разделение по родам обработки базируется на положении, что все способы разрушения горных пород имеют общую природу. По этому осуществление обработки природного камня в каждом роде обработки возможно с применением любого (экономически и технически целесообразного) класса обработки.

Исходя из данного подхода, вся обработка природного камня разделена в зависимости от характера и степени изменения свойств на четыре рода обработки (рис. 3):

• объемная обработка - обработка, заключающаяся в разделении обрабатываемого объема предмета труда (природного камня) на отдельные заготовки и (или) изделия, заданной формы, размеров, шероховатости, а также фактуры вновь образованных поверхностей, вследствие хрупкого направленного разрушения по строго заданным поверхностям, осуществляемого в соответствующем классе обработки;

• объемно-поверхностная обработка -обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров, шероховатости, а также фактуры вновь образованных поверхностей, вследствие хрупкого направленного разрушения при удалении части объема предмета труда по строго заданным поверхностям, в соответствующем классе обработке;

• поверхностная обработка - обработка, установленных поверхностей предмета труда (природного камня), в результате которой достигаются заданные точность размеров, шероховатость и фактура обрабатываемых поверхностей, вследствие хрупкого или пластичного направленного разрушения, осуществляемого в соответствующем классе обработки;

• декоративно-прочностная обработка - обработка, заключающаяся в изменении физико-технических, технологических и (или) декоративных свойств предмета труда и (или) изделия, вследствие энергетического воздействия, осуществляемого в соответствующем классе обработки.

Осуществление технологических процессов (операций) рода обработки природного камня возможно с применением любого (экономически и технически целесообразного) вида энергии, поэтому разделение на виды обработки произведено по технологическому признаку, определяющему процесс (операцию), в соответствующем классе и подклассе обработки.

Разделение родов обработки на виды, по указанным выше признакам и критериям, приведено на рис. 4, 5.1, 5.2, 5.3, 6. Исследование рода «Декоративнопрочностная обработка» является предметом дальнейших технологических и терминологических разработок.

Терминология, применяемая в настоящее время для определения видов обработки природного камня, взята по аналогии в основном из металлообрабатывающей и деревообрабатывающей отрасли. Механизм пластичного разрушения металлов в корне отличается от механизма хрупкого разрушения природного камня. Поэтому, для однозначного определения вида обработки природного камня, осуществляемого вследствие хрупкого разрушения, следует применять термины, имеющие суффикс «к» и окончание «а», в отличие от терминов с окончанием «ие», определяющих процессы пластичного разрушения материалов. Например, термин «резание» по ГОСТ 3.1109-82 определяется, как «обработка, заключающаяся в образовании новых поверхностей отделением поверхностных слоев материала с

Рис. 4. Виды объёмной обработки

свободным абразивом

алмазными штрипсами

свободным абразивом

алмазными дисками

дисками с лезвийным инструментом

алмазным канатом

алмазной лентой

лезвийным баром

алмазным баром

газоотруйная

жидкоструиная

струйно-абраз и вная

эл ектро-и м пул ьсная

лазерная

плазменная

взрывная разрезка

буроклиновая

гидрокпи новая

свободным абразивом

свободным абразивом

камнекольным прессом

расколка НРС

взрывная расколка

о

о

го о

о

го

о

из о

л

е

го

о

а

ы гп

а —і

о

о

ГО О 23 СГ

о го о

СП

со

о "О >

СП

N

о

со —1

о

о

о

го

е

со о

о

14)

