содержание   ..  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..

Г пав а 11. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ КАМНЯ

§ 40. Физическая сущность процессов фрезеровки и шлифовки-полировки камня

На характер явлений, сопутствующих процессам обработки и протекающих на контакте инструмента с камнем, существенное влияние оказывает как вид технологической операции, так и конструкция используемого инструмента. В связи с этим довольно широкий круг рассматриваемых процессов обработки камня, выполняемых разнообразным инструментом, может быть подразделен на три основных способа обработки, принципиально различных по характеру воздействия инструмента на камень: обработка периферийным режущим, шлифующим и профилировочным инструментом; обработка торцевым шлифующим инструментом; обработка полирующим инструментом.

При обработке камня периферийным инструментом (окантовка алмазными отрезными кругами, собственно фрезеровка алмазными цилиндрическими фрезами, профилировка алмазными и абразивными профильными кругами и т. д.), либо торцевым шлифующим инструментом происходит механический процесс направленного (нормированного) разрушения камня за счет массового царапания обрабатываемой поверхности зернами алмаза или абразива, беспорядочно выступающими из связки инструмента.

Характерными особенностями этих процессов, отличающих их от других, например от резания камня резцовым твердосплавным инструментом, являются: беспорядочное расположение большого числа зерен (резцов) на

рабочей поверхности инструмента, прерывистая режущая кромка у инструмента, разновысотность зерен и их разнообразная геометрическая форма, особые свойства абразивных зерен (высокая твердость, термоустойчивость, острота, хрупкость, способность разрушаться по плоскостям спайности и др.); высокие окружные скорости микрорезания и малые глубины резания (царапания) каждым рабочим зерном, обеспечивающие мгновенное снятие огромного количества стружек в единицу времени; динамический характер воздействия каждого зерна на обрабатываемую поверхность. Каждое работающее зерно ведет себя аналогично резцу и, перемещаясь в результате движений вращения и подачи, прочерчивает по поверхности камня царапину-борозду, глубина которой зависит от размера зерна, режимов обработки и физикомеханических свойств камня. При этом с обрабатываемой поверхности за каждое воздействие зерна снимается объем разрушенного камня, иногда называемый микростружкой.

Следует отметить, что стружка снимается отдельным зерном мгновенно, т. е. за очень незначительный промежуток времени, который в зависимости от длины дуги контакта составляет обычно 0,001—0,0001 с. В итоге суммарных воздействий на обрабатываемую поверхность многочисленных зерен рабочего инструмента, следы которых многократно накладываются, происходит снятие слоя камня.

Изучение механизма образования и структуры царапин на поверхности камня единичными зернами абразира или алмаза показывает, что при незначительных нагрузках возникают гладкие неглубокие выдавленные царапины и это является следствием пластической деформации камня. При увеличении нагрузки на зерна образуются царапины с закономерной структурой, состоящей из периодически повторяющихся трещин, проникающих в глубь камня, и выколов, образующих углубления на его поверхности, что обусловлено циклическим характером процесса образования царапины, состоящим из четырех последовательных стадий. Первая стадия цикла (рис. 78, а) заключается в контактировании с поверхностью камня рабочих граней зерна и начальном заглублении зерна в камень с образованием тонкодисперсных продуктов разрушения (в этот момент камень подвергается упругой деформации, а на контакте рабочих граней зерна с камнем создается объемно-напряженная зона). На второй стадии (рис. 78, б) под действием усилий резания и подачи (прижима) впереди рабочей грани движущегося зерна формируется уплотненное ядро из тонкодисперсных продуктов разрушения, излишки которых эвакуируются в свободное пространство между поверхностью камня и уровнем связки инструмента. На третьей стадии (рис. 78, в) ядро воздействует на нижележащую зону камня, в результате интенсивного нарастания напряжений их величина достигает предела прочности камня. Перед рабочей гранью зерна появляются трещины, направленные в сторону движения. Далее наступает четвертая стадия — отрыв от массива крупного элемента стружки (выкалывание) с одновременным выбросом тонкодисперсных продуктов разрушения, составляющих ядро (рис. 78,г). В этот момент усилие резания на контакте рабочего зерна с камнем падает до нуля. На этом цикл образования царапины заканчивается и далее периодически повторяется по мере продвижения зерна в направлении резания. Таким образом, абразивное зерно, царапающее камень, перемещается по нему толчками, испытывая резко изменяющуюся нагрузку, т. е. его действие носит ударно-вибрационный характер, усиливающий неравномерность напряженного и деформированного состояния.

 

Рис. 78. Схема воздействия алмазного зерна на камень
1 — зона упругих деформаций; 2 — камень; 3 — связка инструмента; 4 — зерно; 5 — ядро из тонко дисперсных продуктов разрушения; 6 — тонкодисперсные продукты разрушения, эвакуирующиеся из зоны обработки; 7 — элемент крупного скола; 8 — трещина

При взаимодействии рабочей поверхности инструмента с камнем в контакт с последним одновременно вступает значительное количество режущих зерен, суммарное воздействие которых на обрабатываемую поверхность обеспечивает снятие слоя камня. Образующиеся при этом элементы скола представляют собой результат действия на камень группы зерен, одновременно работающих в непосредственной близости друг от друга; при этом происходит смыкание трещин, образованных соседними зернами, с откалыванием от массива общего элемента и выбросом его из рабочей зоны.

