Технологические процессы и рациональные режимы обработки камнесамоцветных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© В.П. Наумов, М.Ю. Гуров, 2011

УДК 622.35.002.2

В.П. Наумов, М.Ю. Гуров

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ КАМНЕСАМОЦВЕТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Приведен расчет режимов работы оборудования для обеспечения эффективного производства изделий из камнесамоцветного сырья с использованием алмазно-абразивного инструмента.

Ключевые слова: камнесамоцветное сырьё, сувенирная продукция, алмазно-абразивный инструмент, камнеобрабатывающй станок.

Экономический подъем Уральского региона в поседение десятилетие, сопровождался развитием в камнеобрабатывающей отрасли, несмотря на кризисные явления последних лет. Для сохранения внутреннего рынка отечественному производителю необходимо расширить номенклатуру и гамму кам-несамцветного сырья, пользующегося повышенным спросом на внутреннем и внешнем рынке. Как правило, цветной камень имеет небольшие запасы, низкую блочность и сложные горно-геологи-ческие условия его залегания.

Как известно, технология обработки камня включает в себя ряд технологических процессов, в результате которых изделию придается определенная форма, размеры, а его лицевой поверхности -заданная фактура. Технология обработки природного камня производиться, как правило, по классической и общепризнанной схеме [1]: подготовка блока -распиловка на заготовки - обдирка -фрезеровка заготовок - шлифовка, полировка и доводка заготовок - окончательное формообразование.

В зависимости от свойств исходного материала определяется и способ разрушения, среди которых различают: ре-

зание (пиление), ударную обработку (скалывание) и термообработку, по точности фактурной обработки - точную и приближенную [1]. В процессе приближенной обработки изделию придают размеры и форм, которые соответствуют заданным габаритам и позволяют получить лишь подобие будущего готового изделия. В результате точной обработки изделие приобретает окончательную форму и заданные размеры с небольшим припуском на последнюю фактурную обработку, такая обработка, фактически не изменяет форму и размеры изделия, придает ему заданные декоративные свойства и повышает долговечность.

Большинство операций при изготовлении сувенирной продукции из камнесамоцветного сырья, осуществляется с использованием алмазно-абразивного инструмента. При моделировании процесса поверхностного разрушения материала алмазно-абразивным инструментам в процессах пиления, фрезерования и шлифовки, с целью выявления множества ее закономерностей, необходимо учитывать все факторы, оказывающие влияние на данных технологический процесс.

Наиболее значимыми аргументами, определяющими производительность оборудования, потребляемую ими мощность и износ алмазного инструмента, являются силовой и скоростной режимы распиловки, а так свойства породы, характеризующие способность сопротивляться разрушению на микроуровне. Согласно энергетической теории поверхностного разрушения породы алмазно-абразивным инструментом [2], основным критерием характеризующим взаимодействие в системе «порода - алмазное зерно» является показатель энергоемкости породы ЭП [3]:

Э = .

Эп'

где НБ - твердость породы по Бринелю, Па; Кс - коэффициент хрупкости породы, представляющий собой отношение пределов прочности на сжатие Ссж и растяжения ср.

Твердость породы по Бринелю, может быть установлена непосредственным измерением либо использую эмпирическую зависимость [4]:

НБ = 0,6НМ.

где НМ - средневзвешенная микро-твердность горной породы Па.

Режимные показатели обработки ха-ракетризуют сп - удельное контактное давление инструмента на породу и Vp -линейная скорость резания. Контроль данных параметров на современных станках (не оснащенных ЧПУ) осуществляется с помощью цифрового или аналогового амперметра, который фиксирует силу тока, потребляемую из сети главным приводом станка.

В свою очередь, согласно известной зависимости:

N = и I cosф,

(1)

где N - мощность, затраченная на разрушение породы, Вт; и - напряжение сети В, I - сила тока, А; cosф - характеристика электрической сети.

При этом [2] мощность распиловки может быть охарактеризована как:

N = и-Р ■ V

рас И 1 п

где ц - коэффициент распиловки породы, Рп - нормальная сила распиловки, Н. или

Nрас = и-Сп - Sk - К, (2)

Sk - площадь контакта инструмента с породой.

Для назначения оптимальных алмазосберегающих режимов обработки основным критерием служит удельное контактное давление, так как значение линейной скорости перемещения инструмента качественно не влияет на его удельный расход см. рис. 1.

