ИНСТИТУТ СФЕРЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА (филиал) ДГТУ РУЧНАЯ ШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНА С БИРОТАТИВНЫМ

ИНСТИТУТ СФЕРЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ И
ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА
(филиал) ДГТУ
На правах рукописи
Деркачев Игорь Сергеевич
РУЧНАЯ ШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНА С БИРОТАТИВНЫМ
РАБОЧИМ ОРГАНОМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАМНЯ
Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы
(строительство и ЖКХ)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
д.т.н., проф. Адигамов К.А.
Шахты 2015г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................4
ГЛАВА I. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.............11
1.1 Состав, строение и физико-механические свойства
природного камня....................................................................................11
1.2 Технологические процессы и оборудование для обработки
природного камня....................................................................................14
1.3 Анализ научных работ по шлифованию камня .....................................26
1.4 Цель и задачи диссертационного исследования ....................................35
1.5 Выводы по главе......................................................................................36
ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ШЛИФОВАНИЯ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ЧАШЕЧНЫМ
АБРАЗИВНЫМ КРУГОМ ............................................................................38
2.1 Технологический процесс шлифования камня чашечным
абразивным кругом и обоснование принципиальной схемы
разрабатываемой ручной шлифовальной машины................................38
2.2 Математическая модель прогнозирования качества
поверхности камня при плоском шлифовании и определение
площади контакта абразивного круга с поверхностью.........................49
2.3 Интенсификация процесса шлифования с применением раствора
смазочно-охлаждающей жидкости и порошкообразных
абразивных материалов ..........................................................................59
2.4 Выводы по главе......................................................................................73
ГЛАВА III. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ......................75
3.1 Экспериментальная шлифовальная машина..........................................75
3.2 Методика выбора абразивных кругов и режимов
шлифования .............................................................................................79
3.3 Методика проведения экспериментов по шлифованию
камня ........................................................................................................86
2
3.4 Методика измерения шероховатости обработанной
поверхности камня ..................................................................................91
3.5 Планирование эксперимента ..................................................................96
3.6 Выводы по главе......................................................................................104
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ КАМНЯ РАЗРАБОТАННОЙ
ШЛИФОВАЛЬНОЙ МАШИНОЙ................................................................105
4.1 Производительность обработки и удельные энергозатраты.................105
4.2 Оценка уровня вибрации при работе экспериментальной
шлифовальной машины ..........................................................................120
4.3 Комплект оборудования для интенсификации процесса
шлифования камня ..................................................................................124
4.4 Выводы по главе......................................................................................129
ГЛАВА V. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ....................................131
5.1 Внедрение результатов исследования....................................................131
5.2 Технико-экономическое обоснование....................................................133
5.3 Выводы по главе......................................................................................138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................139
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..........................................................139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ..........................................................................................154
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ..........................................................................................155
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ..........................................................................................156
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ..........................................................................................167
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования.
Шлифование камня является одним из трудоемких и ответственных
технологических процессов. Обработка камня при шлифовании производится, как правило, машинами с одним абразивным кругом либо его периферией
при применении плоского круга, либо торцем при применении чашечного
круга [7]. Производительность обработки камня во втором случае может
быть значительно выше, так как при этом за один проход обрабатывается
большая площадь. Кроме того, при данном виде шлифования повышается
точность обработки изделия из-за минимального влияния поперечных колебаний шпинделя инструмента на обрабатываемую поверхность [7].
Различают жесткое и упругое шлифование. При жестком шлифовании
входным параметром является глубина шлифования, а выходным – усилие
резания. При упругом шлифовании входным параметром является удельное
давление, а выходным – глубина шлифования [7]. Широкое распространение
получило упругое шлифование, при котором можно получить лучшие условия резания и поддерживать постоянные условия работы абразивных кругов.
При данном виде шлифования обеспечивается постоянная глубина шлифования, а при варьировании одного из параметров шлифования, например, из-за
износа абразивных зерен или физико-механических обрабатываемого камня,
остаются рациональные условия шлифования [7].
К операциям шлифования относятся грубая шлифовка (обдир), средняя
шлифовка (рядовая), тонкая шлифовка (лощение) и полировка. Целью каждой последующей операции шлифовки является преобразование предыдущего более грубого микрорельефа обрабатываемой поверхности природного
камня в новый более тонкий [1, 5, 8].
В зависимости от применяемого инструмента различают шлифование
свободным и связным абразивом. В качестве свободного абразива используются, как правило, песок, абразивная крошка и т.д., а в качестве связного аб4
разива применяют алмаз, корунд, наждак, гранат, кремень, кварц естественного происхождения, а также электрокорунды и карбиды искусственного
происхождения.
Наибольший интерес для предприятий строительства и жилищнокоммунального хозяйства представляют ручные шлифовальные машины, с
помощью которых можно обрабатывать ступени, столешницы, подоконники,
различные плиты, однако применяемые машины имеют существенные недостатки, основными из которых являются: отсутствие, как правило, устройств для подавления или улавливания пыли, невозможность применения
ПАМ (порошкообразных абразивных материалов) и растворов СОЖ (смазочно-охлаждающих жидкостей), необходимость гашения момента резания за
счет усилии оператора. А так как ручные шлифовальные машины используются, как правило, в условиях ограниченного пространства, к ним предъявляются повышенные требования относительно компактности и массы. Актуальным является также снижение утомляемости оператора, повышение производительности обработки, уменьшение энергозатрат. Эти требования могут
быть реализованы при применении ручной шлифовальной машины с рабочим органом в виде двух абразивных кругов чашечно-цилиндрической формы, установленных соосно и вращающихся противоположные стороны.
Актуальность темы исследования подтверждается также тем, что Правительство РФ приняло Постановление от 14.07.14г. №656 о запрете на допуск отдельных видов товаров машиностроения, происходящих из иностранных государств, для обеспечения государственных и муниципальных нужд.
Объект исследования.
Объектом исследования является ручная шлифовальная машина с исполнительным органом, состоящим из двух кругов, установленных соосно и
вращающихся в противоположные стороны.
Предмет исследования.
Предметом исследования является технологический процесс шлифования камня машиной с биротативным рабочим органом.
5
Цель и задачи диссертационного исследования.
Целью диссертационной работы является исследование кинематических, конструктивно-технологических, энергетических параметров ручной
шлифовальной машины с биротативным рабочим органом для обработки изделий из камня.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены
следующие основные научно-технические задачи:

изучение отечественных и зарубежных ручных шлифовальных
машин для обработки камня, а также проблем и направлений по их конструктивно-технологическому совершенствованию;

исследование технологического процесса шлифования камня
ручной шлифовальной машиной с биротативным рабочим органом;

разработка математической модели прогнозирования качества
поверхности камня при плоском шлифовании машиной с биротативным рабочим органом;

обоснование параметров биротативного рабочего органа шлифо-
вальной машины, при которых обеспечивается равенство моментов резания
на абразивных кругах;

разработка экспериментального образца шлифовальной машины
с биротативным рабочим органом;

разработка компьютерных программ для выбора абразивных кру-
гов и режимов шлифования, а также для оценки качества обработанной поверхности;

обоснование возможности применения растворов СОЖ и ПАМ
для интенсификации процесса шлифования;

обоснование конструкции ручной шлифовальной машины с би-
ротативным рабочим органом;

опытно-промышленное апробирование экспериментального об-
разца ручной шлифовальной машины.
6
Научная новизна.
Научная новизна заключается в том, что впервые:

разработана математическая модель прогнозирования качества
поверхности камня при плоском шлифовании;

получены теоретические зависимости для определения геометри-
ческих параметров биротативного рабочего органа, при которых соблюдается
равенство моментов резания на абразивных кругах;

дополнена классификация ручных шлифовальных машин призна-
ками, учитывающими тип рабочего органа, а также возможности применения
растворов СОЖ, порошкообразных абразивных материалов и обеспыливания
зоны обработки изделия.
Практическая значимость работы.
Практическая значимость работы состоит в следующем:

разработан, изготовлен и успешно испытан экспериментальный
образец ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом;

по результатам теоретических и экспериментальных исследова-
ний разработан математический алгоритм и на его основании написана компьютерная программа для выбора абразивных кругов и режимов шлифования
с применением поверхностно-активных веществ;

по результатам теоретических и экспериментальных исследова-
ний разработан математический алгоритм и на его основании написана компьютерная программа для оценки качества поверхности изделия после шлифования;

разработан комплект оборудования для интенсификации процес-
са шлифования.
Результаты
диссертации
представляют
интерес
для
проектно-
конструкторских организаций и предприятий, занимающихся разработкой,
изготовлением, модернизацией, ремонтом и восстановлением ручного шлифовального оборудования. Эти результаты могут быть использованы на
предприятиях коммунального хозяйства, промышленного и гражданского
7
строительства, а также в технических вузах при подготовке студентов, магистрантов, аспирантов, обучающихся по строительным специальностям.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования служат основные положения
теории шлифования материалов, изложенные в трудах отечественных и зарубежных ученых. Для решения поставленных задач использовался экспериментально-аналитический метод исследований, позволяющий получить результаты, адекватные действительности. При этом реализованы методы математического моделирования, планирования эксперимента, поискового конструирования. Проводились стендовые испытания экспериментального образца, использовались контактные и бесконтактные методы измерения и
фиксации результатов.
Работа выполнена с применением программных продуктов Microsoft
Word, Microsoft Excel, КОМПАС-3D V12, Maple 9, VisualStudio 2010 с пакетом обновления SP1, Matlab.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:

результаты теоретических и экспериментальных исследований
процесса шлифования камня машиной с биротативным рабочим органом;

математическая модель прогнозирования качества поверхности
камня при плоском шлифовании;

компьютерные программы по выбору абразивных кругов и ре-
жимов шлифования камня, а также по определению качества поверхности
изделия после шлифования, на которые получены свидетельства на программный продукт;

