Добыча и обработка природного камня
Методы добычи и обработки природного камня зависят от вида конечной продукции (щебень, облицовочные плиты, стеновые камни я т. п.) и свойств разрабатываемой породы (в основном от ее твердости).
В камнеобрабатывающей промышленности принята следующая классификация горных пород:
- твердые - породы, в состав которых входят минералы с твердостью 6-7 (кварцит, гранит, габбро, лабрадорит и т.п.);
- средние - минералы этих пород имеют твердость не выше 5 (мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа и т.п.)
- мягкие - сравнительно небольшая группа пород с твердостью 2-3 (гипс, ангидрит, известняк ракушечник, высокопористые туфы и т.п.).
Щебень и бутовый камень получают, разрабатывая горные породы взрывным методом. Образовавшиеся после взрыва обломки породы дробят до нужного размера и рассеивают по фракциям.
Отделочные и стеновые изделия получают из камня, добываемого различными механизированными методами, не нарушающими структуру породы. Выбор метода добычи зависит, главным образом, от твердости разрабатываемой породы.
Средниеи мягкие породы добывают в карьерах с помощью камнерезных машин, снабженных твердосплавными дисковыми, цепными или канатными пилами.
Вырезку мелкоштучных блоков из таких пород производят поточным методом. В этом случае по рельсовому пути, проложенному в карьере, движутся три дисковые камнерезные машины, производящие горизонтальные и вертикальные пропилы и пропилы, отделяющие камень от основного массива породы.
Дисковые пилы позволяют получить камни размером не более 35 % от диаметра диска, т. е. не более 50-70 см. Блоки большого размера целесообразно выпиливать машинами с рабочим органом в виде фрезы. Представленная на рис. 20.14. машина СМ-177 позволяет делать разрезы глубиной до 70 % от диаметра фрезы, что для стандартных фрез составляет около 1 м.
Кроме машин с дисковыми режущими органами применяют машины с цепными пилами, глубина пропила у которых достигает 1,5-2м.
Для вырезки блоков из пород средней твердости могут применяться дисковые и цепные пилы, снабженные алмазными режущими насадками. Производительность таких машин в породах средней твердости в 4-5 раз выше (5-10 м2/ч), чем на твердосплавном инструменте(1-2 м2/ч) Для мягких пород применениеалмазного инструмента не эффективно.
|
Рис. 20.14. Машина с кольцевыми фрезами для выпиливания крупных блоков
из пород средней твердости: 1 - рельсовый путь; 2 - фреза; 3- каменные блоки
|
Рис. 20.15. Схема выпиливания монолитов (крупных блоков) из массива с помощью алмазно-канатной установки с предварительным бурением стыкующихся скважин: а - выполнение вертикального пропила; б - то же, горизонтального; 1 - алмазно-канатная установка; 2 - канат, армированный алмазными втулками; 3 - пропиленная часть массива; 4 - скважины; 5 - непропиленная часть массива.
В случае если необходимо добыть блок камня большого размера (2-10 м), используют установки с канатными пилами. Режущим инструментом в таком случае служит стальной канат диаметром 4-6 мм. Канат соединен в виде кольца и приводится в движение двигательной установкой. Для установки каната в рабочее положение необходимо предварительно пробуривать в массиве камня отверстия.
Установка канатного пиления работает на «свободном» абразиве (кварцевом песке, карборунде) фракции 0,3-0,6 мм, подаваемым в пропил вместе с водой. Скорость движения каната - 7-10 м/с; производительность установки - 1-2 м2 пропила в час.
В последние годы получили распространение канатные пилы с армированным режущим органом: на многожильный канат насажены «алмазные» втулки диаметром 10-14 мм. Схемы работы алмазной канатно-пильной установки показана на рис. 20.15. Благодаря большой скорости движения каната (35-45 м/с) такая установка имеет высокую производительность - 10-15 м2/ч.
Твердые породы обычно разрабатывают, отделяя сначала крупный монолит. Затем его делят на блоки, из которых на камнеобрабатывающем заводе получают требуемые изделия. Отделение монолита может осуществляться несколькими способами: буроклиновым, строчечным бурением и канатными пилами с алмазными насадками.
Буроклиновый способ, применяемый чаще других, заключается в том, что отделяемый объем камня обуривается по контуру перфораторами. В полученные отверстия (шпуры) вводятся гидравлические или механические клинья или расширяющиеся составы на основе минеральных вяжущих веществ - так называемый «тихий взрыв». С их помощью монолит породы раскалывают по требуемой плоскости. Этот метод базируется на крайне низкой прочности камня при растяжении (для гранита R= 5-8 мПа при Rсж > 100 мПа).
Распиловка - трудоемкая операция. Для этого применяют чаще всего рамные пилы с гладкими полотнами, под которые подсыпается абразивный порошок (для твердых пород - чугунная дробь, для средних - кварцевый песок). Для пород средней твердости применяют полотна с твердосплавными режущими элементами или дисковые твердосплавные пилы. Толщина получаемых плит 20-60 мм.
