Целесообразность применения экологичных технологий при добыче и обработке поделочных и ювелирных камней
А.М. Керопян, к.т.н., доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика», МГГУ
Е.М. Гладкая, ведущий инженер, МГГУ
Вклиматических условиях РФ применение алмазного дискового инструмента в зимний период затруднено, в связи с невозможностью полного удаления из зоны резания воды, применяемой для охлаждения рабочего органа. Вследствие её попадания в трещины горного массива, после нескольких циклов замораживания-размораживания увеличивается трещиноватость камня и снижается производительность предприятия из-за уменьшения процента выхода готовых блоков.
В настоящее время увеличиваются объемы добычи и обработки прочных видов природного камня, куда помимо облицовочных материалов можно отнести также множество поделочных и ювелирных камней. Рост производства этих материалов продиктован, прежде всего, постоянно растущим спросом современного рынка на изделия из высокодекоративных кварцитов, гранитов, яшм, нефрита и многих других видов камня.
В истории мировой практики добычи прочных пород природного камня известны различные способы добычи, включая доисторическое использование свойства расширения замерзшей воды, и современный – буровзрывной [1]. Однако практически все известные способы имеют те или иные недостатки технического, экономического или экологического характера. Например, один из наиболее распространенных, канатный способ с экономической точки зрения не всегда целесообразен (ввиду размеров добываемых блоков), а способы добычи с использованием буровзрывных технологий неприемлемы для пород, включающих ювелирные и поделочные материалы, исходя из экологических соображений, так как нарушают монолитность залегания пород и приводят к образованию микротрещин, резко снижающих качество изготовляемых изделий. Кроме того, вода, применяемая для охлаждения режущего инструмента, попадая в образованные трещины, в зимний период замерзает, что способствует развитию имеющихся трещин и образованию новых. В связи с этим, можно считать вполне своевременным вопрос освоения новых экологичных технологий и новой техники для добычи и переработки сырья из материалов повышенной прочности ювелирного и поделочного назначения. При резании таких пород остаётся всегда актуальным вопрос уменьшения толщины рабочего инструмента, в частности, алмазных дисковых пил (отрезных кругов).
Резание природного камня алмазнодисковым инструментом представляет собой случайный (стохастический) процесс, так как режущие элементы содержат твердые алмазные зерна (1), имеющие в объеме связки (2) случайное размещение (рис. 1б), [1]. В свою очередь, разрезаемая порода (3) также может содержать твердые включения, неравномерно распределенные в объеме горной массы (рис. 1а) [2].
Исследованиями ряда научных организаций (Институт сверхтвердых материалов (Украина) и др.) [3] установлено, что при резании алмазным диском природного камня, наряду с крупнодисперсными продуктами разрушения (4), образуется измельченный штыб (5), который увлекается вращающимся диском и вновь попадает в зону резания, тем самым способствуя так называемому «засаливанию» режущих элементов и их преждевременному износу, что в свою очередь приводит к снижению производительности резания и ухудшает качество обработанной поверхности (см. рис. 1а).
В связи с тем, что в традиционных устройствах для алмазной резки природного камня для охлаждения рабочего органа используется вода, данное обстоятельство способствует увеличению процента повторного попадания тонкодисперсных продуктов разрушения в зону резания со всеми вытекающими из этого последствиями.
В настоящее время в мировой практике камнеобработки все больше находят применение алмазные диски для «сухой» резки, армированные режущими элементами с высокотемпературной связкой [4], однако их применение не может обеспечить требуемую эффективность из-за дороговизны и нерешенности проблем, связанных с эвакуацией тонкодисперсных продуктов разрушения из зоны резания.
В этой статье рассматривается техническое решение по авторскому свидетельству №1581582 «Распиловочный станок А.М. Керопяна для резки природного камня», использование которого позволяет устранить условия для возникновения упомянутых проблем [2].
Устройство состоит из стандартного алмазного отрезного круга (1) с алмазоносными элементами (2), вдоль периферии которого, расположены форсунки (3 и 4), получающие хладоагент от источника (5) (см. рис. 2).
