Свойства природного камня таковы, что его использование в современном мире находит все большее применение.Его физико-механические и декоративные особенности были высоко оценены современностью. В настоящее время Украина является в основном экспортером природного сырья, что является не выгодной экономической позицией. Проблема обработки природного камня является актуальной. Это связано со значительным временем затрачиваемым на его обработку. Наиболее эффективным методом обработки камня является его шлифование. Но также этот процесс является наиболее длительным, так как осуществляется за большое количество этапов. Проведя параллель между металлообработкой и обработкой камня, можно сделать вывод, что в технологии обработки камня небыло сделано некаких принципиально новых открытий. Вследствие чего устарело оборудование и инструмент.
Целью данной работы является повышение производительности шлифования природного камня алмазным кругом за счет создания новой оптимальной формы режущей кромки круга.
– Изучение цикла образования камня
– Анализ существующих способов и методов обработки природного камня и их особенности.
– Анализ конструкций и видов применяемых для шлифования инструментов.
– Моделирование процесса шлифования камня.
– Создание оптимальной формы режущей кромки круга.
Разрабатывается новый инструмент для более производительной обработки природного камня.
Ценность работы заключается в том, что в процессе шлифования хрупких материалов за счет оптимальной формы режущей кромки круга, обработанная поверхность заготовки имеет меньшую глубину дефектного слоя. В результате чего снижается величина припусков и повышается производительность.
Природный камень как вид полезного ископаемого
Издавна человечество применяло природный камень в различных областях: строительстве, архитектуре, художественной резьбе по камню, ваянии. Во многих местах нашей планеты сохранились удивительные памятники прошлого, свидетельствующие о высоком мастерстве древних строителей, архитекторов, художников, скульпторов, сумевших увидеть, раскрыть и донести до наших дней неповторимую красоту природного камня. На юге нашей страны найдены постройки из базальтов, туфов, мраморизированных известняков еще первого тысячелетия до нашей эры. Природный камень широко использовался в архитектуре Древней Руси. В памятниках X–XII вв. сохранились барельефы и саркофаги с рельефным орнаментом, выполненные из пирофиллитового сланца.
В настоящее время Украина располагает практически неисчерпаемыми запасами природных камней. Блоки наиболее ценных видов облицовочного камня экспортируются в различные страны мира. Природный камень находится в земной коре, которая сложена различными горными породами. Горные породы могут быть мономинеральными (например, мрамор) или полиминеральными (например, гранит). Минеральный состав каждой горной породы более или менее одинаков.
По происхождению все горные породы разделяются на три большие группы: первая – магматические, связанные с процессами магматической деятельности; вторая – осадочные, связанные с экзогенными процессами; третья – метаморфические, образующиеся в результате преобразования магматических и осадочных горных пород. Кроме того, существует группа промежуточных горных пород – вулканогенно-обломочных, одни представители которых близки к чисто вулканическим изверженным породам, а другие связаны непрерывными переходами с типично осадочными породами.
Распространение, этих горных пород неодинаково. Подсчитано, что литосфера на 95 % сложена магматическими и метаморфическими породами и только 5 % составляют осадочные породы. В то же время последние покрывают 75 % земной поверхности и только 25 % ее занято магматическими и метаморфическими породами.
Существует несколько циклов образования горных пород, процессы перехода которых взаимосвязаны и протекают во времени и пространстве.
Наиболее короткий цикл 1 включает процессы образования осадочных горных пород, которые протекают в следующей последовательности: процессы выветривания, разрушающие осадочные горные породы; процессы осадконакопления, способствующие переотложению и накоплению разрушенных в результате механического, химического и биогенного выветривания горных пород; процесс диагенеза – превращение осадка в новую осадочную горную породу
Цикл 2 образования горных пород включает переход от осадочных к метаморфическим горным породам. Этот цикл включает, кроме перечисленных в первом цикле процессов, еще процесс метаморфизма, т. е. преобразование горных пород в результате изменения физических условий под воздействием геологических факторов, в первую очередь температуры и давления. Процесс метаморфизма связан непрерывными переходами из магматических горных пород.
Самый длинный цикл образования горных пород – цикл 3, включающий взаимные переходы между, осадочными, метаморфическими и магматическими породами. Он состоит в дальнейшем погружении метаморфических горных пород в результате процессов мигматизации, ведущем к формированию мигматитов и заключающемся в смешивании вещества субстрата и жильного материала, а также процесса анатексиса, ведущего к расплавлению горных пород, и их превращение во вторичную магму. Часть магматических горных пород не достигает поверхности Земли, а перемещается на большие глубины и снова вовлекается в процессы метаморфизма (цикл 5), приводящие к образованию метаморфических горных пород: ортогнейсы, ортоамфиболиты, ортокварциты и др.