ШТРИПСОВАЯ РАСПИЛОВКА

ДИСКОВАЯ

РАСПИЛОВКА

КАНАТНАЯ

РАСПИЛКА

ЛЕНТОЧНАЯ

РАСПИЛКА

БАРОВАЯ

РАСПИЛОВКА

СТРУЙНАЯ

РАЗРЕЗКА

ЭЛЕКТРО-

ФИЗИЧЕСКАЯ

РАЗРЕЗКА

ХИМИЧЕСКАЯ

РАЗРЕЗКА

МЕХАНИЧЕСКАЯ

РАСКОЛКА

ХИМИЧЕСКАЯ

РАСКОЛКА

~о

>

О

о

ст

О

СП

Га

СГ

-о

гп

05

>

“О

>

о

О

>

со

:£□

о~

о

СГ1

гп=

О

СП

“О

>

сл

О

о

со

сверлом 3

коронкой й

алмазным сверлом 3

алмазной коронкой г-о

свободным абразивом со

свободным абразивом 2

т

струей газа 2 —1

п

струей ЖИДКОСТИ го 1=1

высокотемпературной сг

струей 2

абразивными зёрнами

в струе жидкости (газа) 2

электрическими

разрядами 0

лазерным лучом 3

плазменной струёй 3

микровзрывами 3

ЛЕЗВИЙНАЯ о- 1 о 1 со т "О 1 ^=1 о

АБРАЗИВНАЯ ю 1 ии

ультрозвуковая с=> СО —1 1

о

СТРУЙНАЯ <=> 4=* 1=1 го \

|—1

термоструйная <=> сг го 1 СГ"

струино-абразивная <=> о ГО ГП

"О ^=1

электро-

импульсная <=> О

ии 1

лазерная оо

плазменная <=> (О 1

микровзрывная «=> 1

го

1=1

сг

О

СП

сг1

О

го

т

~а

X

гп

О

О

О

СП

~а

СП

О

4-

04

резцами

алмазными резцами

алмазными кругами

абразивными кругами

струёй газа

струёй жидкости

высокотемпературной

струёй________________

абразивными зёрнами в струе жидкости (газа) электрическими разрядами

лазерным лучом

плазменной струёй

микровзрывами

фрезами

алмазными фрезами

Рис. 6. Разделение обработки природного камня по видам.

алмазными и абразивными кругами

элластичным алмзно-абра-* зивным инструментом

свободными абразивными зёрнами__________________

абразивный инструмент+ N хим реактив_______________

абразивный инструмент+ ультразвук

струя газа

струя жидкости

высокотемпературная струя________________

т

абразивно-

химическая

ультразвуковая

СТРУЙНАЯ

° □

термоструйная —

___________________ о

абразивными зёрнами в струе жидкости_________

электрическими

разрядами

;—і струино-"о~1 абразивная электро-У импульсная

лазерным лучом

плазменной струёй

микровзрывами

электрическим током в электролите____________

о,

®ь

лазерная

ш

о

:

о

м_СГ

плазменная

микровзрывная —

электро

химическая

абразивными зёрнами в жидкости_______________

абразивными зёрнами в электролите___________

жидкостно-

абразивная

Е

ь

-а

о-

СВ =

- I о ош

-О

о

СВ

7ч

а>

Е

ь

■а

о

"О

о

ш

ш

го

ГО

=1

0 ГО т "0 х

1 о

0

—I

1

о

о

го

"О

>

го

О

абразивные зёрна в вибрирующей ёмкости

вибро-

абразивная

абразивные зёрна в магнитном поле

магнитно-

абразивная

образованием стружки». (Примечание: Образование поверхностей сопровождается деформированием и разрушением поверхностных слоев материала).

Термин «обработка резкой» («резка») следует определять, как «обработка, заключающаяся в образовании новых поверхностей, отделением поверхностных слоев материала («стружки»), вследствие хрупкого разрушения этих слоев».

Аналогичным образом следует рассматривать и другие термины, приведенные в данной классификации. Для камнеобрабатывающей отрасли актуально введение в производство автоматизации процесса обработки. Для этой цели подходит кодирование классов, подклассов, родов, видов и т. д. числовыми знаками (они проставлены на рисунках над ячейками клас-

сификации). Например, процесс плоской шлифовки - полировки алмазным кругом будет задан следующей схемой: 01.02.03.01.01.01. - то есть, класс обработки - механическая обработка, подкласс -абразивная обработка, род - поверхностная обработка, вид - плоская шлифовка -полировка, подвид - абразивная, метод -алмазными и абразивными кругами; дальнейшее кодирование может содержать данные по конкретным инструментам и режимам технологических процессов. Введение классификации обработки природного камня должно помочь не только камнеобрабатывающей отрасли, но и смежным отраслям промышленности, таким как машиностроение и производство инструмента, поможет выявить направления развития данных областей.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Дубинин П.И., Дубинина А.П. - кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор

Название работы

Специальность Ученая степень

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА «ГЕОФИЗИКА»

РЕКИН Исследование и разработка методов про- 25.00.15 д.т.н.

Сергей гнозирования износа элементов буриль-

Александрович ных и обсадных колонн при строитель-

стве скважин