Большие значения С увеличивается

число зерен (рис. 2) [4], участвующих в резании, что повышает породоразрушающую способность инструмента, однако при этом происходит сближение поверхностей матрицы сегмента и породы (снижение межконтактного зазора) с одновременным ростом объема образующихся в зоне резания продуктов разрушения. Уплотненная разрушенная масса (шлам), находящаяся в межконтактном зазоре, останавливает дальнейший рост производительности распиловки за счет силового метода и приводит к росту усилий трения и потребляемой мощности. Непроизводительные затраты энергии связаны с дополнительным трением, интенсивно изнашивающим металлическую связку алмазных зерен, что в итоге приводит к преждевременному выпадению ещё неотработанных зерен из матрицы сегмента.

Н,„,МДж/м 3

Рис. 1. Зависимость удельной работы разрушения горной породы алмазным инструментом Нж от изменения силового режима VП при различных скоростях резания, Vp м/с: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30;4 - 40; 5 - 50; [5]

Рис. 2. Схема рабочего профиля алмазного режущего инструмента: 1 - зерна, осуществляющие резание; 2 - зерна, осуществляющие упругопластические деформации материала; 3 - зерна, не принимающие участия в резании

Повышенный расход алмазного инструмента, особенно это проявляется при резании прочных горных пород, резко повышает затраты на распиловку природного камня и тем самым в целом существенно снижает эффективность применения алмазного инструмента.

С другой стороны, недостаточное заглубление зерна в поверхность породы вызывает в основном ее упругую де-

формацию без хрупкого разрушения. Работая в этом случае в режиме внешнего трения, алмазные зерна изнашиваются о породу на уровне своих микронеровностей и тогда происходит так называемое «заполирование алмазного инструмента» с резким снижением его породоразрушающей способности. Отсутствие необходимого количества шлама в меж-контактном зазоре не изнашивает металлическую связку и не вскрывает нижерасположенные по торцу матрицы алмазные зерна, что приводит к явлению, получившему название у практиков «засаливание инструмента». Работая в вышеописанном режиме, алмазный инструмент затрачивает практически всю подводимую энергию на непроизводительное трение, не вызывая при этом направленного разрушения поверхности породы.

Значения рациональных силовых режимов, полученные экспериментально [6], являются частным случаем и отражают конкретную пару «порода - алмазный инструмент». Накопление банка данных, полученных экспериментальным путем, по рациональным силовым режимам распиловки горных пород всегда актуально, так как позволяет, во-первых, проверить теоретические положения, а во-вторых, существенно повысить эффективность производства путем предложенных рекомендаций. Чтобы грамотно назначить алмазосберегающие

Рис. 3. Форма износа алмазного зерна

режимы его эксплуатации, необходимы аналитические исследования, обобщающие и синтезирующие как передовой опыт эксплуатации, так и новые теоретические знания. Контактная задача взаимодействия алмазного инструмента с распиливаемой породой многофакторна по влиянию свойств породы на конструктивное исполнение рабочего инструмента. Поэтому настолько разнообразны существующие конструкции инструмента и рекомендации по его рациональному использованию.

Зерно как натурального, так и искусственного алмаза имеет вид неправильного изометрического многоугольника, близкую к форме октаэдра, однако в процессе работы зерно изнашиваясь, изменяется, так что вершина зерна становится близкой к сферической [1], поэтому для упрощения расчета в дальнейшем можно рассматривать форму алмазного зерна в виде сферы диаметром, равным среднему значению размера фракции, составляющей рабочий инструмент (рис. 3).

Аналитическое решение по определению рациональной нагрузки на единичное зерно построено на основании твердости породы по Бринелю, характеризующей степень разрушения плоской поверхности шаровым индентором [9].

Контактное нормальное давление инструмента на поверхность распиливаемой породы определим следующим образом:

оп = п-Нб-г 2 •к2-п°, (3)

где п°р - количество алмазных зерен, приходящееся на единицу рабочей поверхности режущего элемента, шт./м2;

к = у]Ьз/г ; г - радиус алмазного зерна, м; Из - глубина внедрения алмазного

зерна в породу, м.

Существующее множество методов [7] по определению поверхностной концентрации алмазных зерен в инструменте достаточно затруднительны для применения в инженерных расчетах. Поэтому достаточно простым и достоверным способом определения числа зерен, выступающих на поверхности, является способ визуального подсчета [6].

Таким образом, диапазон рациональных значений о для конкретной пары «порода-инструмент» является функцией относительного заглубления Ьз/г. Как уже отмечалось выше при недостаточном заглублении алмазного зерна в породу (невысокие значения о ), последнее работает в режиме упругого и упруго-пластичного контакта, чрезмерное заглубление приводит к зашламовы-ванию продуктами разрушения, меж-контактного зазора и увеличенному абразивному износу связки инструмента и как следствии выпадении ещё не отработанных зерен алмаза.