Над алмазным отрезным кругом установлен защитный кожух (6), оснащенный внутренней обечайкой (7) и двумя внутренними торцевыми стенками (8 и 9). Внутренняя обечайка и торцевые стенки оснащены щелями (10 и 11), у которых установлены лепестки (12 и 13), направленные в сторону, противоположную направлению вращения под углом б. Для предотвращения повторного попадания измельченного штыба (продуктов разрушения) в зону резания, передняя часть кожуха б оснащена поддоном (14). С целью создания благоприятных условий для удаления выбрасываемого в пропил в виде факела штыба, внутренняя обечайка (7) кожуха (6) в зоне выброса продуктов резания снабжена вырезом (15), расположенным вдоль периферии обечайки (7). Вытяжка продуктов разрушения, попавших в полость кожуха (6), расположенную между наружной и внутренней стенками кожуха, производится одновременно по двум каналам (17 и 18), расположенным в двух диаметрально противоположных сторонах инструмента, в зону которых подается распыленная вода с помощью форсунок (19 и 20).
Устройство работает следующим образом. От источника (5) хладоагент с помощью форсунок (3 и 4) подается на периферию и торцовые поверхности вращающегося инструмента (1). Алмазоносные элементы (2) инструмента в процессе работы входят в зону резания и нагреваются. Далее, проходя в зоне форсунок (3 и 4), равномерно расположенных соответственно вдоль периферии внутренней обечайки (7) и на торцовых внутренних стенках (8 и 9), алмазоносные элементы быстро охлаждаются, в результате чего связка не успевает размягчиться и тем самым обеспечивается требуемая прочность алмазоудерживающей связки и снижается расход алмазов. Затем тонкодисперсные продукты разрушения увлекаются вращающимся отрезным кругом (1), проходят под лепестками (12 и 13), установленными на расстоянии «а» (см. рис. 2б) от отрезного круга с внутренней стороны стенок (8 и 9) и обечайки (7) в направлении, встречном вращению отрезного круга. В связи с наличием лепестков (12 и 13), с их обратной стороны возникают завихрения вращающегося с инструментом (1) потока тонкодисперсных частиц продуктов разрушения, вследствие чего поток тонкодисперсных частиц продуктов разрушения прерывается и они, проходя через радиальные щели (10 и 11), попадают в полость (16) кожуха (6). Далее продукты разрушения через вытяжные каналы (17 и 18) системы аспирации удаляются из зоны резания и подвергаются утилизации. Для снижения пылеобразования в зону вытяжных каналов (17 и 18) с помощью форсунок (19 и 20) подается распыленная вода. Передняя часть кожуха (6) оснащена поддоном (14), который препятствует попаданию продуктов разрушения в зону резания при случайном отключении или неисправности системы аспирации. Наличие выреза (15) вдоль периферии внутренней обечайки (7) способствует беспрепятственному удалению продуктов разрушения, выбрасываемых в пропил в виде факела штыба.
Наличие в устройстве кожуха режущего инструмента с двойными стенками значительно снижает шумовые характеристики станка, что также улучшает его эргономические показатели.
Использование технического решения с применением устройства по а.с. №1581582 позволит найти комплексное техническое решение проблемы создания и освоения современных, экологически обоснованных технологических процессов по добыче и обработке прочных горных пород с повышенными декоративно-художественными характеристиками.
Возможны технические решения, позволяющие эксплуатировать данную установку с применением отрезных кругов, оснащенных режущими элементами с высокотемпературной связкой или кругов с непрерывной режущей кромкой. При этом необходимость подачи хладоагента в зону резания отпадает, что значительно улучшит технико-экономические показатели данного устройства.
К преимуществам применения данной технологии относятся:
- снижение потерь, а также повышение качества и сортности добываемого и обрабатываемого сырья;
- значительное снижение уровня шума и пыли, что, соответственно, повышает показатели экологической безопасности производства;
- снижение затрат на электроэнергию, в связи с возможностью применения более тонкого режущего инструмента;
- повышение экономической эффективности за счет снижения трещиноватости сырья и увеличения срока службы режущего инструмента;
- улучшение эргономических показателей и безопасности труда, благодаря изолированности режущего инструмента.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Картавый Н.Г., Сычев Ю.И., Валуев И.В. Оборудование для производства облицовоч ных материалов из природного камня. М., Машиностроение, 1988, 240 с.
2. Авторское свидетельство №1581582, В28.D02/7 «Распиловочный станок А.М. Керопяна для резки природного камня» (автор А.М. Керопян).
3. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом. Киев, Наукова думка, 1979, 240 с.
4. Диски отрезные алмазные для сухой резки природного камня «Турбо» с непрерывной режущей кромкой «Prorab» (ст. 201–125).