экспериментальные образцы ручной шлифовальной машины с
биротативным рабочим органом, на которые получен патент на изобретение
и два патента на полезную модель.
8
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами
теоретических и экспериментальных исследований с использованием стандартных средств и методов измерения, созданием ручной шлифовальной машины оригинальной конструкции, положительными результатами ее испытаний, а также одобрением полученных результатов на Международных научно-практических конференциях.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза
2011 г.), на Международной научно-практической конференции «Актуальные
проблемы техники и технологии» (г. Шахты 2013 г., 2014 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Тенденции и перспективы развития современного научного знания» (г. Москва 2013 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки»
(г. Новосибирск 2013 г.), на Международной научно-практической конференции «Закономерности и тенденции развития науки» (г. Уфа 2014 г.), на
Международной дистанционной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и производства» (г. Кемерово 2014 г.), на
Международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов 2014г.), на Международной научнопрактической конференции «Проблемы и перспективы современной науки»
(г.Ставрополь 2015 г.), а также в рамках конкурсных проектов по программе
УМНИК (г. Ростов-на-Дону 2013 г., 2014 г.). Разработка была представлена
на выставке «СТИМ Экспо» (г. Ростов-на-Дону 2012 г.).
Достоверность полученных результатов подтверждаются промышленной апробацией результатов. Результаты диссертационных исследований
внедрены на предприятии жилищно-коммунального хозяйства ООО «КОМ9
ФОРТ» в г. Донецке Ростовской обл., а также используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению «Технологические машины
и оборудование».
Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на заседании кафедры «Технические системы ЖКХ и сферы услуг».
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в одиннадцати научных публикациях, в том
числе в четырех статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК РФ. Интеллектуальная собственность результатов диссертационной работы защищена одним патентом на изобретение, тремя патентами на полезную модель и двумя свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 178
страницу текста компьютерного набора, 61 рисунков, 15 таблиц. Библиографический список содержит 108 наименования, в том числе 18 на иностранных языках.
Диссертация выполнена на кафедре «Технические системы жилищнокоммунального хозяйства и сферы услуг»
10
ГЛАВА I. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1 Состав, строение и физико-механические свойства
природного камня
Природный камень – это природные каменные материалы, получаемые
из горных пород и минералов либо в готовом виде, либо путем механической
обработки и используемые в промышленном и гражданском строительстве,
декоративной отделке фасадов и внутренних помещений зданий [1, 2].
Минералом называется природное тело, приблизительно однородное
по химическому составу и физическим свойствам. Агрегаты одного или нескольких минералов, называются горными породами. Минерал представляет
собой – химическое соединение элементов, горная порода – механическое
соединение или смесь минералов, возникшее в результате кристаллизации,
воздействия температур, давлений и т.д. [3]. Из множества минералов в образовании горных пород участвуют не более 50 так называемых породообразующих минералов. Полевые шпаты – натриевые, калиевые и кальциевые
алюмосиликаты, составляют 60% верхней части земной коры. Амфиболы и
пироксены составляют 17%, кварц – 12% и слюды 3,8% [1, 3].
Под физическим свойством природного камня подразумевают способность материала определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов [3, 4]. Численно каждое физическое свойство камня
определяется одним или несколькими показателями, являющимися количественной мерой свойства. Физические свойства минерала одиночного кристалла определяются химическим составом и силами взаимодействия между отдельными частицами, находящимися в пространственной решетке. [3] Известно семь типов кристаллических решеток: триклинная, моноклинная,
ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная, кубическая. На
свойства минералов, представленных поликристаллическими агрегатами,
11
значительное воздействие оказывают силы сцепления между кристаллами,
формирующими агрегат. Данные силы отличны от внутрикристаллических и
часто бывают близкими по величине к молекулярным. Все кристаллы анизотропны, но если в поликристаллическом агрегате кристаллы не располагаются хаотично, тогда такие агрегаты считают изотропными [3].
Свойства природного камня, выражающиеся при воздействии на них
определенными инструментами и механизмами, и соответствующие им характеристики, принято называть горнотехнологическими. Всю группу физических и технологических параметров природных камней, представляющих
их поведение в технологических процессах обработки, называю физикотехническими параметрами [3].
Установлено, что физико-технические свойства природного камня напрямую зависят от его минерального состава и макростроения, что является
значимым показателем для облицовочных и отделочных камней. Минеральный состав представляет относительное содержание в камне различных минералов. Строением природного камня называют общность признаков, описывающих степень взаимодействия между частицами породы, их размеры,
форму и взаимное расположение. Для облицовочных камней размеры, форма
и взаимное расположение частиц породы оценивается их структурой и текстурой [2, 3].
Горные породы принято разделять на три большие группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические [3, 4, 5, 6].
Магматические горные породы образуются при подъеме из глубинных
зон Земли - магмы, которая в связи с изменением давления и температуры
подвержена процессам затвердения и кристаллизации. Размеры кристаллов,
их форма, присутствие или отсутствие стекловатой массы обусловлены давлением и скоростью затвердения магмы [2 - 6].
Осадочные горные породы образуются из метаморфических, магматических и вулканогенно-обломочных горных пород и последующего их отложения путем накапливания (осаждения), выветривания, механического пере12
носа и дробления, химического разложения и накопления осадков. В осадочных породах условия накопления осадков и дальнейшее изменение определяют слоистость, пористость пород, способ цементации обломочного материала [2 - 6].
Метаморфическими горными породами называют изверженные или
осадочные породы, в которых изменение строения и состава происходит в
результате их опускания на определенную глубину в земной коре, в основном под влиянием значительных температур и давления, а также под воздействием химически активных газообразных веществ и горячих растворов,
циркулирующих в коре. В метаморфических горных породах температура и
состав горячих растворов, давление и характер его поведения, длительность
воздействия определяют степень метаморфизма пород, их перекристаллизацию и, как следствие, сланцеватость, пористость и зернистость [2 - 6].
Название природного камня дает лишь некоторое приближенное представление о его минеральном составе, строении и, следовательно, свойствах.
Особенностью природного камня является его многофазность, так как
поры и трещины в нем в природных условиях наполнены различными веществами, что приводит к возникновению в камне большого количества физических эффектов, различающих поведение горных пород от классических законов физики твердого тела [2].
Таблица 1.1 – Физико-механичекие свойства природного камня.
Название Тверкамня
дость
камня по
шкале
Мооса
2
Предел
прочности
при сжатии,
 сж , МПа ,
не менее
3
Гранит
6-7
Мрамор
Базальт
1
Средняя Водопоплотглощеность,
ние, %
3
, кг/м ,
не менее
Морозостой
кость,
в циклах
Пористость, %
4
5
6
7
120
2500
0,15 – 1,3
100
0,2 - 4
3-5
60
2700
0,02 – 0,7
50
0,12 - 0,22
6-7
80
2500
0,75
100
0,5 - 1,5
13
Продолжение таблицы 1.1
1
2
3
4
5
6
7
Габбро
6-7
80
2800
0,02 – 0,7
100
0,12 - 0,22
Диабаз
6-7
80
2800
0,75
100
0,8 - 12
Песчаник
4-5
30
2200
0,63 – 6,0
50
0,69 - 6,70
Прогнозировать в какой-то мере физические свойства природного камня и процессы, связанные с его разрушением, можно лишь, имея точные данные об их минеральном составе и строении [2]. В таблице 1.1 приведены некоторые характеристики природного камня [1, 3, 6].
1.2 Технологические процессы и оборудование для обработки
природного камня
Под технологическим процессом обработки природного камня понимают совокупность технологических процессов камнеобрабатывающего производства, вследствие которых изделию из камня придается определенная
форма и установленные размеры, а лицевая поверхность приобретает заданную фактуру [1].
Технологический процесс в камнеобработке связан с направленным
разрушением камня и поэтому именно способ, стадия и вид его разрушения
обуславливают различие и определяют название технологических процессов
[6].
В современных предприятиях по обработке камня все технологические
процессы механизированы и выполняются на специализированном дорогостоящем камнеобрабатывающем оборудовании, как правило, иностранного
производства [7].
Современный технический прогресс позволил камнеобрабатывающим
предприятиям применять для обработки камня различные методы его разру-
14
шения [6]. Способ разрушения природного камня выбирают в зависимости от
технологических свойств сырья и требований к готовым изделиям [1].
Известна классификация технологических процессов обработки природного камня, которая базируется на способах, стадиях и видах разрушения,
вследствие чего происходит разделение на механические и немеханические
процессы обработки (рисунок 1.1) [1, 2].
Рисунок 1.1 – Классификация технологических процессов обработки природного камня.
15
Механические процессы базируются на традиционном разрушении
природного камня ударом, т.е. скалыванием (ударная обработка) и резкой
(обработка резкой), до настоящего времени они являются наиболее распространенными [1, 6, 17]. К немеханическим процессам относятся новый способ разрушения камня нагревом (термообработка), а также плазменная резка,
ультразвуковая обработка и др. [1].
Согласно этой классификации, технологические процессы разделяются
по способу разрушения: обработка резкой, нагревом и ударом, а по стадиям
разрушения природного камня – на обработку по форме, размерам и фактурную обработку [1, 2, 17].
По степени разрушения природного камня процессы его обработки
разделяют на приближенные и точные. Однако, приближенные процессы
имеют место только при обработке камня по форме и размерам, а точные –
при фактурной обработке [1].
Внутри каждого процесса обработка природного камня осуществляется
в определенной последовательности: приближенная обработка изделия по
заданным форме и размерам, точная обработка изделия по форме и размерам,
фактурная обработка (придание лицевой поверхности требуемых декоративных качеств) [1, 2, 4].
К приближенным процессам обработки в зависимости от способа разрушения природного камня (резкой, нагревом, ударом) относятся распиловка, расколка, околка и оспицовка, приближенная термообработка [1, 4, 7], а к
точным – фрезеровка, окантовка, термообработка или теска камня. Для фактурной обработки в зависимости от способа разрушения природного и искусственного камня может применяться шлифовка, полировка, термообработка
или теска камня [1, 4].
В результате приближенной обработки изделию придаются формы и
размеры, которые соответствуют заданным лишь приблизительно, иначе говоря, получают будущее подобие готового изделия. При точной обработке
16
изделие получает заданные размеры и окончательную форму с учетом припуска на последующую фактурную обработку.
При фактурной обработке с лицевой поверхности изделия снимается
очень тонкий слой камня, что практически не изменяет размеры и форму изделия, но максимально раскрывает его декоративные качества и повышает
долговечность [1]. В соответствии с ГОСТ 9480-77 [10] и ГОСТ 23342-78 [11]
фактурную обработку принято различать по видам (таблица 1.2) [4, 6, 17].
Это объясняется тем, что внедрение зерен абразива в тело камня при шлифовке напрямую зависит от твердости горной породы и давления рабочего
инструмента на обрабатываемое изделие [6]. Она выполняется различными
способами в зависимости от вида, требуемого качества и назначения изделий
из природного камня [4].
Высокий уровень развития промышленности позволил получить новые
способы обработки, такие как вибрационное или ударно-силовое резание
(динамическое скалывание), обработка термоотбойниками, токами высокой
частоты, ультразвуковое разрушение, обработка лазерами, электрогидравлическое разрушение.
Таблица 1.2 – Виды фактурной обработки и их характеристика.
Вид фактурной
обработки
1
Полирование
Лощение
Шлифование
Способ получения
Характеристика
2
Накатка глянца полировальным порошком после
шлифования и лощения поверхности
3
Гладкая с зеркальным блеском поверхность изделия,
дающая четкое отражение
предметов и полностью выявляющая природный цвет и
рисунок камня
Шлифование абразивами Гладкая матовая поверхность
без накатки глянца
без следов обработки, полностью выявляющая рисунок
камня
Шлифование абразивами
Равномерная, легко шероховатая поверхность со следами
обработки, с высотой рельефа
0,2 – 0,5 мкм, нивелирует
природную расцветку
17
Продолжение таблицы 1.2
1
2
3
Пиленая «А» Распиловка на рамных Неравномерно-шероховатая
станках, канатными пилами поверхность с резкими бороздами от зерен абразива и
высотой рельефа 1 – 3 мм
Пиленая «Б»
Распиловка ленточными и Поверхность с малозаметныдисковыми пилами
ми следами от работы пилы и
высотой рельефа 0,2 – 0,5 мм
Пиленая «Б1» Механическая или химиче- То же, что пиленая «Б», но
ская очистка, пескоструй- обработанная механическим
ная обработка пиленой «Б» или химическим способом
Обработка
Воздействие на лицевую Матовая поверхность с выявультразвуком поверхность ультразвуко- ленным цветом и рисунком
выми колебаниями в одной камня
среде
Термообработка Воздействие на лицевую Шероховатая поверхность со
поверхность высокотемпе- следами шелушения с неравратурной газовой струей
номерностями рельефа высотой до 10 мкм
Правильно выбранный вид фактурной обработки задерживает начало
разрушения камня, вызываемое температурным воздействием и агрессивным
влиянием окружающей среды [6].
Как видно из таблицы 1.2, шлифование является одним из распространенных видов фактурной обработки изделий из природного камня.
Шлифование является одним из распространенных процессов обработки природного камня. Еще с давних времен человек использовал естественные шлифующие породы. Интенсивное развитие технологического процесса
шлифования началось во второй половины ХIХ века, когда перед машиностроением встала задача производительно и экономично изготовлять точные
изделия в большом количестве [2, 8].
Развитию шлифования во многом способствовало изобретение искусственного шлифовального круга в 1859 г. и появление первых универсальношлифовальных станков в 1860 г. [8].
Под шлифованием природного камня понимают процесс абразивной
обработки камня, в результате которого его поверхность приобретает шли18
фованную фактуру. Иначе говоря, шлифование камня – это комплекс механических микроабразивных процессов, выполняемых в несколько стадий
(обычно от 3 до 10) инструментом (абразивным или алмазным) с последовательно уменьшающейся крупностью зерен абразива (от 800 – 1250 мкм до 10
– 28 мкм на последней стадии) [4].
Сущность процесса шлифования природного камня состоит в ряде последовательных операций, в результате которых постепенно выравнивается
лицевая поверхность изделия и выявляется цвет и рисунок камня [1]. Экспериментально установлено, что в общем технологическом процессе обработки
природного и искусственного камня на долю шлифовальных работ приходится 50 – 60% трудозатрат [1, 6, 11].
Таблица 1.3 – Значение шероховатости обработанной поверхности по
ГОСТ 2789 – 73.
Вид операции
Грубая шлифовка (обдир)
Средняя шлифовка (рядовая)
Тонкая
Лощение
Полировка
Параметры шероховатости
( Ra , мкм)
80,0-10,0
10,0 – 5,0
5,0 – 1,25
1,25 – 0,32
0,05 – 0,08
Класс
До 1 – 3
4
5–6
7
8
К операциям шлифования относятся грубая шлифовка (обдир), средняя
(рядовая), тонкая (лощение) и полировка [1] (таблица 1.3), [7]. В соответствии с ГОСТ 2789 – 73 [12] целью каждой операции шлифовки является преобразование предыдущего (более грубого) микрорельефа обрабатываемей
поверхности природного камня в новый более тонкий. В результате воздействия шлифующих зерен на поверхность камня наносится огромное количество микроцарапин [4].
В современной камнеобрабатывающей индустрии наибольшее применение при обработке плоских изделий нашло шлифование торцем круга (рисунок 1.2 а) и изредка плоское шлифование периферией круга (рисунок 1.2 б)
[6]. Шлифование торцем круга позволяет шлифовать за одним проход абра19
зивного инструмента большую поверхность обрабатываемого камня, чем при
шлифовании периферией круга. При данном виде шлифования уменьшается
шероховатость обрабатываемой поверхности и повышается точность обработки из-за минимального влияния поперечных колебаний шпинделя инструмента на обрабатываемую поверхность.
Рисунок 1.2 – Схемы основных видов шлифования:
а) плоское торцем круга; б) плоское периферией круга.
Существуют следующие виды плоского шлифования торцем круга
(таблица 1.4) [13].
Таблица 1.4 – Виды плоского шлифования торцом круга.
Вид шлифования
С прямолинейноМногопроходное (с мапродольной подачей лой глубиной)
без поперечной поОднопроходное
(глудачи
бинное)
Применение
Черновое и чистовое шлифование плоских поверхностей деталей с шириной
обработки меньше диаметра круга.
С прямолинейнойпродольной подачей
и поперечной подачей
Многопроходное (с ма- Черновое и чистовое шлилой глубиной)
фование больших плоских
поверхностей, столов, наГлубинное
польного покрытия, разъемных корпусных деталей
С круговым движе- Глубинное
Обработка некрупных дением подачи
талей, столешниц, ступеней, подоконников
20
При шлифовании изделий торцем абразивного круга существуют основные схемы движения рабочего органа по обрабатываемой поверхности:
челночная продольная, челночная поперечная, спиральная и зигзагообразная
(рисунок 1.3) [1].
Рисунок 1.3 – Возможные схемы движения рабочего органа по изделию:
а) челночная продольная; б) челночная поперечная;
в) спиральная; г) зигзагообразная.
Наибольший интерес для предприятий строительства и жилищнокоммунального хозяйства представляют ручные шлифовальные машины.
Они позволяют производить обработку архитектурно - строительных изделий сложной формы из природного и искусственного камня, производить обработку труднодоступных мест (ступеней, столешниц, подоконников), а также нашли широкое применение в выполнении фактурных и облицовочных
работ фасадов зданий и внутренней отделке помещений зданий [1, 7, 17].
21
Рисунок 1.4 – Классификация ручных шлифовальных машин.
22
Ручные шлифовальные машины – машины, у которых главное движение (движение рабочего органа) производится двигателем, а вспомогательное
(подача) и управление выполняется непосредственно воздействием оператора
[1, 7, 18, 19, 20]. Конструктивное разнообразие ручных шлифовальных машин очень велико и на сегодняшний день их можно классифицировать по
принципу действия, характеру движения рабочего органа и режиму работы,
по области применения и назначению, виду привода и методу защиты [18,
20] (рисунок 1.4).
Проанализировав данную классификацию, было установлено, что она
не учитывает современные разработки ручных шлифовальных машин. Поэтому предложено дополнить её такими признаками как: по типу рабочего
органа, по возможности применения растворов смазочно-охлаждающих жидкостей и порошкообразных абразивных материалов, по возможности обеспыливания зоны обработки изделия.
В жилищно-коммунальном хозяйстве, в промышленном и гражданском
строительстве, а также при выполнении отделочных работ наибольшее применение получили ручные шлифовальные машины углового исполнения.
Применение данных машин значительно облегчает условия труда, увеличивает производительность и повышает качество работ [18, 20]. Они представляют собой электродвигатель, либо связанный гибким валом с корпусом [7],
либо непосредственно встроенный в корпус шлифовальной головки. В качестве рабочего органа могут использоваться абразивные круги, эластичные
диски, металлические щетки, а также войлочные, фетровые и хлопчатобумажные круги. Их масса частично или полностью воспринимается оператором. Для ручных шлифовальных машин характерен непосредственный контакт оператора с машиной, при котором каждое его движение сказывается на
управлении машиной и тем самым влияет на ход выполнения операции [20].
Наряду с общими требованиями (надежность, долговечность, ремонтопригодность, приспособленность к техническому обслуживанию и т.д.) к
ручным шлифовальным машинам в большей степени предъявляются требо23
вания безопасности их эксплуатации, так как при работе оператор держит
машину в руках и непосредственно контактирует с ней [20].
Как правило, ручные шлифовальные машины при выполнении строительных и отделочных работ используются в условиях ограниченного пространства. Отсюда возникают требования компактности и комплектности,
обеспечивающие удобство перемещения и быстрого запуска машины в работу. Конструкция ручной шлифовальной машины должна исключать возможность получения оператором механическим травм, поражения током, и виброболезни. Внешний вид машины должен отвечать требованиям технической
эстетики. [20].
Главнейшим требованием к ручным шлифовальным машинам является
требование минимально возможной массы и габаритов, так как именно эти
показатели определяют удобство работы и в конечном итоге производительность [20].
В жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленном и гражданском
строительстве и при выполнении отделочных работ применяются серийно
выпускаемые угловые шлифовальные преимущественно зарубежного производства, таблица 1.5 [18, 34], так как отечественная промышленность не выпускает ручные шлифовальные машины специально для обработки изделий
из природного и искусственного камня [21].
Таблица 1.5 – Технические характеристики ручных шлифовальных машин.
Страна производитель,
фирма
Марка
1
Россия
«Электроинструмент»
Россия
«Электроинструмент»
Россия
«Электроин-
2
Частота
вращения
шпинделя,
мин 1
3
Диаметр
шлифовального
круга, мм
4
Установленная мощность, кВт
Масса,
кг
5
6
ИЭ-2008
3600
63
0,6
3,45*
ИЭ-2106
3800
80
0,6
3,8*
ИЭ-8201
2800
125
1,02
2,7*
24
Продолжение таблицы 1.5
1
2
3
струмент»
Италия
APF200/
800-1800
«Felisatti»
1010E
Германия
SRS1500-2000
«Stomer»
1100
Болгария
FB-6
9500
«Sparky»
Япония
PC-1100
10000
«Makita»
Болгария
FB-724
6500
«Sparky»
Германия
GBR 15
«Bosch»
CA Pro9300
fessional
Япония
PC5001C
10000
«Makita»
* Без шлифовального круга
4
5
6
200
1,01
2,9*
215
1,05
2,8*
152
1,2
3,4*
110
1,02
4,3*
178
2,4
7,8*
125
1,5
2,6*
125
1,4
5,1*
Произведя патентный поиск ручных шлифовальных машин [22 - 33], и
выполнив анализ выше перечисленных ручных шлифовальных машин, можно выделить их серьезные недостатки: отсутствие устройств подавления либо
улавливания пыли, невозможность применения растворов СОЖ и ПАВ, большой расход абразивных кругов, сравнительно низкая производительность, а
также необходимость гашения реактивного момента за счет усилия оператора, что значительно снижает производительность и качество обработки изделия [21].
При применении указанных выше машин гашение пыли производят
водой, которую подают в зону обработки изделия по гибкому шлангу от питающей магистрали, при этом расход воды не регулируется, что значительно
ухудшает условия труда. Для повышения интенсивности процесса шлифования используют сухой песок, который вручную периодически подают в зону
обработки изделия. Подача песка при этом ничем и никак не регулируется,
что также является существенным недостатком [21].
25
С целью устранения выше отмеченных недостатков появилась необходимость создания инновационного инструмента с принципиально новым исполнительным рабочим органом, компенсирующим реактивный момент самой машиной, с возможностью применения растворов СОЖ либо ПАМ в
процессе обработки и возможностью производить либо отсос, либо подавление пыли, способного конкурировать с иностранными образцами [107].
1.3 Анализ научных работ по шлифованию камня
Сложность процесса шлифования природного и камня и большое число
переменных параметров режущего инструмента - шлифовального круга или
его разновидностей (по свойствам, геометрическим параметрам зерна, расположению зерен на рабочей поверхности, свойствам связки, твердости) [8], а
также многообразие физико-механических свойств камня, создают трудности
при теоретическом и экспериментальном изучении этого процесса [7, 8].
В настоящее время процесс шлифования и сопровождающие его явления активно изучаются в лабораториях ряда научно-исследовательских институтов, высших учебных заведениях и заводов нашей страны.
Задача Российской школы учения о резании природного и искусственного камня заключается в полном раскрытии физической сущности процесса
шлифования и явлений, его сопровождающих, а также в обобщении экспериментального материала, накопленного в области исследования процесса,
что необходимо для создания высокопроизводительного оборудования для
шлифования [8].
Вопросами исследования процесса механического разрушения и технологии механической обработки хрупких неметаллических твердых материалов, в том числе горных пород и минералов, занимались в разное время многие ученые: Гриффитс Л.А., Протасов Ю.И., Крюков Г.М., Ардамацкий А.Л.,
Новик Г.Я., Ржевский В.В., Журков С.Н., Кузнецов В.Д. и др. [2].
Ими было установлено, что при механической обработке твердых неметаллических материалов, в том числе природного камня, наибольшее рас26
пространение получил процесс хрупкого разрушения, в основу которого положен механизм трещинообразования. В связи с высокой прочностью природного камня, и твердостью его породообразующих минералов, механическая обработка режущим инструментом, при изготовлении изделий из камня,
связана с большими трудностями, так как вследствие хрупкого разрушения
трудно добиться заданной точности и чистоты поверхности. Поэтому для изготовления изделий из природного камня и твердых неметаллических материалов следует применять абразивные методы обработки (шлифование) [2].
Значительный вклад в становлении теории и практики шлифования материалов внесли Шумячер В.М., Старков В.К., Евсеев Д.Г., Попов С.А., Резников А.Н. Дубинин П.И. и другие выдающиеся ученые. При этом основные
положения теории шлифования сформулировали Маслов Е.Н., Глейзер Л.А.,
они внесли существенный вклад в исследование процесса шлифования, поновому представили ряд положений теории и практики. Большинство работ
было посвящено исследованию процесса шлифования металлов и сплавов, а
также искусственных материалов [2].
Работами ученых создана научная база для определения общих функциональных связей между параметрами и технологическими процессами
шлифования при изготовлении изделий из материалов с заданными физикотехническими и технологическими свойствами (металлы, сплавы, стекло, керамика, камень и д.р.) [2].
На основании ранее установленных теоретических основ и физических
процессов шлифования камня, современными исследователями проводятся
работы по интенсификации процесса шлифования камня [35 – 45].
Исследованиям вопросов снижения параметров макронеровностей поверхностного слоя обрабатываемого камня посвящены работы [35, 36, 37, 38,
39, 40].
В работе [35] разработана математическая модель, которая на основе
данных о топографии обрабатываемой поверхности и режимах обработки позволяет прогнозировать топографию обработанной поверхности:
27
hi 1  a  b  S  c  t  d  hi  e  S 2  f  t 2  g  hi2  h  S  t  i  S  t  i  S  hi  j  t  hi ,
(1.1)
где a... f - коэффициенты;
S - подача, мм/мин ;
t - припуск, мкм ;
hi - средняя величина неровностей поверхности на i проходе, мкм ;
hi 1 - средняя величина неровностей поверхности на i  1
проходе, мкм .
А также был предложен модернизированный шлифовальный круг, реализующий снижение динамики сил шлифования при повышении интенсивности режимов обработки. Было предложено использование управления
мгновенным пространственным положением заготовки в процессе обработки
для уменьшения величины макронеровнеостей обработанной поверхности.
В работе [36] авторы предлагают один из способов уменьшения шероховатости обработанной поверхности за счет управлением мгновенным положением обрабатываемой заготовки в процессе шлифования. Разработанная
ими схема конструкции специального адаптивного приспособления с приводами малых перемещений позволяет осуществить управление макрогеометрическими параметрами поверхностного слоя обрабатываемой заготовки.
В работе [37] предлагается методика по нахождению общего припуска
на обработку и предложена зависимость для его определения:
i k
i k
Z    Z i   ( i 1  H i )  A    ,
i 1
(1.2)
i 1
где Z i - припуск на обработку i  го слоя поверхности заготовки, мкм ;
А - величина макронеровности поверхности заготовки, мкм ;
  - предельно допустимое значение состояния дефектного
слоя, мкм .
H i - дополнительный слой материала, мкм ;
Эта методика позволит снизить трудоемкость и стоимость процесса
обработки изделий из камня. А ранее разработанная схема конструкции спе28
циального мехатронного приспособления [36] позволит осуществить управление качеством поверхности обрабатываемой заготовки и реализовать методику удаления максимально возможного припуска с минимизацией количества необходимых проходов абразивного инструмента.
При торцевом шлифовании поверхности камня в работе [38] значение
линейного съема материала в точке, расположенной на расстоянии m от траектории движения центра инструмента:
t
4n 1
Z  Cm  p  k 
  R 2  2 St  R 2  m 2  ( S  t ) 2  dt ,
1000 0
(1.3)
где Z - линейный съем в данной точке поверхности детали, мкм ;
Cm - постоянная, характеризующая конкретные условия обработки
(зернистость и твердость инструмента, свойства обрабатываемого материала и т.д.), МПа 1 ;
р - удельное давление в зоне резания, МПа ;
k - коэффициент наполнения инструмента;
n - частота вращения шлифовального круга, мин 1 ;
R - наружный радиус шлифовального круга, мм ;
m - расстояние от траектории движения центра инструмента, мм ;
t - время, c ;
S - величина подачи, мм/с .
Для определения величины съема в каждой точке (элементарной площадке) обрабатываемой заготовки необходимо координаты точек съема, получаемые при каждом проходе инструмента, привести из системы координат,
связанной с центром шлифовального круга, к системе координат, связанной с
обрабатываемой заготовкой.
При обработке заготовки по схеме «зигзаг» величина съема и время,
определяющие положение начала координат шлифовального круга, определяются уравнениями [38]:
29
 z k  f ( xk )  z ;