Зернистость инструмента, относительное заглубление и поверхностную концентрацию анализируя рад литературных источников и исследований можно свести в следующем виде (табл. 1)

Таким образом, по зависимости (3) становиться возможным, аналитически

Таблица 2

Режимы обработки камнесамоцветного сырья

Порода Резание Фрезеровка Шлифовка 1 Шлифовка 2 Шлифовка 3 Полировка

Яшма 0,84 0,42 0,20 0,08 0,07 0,05

Родонит 0,76 0,38 0,18 0,07 0,07 0,05

Г аббро 0,75 0,37 0,18 0,07 0,07 0,05

Долерит 0,75 0,38 0,18 0,07 0,07 0,05

Лазурит 0,45 0,37 0,17 0,07 0,07 0,05

Агат, оникс 0,87 0,44 0,20 0,08 0,07 0,06

Родонит 0,76 0,38 0,18 0,07 0,07 0,05

Кварц, кварцит 1,01 0,50 0,24 0,10 0,08 0,06

лиственит 0,45 0,36 0,15 0,07 0,04 0,03

Малахит 0,45 0,31 0,13 0,06 0,04 0,03

мрамор цветной 0,49 0,22 0,07 0,03 0,03 0,02

Серпентинит 0,20 0,09 0,03 0,01 0,01 0,01

Таблица 1

Характеристики инструмента для обработки камнесамоцветного сырья [1]

Порода Резание Фрезеровка Шлифовка 1 Шлифовка 2 Шлифовка 3 Полировка

Зернистость инструмента

Мягкие 1000/800 800/630 200/160 125/100 80/63

Средние 630/500 500/400 160/125 100/80 63/50 50/40

Крепкие 315/250 250/200 125/100 80/63 53/50

Относительное заглубление инструмента Н/г

Все 0,3-0,33 0,3-0,25 0,2 0,2-0,15 0,12-0,1 0,1-0,05

Поверхностная концентрация алмазных зерен пр0 (при 50 % концентрации)

Мягкие 10 12 99 223 390

Средние 23 25 155 349 473 500

Крепкие 55 76 223 390 500

определить значения показателя силового режима в различных процессах (резание, фрезеровка, шлифовка, полировка) алмазно-абразив-ной обработки камнесамоцветного сырья различных видов табл. 2.

В свою очередь, используя зависимости (2) и (3) становиться возможным, определить диапазон значений силы тока, поддержание которого на конкретном камнеобрабатывающем станке.

Выводы

1. Для обеспечения эффективного производства изделий из камнесамоцветного сырья с использованием алмазно-абразивного инструмента, выражающегося в минимальном расходе породоразрушающего инструмента, необходимо придерживаться режимов работы оборудования приведенных выше.

2. Контроль за работой оборудования, осуществлять с использованием тахометра, контролирующего частоту

1. Берлин Ю.Я., Сычев Ю.И., Шалаев И.Я. Обработка строительного декоративного камня Л.: Стройиздат, 1979. - 232 с.

2. Першин Г.Д. Энергетический принцип расчета поверхностного разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом // Изв. вузов. Горный журнал. - 1992. - № 6. -С. 69-76.

3. Першин Г.Д., Гуров М.Ю., Ахметшин А.М. Классификация природного камня по трудности поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности. Материалы I международной научно-практической конференции. Москва 11-12 марта 2004. - Екатеринбург: УГГУ, 2004. - С. 59-63.

вращения инструмента, и амперметра, последовательно включенного в цепь лавного привода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Ахметшин А.М. Исследование процесса разрушения горных пород при обработке алмазным дисковым инструментом: Дис. ... канд. техн наук. - Екатеринбург - 2005. - 1б с

5. Кичигин А.Ф. и др. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород.- М.: Недра, 1980. - 159 с.

6. Першин Г.Д., Сердюков В.В., Гуров М.Ю. Взаимосвязь конструктивного исполнения алмазного инструмента с силовыми режимами распиловки природного камня // Добыча, обработка, применение природного камня: Сб. науч. трудов. - Магнитогорск, 2002. - С. 150158.

7. Вересов Н.К. Расчет числа зерен, участвующих в резании, и расстояний между ними на поверхности алмазного круга // Станки и режущий инструмент. - М., 198б. - С. 2б-31.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гуров Михаил Юрьевич - доцент, кандидат технических наук, Наумов В.П.,

Магнитогорский государственный университет, mgtu@magtu.ru