Природные облицовочные камни благодаря своим декоративным и физико-механическим свойствам получили широкое применение в строительстве при облицовке зданий и сооружений
В природе существуют разнообразные каменные породы, которые отличаются друг от друга по происхождению, минералогическому составу, текстуре и структуре, физическим характеристикам и техническим качествам. По происхождению породы бывают изверженные – глубинные и излившиеся, осадочные и метаморфические.
Наиболее распространенными являются из глубинных ? породы группы гранитов, эффузивных группы базальтов, мраморы из группы метаморфических пород и вулканические туфы.
Гранит – один из самых распространенных горных пород, состоит главным образом из полевых шпатов, кварца и слюды. Цвет гранита зависит в основном от окраски полевых шпатов, отчасти кварца, иногда цветных минералов. Структура гранита зернисто-кристаллическая. Граниты хорошо обрабатываются ударными методами и скалыванием. Распиловка производится стальными штрипсами с присыпкой металлической дроби. В последнее время стремятся распиливать граниты алмазными штрипсами и дисками (успешно распиливаются породы с малым содержанием кварца). Граниты хорошо шлифуются и полируются абразивными и алмазными инструментами.
Вулканические туфы являются пористыми каменными породами и состоят из продуктов вулканических выбросов в виде мелкого обломочного уплотненного материала. Разнообразие окраски туфов и декоративность, сравнительно малый объемный вес и хорошие теплотехнические свойства в сочетании с долговечностью, и легкость обработки способствуют широкому их применению в виде облицовочного материала. Туфы легко обрабатываются резцовыми и алмазными инструментами, но имеют высокую абразивность
Базальт В процессе вулканических извержений изливаются на земную поверхность лавы и потоки после застывания образовали так называемые эффузивные горные породы, среди которых наибольшее распространение имеют базальты и близкие к ним породы – андезиты, андезито-базальты, дациты. Базальт в основном состоит из плагиоклаза 6О-7О% и авгита 3О-4О%. Несмотря на высокую прочность и большое содержание стекла, базальты хорошо обрабатываются твердосплавными резцами м алмазными инструментами, что во многом способствует широкому распространению базальта как облицовочного материала.
Мраморы принадлежат к метаморфическим горным породам и образованы из известняков, под влиянием высоких температур и давлений в толще земной коры, вызвавших перекристаллизацию известняков и состоят в основном из зерен кальцита. Мрамор бывает белый, желтый, красный, черный и других цветов. Цветным мраморам свойственна неоднородность цвета. Наличие прожилок придает мрамору различные рисунки. Мраморы получили наибольшее применение, так как они легко обрабатываются алмазными инструментами (распиловка, шлифование, полирование), причем себестоимость облицовочных плит из мраморов ниже, чем гранитов.
Абразивная фактурная обработка
Различают жесткое и упругое шлифование. При жестком шлифовании входными параметрами являются глубина шлифования и другие элементы резания, а выходным – усилие при резании. При упругом шлифовании, наоборот, входным параметром является удельное давление, от которого зависят глубина шлифования и элементы резания.
Наибольшее распространение получил принцип упругого шлифования, позволяющий получить лучшие условия резания и поддерживать постоянными условия работы абразивных зерен. При постоянном удельном нормальном давлении и прочих равных условиях глубина резания постоянна. При изменении же одного из параметров режима резания меняется глубина резания, т. е. фактически при изменении условий, например, вследствие износа абразива или увеличении твердости камня, уменьшается глубина внедрения и тем самым сохраняются нормальные условия резания.
Полированная фактура обработки производится по лощеной фактуре накаткой глянца полировальным инструментом, в результате чего поверхность камня приобретает зеркальный блеск и полностью выявляются декоративные качества камня. Процесс полировки представляет собой одновременно протекающее механическое и физико-химическое взаимодействие полировальника, полирующего вещества и воды с лощеной поверхностью камня, в результате чего сглаживаются микронеровности поверхности камня, и образуется защитная пленка, обусловленная химическим составом полирующего вещества и петрографическими особенностями камня.
Рисунок 1 (анимированный при подводе курсора) - Схема торцевого шлифования. Технология фактурной обработки. Шлифовка-полировка облицовочных изделий из природного камня твердых пород является наиболее полным циклом абразивной фактурной обработки и состоит из 4-6 последовательно выполняемых операций.