x  S пр  (k  1)  t p  S пр t k

x

 k
cos  g



(1.4)
t
x  Sпр  (k  1)  t p sin  g  y cos  g ,
S пр  sin  g  S поп  cos  g
где  g - угол между осями координат обрабатываемой детали и шлифовального круга, град;
x k - координата радиус-вектора начального репера на участке k ;
Sпр - скорость перемещения заготовки (продольная подача), м/с ;
S поп - скорость перемещения оси инструмента
(поперечная подача), м/с ;
tk - текущее время, время перемещения оси инструмента
по участку k ;
t p - время реверса направления поперечной подачи
шлифовального круга, с.
Величина съема в каждой точке обрабатываемой заготовки определяется путем наложения величин съема при каждом проходе инструмента:
z0  z1  z2  ...  zn .
(1.5)
Выражения (1.4) и (1.5) позволяют определить величину съема материала в любой точке обрабатываемой заготовки при многократном прохождении через нее абразивного круга.
Отсюда следует, что при торцевом шлифовании поверхностей [38], габариты которых превышают диаметр шлифовального круга, величина съема
материала поперек полосы обработки является функцией расстояния до центра инструмента для абразивных кругов различной конструкции рабочего
слоя. А характер изменения величины съема вдоль радиуса инструмента определяется распределением коэффициента наполнения абразивоносного слоя.
30
В работе [39] предложен принцип определения разновысотности вершин абразивных зерен относительно рассматриваемого сечения обработанной поверхности, учитывающий различные условия контактного взаимодействия зерен, расположенных в различных зонах шлифовального круга. Данная методика определения величины сближения поверхности шлифовального
круга и обрабатываемой заготовки позволяет определить усилия и, соответственно, перемещение абразивных зерен в эластичной связке шлифовального
круга:
m
kg
Вki   Bk  i ,i  N mk   b  (hi  ( k 1) g )  pi  ( k 1) g 
k 1
при
i 1
 i  ( k 1 ) g
 f (h)dh ,
(1.6)
 i  ( k 1 ) g
(k  1)  Rmax
k  Rmax
i 
,
m  z
m  z
где Bki - суммарная ширина среза, мкм ;
f (h) - плотность вероятности распределения абразивных зерен по
высоте рабочей поверхности эластичного шлифовального круга, деформируемой в результате контакта с обрабатываемой поверхностью;
р (b) - вероятность неперекрытия абразивных зерен;
N mk - плотность зерен на поверхности шлифовального круга;
k - упругость связки, мкмк/Н ;
 - толщина;
m - эмпирический коэффициент;
h - расстояние от вершины зерна, мкм ;
Rmax - максимальная шероховатость обрабатываемой
поверхности, мкм .
Полученное уравнение суммарной ширины среза позволяет выделить
факторы, оказывающие наибольше влияние на шероховатость обработанной
поверхности: размер зерна абразивного круга и упругие характеристики его
связки.
31
Для обеспечения требуемого качества обработанной поверхности изделий из природного камня [40], можно использовать традиционное решение
увеличения плотности микроцарапин на обработанной поверхности за счет
корректирования кинематических режимов резания: уменьшения величины
подачи обрабатываемой заготовки или увеличения скорости резания.
А при обработке инструментом на эластичных полимерных связках
увеличение количества активных режущих зерен и уменьшение разновысотности расположения их вершин при обработке достигается обеспечением соответствия данной зернистости шлифовального круга, упругих характеристик связки и усилия прижима инструмента [40]:
F
b
E
ae
,
(1.7)
где F - сила прижима шлифовального инструмента, Н ;
Е - степень эластичности шлифовального инструмента, МПа ;
е - модуль упругости связки;
а и b - коэффициенты, определяемые зернистостью шлифовального
круга;
Полученная зависимость (1.7) силы прижима шлифовального инструмента позволяет назначать режимы обработки, обеспечивающие требуемые
значения шероховатости поверхности для последующих операций полирования.
Разработанная математическая модель в работе [41] позволяет при заданных режимах резания прогнозировать производительность обработки на
этих режимах:
П  638  1,4  S  1,3  t  0,0014  S 2  0,0018  t 2 ,
(1.8)
где П - производительность;
S - подача, мм/мин ;
t - припуск на обработку, мкм
Из (1.8) следует, что глубина резания и подача оказывают одинаковое
воздействие на производительность процесса шлифования.
32
Коллективом авторов в работе [42] предложена универсальная методика контроля качества обработанных поверхностей деталей из неметаллических хрупких материалов. В зависимости от функционального назначения
деталей, требований, которые предъявляются к качеству их обработки (точность формы, шероховатость, оптическая чистота и т.д.) и технологической
операции их обработки методика промежуточного или окончательного контроля должна включать определение определенного набора параметров. При
тонком и супертонком шлифовании поверхности деталей их качество определяется методами оптической микроскопии и профилометрии. После окончательной обработки – качество поверхности характеризуется дефектностью,
шероховатостью и т.д. Для контроля качества обработки поверхностей изделий из природного и синтетического строительного и поделочного камня
достаточно оценки параметров шероховатости и (или) коэффициента отражения света. Оптический метод рефлектометрии целесообразно использовать
для оценки качества обрабатываемых поверхностей деталей из неметаллических материалов непосредственно в процессе их обработки – in processмониторинга коэффициентов отражения и рассеяния света.
Авторы в работе [43] показывают, что для повышения эффективности
процесса разрушения горных пород необходимо постоянное присутствие адсорбирующего вещества в вершине развивающейся микротрещины, вследствие чего ПАВ должно быть низкомолекулярным соединением и обладать
большой проникающей способностью. Также на существенное снижение
прочности породы влияют степень взаимодействия молекул ПАВ и горной
породы. Вследствие чего необходимо подбирать вещества, обладающие природой молекулярных взаимодействий, близкой силам взаимодействия между
атомами разрушаемой породы.
Адсорбция ПАВ в работе [44] из внешней среды в отсутствие заметного химического взаимодействия может значительно понижать предел упругости, прочность и твердость, облегчать диспергирование хрупких тел. Снижение прочности минералов при помощи ПАВ приводит к уменьшению удельной энергии разрушения горной породы, а следовательно, к уменьшению
33
энергоемкости разрушения породы и к увеличению производительности машин.
В работе [45] авторы исследуют эксплуатационные показатели абразивного инструмента при силовом шлифовании, определяющиеся соотношением прочности абразивного зерна и режимами шлифования. С позиций физико-химической механики прочность зависит от двух основных групп факторов: Ф1 - факторы, характеризующие реальную дефектную структуру материала; Ф 2 - факторы, учитывающие внешние механохимические воздействия.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований авторы разработали феноменологическую модель работы абразивного зерна
при силовом шлифовании:
 4 d 2   2  E f
pz  

