Курсы валют ЦБ РФ

 Разработка оборудования для обработки каменных плит
 

М.Н. Гатитулин, С.Д. Сметанин, А.С. Дувакин, А.С. Шипулин

 

В России имеется огромная сырьевая база для развития производства облицовочного камня в виде напольных и фасадных плит, бордюров, брусчатки, лестничных и фасадных блоков. Годовая потребность в облицовочных, архитектурно-строительных и прочих изделиях из камня  составляет до 12‑15 млн. условных м2, приведенных к толщине 20 мм, однако качество их механической обработки  российскими производителями остается низким, поэтому до 70 % изделий поступает из-за рубежа.

Современное оборудование для производства плит представляет собой преимущественно поточную линию до 12 станков или шпинделей с алмазными торцовыми инструментами. Шпинделя связаны между собой транспортной системой для последовательной обработки заготовок калибровкой их размеров по толщине и отделочными операциями по шлифовке и полировке наружных плоскостей. Обработка сопровождается обильным применением СОЖ для удаления каменной пыли из зоны обработки. Станочное оборудование и инструменты, преимущественно импортные, например, поточные линии из Италии или Китая, алмазные штрипцы или бруски для торцовых инструментов - из Италии, Украины и т.д. Более половины потребляемой плиточной продукции экспортируется, преимущественно из Китая вследствие ее дешевизны и высокой декоративности.

Для сохранения данной отрасли промышленности и повышения ее конкурентоспособности необходимы кардинальные шаги по техническому переоснащению предприятий камнеобработки собственным оборудованием, превосходящим импортное как по производительности, так и по качеству обработки. На нем планируется исключить дополнительную обработку плит перед загрузкой  в поточную линию, исключить или уменьшить использования СОЖ и обеспечить рельефную обработку плоскостей, повышающих их декоративность при облицовке зданий.  Использование такой обработки на лестничных блоках, на участках подъема дорог и тротуаров обеспечится эффект противоскольжения колес и обуви пешеходов. Для освоения новых месторождений природного камня расположенных в отдаленных районах, но обладающих повышенной декоративностью, высокой прочностью на истирание на первых порах необходимо или достаточно использование универсального оборудования с минимальной металлоемкостью как стационарного, так и мобильного типа.

Основной технической задачей при создании отечественных инновационных разработок является повышение производительности проектируемого оборудования с одновременным снижением его металло и энергоемкостей путем уменьшение количества инструментальных узлов или станков с использованием менее мощных приводов главных движений резания.

Новизна предлагаемых технических и технологических решений базируется на теоретических исследованиях по механике работы планетарных инструментов и их вариантов – торцовых фрезах ротационного резания и планетарных шлифовальных головок [1-3]. Отличительной особенностью планетарного и ротационного резания является вращение инструментальной чашки в подшипниковом узле. Общим для ротационного и планетарного шлифовального инструментов является их компоновка в виде торцового инструмента с подшипниковыми узлами для, соответственно, режущих и абразивных чашек. Кинематическим отличием работы двух видов инструментальных чашек будет являться их разнонаправленное вращательное движение, что в конечном итоге обеспечит для каждого вида инструментального материала оптимальную линейную скорость перемещения относительно конкретного обрабатываемого материала и величины его съема.

Кинематические особенности работы планетарных инструментов позволяют использовать их одновременно как режущие ротационные совместно с абразивными, что обеспечивает процессы фрезерования и шлифования одним торцовым инструментом в зависимости от расположения мгновенного центра скоростей для вершины круглой инструментальной чашки внутри или снаружи круговой траектории этой вершины [4]. Направление вращения инструментальной чашки по отношению к корпусу фрезы или шлифовальной головки может быть одноименным или противоположным, это позволяет комбинировать варианты использования режущих и абразивных чашек в зависимости от достижения конкретных технологических задач. Применение таких инструментов позволяет снимать за один проход припуск на обработку от 1 до 3 мм и исключить операции пассировки пластин, т.е. предварительной обработки плоскостей для уменьшения припуска на калибровку на поточных линиях. Достижение высоких окружных скоростей для алмазного инструмента обеспечивается при меньшей угловой скорости корпуса планетарной головки по сравнению с торцовой.

Траектория перемещения вершины режущей чашки по плоскости обработки представляет собой гипоциклоиду. Её расположение на круговой траектории этой вершины при вращении совместно с корпусом фрезы обеспечивает максимальную стойкость режущей чашки и уравнивает до определенной степени возможности инструментальных материалов, например твердого сплава ВК8 и износостойкого чугуна [5]. Траектория перемещения отдельного алмазного зерна по заготовке представляет собой эпициклоиду, что обеспечивает удлиненный треугольный затылок – спинку зерна на рабочем торце чашки при отсуствии системы ручьевых каналов для выхода шлама. Циклоидальная траектория алмазных зерен повысит их режущие свойства и в конечном варианте также позволит сократить количество шпиндельных узлов на новом станочном оборудовании.