В последние годы в камнерезных машинах в качестве абразивного материала все шире применяют алмазы. Их высокая твердость обеспечивает высокую износостойкость режущего инструмента и позволяет в 5-10 раз увеличить скорость резания и производительность при снижении расхода электроэнергии в 2-2,5 раза.
Кроме того, применение алмазных пил позволяет сократить ширину пропила в 3-4 раза, а толщину плит довести до 5-10 мм. В результате из
1 м3 блока можно получить до 40-45 м2 тонких плит, что в 2-3 раза выше, чем при обычных методах распиловки. Еще одна положительная сторона алмазной распиловки - высокая чистота поверхности резания, что позволяет на дальнейших этапах обработки плиты исключить процесс шлифования.
Кроме резания для получения облицовочных плит применяют метод раскалывания, использующий крайне низкую прочность камня при скалывании. Раскалывание производится на специальных станках. Таким образом изготовляют брусчатку.
При получении плит методом раскалывания затраты труда составляют 10-15% от затрат труда при пилении. Однако применение этого метода ограничивается большой толщиной получаемых плит (60-120 мм) и грубой фактурой (фактура скалы) получаемой поверхности.
Для точной обрезки кромок плит, а также для получения профилированных изделий (поясов, карнизов, ступеней и т.п.) применяют фрезерные и профилирующие машины. Режущими элементами в этих машинах являются диски и профилирующие фрезы, изготовленные из особо твердых абразивов.
Контрольные вопросы по курсу резания материалов
1. История возникновения «Резания материалов» как науки. Роль операций обработки резанием при производстве различных видов продукции.
2. Структура предмета «Резание материалов». Резание материалов как физико-химический процесс.
3. Критерии обрабатываемости материалов резанием. Обрабатываемость различных металлов.
4. Методы определения обрабатываемости.
5. Способы улучшения обрабатываемости металлов.
6. Элементы режима резания.
7. Элементы резца. Геометрия токарного резца в статике.
8. Элементы сечения срезаемого слоя.
9. Кинематические углы токарного резца в динамике.
10. Изменение кинематических углов резца из-за погрешности установки.
11. Геометрия спирального сверла.
12. Геометрия цилиндрической фрезы.
13. Типы стружек, образующихся при резании.
14. Процесс образования сливной стружки. Модель Н.Н.Зорева.
15. Процесс образования сливной стружки. Модель К.А.Тиме.
16. Характеристики пластической деформации при резании. Коэффициент усадки стружки.
17. Процесс образования элементной стружки.
18. Процесс образования нароста.
19. Классификация инструментальных материалов. Критерии выбора инструментального материала. Свойства инструментальных материалов.
20. Быстрорежущие стали.
21. Углеродистые стали как инструментальные материалы.
22. Легированные стали как инструментальные материалы.
23. Твердые сплавы. Классификация. Применение.
24. Режущая керамика.
25. Сверхтвердые инструментальные материалы.
26. Строение металлов. Теория дислокаций в резании.
27. Напряжения и силы на передней и задней поверхностях инструмента.
28. Влияние различных факторов на силу резания.
29. Работа резания. Мощность резания.
30. Источники тепловыделения при резании.
31. Уравнение теплового баланса.
32. Температура резания.
33. Способы измерения температуры резания.
34. Влияние различных факторов на температуру резания.
35. Физическая природа изнашивания. Виды износа.
36. Формы очагов износа.
37. Критерии затупления инструмента. Стойкость.
38. Влияние различных факторов на стойкость инструмента.
39. Пластическое разрушение и пластическая прочность режущих инструментов.
40. Хрупкое разрушение и хрупкая прочность режущих инструментов.
41. Надежность режущего инструмента.
42. Природа вибраций в резании. Вынужденные колебания в резании. Методы борьбы с вынужденными колебаниями.
43. Автоколебания в резании. Причины, вызывающие автоколебания.
Способы ослабления автоколебаний.
44. Динамическая характеристика резания. Схема замкнутой и
одноконтурной динамической системы станка.
45. Влияние колебаний на стойкость и прочность режущих инструментов.
46. Использование при резании вынужденных колебаний инструмента.
47. Качество обработанной поверхности. Критерии качества поверхности.
48. Геометрические критерии качества обработанной поверхности.
49. Упрочнение поверхностного слоя.
50. Остаточные напряжения в поверхностном слое.
51. Назначение режимов резания при точении.
52. Назначение режимов резания при сверлении.
53. Назначение режимов резания при фрезеровании.
54. Схема резания при продольном точении.
55. Схема резания при поперечном точении.
56. Схема резания при сверлении.
57. Схема резания при цилиндрическом фрезеровании. Встречное и попутное фрезерование.
58. Схема резания при торцевом фрезеровании.
59. Схема резания при плоском шлифовании периферией круга.
60. Схема резания при круглом шлифовании.