c

2
2
2
  (m  1)  m
P
y

 V m  4  S x  d  8,84  2 ,
  m 
d

(1.9)
где р z - условное напряжение резания, Н/м 2 ;
d - диаметр зерна, м;
 - коэффициент, зависящий от рода материала;
Е f - поверхностная энергия разрушения, Дж;
с - длина трещины, м;
m - параметры распределения;
V - безразмерная величина, связанная с объемом нагружаемого
образца;
S x - параметр, определяемый пористостью и кристалличностью;
Py - радиальная составляющая силы резания, Н.
Таким образом, проведенный анализ физико-механических свойств абразивных зерен в связи с воздействием внешней среды Ф 2 , показывает, что
существуют определенные условия увеличения исходной прочности абразивного зерна. Стойкость абразивного круга повышается с увеличением ок34
ружной скорости и силы прижима круга к обрабатываемой поверхности.
Вместе с этим, эти условия являются необходимыми, но недостаточными.
Степень и форма влияния внешней среды на механическую прочность
твердого тела зависит от его реальной структуры - Ф1 .
В работе [46] установлено, что между величиной радиуса округления
вершины зерна и глубиной резания существует зависимость:
0,5 
t
 1,
p
(1.10)
где t - глубина шлифования, мкм;
p - радиус округления вершины зерна, мкм.
Проведя анализ этой зависимости, авторы предположили, что изометрическое зерно, имеющее больший радиус округления вершины и обладающее вследствие этого значительной прочностью, может при соответствующем закреплении связкой работать с большой глубиной шлифования и является предпочтительным для черновых операций силового и обдирочного
шлифования. Зерно же неизометричной формы, имеющее более острые углы
с меньшим радиусом округления вершины и меньшую прочность на излом,
предпочтительнее применять на чистовых операциях с малой глубиной шлифования, что обеспечивает сравнительно невысокие силы и, следовательно,
более высокое качество шлифованной поверхности.
1.4 Цель и задачи диссертационного исследования
Целью диссертационной работы является исследование кинематических, конструктивно-технологических, энергетических параметров ручной
шлифовальной машины с биротативным рабочим органом для обработки изделий из камня.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены
следующие основные научно-технические задачи:
35

изучение отечественных и зарубежных ручных шлифовальных
машин для обработки камня, а также проблем и направлений по их конструктивно-технологическому совершенствованию;

исследование технологического процесса шлифования камня
ручной шлифовальной машиной с биротативным рабочим органом;

разработка математической модели прогнозирования качества
поверхности камня при плоском шлифовании машиной с биротативным рабочим органом;

обоснование параметров биротативного рабочего органа шлифо-
вальной машины, при которых обеспечивается равенство моментов резания
на абразивных кругах;

разработка экспериментального образца шлифовальной машины
с биротативным рабочим органом;

разработка компьютерных программ для выбора абразивных кру-
гов и режимов шлифования, а также для оценки качества обработанной поверхности;

обоснование возможности применения растворов СОЖ и ПАМ
для интенсификации процесса шлифования;

обоснование конструкции ручной шлифовальной машины с би-
ротативным рабочим органом;

опытно-промышленное апробирование экспериментального об-
разца ручной шлифовальной машины.
1.5 Выводы по главе
1. Известные в настоящее время ручные шлифовальные машины, как
правило, имеют угловое исполнение, которое позволяет обрабатывать изделие торцем круга, что намного производительнее при меньшей энергоемкости, чем при обработке периферией круга. Недостатками этих машин являются значительные нагрузки на руки оператора, высокий уровень вибрации,
36
невозможность интенсификации процесса шлифования за счет подачи в зону
обработки поверхностно-активных веществ, либо порошкообразных абразивных материалов, отсутствие возможности отсоса или улавливания пыли,
высокая стоимость.
2. Поскольку физико-механические свойства природного камня, применяемого при строительстве в коммунальном хозяйстве, различаются в широком диапазоне, возникают значительные трудности при выборе оптимальных характеристик абразивных кругов и режимов шлифования при его обработке. Очевидно, что использование персональных компьютеров может решить эту проблему при условии разработки необходимого программного
обеспечения.
3. Так как на предприятиях по обработке камня применяются шлифовальные машины преимущественно иностранного производства, то для выполнения условия импортозамещения необходимо разработать современную
отечественную ручную шлифовальную машину, способную не только заменить импортные образцы, но и обеспечить более высокую производительность обработки изделия и комфортные условия труда оператора.
37
ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ШЛИФОВАНИЯ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ЧАШЕЧНЫМ
АБРАЗИВНЫМ КРУГОМ
2.1 Технологический процесс шлифования камня чашечным
абразивным кругом и обоснование принципиальной схемы
разрабатываемой ручной шлифовальной машины
К базовым параметрам технологического процесса шлифования камня
относятся скорость резания, скорость подачи, глубина шлифования, нормальное удельное давление. В зависимости от входных и выходных параметров используются две технологические системы шлифования:

технологическая система жесткого шлифования;

технологическая система упругого шлифования.
К входным параметрам технологической системы жесткого шлифования относятся свойства изделия, глубина шлифования, скорости резания и
подачи, а к выходным - сила резания, производительность, шероховатость
поверхности. Входными параметрами технологической системы упругого
шлифования являются свойства изделия, удельное давление, скорости резания и подачи, а выходными – производительность, удельный расход электроэнергии, шероховатость поверхности.
При обработке камня ручной шлифовальной машиной применяется
технологическая система упругого шлифования (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Технологическая система упругого шлифования.
38
Входные параметры процесса: ПИ - параметры обрабатываемого изделия (твердость, плотность, начальная шероховатость поверхности); ПК - параметры абразивного круга (форма круга, зернистость, связка); ТП - технологические параметры (окружная скорость круга, скорость подачи круга или
изделия, удельное давление на изделие). Выходные параметры процесса: П производительность обработки; qэ - удельный расход энергии; Ra - конечная
шероховатость поверхности.
При обработке камня ручной шлифовальной машиной с чашечным абразивным кругом изделие неподвижно, а круг совершает вращение вокруг
оси и поступательное перемещение по обрабатываемой поверхности (рисунок 2.2). Вращение круга осуществляется от привода шлифовальной машины, а поступательные перемещения и прижатие круга к изделию за счет усилия оператора.
Рисунок 2.2 – Схема шлифования изделия чашечным
абразивным кругом:
 о - окружная скорость круга;  п - скорость подачи круга; Fпр - усилие
прижатия круга к изделию; h - высота снимаемого слоя.
39
Как видно из схемы на рисунке 2.2, обработка изделия производится и
наружной поверхностью круга, и его торцем. Но поскольку при ручном шлифовании глубина обработки за один проход незначительна (5 – 50 мкм), основная работа по шлифованию производится торцем круга.
При шлифовании изделия чашечным кругом имеют место две схемы
обработки изделия: по подаче, когда направления вращения и подачи круга
совпадают, и против подачи, когда направления вращения и подачи круга
противоположны. При обработке изделия по подаче возникают дополнительные динамические воздействия на инструмент, что снижает его производительность. Обработка изделия против подачи происходит при значительно
меньших усилиях [49].
При шлифовании ручной шлифовальной машиной с чашечным кругом
обработка изделия происходит и против подачи, когда круг перемещается
вперед, и по подаче, когда круг перемещается в обратном направлении.
В начальный момент времени, когда машина только включена в работу
и стоит на одном месте, площадь изделия, обрабатываемая торцем круга, равна площади контакта круга с изделием.
Рисунок 2.3 – Схема к определению обработанной площади
изделия одним абразивным кругом.
40
При перемещении машины по направлению подачи на величину t
площадь обрабатываемой поверхности изделия становится равной площади
контакта круга с изделием плюс два участка, имеющих серповидную форму,
площадь каждого из которых можно определить из схемы на рисунке 2.3.
Площадь контакта круга с обрабатываемым изделием равна:
Sк 

 Д2  d 2 ,
4


(2.1)
где Д - наружный диаметр круга;
d - внутренний диаметр круга.
Для
определения
площади
серповидных
участков
обозначим
2  AO1C ; 2  AO 2 C , наружный радиус абразивного круга - Rн , а
внутренний радиус - rн .
Тогда площадь большого сегмента ABC будет равна:
sin 2 

S сегмABC  rн2    
,
2 

(2.2)
где  - угол, измеряемый в радианах.
Площадь меньшего сегмента ADC соответственно равна:
sin 2 

S сегмADC  Rн2    
.
2 

(2.3)
Для нахождения углов  и  рассмотрим треугольник AO1O2 :
O1 AO2    AO1O2  O1O2 A              .
(2.4)
Применим теорему синусов [50]:
AO1
O1O2
AO2


,
sin O1O2 A sin O1 AO2 sin AO1O2
или
R
r
t

 н .
sin  sin    sin 
(2.5)
41
Из равенства (2.5) получаем систему:
rн sin   Rн sin 
.



t
sin


R
sin




н
(2.6)
Система (2.6) является нелинейной. С помощью стандартных команд
пакета прикладных математических программ Maple 9.5 находим углы  и
 , как решение системы (2.6), удовлетворяющее условиям задачи:

0          .
2
(2.7)
Применяя формулы (2.2) и (2.3), можно определить площадь сегмента
серповидной фигуры ABCDA:
sin 2 
sin 2 

2 
S сегмABCDA  rн2    
  Rн    
.
2 
2 


(2.8)
При обработке изделия машиной с одним чашечным кругом наблюдается увод круга в сторону от оси вращения, вследствие чего на изделии могут
возникать царапины, риски и другие дефекты. Поэтому оператору приходится прикладывать значительные усилия для удерживания шлифовальной машины на изделии.
С целью устранения этого недостатка, а также интенсификации процесса шлифования камня в работе [47] предлагается установить на шлифовальной машине биротативный рабочий орган, который имеет два соосно установленных чашечных абразивных круга (рисунок 2.4), причем направление
вращения кругов должно быть противоположным по отношению друг к другу.
При этом наружный круг 1 обрабатывает один раз такую же площадь
изделия, как и в предыдущем случае, а внутренний круг 2 часть этой площади, что следует отметить, обрабатывает во второй раз, за счет чего может
быть достигнуто сокращение времени обработки изделия. С увеличением
ширины рабочей части внутреннего круга площадь изделия, обрабатываемая
два раза, увеличивается.
42
Рисунок 2.4 – Схема к определению обработанной площади изделия двумя
абразивными кругами.
Как и в случае обработки изделия одним кругом, обозначим
2  AO1C ; 2  AO 2 C . Наружный радиус наружного абразивного круга Rн , внутренний радиус наружного круга - rн , наружный радиус внутреннего
абразивного круга - Rв , внутренний радиус внутреннего круга - rв .
Применяя формулы (2.2) и (2.3), определяем площадь сегмента серповидной фигуры ABCDA:
sin 2  2 
sin 2 

S сегмABCDA  rн2    
  rв    
.
2 
2 


(2.9)
Аналогично формуле (2.6), можно показать параметры  и  , которые
рассчитываются из решения системы:
sin   sin 

t sin   rн sin    ,
(2.10)
43
где

   .
2
При расчете площади обработанной одним и двумя стандартными абразивными кругами заданных размеров, установлено, что площадь, обработанная дважды, составила 80% от общей площади. Отсюда следует, что использование машины с биротативным рабочим органом, может увеличить
производительность шлифования примерно в 1,7 – 1,8 раза.
В процессе шлифования изделия абразивному кругу приходится преодолевать сопротивление камня разрушению, а для того, чтобы преодолеть
это сопротивление, к абразивному кругу необходимо приложить соответствующие силы (рисунок 2.5).
Как видно из рисунка 2.5, при шлифовании изделия чашечным кругом
действующие на него силы образуют объемно-пространственную систему. В
этом случае равнодействующая сила Fн может быть определена из выражения:
Fн  Fp2  Fп2  Fпp2 .
(2.11)
Рисунок 2.5 – Схема действия сил на наружный чашечный абразивный
круг:
Fp - сила резания; Fп - сила подачи; Fпp - сила прижатия
круга к изделию.
44
Если на шлифовальной машине соосно установлен второй (внутренний) абразивный круг, который вращается в ту же сторону что и наружный
абразивный круг, схема сил, действующих на этот круг, будет такой же как
на рисунке 2.5 и, следовательно, направление равнодействующей этих сил
будет такое же, хотя величины этих равнодействующих будут неодинаковы.
Если направление вращения внутреннего абразивного круга изменить
на противоположное, схема действующих сил будет выглядеть иначе (рисунок 2.6).
Как видно из схемы на рисунке 2.6, в данном случае равнодействующая сил, действующих на внутренний абразивный круг, направлена в противоположную сторону по сравнению со схемой на рисунке 2.5, что может
уравновесить моменты резания на наружном и внутреннем абразивных кругах, а это, в свою очередь, уменьшит и вибрацию шлифовальной машины, и
усилие оператора по удерживанию шлифовальной машины на обрабатываемом изделии.
Рисунок 2.6 – Схема действия сил на внутренний чашечный
абразивный круг:
Fp - сила резания; Fп - сила подачи; Fпp - сила прижатия
круга к изделию.
45
Условие равенства моментов резания на наружном и внутреннем абразивных кругах можно записать следующим образом:
Т рн  Т рв ,
(2.12)
где Т рн - момент резания на наружном абразивном круге;
Т рв - момент резания на внутреннем абразивом круге.
Моменты резания можно определить из схемы на рисунке 2.7:
Рисунок 2.7 – Схема к определению моментов резания.
Из схемы следует:
Т рн  Fн  Rнср ,
(2.13)
Т рв  Fв  Rвср ,
(2.14)
где Fн - равнодействующая сил на наружном абразивном круге;
Fв - равнодействующая сил на внутреннем абразивном круге;
Rнср , Rвср - радиусы приложения равнодействующих сил.
Равнодействующие Fн и Fв можно представить в виде:
Fн  q  S н ,
(2.15)
Fв  q  S в ,
(2.16)
где q - удельное усилие резания;
46
S н - площадь контакта наружного абразивного круга с обрабатываемым изделием;
S в - площадь контакта внутреннего абразивного круга с обрабатываемым изделием.
Тогда:
Т рн  q  S н  Rнср , Т рв  q  S в  Rвср
(2.17)
Интегрируя выражения (2.17), получим:
Rн
2
2
Т рн  q  d  r 2 dr   q    Rн3  rн3 ,
3
0
rн