При ротационном резании вращение режущих чашек в подшипниковых узлах осуществляется принудительно от специального привода либо самовращением под действием тангенциальных составляющих сил резания. Принудительное вращение обеспечивает стабильную механику процессов резания, плавный вход чашки в материал, но усложняет конструкцию инструмента. Режим самовращения, упрощает инструмент и его обслуживание, в частности, переточку режущих лезвий, но характеризуется меньшей стабильностью обработки и сопровождается повышенными ударными нагрузками на подшипниковые узлы и заготовку.

По результатам экспериментальных исследований ротационного резания углеродных материалов авторы сделали следующие выводы:

- наибольшее влияние на составляющие силы ротационного резания оказывает глубина резания;

- максимальной составляющей силой при ротационном резании по исследуемой схеме является продольная составляющая .

- тангенциальная составляющая  при ротационном резании до 2…2,5 раз меньше, чем при жестком креплении режущего элемента; осевые составляющие  практически равны. По механическим характеристикам углеродные материалы близки к известнякам и мраморам, поэтому данные закономерности в общем виде будут действовать и при калибровке мраморных плит. Отечественное оборудование для обработки облицовочных плит будет содержать приемный стол для заготовок, шпиндельный узел или станок с ротационной фрезой,  узлы с планетарными  шлифовальными  и полировальными торцовыми  головками. содержащими режущие, алмазные и полировальные чашки,  концентрично расположенные  в одной или нескольких ступенчатых  плоскостях  в  зависимости  от обрабатываемого материала  и  требований к   обработке. Оборудование также содержит транспортную система по перемещению заготовок между инструментальными шпинделями, систему   вакуумного удаления  пылевидной стружки  от  фрезерного станка, приемный стол для обработанных плит, систему подачи СОЖ и ее удаления из зоны обработки алмазными и полировальными головками.

Возможно размещение двух фрезерных шпиндельных узлов, второй будет образовывать системы микронеровностей для обеспечения противоскольжения плит и декоративного оформления поверхностей облицовочных плит.

При определенных технологических условиях возможно оборудовать один спецстанок комбинированным инструментом для операций торцового фрезерования, шлифования и полирования одновременно или раздельно, а также для калибровки и рельефной декоративной обработки фасадных плит, плит с противоскользящей рабочей поверхностью. В качестве инструментального материала режущих чашек перспективно использование износостойких чугунов взамен твердых сплавов, это позволит упростить их переточку. Подобное оборудование и инструменты в мировой практике отсутствуют и будут востребованы в отдаленных российских регионах для мелкосерийного производства разнообразной продукции из местного сырья и реализуемой внутри этого региона.

 

Библиографический список

 

1. Мазеин, П.Г. Ротационное резание – эффективный путь глубокой переработки металлов / П.Г. Мазеин, С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр./ Под ред. Платова С.И. – Магнитогорск: Изд-во ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С.66-70.

2. Дербичев, М.Б. Компьютерное моделирование процесса ротационного фрезерования / М.Б. Дербичев, М.Н. Гатитулин, П.Г. Мазеин // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – С.162-165.

3. Гатитулин, М.Н. Влияние планетарного вращения абразивных элементов торцовых инструментов на процесс шлифования угольного материала / М.Н.Гатитулин, В.В.Конышев, В.Н. Гусев // Производство электродной продукции: Сб. науч. тр. /НИИграфит, ГОСНИИЭП. – М., 1989. – С. 86-95.

4. Гатитулин, М.Н. Технологические возможности ротационных инструментов при измельчении заготовок / М.Н. Гатитулин, С.Д. Сметанин, М.А. Соколов, И.А. Башарин // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. – С.81-86.

5. Гатитулин, М.Н. Перспективы измельчения рудных материалов ротационными инструментами / М.Н. Гатитулин, С.Д. Сметанин, А.Н. Емелюшин // Материаловедение и термическая обработка металлов: Междун. сб. науч. тр. /Под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко – Магнитогорск: Изд-во ГОУ ВПО МТТУ, 2009. – С. 155-157.

  

УДК 621.9

 

Гатитулин, М.Н. Разработка оборудования для обработки каменных плит / М.Н. Гатитулин, С.Д. Сметанин, Р.А. Апкашев, А.С. Дувакин, А.С. Шипулин // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. – Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.

 

Проанализировано состояние и основные направления развития технологии обработки каменных плит. Показаны преимущества использования для обработки ротационного инструмента и возможные варианты компоновки оборудования на его основе.