61. Схема резания при бесцентровом шлифовании.
62. Схема резания при строгании. Поперечное и продольное строга-ние.
63. Управление процессом резания, критерии оптимизации процесса резания.
64. Планирование стойкостных испытаний в резании. Факторные эксперименты. Способы получения деталей заданных размеров и качества.
65. Экономические критерии эффективности процесса резания.
66. Методика сравнения экономической эффективности вариантов обработки деталей.
67. Абразивная обработка. Виды, назначение, сфера применения, основные
характеристики.
68 Классификация абразивных материалов, их свойства, сфера применения.
69. Обозначение шлифовальных кругов. Зернистость, твердость, структура. Прочие характеристики.
70. Связки шлифовальных кругов. Сфера применения, выбор.
71. Износ шлифовальных кругов. Способы правки кругов.
72. Способы крепления и установки кругов на шлифовальных станках. Балансировка кругов. Меры техники безопасности при шлифовальных
работах.
73. Обработка резанием пластмасс.
74. Обработка резанием стекла керамики и камня.
75. Обработка резанием дерева. Особенности назначения геометрии инструмента и режимов резания.
Библиографический список
1. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. - М.: Машиностроение, 1976. - 440 с.
2. Бримкулов У.Н., Круг Г.К., Саванов В.Л. Планирование экспериментов при исследовании случайных полей и процессов. – М.: Наука, 1986. – 153 с.
3. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 335с.
4. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т.3 / Ред В.Н. Челомей (пред). – М.: Машиностроение, 1980. – 544 с.
5. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. - М.: Высшая школа, 1985. - 304 с.
6. Дручинин А.Н., Ильяшев А.В., Позняк Г.Г. Методические указания к расчету технологической себестоимости механической обработки деталей машин при выполнении курсовых и дипломных проектов. - М.: УДН, 1991. - 51с.
7. Кащук В.А., Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. – М.: Машиностроение, 1988. – 480 с.
8. Косов М.Г., Новиков В.Ю. Султан-Заде Н.М., Схиртладзе А.Г. Технологические процессы машиностроительного производства. - М.: МГТУ «Станкин», 1993. - 211с.
9. Мастеров В.А., Берковский B.C. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. - М.: Металлургия, 1989. - 409 с.
10. Маталин А.А. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
11. Мельников И.В. Столяр. Плотник. Учебное пособие. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. - 352 с.
12. Наерман М.С. Справочник молодого шлифовщика. – М.: Высш. шк., 1985. – 207 с.
13. Нефедов Н.А., Осипов К.А. Сборник задач и примеров по резанию
металлов и режущему инструменту. - М.: Машиностроение, 1990. - 445 с.
14. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Часть 1. Изд. 2-е. - М.: Машиностроение, 1974. - 416 с.
15. Позняк Г.Г., Дручинин А.Н. Экономическое обоснование выбора варианта технологического процесса обработки деталей машин. - М.: УДН, 1981. - 16 с.
16. Попов К.М., Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия. - М.: Высшая школа, 2002. - 367 с.
17. Родин П.П. Основы формообразования поверхности резанием. - Киев: Вища школа, 1977. - 192с.
18. Справочник инструментальщика. /Под ред. И.А.Ординарцева. – Л.: Машиностроение, 1987. – 846 с.
19. Справочник по технологии резания материалов. В 2-х кн. Кн.2. /Под ред. Г. Шпура, Т. Штефферле. Пер. с нем. /Под ред. Ю.М.Соломенцева. – М.: Машиностроение, 1985. – 688 с.
20. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. /Под ред. Волосатова В.А. - Л.: Машиностроение, 1988. - 719 с.
21. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах, Т.1 Под ред. Косиловой А.Г., Мещерякова Р.К.– М.: Машиностроение, 1985.–656 с.
22. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах, Т.2./ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
23. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах, Т.2 /Под ред. А.Н. Малова. - М.: Машиностроение, 1972. - 568 с.
24. Федоров В.Л. Основы выбора рациональных условий обработки резанием. - М.:УНД, 1984. - 48с.
25. Федоров В.Л. Физические основы обработки металлов резанием. - М.: УДН, 1987. - 80 с.
26. Федотов Г.Я. Камень. - М.: Эксмо, 2002. - 160 с.
27. Хворостухина С.А. Работа со стеклом. - М.: Вече, 2000. - 176 с.
28. Шехорин В.К. Разработка методики оптимизации торцового фрезерования на основе исследования закона постоянства оптимальной температуры резания: Дис. канд. техн. наук. - М., 1990. - 242с.
29. Шехорин В.К. Резание материалов. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов и факультативных практических занятий. - Егорьевск.: ЕТИ, 2003. - 115с.
30. Шустиков А.Д., Фёдоров В.Л. Инструментальные материалы. - М.: УДН, 1982. - 80 с.
31. Шустиков А.Д., Фёдоров В.Л. Инструментальные стали. - М.: УДН, 1982. - 64 с.