2
Rв

(2.18)
2
Т рв  q  d  r 2 dr   q    Rв3  rв3 .
(2.19)
3
0
rв
Исходя из условия равенства моментов резания на наружном и внут-


реннем абразивных кругах, можно определить их размеры из выражения:
Rн3  rн3  Rв3  rв3 .
(2.20)
Размеры наружного круга Rн и rн принимаются из стандартного ряда
кругов. Наружный радиус внутреннего круга Rв можно определить из выражения (рисунок 2.8) [47]:
Рисунок 2.8 – Схема для расчета размеров абразивных кругов.
Rв  rн  2 ,
(2.21)
где rн - внутренний радиус наружного круга;
 - величина зазора между внутренним диаметром наружного круга и наружным диаметром внутреннего круга.
47
Тогда из равенства (2.20) получим формулу для определения внутреннего радиуса внутреннего круга:
3
rв  3 rн     Rн3  rн3 .
(2.22)
Используя размеры принятого стандартного наружного круга, а также
размеры внутреннего круга, определенные по выражениям (2.21) и (2.22), получим площади контактирующих поверхностей этих кругов с обрабатываемым камнем, при которых соблюдается равенство моментов резания на абразивных кругах.
На основании сформулированных выше условий по обеспечению равенства моментов резания на наружном и внутреннем абразивных кругах составлена принципиальная схема разработанной шлифовальной машины (рисунок 2.9).
Предполагается, что данная шлифовальная машина может работать или
от стационарного электродвигателя с гибким валом, или от любого другого
электродвигателя, который можно прикрепить к редуктору. Зубчатый редуктор должен обеспечивать вращение абразивных кругов в противоположные
стороны, а регулятор - бесступенчатое регулирование частоты вращения кругов в необходимом диапазоне, так как с помощью данной шлифовальной
машины могут обрабатываться изделия из разных пород природного камня.
Рисунок 2.9 – Принципиальная схема разрабатываемой
ручной шлифовальной машины:
1 – электродвигатель; 2 – зубчатый редуктор; 3 – рабочий орган; 4 - электронный регулятор частоты вращения кругов; 5 – устройство для отсоса или
подавления пыли.
48
Поскольку при шлифовании камня образуется значительное количество
пыли, шлифовальная машина должна обеспечивать эффективное ее удаление
или пылеподавление, так как в противном случае ухудшаются санитарногигиенические условия работы оператора и, кроме того, происходит повторное дробление отходов шлифования, что снижает производительность и повышает энергоемкость процесса обработки.
2.2 Математическая модель прогнозирования качества
поверхности камня при плоском шлифовании и определение
площади контакта абразивного круга с поверхностью
Параметры начальной шероховатости поверхности, которую необходимо обработать, определяются либо эксплуатационными свойствами оборудования и материалов, применяемых для предварительного шлифования, либо природными свойствами камня.
В связи с большим количеством факторов, определяющих качество
поверхности и сложным характером их взаимовлияния, на данный момент не
представляется возможным разработать единую модель формирования параметров шероховатости при шлифовании [51].
В зависимости от типа камня и его назначения рассматриваются обрабатываемые поверхности трех типов [51]:

поверхность камня получена с помощью предварительного гру-
бого шлифования;

поверхность образована распиливанием камня на отдельные пли-

поверхность камня образована раскалыванием пластов.
ты;
Если перед шлифованием поверхность камня была подвержена грубой
обработке, то шероховатость поверхности подчиняется двумерному нормальному закону распределения [51]. Аналогично поверхность камня подчиняется двумерному нормальному закону распределения в случае раскалыва49
ния пластов, так как форма поверхности задается природной структурой
камня.
В случае, когда поверхность образована распиливанием камня на отдельные плиты, закон распределения шероховатости по поверхности камня
подчиняется двумерному равномерному закону [51].
Случайная величина Х называется нормально распределенной (имеющей распределение Гаусса), если ее плотность вероятности имеет вид:

1
p( x) 
e
 2
( x  a) 2
22
;   0,
(2.23)
где a - средняя шероховатость;
 - среднеквадратическое отклонение значений шероховатости.
Случайная величина ХY называется двумерной нормально распределенной, если ее плотность вероятности имеет вид [51]:
p ( x; y) 

1
2 x  y 1  rxy2
e
 ( x  a )2 ( y  a )
x  a1 y  a 2 
1
1
2

 rxy



2
2
2
x
 y 
2 (1 rxy )   x
y
(2.24)
где a1, a2  средние значения шероховатостей поверхности камня в направлении осей ОХ и ОУ соответственно;
 x ,  y  среднеквадратические отклонения шероховатостей поверхности камня в направлениях ОХ и ОУ;
rxy  коэффициент корреляции между шероховатостями поверхности камня в направлении осей ОХ и ОУ.
Для природного камня по данным статистических исследований [51]
шероховатости в направлении осей ОХ и ОУ не коррелированы, тогда коэффициент корреляции rxy  0 и функция плотности принимает вид [51]:
p ( xy ) 
1
e
2 x  y

1

e
2 x
( x  a1 ) 2
2  2x
1  ( x  a1 ) 2 ( x  a 2 ) 2 
 


2   2x
 2y


1

e
2 y

(2.25)
( x  a2 ) 2
2  2y
 p ( Х )  p (У )
50
Иными словами, плотность распределения шероховатостей по плоскости равна произведению плотностей шероховатостей в направлении осей ОХ
и ОУ, то есть случайные величины шероховатостей в направлении осей независимы между собой.
Рассмотрим, какую площадь контакта имеет абразивный круг с обрабатываемой поверхностью. Пусть на поверхности абразивного круга имеется
единичное зерно, которое взаимодействует с поверхностью камня (рисунок
2.10) [51]. Их взаимодействие описывается по типу микрорезания поверхности камня, либо по типу микроскалывания [51]. При микрорезании камня абразивное зерно заглубляется в камень в среднем на величину hз 
ha
, где
2
ha  средняя шероховатость поверхности абразивного круга, соответственно
глубина воронки в камне от резания имеет среднюю величину hз . При микроскалывании глубина воронки в камне имеет среднюю величину, существенно превосходящую hз [51].
Рисунок 2.10 – Схема взаимодействия единичного зерна абразивного
круга с обрабатываемой поверхностью камня:
1 - абразивный круг, 2 - единичное зерно абразивного круга,
3 - обрабатываемая поверхность камня.
Полагаем в среднем, что абразивное зерно имеет форму куба, который
в абразивной связке расположен, как показано на рисунке 2.10. Тогда пло51
щадь поверхности абразивного зерна – это площадь боковой поверхности
пирамиды с прямыми углами при ее вершине и высотой ha , т.е. площадь трех
прямоугольных треугольников. Длина стороны единичного зерна равна
ha  3 , а площадь боковой поверхности единичного зерна, выступающего на
поверхности абразивного круга, равна [51]:
9
Sбок  ha2
2
(2.26)
При этом площадь, которую единичное зерно занимает на поверхности
абразивного круга, равна [51]:
Sосн 
2
3
3 3 2
ha 3 2 
ha .
4
2


(2.27)
Иными словами, площадь боковой поверхности пирамиды больше
площади ее основания в
3 раз. При этом фактическая площадь основания
зерна, с учетом той части, которая находится в связке, в два раза больше, чем
площадь основания пирамиды, то есть [51]:
Sосн факт  3 3  ha2 .
(2.28)
Таким образом, отношение площади боковой поверхности единичного
зерна, выступающего на поверхности абразивного круга, к фактической площади основания зерна будет равно [50]:
Дз 
Sосн
Sосн факт
9 1
3
 

.
2 3 3 2
(2.29)
Следует, однако, учесть, что объемная доля абразивных зерен в составе
шлифовального круга зависит от зернистости круга и составляет порядка
Д зер  40  45% [51]. Если объемная доля абразивных зерен, содержащихся в
связке, равна Д зер , то доля рабочей площади абразивных зерен, содержащихся в связке и распределенных по поверхности шлифовального круга, с учетом
(2.29) определяется по формуле[51]:
Д раб  Д з  Д зер 
3
3
 0,4 
.
2
5
(2.30)
52
В процессе шлифования доля рабочей площади абразивных зерен возрастает, так как часть камня шлифуется микроскалыванием, при этом процесс шлифования – это процесс хрупкой деформации с отрывом микрочастиц
камня от основы и последующим их движением по кругу. Таким образом,
часть деформированного камня продолжает участвовать в процессе шлифования, существенно увеличивая площадь контакта абразивного круга и обрабатываемой поверхности.
Следует также отметить тот факт, что процесс шлифования осуществляется на высокой скорости и срезание (скалывание) микрочастиц камня
происходит многократно даже при одном прохождении шлифовальным кругом поверхности камня [51].
Определим долю площади, по которой происходит контакт между абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью.
В начальный момент времени, когда шлифовальный круг касается поверхности камня, площадь контакта оказывается минимальной, поскольку
обработка поверхности камня начинается при соприкосновении наиболее выступающих участков поверхности. В последующем, когда участки деформированы, шлифование происходит по большей площади соприкосновения круга и поверхности камня [51].
Полагая, что шероховатости поверхности камня в направлении осей ОХ
и ОУ независимы, можно определить долю контакта между абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью по оси ОХ.
Пусть в процессе одного прохождения шлифовальным кругом с поверхности камня снимается слой толщиной 1 . При этом средняя шероховатость поверхности, как отмечено ранее, равна a
1  a  . Задача шлифова-
ния – совершить столько проходов шлифовальным кругом, чтобы выполнялось условие [51]:
a  k  1 ,
(2.31)
где k  число проходов шлифовальным кругом.
53
Из неравенства (2.31) следует, что [51]:
a
k     1,
 1 
(2.32)
a
a
 целая часть числа
.

1
 1 
здесь функция 
На практике число проходов шлифовальным кругом k может оказаться
большим, чем из формулы (2.32), так как в (2.32) k определяется по среднему размеру шероховатости, а на практике процесс шлифования ведется до
тех пор, пока шероховатость камня не станет равной шероховатости абразивного круга. Так как распределение шероховатостей на поверхности камня
удовлетворяет нормальному закону распределения, то с надежностью
  0,997 можно утверждать, что число проходов k не будет превосходить
величины [51]:
6  x 
k
 1.

 1 
(2.33)
Определим, какой будет доля площади, по которой происходит контакт
между абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью при первом прохождении. Так как начало прохождения поверхности происходит от точки
a  3 х , то после одного прохода абразивным кругом на графике будет достигнуто положение a  3 х  1 (рисунок 2.11) [51].
Рисунок 2.11 – Нормальное распределение шероховатостей
вдоль оси ОХ и область прохождения первого участка.
54
После финишного прохождения поверхности шлифования абразивным
кругом площадь контакта между кругом и поверхностью будет полная, то
есть будет равна 100%.
Это практически соответствует площади фигуры, ограниченной кривой
p  x  и осью ОХ, а также вероятности того, что значение случайной величины
шероховатости после шлифования окажется меньшим a  3  x . При этом вероятность того, что значение случайной величины шероховатости после
шлифования окажется меньшим a  3  x  1 , будет пропорциональна площади
фигуры,
ограниченной
кривой
px  ,
осью
ОХ
и
прямой
x  a  3  x  1 , площадь которой определяется с помощью функции Лапласа [51]:
 3   1 
 ,
Pa x  a  3  x  1   1    x
 x 
(2.34)
t2
1 x 2
где   x  
 e dt  интегральная функция Лапласа.
2 0
Таким образом, доля площади, по которой происходит контакт между
абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью при первом прохождении поверхности будет определяться по формуле (2.34). Рассуждая аналогично, можно показать, что при n  м прохождении поверхности абразивным
кругом доля площади контакта будет определяться по формуле [51]:
 3   n1 
 ,
Pa x  a  3  x  n1   1    x


x

(2.35)
при этом число n должно удовлетворять условию (2.33).
Нетрудно видеть, что функция (2.35) является монотонно возрастающей по переменной n , то есть при увеличении числа прохождений поверхности абразивным кругом доля площади контакта будет монотонно возрастать от 0 до 1.
55
Подводя итог рассуждениям, получим, что если шероховатость поверхности камня подчиняется двумерному нормальному закону распределения, то доля площади контакта между абразивным кругом и обрабатываемой
поверхностью с учетом формул (2.30) и (2.35) определяется в виде[51]:
Prсц 
 3x  n1 
3
 ,
1  Ф
5 

x


(2.36)
Рассмотрим процесс прохождения обрабатываемой поверхности двумя
абразивными кругами. Пусть с поверхности камня при одном прохождении
внешним абразивным кругом снимается слой толщиной 1 , а при одном прохождении внутренним абразивным кругом снимается слой толщиной  2 . Так
как возможны различные варианты комбинаций абразивных кругов такие
как: внешний круг имеет большую зернистость, а внутренний круг меньшую
зернистость 1   2 , внешний круг имеет меньшую зернистость, а внутренний большую 2  1 , и когда оба круга имеют одинаковую зернистость
1   2 . Для всех этих комбинаций толщина снимаемого материла предлагаемой шлифовальной машиной, при одном прохождении обрабатываемой
поверхности будет равна сумме 1   2 . Пусть средняя шероховатость поверхности камня равна a , где a  max1 ,  2  . Задача шлифования – совершить столько проходов абразивными кругами, чтобы выполнялось условие
[49]:
a  k  1   2  ,
(2.37)
где k  число проходов шлифовальным кругом.
Из неравенства (2.37) следует, что:
 a 
k
  1.



 1 2
(2.38)
На практике число проходов абразивными кругами k может оказаться
большим, чем из (2.38), поскольку в (2.38) k определяется по среднему размеру шероховатости, а на практике процесс шлифования ведется до тех пор,
56
пока шероховатость камня не станет равной максимальной из шероховатостей абразивных кругов. Так как распределение шероховатостей на поверхности камня удовлетворяет нормальному закону распределения, то с надежностью   0,997 можно утверждать, что число проходов k не будет превосходить величины [51]:
 6x 
k
  1.