Особенности шлифовки-полировки определяются качеством лицевой поверхности плит-заготовок (чистота поверхности, наличие запилов, неплоскостность), физико-механическими и петрографическими свойствами природного камня, линейными размерами плит-заготовок, типом шлифовального оборудования и абразивного инструмента. Плиты распила укладываются на рабочий стол станка, который обычно футеруется технической резиной, с оптимальной загрузкой его рабочей площади. Укладке плит предшествует выбор наиболее качественной их лицевой поверхности. Укладка стола осуществляется плитами распила с одинаковым качеством лицевой поверхности и одинаковыми физико-механическими свойствами. Плиты укладываются так, чтобы их постель плотно прилегала к поверхности стола. При шлифовке на станках портального типа плиты-заготовки укладываются на всю ширину рабочего стола, выравниваются шаблоном и деревянными клинышками. По высоте и по всему периметру плит подливают раствор гипса с шириной захвата не менее 10-15 см каждого линейного размера плиты. Пространство между плитами также заливают гипсовым раствором. Литература.
1.Финишная алмазно-абразивная обработка неметаллических деталей / Рогов В.В. – К.:Наук. думка, 1985. - 264 с.
2.Варданян
К. С. Современные камнеобрабатывающие станки и поточные линии. Под
ред.акад. АН Арм. ССР М. В. Касьяна. Издательство "Айастан" Ереван 1975
г.- 227 стр.
3.А. М.
Орлов Добыча и обработка природного камня. М.,1977 г.
4.Маслов Е.
Н. Теория шлифования материалов. – М.: Машиностроение, 1974-319с.
5.Якимов А.
В. Оптимизация процесса шлифования. – М.: Машиностроение,
1975-176с.
6.
Польшаков В.И. Основы торцового шлифования труднообрабатываемых материалов: Монография. – Чернигов: ГКПРИО, 2000. – 331 с.
7.Ю. И.
Сычев, Ю. Я. Берлин Шлифовально-полировальные и фрезерные работы по камню.
Москва стройиздат 1985 г.
8. Хрульков В.А., Матвеев В.С., Волков В.С., Волков В.В. Новые СОЖ, применяемые при шлифовании труднообрабатываемых материалов. – М.: Машиностроение, 1982. – 64 с.
9. Основы
имитационного и статистического моделирования. – Минск, 1997.
10.
Добыча и обработка природного камня: Справочник / Под общ. Ред. А.Г. Смирнова – М.: Недра, 1990 – 445 с.
11.
Ваксер Д.Б., Иванов В.А., Никитков Н.В. и др. Алмазная обработка технической керамики. Л.: Машиностроение, 1976. - 160 с.
12.Механическая обработка деталей из керамики и ситаллов / В.А. Хрульков, В.А. Тородей, А.Я. Головань, Ю.М. Буки. – Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1975. – 352 с.
13.Рыбицкий В.А. Алмазное шлифование твердых сплавов – Киев: Наукова думка, 1984 – 224 с.
14.Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей – Л.: Машиностроение, 1978 – 232 с.
15.Дерягин Б.В. Адгезия твердых тел. – М.: Наука, 1973. – 279 с.
16.Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел / В кн.: Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986. – С. 5-11.
17.Регель В.Р,, Слуцкер А.Н., Томашевский Э.Е. Кинетичская природа прочности твердых тел. М.: Наука. 1974 – 471 с.
18.Теория инженерного эксперимента: Учеб. Пособие / Г.М.Тимошенко, П.Ф. Зима. – К:УМК ВС, 1991. – 124 с.
19.Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки деталей. К.: Техніка, 1976. – 200 с.
20.Оценка погрешностей результатов измерений. - 2-е изд., перераб. И доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. – 304 с.: ил.
21. www.uran.donetsk.ua/~masters/2003/mech/ben_aicha/diss/index.html
Горобец И.А., Голубов Н.В., Бен Айша Зиед – статья на тему:"Повышение эффективности шлифования заготовок из природного камня".
22.http://www.masters.donntu.ru/2004/mech/golovina/diss/index.htm
Головина Е.Г. Автореферат магистерской диссертации.Тема: "Технологические основы и синтез мехатронных устройств плоского шлифования изделий из хрупких неметаллических материалов".
23.science.donntu.ru/konf/konf4/sek_05_mash/s05_15.pdf
Удовиченко В.А., Михайлов А.Н. – статья на тему: "Принципы развития технологий для обработки изделий из природного камня"