Ввиду беспорядочного расположения зерен на рабочей поверхности инструмента в полезной работе резания участвует сравнительно небольшой процент зерен от их общего числа (до 30—45 %). При этом часть зерен не работает из-за незначительности вылета над поверхностью связки, часть — вследствие того, что попадает «в след» за работающими зернами.

Характерной особенностью при работе как периферийного, так и торцевого режущего и шлифующего инструмента является наличие между поверхностью камня и связки зазора, величина которого зависит от толщины снимаемого слоя, зернистости инструмента и режимов обработки. Наличие зазора обеспечивает рабочим зернам инструмента режим свободного резания (объем разрушенного камня не должен превышать разности объемов свободного пространства между связкой инструмента и камнем, занимаемого выступающими зернами).

Важное значение при обработке камня алмазным и абразивным инструментом имеет использование охлаждающей жидкости (обычно воды), функции которой заключаются в удалении продуктов разрушения камня из зоны обработки, стабильном и быстром отводе тепла, снижении коэффициента трения и сил внешнего трения, улучшении условий диспергирования камня, адсорбционном понижении прочности обрабатываемой поверхности.

Описанный механизм элементарных явлений, сопутствующих обработке камня алмазным либо абразивным инструментом, является принципиально общим как для процессов обработки камня периферийным, так и торцевым инструментом. Необходимо в то же время учитывать, что сами эти процессы имеют существенные различия, главные из которых заключаются в следующем: работающие зерна периферийного инструмента имеют незначительный контакт с камнем, в то время как зерна торцевого инструмента в большинстве случаев находятся в более длительном либо и постоянном контакте с камнем; итоговым результатом обработки камня периферийным инструментом (о грел мой круг, фреза) в большинстве случаев является образование щели (пропила), в то время как у торцевого инструмента—снятие поверхностного слоя камня (припуска), либо выполнение заданном фактуры (шлифовки).

Остановимся более подробно на физической сущности процессов шлифовки, выполняемых, как правило, торцевым инструментом. Для получения лицевой поверхности камня заданной фактуры (шероховатости) шлифовку выполняют в несколько стадий, используя инструмент с последовательно уменьшающейся крупностью зерен. При этом задачей каждой стадии шлифовки является преобразование прежнего (более грубого) микрорельефа поверхности в новый путем использования соответствующего инструмента (рис. 79). В результате воздействия шлифующих зерен на обрабатываемую поверхность наносится огромное число микроцарапин, формирующих микропрофиль. Переход от исходной к установившейся шероховатости можно условно представить смещением в одну плоскость зерен контура шлифовального круга, проходящего через определенный участок обрабатываемой поверхности за время ее контакта с кругом (рис. 80). Установившаяся шероховатость шлифованной поверхности камня, зависящая от характеристики инструмента, режимов обработки, физико-механических свойств камня и жесткости системы СПИД, обычно формируется после многократных проходов инструмента по обрабатываемой поверхности.

В отличие от шлифовки, полировка, завершающая цикл операций фактурной обработки камня, представляет собой комплекс взаимосвязанных механических (микроабразивных) и физико-химических процессов, соотношение между которыми обусловлено видом полировального инструмента. Так, при обработке камня алмазным полировальным кругом преобладающую роль играют механические процессы, протекающие на контакте инструмента с поверхностью камня: работа каждого отдельно работающего алмазного зерна весьма сходна с действием алмазных зерен шлифовального круга. Отличие заключается в том, что зерна полировального круга имеют значительно меньший размер, кроме того, благодаря

высокой эластичности связки в процессе работы зерна вдавливаются в нее, воздействуя на камень кончиками вершин. В результате суммарного воздействия алмазных зерен полировального круга происходит выкалывание микроскопических крупинок камня, в связи с чем на полируемой поверхности не образуется сколько-нибудь заметных протяженных рисок-царапин, а она покрывается чередующимися микроскопическими выступами и углублениями с величиной неровностей 0,01—0,001 мкм. При таком характере микронеровностей величина которых на 1—2 порядка ниже величины неровностей после операции доводочной шлифовки (лощения), поверхность камня становится блестящей, приобретая высокую светоотражающую способное п..

Одновременно с механическим диспергированием (измельчением) камня процессам алмазной полировки сопутствуют некоторые химические реакции между камнем и водой, приводящие к образованию коллоидных пленок сложных химических соединений (например, кремниевой кислоты, вследствие гидролиза кремнекислых соединений при обработке пород силикатного состава). Такие пленки, образующиеся в отдельных точках поверхности, периодически срываемые работающим инструментом, защищают участки обрабатываемой поверхности от дальнейшего химического воздействия воды и дальнейшего гидролитического разложения поверхностного слоя камня.

При полировке камня войлочным кругом со свободной полирующей суспензией либо кругом со связанным полирующим веществом доминирующая роль принадлежит физико-химическим процессам. Исследованиями установлено, что в процессе полировки на поверхности камня образуется новый слой — блестящая пленка толщиной до 0,1 мкм, представляющая собой комплексное органическое соединение и существенно отличающаяся по своим свойствам от основной массы камня. Такая пленка образуется в результате химического взаимодействия между поверхностью камня, полирующим веществом и связкой полировального круга (при полировке со свободной суспензией — с материалом полировальника). Существенную роль при этом играет вода, которая в силу своей полярности может интенсифицировать процесс катионного обмена. При полировке камня карбонарного состава происходит также частичное растворевне поверхностного слоя, о чем свидетельствует ускорение процесса полировки в слегка кислом среде (например, в присутствии щавелевой или уксусной кислот).