 1
2
(2.39)
Определим долю площади, по которой происходит контакт между абразивными кругами и обрабатываемой поверхностью при первом прохождении. Так как начало прохождения поверхности происходит от точки a  3 х ,
то после одного прохода абразивными кругами на графике (рисунок 2.11) будет достигнуто положение a  3 х  1   2  [51].
После финишного прохождения обрабатываемой поверхности абразивными кругами площадь контакта между кругами и поверхностью будет полная, что практически соответствует площади фигуры, ограниченной кривой
плотности нормального закона распределения p  x  и осью ОХ, а также вероятности того, что значение случайной величины шероховатости после шлифования окажется меньшим a  3  x . При этом вероятность того, что значение
случайной величины шероховатости после шлифования окажется меньшим
a  3  x  1   2 , будет пропорциональна площади фигуры, ограниченной
кривой p  x  , осью ОХ и прямой x  a  3  x  1   2 , площадь которой определяется с помощью функции Лапласа [51]:
 3   1   2 
 . (2.40)
Pa x  a  3  x  1   1    x
x


Соответственно, доля площади, по которой происходит контакт между
абразивными кругами и обрабатываемой поверхностью при первом прохождении поверхности будет определяться по формуле (2.40). Рассуждая аналогично, можно показать, что при n  м прохождении обрабатываемой поверх57
ности абразивными кругами доля площади контакта будет определяться по
формуле [51]:
 3   n1   2  
 , (2.41)
Pa x  a1  3  x  n1   2   1    x
x


при этом число n должно удовлетворять условию (2.39).
Функция (2.41) монотонно возрастает по переменной n от 0 до 1.
Таким образом, если шероховатость поверхности камня подчиняется
двумерному нормальному закону распределения, то доля площади контакта
между абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью с учетом формул
(2.30) и (2.41) определяется в виде[51]:
Prсц 
 3x  n1   2  
3
 .
1  Ф
5 

x


(2.42)
Рассмотрим случай, когда распределение шероховатостей по поверхности камня подчиняется двумерному равномерному закону. Двумерное равномерное распределение задается функцией плотности [51]:
1

, при a  x  b, с  y  d ;

p( x; у )   b  a d  c 
 0,
при  x; y  ABCD ,

(2.43)
где ABCD  прямоугольник с вершинами Aa; c ; Ba; d ; C b; d ; Db; c  .
Будем полагать, что распределения шероховатостей в направлении
осей ОХ и ОУ независимы, тогда распределение шероховатостей в направлении оси ОХ подчиняется равномерному закону
Случайная величина Х называется равномерно распределенной на отрезке [a, b], если ее плотность распределения имеет вид [51]:
 1

p ( x)   b  a
 0
при a  x  b,
(2.44)
при x  a, x  b.
Иными словами, на малых расстояниях равномерное распределение
шероховатостей является псевдонормальным распределением [51]. В таком
случае, для известных значений средних шероховатостей a1 и a2 в направ58
лении осей ОХ и ОУ соответственно и среднеквадратических отклонений
шероховатостей поверхности камня в направлениях ОХ и ОУ,  x ,  y применим вышеописанный алгоритм определения доли площади контакта между
абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью. При этом значения параметров a1, a2 ,  х ,  у могут быть существенно меньшими, чем для случая
двумерного нормального распределения шероховатостей, а сама доля площади контакта между абразивным кругом и обрабатываемой поверхностью может быть также определена по формуле (2.36) [51].
2.3 Интенсификация процесса шлифования с применением
раствора смазочно-охлаждающей жидкости и порошкообразных
абразивных материалов
Одним из вариантов интенсификации процесса шлифования камня является применение растворов смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в
присутствии ПАВ, а также ПАМ [77].
Поверхностно-активные вещества – это вещества, обладающие более
высокой поверхностной активностью по сравнению с водой, что является
следствием строения их молекул. По химическому строению все ПАВ можно
разделить на две большие группы: ионные (диссоциирующие в воде) и неионогенные (не диссоциирующие в воде), уменьшающие усилие резания до
35% [77]. В свою очередь ионные ПАВ делятся на катионные (диссоциируют
с образованием поверхностно-активного катиона), снижают усилие резания
на 45 – 48% [77], анионные (диссоциируют с образованием поверхностноактивного аниона), понижают усилие резания до 54 – 58% [77] и амфотерные
(диссоциируют в зависимости от рН дисперсной среды либо с образованием
поверхностно-активного катиона, либо с образованием поверхностноактивного аниона) [77].
59
Так как ПАВ имеют высокую стоимость и повышенную химическую
активность на поверхности обрабатываемого камня, то для их оптимального
применения и достижения максимально полезного эффекта ПАВ добавляют
либо в воду, либо в масло, что в совокупности дает раствор СОЖ [56, 59].
Как показывает практика, применение масляных СОЖ оказывает неблагоприятное влияние на экологические показатели производства и вызывают значительные трудности по их утилизации, поэтому целесообразней
использовать водные СОЖ [55, 58].
Согласно свойствам, предъявляемым к СОЖ, они разделяются на
функциональные, эксплуатационные и санитарные. К функциональным свойствам относятся: смазочная, охлаждающая, проникающая и моющая способности. У эксплуатационных свойств выделяют: стабильность при хранении,
отсутствие коррозионного действия на инструмент и обрабатываемую поверхность, отсутствие отложений осадка на деталях инструмента и в системе
подачи, отсутствие вспениваемости, устойчивости к заражению бактериями,
пожарная безопасность. Санитарные свойства определяют как отсутствие
вредного воздействия на организм оператора, неприятного запаха, минимальное загрязнение сточных вод и простота их обезвреживания [56, 59].
СОЖ могут быть в виде жидкостей, паст, а также твердых мылообразных продуктов различных цветов с ароматическими запахами. У растворов
СОЖ можно выделить наиболее значимые свойства: солюбилизация, эмульгирование (повышению коллоидной растворимости), адсорбция (способность
к самопроизвольному перераспределению компонентов между сплошной фазой и поверхностным слоем).
Адсорбция в свою очередь может быть внешней и внутренней. Внешняя вызывается адсорбцией раствора СОЖ на внешней поверхности твердого
тела, что приводит к снижению предела текучести и коэффициента упрочнения. Внутренняя возникает в результате адсорбции раствора СОЖ на поверхности микротрещин внутри камня, следствием чего является снижение прочности и хрупкость [77].
60
В процессе обработки камня при шлифовании образуется дефектный
слой, состоящий из микротрещин поверхности. Такие микротрещины распространяются как в сторону вектора скорости главного движения и
Рисунок 2.12 – Схема распространения микротрещин при шлифовании
без применения раствора СОЖ:
1 - абразивный круг, 2 - обрабатываемый камень,
3 - микротрещины, п - подача круга.
способствуют отделению слоя материала, так и вглубь обрабатываемой заготовки. После прохода абразивного инструмента и снятия нагрузки значительная часть микротрещин закрывается (рисунок 2.12). При этом большая
часть полезной энергии, затраченная на их образование, не используется.
Во время шлифования с добавлением воды она способствует незначительному снижению сопротивляемости камня разрастанию микротрещин.
Однако из-за того, что поверхностное натяжение на границе вода-воздух
сравнимо с таковым на границе вода-камень, удовлетворительного смачивания вновь образованной поверхности не происходит. Вода под действием сил
молекулярного сцепления выдавливается, и микротрещина закрывается [77].
Во время шлифования камня в присутствии раствора СОЖ, действия
которых основаны на понижении поверхностной энергии, увеличивается область распространения микротрещин (рисунок 2.13), а также происходит
промывание абразивных кругов и обрабатываемой поверхности от пыли и
продуктов износа и уменьшение коэффициентов трения [61].
61
Рисунок 2.13 - Схема распространения микротрещин при шлифовании
с применением раствора СОЖ:
1 – абразивный круг, 2 – обрабатываемый камень,
3 – микротрещины, 4 – ПАВ, п - подача круга.
Разупрочнение обрабатываемой поверхности происходит за счет того,
что на вновь образованных поверхностях на стенках микротрещин адсорбируются молекулы и ионы из раствора, формируются адсорбционные слои,
проникающие к устью микротрещин до тех пор, пока размер молекул и ионов не станет соизмеримым с величиной ее раскрытия. По правилу адсорбции П.А. Ребиндера, на границе раздела фаз одновременно с формированием
адсорбционного слоя происходит снижение поверхностного натяжения на
границах жидкость – газ и жидкость – твердое тело [43, 77].
Условие развития сформированной микротрещины в соответствии с
критерием Гриффитса можно записать в виде [48]:
Pp 
2 E 
,
  lc
(2.45)
где Pp - растягивающее напряжение, Па;
E - модуль Юнга, Па;
 - свободная поверхностная энергия, Дж/м 2 ;
lc - критическая длина трещины, мм.
Кроме того, особенностью разрушения камня под слоем раствора СОЖ
является то, что в момент образования микротрещин при шлифовании в них
62
создаются условия вакуума, способствующие засасыванию раствора СОЖ в
микротрещины, т.е. ускорению процесса проникновения этих веществ в
глубь камня (рисунок 2.14). При этом стоит подчеркнуть,
Рисунок 2.14 – Схема развития микротрещин под влиянием раствора СОЖ:
1 – ПАВ, 2 – обрабатываемый камень, 3 – адсорбционный слой,
4 – переходный слой.
что присутствие раствора СОЖ при разрушении влечет за собой не образование новых микротрещин, а рост уже существующих и слияние нескольких в
одну [43, 77.
Процесс взаимодействия раствора СОЖ с обрабатываемой поверхностью можно охарактеризовать также скоростью связывания ПАВ с активными центрами камня в так называемой кинетической области [48]:
 d   СОЖ 
m
 k  Fкамня  С СОЖ
,


 d    max
(2.46)
 d   СОЖ 
где 
- скорость связывания ПАВ с поверхностью обраба
 d   max
тываемого камня;
k - коэффициент скорости реакции;
Fкамня - площадь поверхности камня и трещин, на которой
происходит адсорбция;
ССОЖ - концентрация;
63
m - порядок реакции.
Если концентрацию заменить разбавлением, то получим [48]:
1
 d   СОЖ 

  k  Fкамня  m ,
VСОЖ
 d    max
(2.47)
m
где VСОЖ
- объем раствора СОЖ, проникающих в микро- и макротре-
щины камня.
Поскольку в составе раствора СОЖ присутствуют частицы обрабатываемого материала, то на поверхности камня в толщине слоя в несколько нм
будет происходить частичная хемосорбция – «солевая» хемосорбция. При
этом скорость внутренней диффузии раствора СОЖ в камень меньше скорости химической реакции в поверхностном слое обрабатываемого камня. Тогда происходящий процесс можно записать с использованием второго закона
Фика в сферической системе координат с граничными условиями [48]:
 C
  2 C 2 C 
,0  r  R
 D
 





r
r

r




,

C r  R,   C
СОЖ

C r ,   0   0
(2.48)
где C - концентрация раствора СОЖ или разбавление в любой момент
времени τ(c) на любом расстоянии от поверхности камня,
моль/м 3 ;
D - коэффициент внутренней диффузии раствора СОЖ к поверхности
камня;
R - радиус положительного иона, находящегося в узле
зерна (кристаллическая частица);
r - расстояние, на котором возможно донорно-акцепторное или ионноковалентное взаимодействие.
Следовательно, решение системы будет иметь вид [48]:
64
n
C
6
1  2 2  e
Cнас
i 1   n
 2 n 2 
Dr
R2
,
(2.49)
где C - средняя концентрация раствора СОЖ в трещинах или на
поверхности камня;
Cнас - градиент концентрации, обусловленный свойствами частиц
поверхностного слоя камня, моль/м 3 ;
n - характеристика равномерности сорбции на поверхности, n  1 .
Тогда

C 
6
D
  lg 2  2 2 .
lg1 

R
 Cнас 
(2.50)
Заменив концентрацию разбавлением:
6
D
 V 
lg1  нас   lg 2   2 2 ,
V 

R

(2.51)
можно считать, что V будет приблизительно равен объему микро- и макротрещин в камне [48].
На
основании
этого,
можно
построить
график
зависимости
 V 
lg1  нас   f () (рисунок 2.15) и по тангенсу угла наклона определить коV 

эффициент диффузии для любого вида раствора СОЖ с целью наиболее приемлемого разбавления и вида СОЖ с последующим нахождением оптимального разупрочнения.
Рисунок 2.15 - Определение коэффициента диффузии раствора СОЖ в
обрабатываемый камень.
65
Из изложенного следует, что в результате уменьшения поверхностного
натяжения минеральных образований при воздействии раствора СОЖ, значительно снижается прочность камня при шлифовании. Это связано с тем, что
поверхностное натяжение раствора СОЖ в микротрещинах является адсорбционно-адгезионным эффектом, вследствие чего осуществляется взаимодействие молекул раствора СОЖ с поверхностью обрабатываемого камня в микротрещине за счет сил Ван-дер-Ваальса.
Однако, в свою очередь раствор СОЖ оказывает влияние на структурно-механические характеристики абразивных кругов на керамической связке.
Это объясняется тем, что абразивный круг гигроскопичен и впитывает в себя
раствор СОЖ на всю свою толщины, вследствие чего реализуются физические и химические процессы сорбции раствора СОЖ. Это ведет к частичному
вымыванию химических веществ абразивного круга и разупрочнению поверхностного слоя круга за счет расклинивающего действия компонентов
раствора СОЖ и реализации эффекта Ребиндера [62].
В совокупности это приводит к уменьшению твердости абразивного
круга и как следствие увеличивает его износ, уменьшается толщина съема
обрабатываемого камня, снижается высота микронеровностей обрабатываемой поверхности [62].
Как показывают теоретические и экспериментальные исследования,
под действием раствора СОЖ твердость абразивного круга снижается на одну степень, в тоже время отмечается, что раствор СОЖ практически не изменяет его динамическую прочность [62].
Для защиты абразивных кругов от воздействия раствора СОЖ применяется метод импрегнирования их гидрофобными веществами. Одним из таких веществ является расплав серы. Она является химически активным минералом к большому числу обрабатываемых материалов с ярко выраженными антифрикционными свойствами [62].
В процессе шлифования такими абразивными кругами на поверхности
обрабатываемого материала образуются сульфиды металла, обладающие хо66
рошей смазывающей способностью, что уменьшает трение, снижает удельную работу и теплонапряженность процесса шлифования. Кроме того, она
одновременно экранирует абразивные зерна рабочей поверхности абразивного инструмента, снижая интенсивность его износа [62].
Улучшение структурно-механических свойств абразивного инструмента достигается за счет того, что расплав серы проникает в поры, капилляры и
микротрещины тела круга, дополнительно удерживая абразивные зерна, предотвращая вырывания их из связки [62].
Установлено, что расплав серы повышает твердость абразивного инструмента на одну степень, а динамическая прочность увеличивается на 18 –
25% [62].
Так же абразивные круги на керамической связке можно защитить от
воздействия растворов СОЖ путем их высушивания при t  150  C , другими
словами они приобретают исходную твердость и динамическую прочность,
т.е. процесс носит обратимый характер [62].
На основании проведенного анализа разработаны практические рекомендации по оптимальному применению раствора СОЖ при шлифовании
гранита, мрамора и песчаника. Одним из наиболее доступных и дешевых
водных растворов СОЖ, не требующих особого приготовления, является 15 –
20% раствор поваренной соли и 1 – 10% раствор кальцинированной соды.
Вследствие своей доступности, простоты приготовления, а также того, что
они не требуют разложения после окончания срока эксплуатации, эти растворы СОЖ можно использовать на всей продолжительности процесса шлифования с непрерывной подачей в зону обработки.
Так же для интенсификации процесса шлифования можно использовать
и другие, более эффективные растворы СОЖ такие, как: КМЦ  Na 2CO3 ,
сульфонол, сульфонол  HCL , ОП  7 , ОП  7  Na 2CO3 , ОП  10  Na2CO3 ,
сульфонол  Na2CO3 , синтамид – 5  Na2СО3 [77].
При применении данных водных растворов СОЖ обработанную ими
поверхность необходимо выдерживать от одного до нескольких часов до на67
чала работы шлифовальной машиной. Это объясняется тем, что они более
химически активны, дорогостоящи и сложны в приготовлении, их расход
значительно меньше по сравнению с выше отмеченными.
Использование растворов СОЖ в качестве промывочной жидкости позволяет на 20 – 50% повысить скорость шлифования, в 2,0 – 3,7 раза уменьшить пылевыделение. Однако исследование действия растворов СОЖ на характеристики процесса шлифования носят лишь эпизодический характер и не
содержат практических рекомендаций [77].
Для интенсификации процесса шлифования природного камня можно
применять несвязный абразивный материал, частицы которого должны быть
прочными, твердыми и иметь острые кромки. При шлифовании острые кромки постепенно затупляются, поэтому для поддержания режущих свойств абразивных зерен при приложении определенных усилий они должны обладать
способностью скалываться, образуя новые режущие кромки. Следовательно,
несвязные абразивные материалы, обладая высокой твердостью и прочностью, должны быть достаточно хрупкими [63, 54].
ПАМ – шлифовальный материал, представляющий собой измельченный до порошкообразного состояния и рассеянный на определенные классы
несвязный абразивный материал, использованный в основном для абразивной обработки [63, 64, 65].
Основной отличительной особенностью ПАМ является их высокая
твердость, они превосходят инструментальные стали по твердости и теплостойкости, поэтому ими можно обрабатывать любые материалы различной
твердости и на высоких скоростях резания [63, 66, 76].
В зависимости от твердости и прочности разные ПАМ используются
для различных операций шлифования: более твердые – для обработки твердых материалов, более прочные – для обработки вязких материалов и т.д.
[63].
ПАМ могут быть как естественного (природного), так и искусственного (синтетического) происхождения. К природным относятся алмаз, корунд,
68
наждак, гранат, кремень, кварц, а также более мягкие полировальные материалы: известь, тальк и др. К искусственным: электрокорунд, электрокорунд
хромистый, титанистый, циркониевый, карбид кремния (карборунд), карбид
бора, карбид циркония, кубический нитрид бора и др. [15, 49, 63 - 68]. Физико-механические свойства ПАМ приведены в таблице 2.1 [65, 67].
ПАМ является продуктом дробления, измельчения абразивных материалов и имеет различную величину и форму частиц: в виде кристаллов, осколков кристаллов и агрегатов (поликристаллов).
Таблица 2.1 - Физико-механические свойства ПАМ.
ПАМ
Алмаз искусственный
Эльбор
Карбид бора
Карбид кремния
зеленый
Карбид кремния
черный
Электрокорунд
нормальный
Электрокорунд
белый
Электрокорунд
хромистый
Электрокорунд
циркониевый
Монокорунд
Сферокорунд
Формокорунд
Алмаз природный
Корунд
Гранат
Кремень
Плотность, г/см 3
Микротвердость,
ГПа
Температура устойчивости, С
3,47-3,56
84,4-98,1
700-800
3,45-3,49
2,48-2,52
78,5-98,1
39,2-44,2
1400-1500
700-800
3,15-3,25
32,4-35,3
1300-1400
3,15-3,25
32,4-35,3
1300-1400
3,85-3,95
18,9-19,6
1250-1300
3,90-3,95
19,6-20,9
1700-1800
3,95-4,00
19,6-22,6
1700-1800
4,05-4,15
22,6-23,5
1750-1850
3,64-4,00
3,90-3,95
3,95-4,05
3,48-3,56
3,90-4,12
3,53-4,32
2,57-2,64
22,6-23,5
19,6-20,9
18,9-19,6
98,4
17,7-23,5
13,7-16,7
9,8-14,7
1700-1800
1700-1800
1250-1300
700-800
1700-1800
1200-1250
1500-1600
В соответствии с ГОСТ 52381-2005 [63, 69] ПАМ делятся на четыре
группы: шлифовальное зерно (шлифзерно), шлифовальные порошки (шлифпорошки), микронные шлифовальные порошки (микрошлифпорошки) и тон69
кие микрошлифпорошки. В таблице 2.2 приведены группы ПАМ и соответствующие им зернистости [17, 63].
Таблица 2.2 - Группы ПАМ.
Размер зерен основной
фракции, мкм
2000-160
Обозначение зернистости
200-16
Шлифпорошки
125-40
12-4
Микрошлифпорошки
63-14
М63-М14
Тонкие
рошки
10-3
М10-М3
Группа ПАМ
Шлифзерно
микрошлифпо-
В современной камнеобрабатывающей индустрии наибольшее применение нашли искусственные ПАМ, так как они отличаются от природных более высоким качеством и стабильностью свойств [63]. В таблице 2.3 приведены характеристики, маркировка и область применения ПАМ [16, 49, 53,
66].
Таблица 2.3 - Характеристики, маркировка ПАМ и область применения.
Характеристика
1
Обладает
высокой
теплостойкостью,
механической прочностью зерен и значительной
вязкостью, необходимой
для выполнения операций с переменными нагрузками
По физическому и
химическому составу
более однородный,
обладает более высокой твердостью, острыми кромками, хо-
МаркиВид ПАМ
ровка
ПАМ
2
3
Электрокорунд нормальный
Порошки, микропорошки, зерна. Подходит для
высокоскорост13А; 14А;
ного шлифова15А
ния
Электрокорунд белый
Порошки, микропорошки, зер23А; 24А; на. Подходит для
25А
высокоскоростного шлифования
Область применения
4
Обдирочное, отделочное шлифование
прочных камней. Отделочные работы
шкуркой
Скоростное шлифование сверхпрочного
камня. Отделочные
работы пастами.
Окончательная обработка сверхтвердых
70
Продолжение таблицы 2.3
1
2
рошей самозатачиваемостью, обеспечивает меньший параметр шероховатости поверхности по
сравнению с
электрокорундом
нормальным
3
Электрокорунд хромистый
Зерна и порошки
По прочности приближается к электрокорунду нормально33А; 34А
му, по режущим
свойствам – к электрокорунду белому
Электрокорунд титанистый
По своим свойствам
Зерна и порошки
аналогичен высококачественному элек37А
трокорунду
нормальному
Электрокорунд циркониевый
МелкокристалличеЗерна и порошки
ский, плотный и
весьма прочный материал.
Стойкость
инструмента на об38А
дирочных операциях
в 10-40 раз выше
аналогичного инструмента из электрокорунда нормального
Монокорунд
Имеет изометричеПорошки и пасты
скую форму зерна,
из них
высокую механическую прочность. В
43А; 44А;
процессе шлифова45А
ния скалывается и
этим
обеспечивает
высокие
режущие
свойства и малую
4
камней. Отделочные
работы шлифовальной
шкуркой
Шлифование, доводка
и отделка прочного
камня
Шлифование на обычных и скоростных режимах сверхпрочного
камня
Обдирочное шлифование прочного камня
при высоких скоростях
Окончательная обработка сверхпрочных
камней. Отделочные и
доводочные работы
71
Продолжение таблицы 2.3
1
2
силу резания
При
шлифовании
сферические
зерна
разрушаются и создают новые режущие
кромки инструмента,
обеспечивая производительную обработку
3
4
Сферокорунд
Зерна, порошки и Обработка мягких и
микропорошки
вязких камней, резины, пластмассы
3С
Карбид кремния черный
Зерна и порошки
Отличается от элекОбработка
прочных
трокорунда
повыкамней. Шлифование,
шенной твердостью,
отделочные работы
абразивной способностью и хрупко53С; 54С
стью. Зерна имеют
форму тонких пластинок из-за чего
увеличивается
их
хрупкость в работе.
Карбид кремния зеленый
Отличается от карЗерна, порошки и Обработка
прочных
бида кремния черномикропорошки
камней. Шлифование,
го
повышенной 64С; 62С;
отделочные работы
твердостью,
абра63С
зивной
способностью и хрупкостью
Карбид бора
Значительно превыПорошки, мик- Шлифование,
отдешает электрокорунд
ропорошки
и лочные работы и дои карбид кремния по
пасты из них
водка прочных камней
КБ
твердости и абразивной способности, хотя и очень хрупкий
Эльбор (кубический нитрид бора)
Имеет наивысшую ЛП; ЛО Зерна, порошки, Шлифование,
отдепосле алмаза твермикропорошки
лочные работы и додость и абразивную
водка прочных камней
способность.
72
На сегодняшний день отечественная абразивная отрасль «испытывает
голод» на абразивные материалы, что в настоящее время сводится к повышению цен на них и, следовательно, к повышению себестоимости абразивов.
Потребность камнеобрабатывающей промышленности в абразивных материалах (в том числе из-за приостановки Челябинского абразивного завода,
который является основным поставщиком электрокорунда) привела к тому,
что абразивщики вынуждены встать на путь интенсивной технологии [70].
Как показал анализ, на современных камнеобрабатывающих предприятиях вследствие высокой стоимости абразивных материалов и их ограниченного производства, на практике для интенсификации процесса шлифования используют песок различных фракций из-за своей доступности. Реже используют различные отходы отработанных абразивных кругов. Это объясняется тем, что большинство камнеобрабатывающих предприятий не имеют в
наличии оборудования для утилизации и переработки отходов.
Для контроля над расходом и работоспособностью ПАМ можно воспользоваться показателем абразивная способность, который является безразмерной величиной и определяется как отношение массы сошлифованного
материала к массе навески ПАМ [63]. По величине этого показателя можно
судить об эффективности того или другого вида ПАМ.
2.4 Выводы по главе
1. Установлено, что при обработке камня ручной шлифовальной машиной применяется технологическая система упругого шлифования, при которой входными параметрами являются свойства изделия, удельное давление,
скорости резания и подачи, а выходными – производительность, удельный
расход электроэнергии, шероховатость поверхности.
2. При установке на машине соосно второго абразивного круга с возможностью вращения в противоположную по отношению к первому кругу
сторону, обеспечивается возможность достижения равенства моментов реза73
ния на обоих кругах, вследствие чего машина может устойчиво обрабатывать
изделие без увода в сторону. Получены теоретические зависимости для определения геометрических параметров абразивных кругов, при которых соблюдается условие равенства моментов резания.
3. Доказано, что при шлифовании изделия машиной с двумя абразивными кругами за один проход машины по изделию до 80% от общей обработанной площади обрабатывается два раза, что сокращает общее время шлифования.
4. Разработана математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании. Показано, что шероховатость
обрабатываемой поверхности подчиняется двумерному нормальному закону
распределения. Получена зависимость для определения числа проходов
шлифовальной машины по камню до получения требуемой шероховатости.
5. Показано, что одним из вариантов интенсификации процесса шлифования камня является применение раствора смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) совместно с порошкообразным абразивным материалом (ПАМ).
74
ГЛАВА III. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Экспериментальная шлифовальная машина
Разработанная в процессе диссертационного исследования экспериментальная шлифовальная машина позволяет устранить недостатки, выявленные
при анализе применяемых серийно выпускаемых ручных шлифовальных машин. При разработке этой шлифовальной машины учитывались следующие
основные требования:

уровень вибрации и нагрузки на оператора должны быть меньше,
чем у серийных машин;

она должна быть бесшумной или малошумной в работе;

она должна быть пригодной в качестве сменного рабочего органа
одной или нескольких серийно выпускаемых ручных шлифовальных машин.
Кинематическая схема машины показана на рисунке 3.1 [47, 71].
Рисунок 3.1 – Кинематическая схема экспериментальной шлифовальной машины:
1 – вал ведущий, 2, 3, 4 – зубчатые колеса, 5 – ведомый вал, 6 – втулка,
7 – внутренний абразивный круг, 8 – внешний абразивный круг, 9 – вентиль,
10 – ограждающий кожух.
75
Основным элементом экспериментальной шлифовальной машины является конический зубчатый редуктор, включающий ведущую шестерню 2 и
два ведомых зубчатых колеса 3 и 4, и обеспечивающий вращение абразивных
кругов 7 и 8 в противоположные стороны.
Все зубчатые колеса, а также корпус шлифовальной машины изготовлены из стали 45 [72].
Ведущая шестерня 2 закреплена на ведущем валу 1, который может
получать вращение либо от стационарного электродвигателя посредством
гибкого вала, либо непосредственно от электродвигателя, встроенного в корпус шлифовальной машины. Зубчатое колесо 3 закреплено на ведомом валу
5, который обеспечивает вращение внутреннего абразивного круга 7. Вращение наружного абразивного круга 8 производится от зубчатого колеса 4 через
втулку 6, абразивные круги защищены ограждающим кожухом 10.
Ведомый вал 5 имеет центральное сквозное отверстие, по которому могут подаваться в зону обработки изделия либо вода для подавления пыли или
очистки абразивных кругов от продуктов износа, либо водный раствор СОЖ
для снижения поверхностного натяжения верхних слоев обрабатываемого
изделия, либо ПАМ для повышения интенсификации обработки изделия.
Вентиль 9 предназначен для регулирования количества подаваемых материалов. Через отверстие в вертикальном вале 5 может производиться также отсос пыли из зоны обработки изделия.
На рисунках 3.2 и 3.3 показан экспериментальный образец шлифовальной машины. Вращение абразивных кругов у этой машины обеспечивается
электродвигателем 1 мощностью 1900 Вт от шлифовальной машины углового исполнения марки «Makita 9564CVL», частота вращения ротора может изменяться в диапазоне от 900 до 4000 мин 1 . Для присоединения этого электродвигателя к корпусу 3 шлифовальной машины была разработана специальная проставка 2. Вентиль 5 обеспечивает возможность подачи воды, ПАМ
и раствора СОЖ или комбинированной смеси из раствора СОЖ и ПАМ, а
также через него может производить отсос пыли из зоны обработки изделия.
76
Рисунок 3.2 – Экспериментальный образец на базе «Makita 9564CVL».
Рисунок 3.3 - Экспериментальный образец на базе «Makita 9564CVL».
77
Для управления шлифовальной машиной в процессе обработки изделия
на корпусе 3 закреплена рукоятка 4. Второй рукояткой является корпус электродвигателя 1.
В целях безопасности абразивные круги ограждены защитным кожухом 6, который закреплен на корпусе 3 шлифовальной машины и имеет возможность изменять свое положение по высоте по мере изнашивания абразивных кругов.
На рисунках 3.4 и 3.5 показан экспериментальный образец шлифовальной машины на базе электродвигателя 1 мощностью 2700 Вт от шлифовальной машины углового исполнения марки «DWT WS-230S», частота вращения
ротора может изменяться в диапазоне от 900 до 4500 мин 1 при помощи выносного бесступенчатого электронного регулятора оборотов 4. Подача воды,
раствора СОЖ или ПАМ, либо отсос пыли из зоны обработки изделия осуществляется через вентиль 9.
Рисунок 3.4 - Экспериментальный образец на базе «DWT WS-230S».
Для крепления данного электродвигателя к корпусу 3 шлифовальной
машины разработана специальная проставка 2. Для обеспечения безопасности абразивные круги ограждены защитным кожухом 6.
78
Рисунок 3.5 - Экспериментальный образец на базе «DWT WS-230S».
Для обеспечения удобства управления шлифовальной машиной в процессе обработки на корпусе 3 закреплена рукоятка 7, второй рукояткой является корпус электродвигателя 1.
3.2. Методика выбора абразивных кругов и режимов
шлифования
Основной отличительной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость. Чем выше разница в твердости абразивного и обрабатываемого материалов, тем эффективнее процесс шлифования. Существует классификация твердости обрабатываемых материалов, которая делит
их на следующие группы: прочные (кварцит, гранит, сиенит, диорит, лабродарит, габбро, базальт и т.д.), среднепрочные (мрамор, известняк, доломит,
плотный песчаник, плотный туф и т.д.), низкопрочные (гипсовый и тальковый камень, ангидрит, пористый известняк и доломит, неплотный туф и т.д.)
[7, 16].
79
Большое значение для обработки изделий из камня оказывает зернистость абразивного материала. Выбор зернистости практически не зависит от
связки и используемого абразивного материала, а зависит от вида обработки
поверхности обрабатываемого материала (таблица 3.1.) [16, 73].
Таблица 3.1 – Выбор зернистости абразивного инструмента в зависимости от
вида обработки.
Зернистость инструмента
Вид обработки
Используется для обдирочных опера125 - 80
ций
80 - 63
Грубая шлифовка
Предварительное и комбинированное
63 - 32
шлифование
Чистовое шлифование, обработка
32 - 12
профильных поверхностей
Отделочное шлифование и доводка
12 - 4
профильных поверхностей
Полировка профильных поверхноМ40 и мельче
стей
Отечественной и зарубежной промышленностью в соответствии с
ГОСТ 2424-83 [74] серийно изготавливаются абразивные шлифовальные круги «Тип-6 (ЧЦ)» и «Тип-11 (ЧК)» из электрокорундов и карбидов (рисунок
3.6), применение которых возможно на экспериментальной шлифовальной
машине.
80
Рисунок 3.6 – Круги шлифовальные по ГОСТ 2424-83.
Электрокорунд представляет собой кристаллический оксид алюминия
  Al 2 O3 . Его получают плавкой высокоглиноземистого сырья в электриче-
ских печах при температуре около 2000  С .
Отечественной промышленностью выпускают электрокорунды следующих видов [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75]:

нормальный и белый электрокорунд. Нормальный имеет повы-
шенную вязкость, способен работать с переменными нагрузками, белый обладает высокой хрупкостью, хорошей прочностью и твердостью. Эти виды
абразивного материала рекомендовано использовать для обдирочных операций, придавая поверхности обрабатываемого изделия более ровную поверхность, а также для грубого шлифования природного камня, относящегося к
среднепрочной группе;

легированные электрокорунды делятся на титанистый, хроми-
стый и циркониевый. Они характеризуются повышенной ударной вязкостью,
обладают высокой самозатачиваемостью, а также однородностью химического состава. Их рекомендовано использовать для грубого шлифования
прочных камней, где требуется большой съем поверхности материала с обрабатываемого изделия, и обдирочных работ;

монокорунд из – за строения зерна обусловливает более высокие
показатели твердости, механической прочности и абразивной способности по
сравнению с другими электрокорундовыми материалами кроме легированных, его рекомендовано использовать для обработки прочных и среднепрочных групп камней, но большее предпочтение в использовании монокорунда
отдается второй группе камней для чистового шлифования;

формокорунд и сферокорунд представляют собой материал, час-
тицы которого имеют цилиндрическую и сферическую форму. Они характеризуются высокой прочностью и вязкостью, хорошей самозатачиваемостью и
малым выделением теплоты. Их рекомендовано применять для шлифования
низкопрочной группы камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
81
Существуют абразивные материалы на основе карбида, такие как карбид кремния, карбид бора и кубический нитрид бора, в природе они не
встречаются и значительно по твердости превосходят все виды электрокорунда [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Карбид кремния в зависимости от содержания примесей имеет окраску
от светло-зеленого до темно-синего цвета. В качестве абразивного материала
выпускают карбиды кремния зеленый и черный. Карбид кремния относительно хрупкий и непрочный материал, что ограничивает его применение
только в операциях шлифования группы среднепрочных камней, а также его
можно использовать для обработки низкопрочной группы.
Карбид бора обладает более высокой абразивной способностью, твердостью, термо – и химической стойкостью, хрупкостью и низкой прочностью, чем карбид кремния, является полупроводником. Его используют в виде свободного несвязного порошка и паст для доводки, полирования и притирки прочных и среднепрочных групп камней.
Кубический нитрид бора имеет кристаллы преимущественно коричневого, почти черного цвета, реже окрашены в цвета с розовым оттенком или
совсем бесцветные. Характеризуется высокой твердостью, абразивной способностью, термостойкостью и химической инертностью. Рекомендовано
применять для обработки исключительно прочной группы камней [13, 15, 18,
64, 65, 66, 67, 75].
Вещество или совокупность веществ, применяемых для закрепления
зерен шлифовального материала и наполнителя в абразивном инструменте,
называют связкой. Вид связки абразивного инструмента имеет большое значение для его прочности и режима работы. В производстве абразивных инструментов применяются два вида связок: неорганические (керамическая) и органические (бакелитовая, вулканитовая, глифталевая) [13, 15, 18, 64, 65, 66,
67, 75].
Абразивный инструмент на керамической связке является наиболее
распространенным. Это обусловлено в первую очередь тем, что использова82
ние керамической связки позволяет изготавливать инструменты самых различных типоразмеров и из всех видов абразивного материала.
Керамические связки могут быть двух видов: плавящиеся и спекающиеся. Плавящиеся связки почти полностью переходят в жидкое состояние и
при охлаждении превращаются в стекло, поэтому они получили и другое название стекловидные, они используются для изготовления инструмента из
корундовых материалов. Спекающиеся связки частично переходят в жидкое
состояние и при охлаждении приобретают фарфоровидное состояние, на их
основе изготавливают инструмент из карбида кремния.
Для улучшения рабочих свойств абразивного инструмента на керамической связке добавляют вещества, повышающие его пористость, что дает
возможность его использования для всех операций шлифования и всех групп
камней.
Абразивный инструмент на вулканитовой связке благодаря своей эластичности выдерживает при шлифовании большие ударные нагрузки. Связка
представляет собой особый вид резины, т.е. провулканизировавшую смесь
каучука с серой, ускорителями вулканизации и наполнителями, вводимыми
для повышения прочности и жесткости изделий [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
В качестве шлифовального материала используют мелкозернистые
электрокорунды и карбиды кремния. Абразивные круги на вулканитовой основе рекомендовано применять для чистовых операций и полировки среднепрочных групп камней.
Глифталевая связка представляет собой синтетическую смолу из глицерина и фталевого ангидрида. Отличительная особенность кругов на глифталевой связке — их повышенная упругость. На основе глифталевой связки
изготавливают абразивные круги из электрокорундов и карбидов. Ее рекомендовано применять на отделочных работах прочных и среднепрочных
групп камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Сложность процесса шлифования камня и большое число переменных
параметров режущего инструмента - шлифовального круга или его разновид83
ностей (по свойствам, геометрическим параметрам зерна, расположению зерен на рабочей поверхности, свойствам связки, твердости) [8, 76], а также
большое разнообразие физико-механических свойств камня, создают значительные трудности при оптимальном выборе абразивных материалов и режимов шлифования камня [7, 8, 76].
В связи с этим, была поставлена задача по созданию программного
обеспечения, позволяющего оператору выбирать нужный абразив и режим
шлифования, а также при необходимости подбирать ПАВ для активации
процесса шлифования, вследствие чего можно ожидать повышение производительности обработки при рациональном расходе материалов.
На основании ранее проведенных исследований и полученных экспериментальных данных [16, 76, 77], было разработано автономное программное обеспечение для персональных компьютеров и мобильных платформ Android и IOS, рисунок 3.7: «Программа по выбору абразивных кругов и режимов шлифования камня с применением поверхностно-активных веществ»
[76, 78].
Сущность программы заключается в том, что выбрав для обработки
камень и задав требуемую чистоту обработки, на выходе можно получить
требуемую характеристику абразивных кругов (абразивный материал, связка,
зернистость), рекомендуемую частоту вращения и данные о ПАВ [76, 78].
Рисунок 3.7 – Скриншот программы: «Программа по выбору абразивных
кругов и режимов шлифования камня с применением поверхностноактивных веществ».
84
Программа представляет собой два файла: RubHelper.exe и data.frh.
Первый из них является исполняемым файлом, запустить который можно на
любой машине под управлением ОС семейства Windows, программа также
рассчитана для мобильных платформам, таких как Android и iOS . Второй
файл представляет собой набор данных, которые будут выводиться пользователю при выборе им различных параметров обработки. Данные записаны в
xml-подобном формате. Этот формат не является полнофункциональным
форматом XML, так как для работы с ним не используются стандартные библиотеки обработки XML, а используется своя логика для чтения и записи.
Сделано это было для обеспечения универсальности приложения и обеспечения запуска на тех ОС, где нет стандартных библиотек для обработки XML.
Хотя их использование позволило бы в достаточной степени оптимизировать
скорость работы приложения, это вряд ли как-то будет заметно конкретному
пользователю, так как современные вычислительные мощности персональных компьютеров позволяют без труда обрабатывать такие небольшие объемы данных, как в данном приложении. Отказ от стандартных библиотек XML
позволит в будущем без проблем портировать программу на другую платформу [76, 78].
Для создания программы была использована среда разработки VisualStudio 2010 с пакетом обновления SP1, так как она позволяет очень гибко
взаимодействовать с платформой. Разработка проводилась в ОС Windows 8.1.
Для работы программы в более ранних версиях Windows в свойствах проекта
был изменен требуемый пакет .NET Framework c 4.5 на 3.0 [68, 70, 71].
Исходный код расположен в трех основных классах, которые названы
в соответствии с логикой именования классов [76, 78, 80]: DBEditor (отвечает
за редактирование данных, выводимых программой), IO (отвечает за загрузку
и выгрузку данных в XML формате), MainForm (содержит обработчики событий главного окна программы).
85
В коде можно увидеть отсутствие сложных алгоритмов обработки
данных, все операции простые и разделены по функциям, имеющим логическое название[76, 78, 81, 82] (Приложение 3).
3.3 Методика проведения экспериментов по шлифованию камня
Целью проведения экспериментов было установление работоспособности разработанной шлифовальной машины при обработке натурального камня, а также получение экспериментальных данных по производительности и
энергоемкости процесса. Эксперименты носили сравнительный характер, так
как обработка камня производилась машиной как с одним абразивным кругом, так и с двумя абразивными кругами.
Сначала эксперименты проводились по шлифованию песчаника. Песчаник - осадочная горная порода, состоящая из зёрен песка, сцементированных глинистым, карбонатным, кремнистым или другим материалом. Песчаник может быть разного цвета, но преобладает серый, желтовато-серый или
белый, реже красноватый. Плотность песчаника 2250  2670 кг/м 3 , пористость 0,69-6,70%, водопоглощение 0,63-6,0%, предел прочности на сжатие
30-266 МПа [1, 7, 83, 84, 85]. В эксперименте использовалась плиты песчаника размером 200 х 280х10 мм. Плиты имели цвет желтовато-серый цвет, их
плотность составила более 2250 кг/м 3 , а твердость до 4 по шкале Мооса (рисунок 3.8.).
Рисунок 3.8 – Экспериментальные плиты песчаника.
86
Также эксперименты проводились по шлифованию мраморной плиты.
Мрамор — полнокристаллическая метаморфическая карбонатная горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации известняка или доломита [1, 7, 83, 84, 85].
Мраморы исключительно разнообразны по окраске и рисунку. Из
цветных наиболее распространены белые мрамора с чёрными и серыми неправильными полосами. Плотность мрамора в зависимости от примесей от
1900 до 2800 кг/м3; сопротивление сжатию 100-250 МПа; сопротивление излому 10-30 МПа; водопоглощение 0,15-0,50%; пористость не более 1%, твердость до 5 по шкале Мооса [1, 7, 83, 84, 85]. При проведении эксперимента
использовались мраморные плиты размером 200 х 280х10 мм. Мрамор имел
темно-серый цвет с белыми вкраплениями. Плотность его составила более
2500 кг/м 3 при твердости 5 по шкале Мооса (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 – Экспериментальные мраморные плиты.
Далее в эксперименте использовалась гранитная плита. Гранит - полнокристаллическая интрузивная или реже метасоматическая кислая светлоокрашенная горная порода, состоящая главным образом из кварца (30-40% по
объёму) и полевого шпата (60-70% по объёму). Плотность невыветренного
гранита 2530-2720 кг/м3, пористость 0,2 - 4%, водопоглощение 0,15-1,30%,
сопротивление сжатию 100-300 МПа. [1, 7, 83, 84, 85].
В эксперименте использовались гранитные
плиты с
размером
200 х 280х10 мм. Гранит имел темный цвет с белыми кристаллическими вкра87
плениями, плотность составляла более 2600 кг/м 3 , а твердость поверхности 7
по шкале Мооса (рисунок 3. 10).
Рисунок 3.10 – Экспериментальные гранитные плиты.
Шлифование
производилось
абразивными
кругами
чашечно-
цилиндрической (ЧЦ) формы марок «54С F24 M 6 V», «54С F46 О 7 V»
«54С F60 M 7 V», рисунки 3.11 и 3.12.
Абразивные круги имели следующие размеры:
Рисунок 3.11 – Набор наружных абразивных кругов
для проведения эксперимента.
Наружный абразивный круг:
 наружный диаметр – 125 мм;
 внутренний диаметр 105 мм;
88
 диаметр отверстия для крепления круга на шлифмашине – 63 мм;
 высота абразивного круга – 70 мм.
Рисунок 3.12 – Набор внутренних абразивных кругов
для проведения эксперимента.
Внутренний абразивный круг:
 наружный диаметр – 100 мм;
 внутренний диаметр 80 мм;
 диаметр отверстия для крепления круга на шлифмашине – 22 мм.
 высота абразивного круга – 50 мм.
Шлифовальные круги имели абразивное зерно из карбида кремния
«54С», керамическую связку «V», среднемягкую «L» и среднетвердую «О», а
также среднюю структуру «6 - 7» и различную абразивность: «F24» (63 мкм)
для грубого шлифования, «F46» (32 мкм) для предварительного и комбинированного шлифования, «F60» (25 мкм) для чистового шлифования. В соответствии с ГОСТ 3060-89 [87], абразивные круги имели первый класс неуравновешенности с допускаемой неуравновешенной массой 6 г. Этот набор
кругов обеспечивал возможность производить шлифование изделий в следующих вариантах:
89
 с одним абразивным кругом «F24»;
 с одним абразивным кругом «F46»;
 с одним абразивным кругом «F60»;
 наружный и внутренний абразивные круги имели абразивность
«F24»;
 наружный и внутренний абразивные круги имели абразивность
«F46»;
 наружный и внутренний абразивные круги имели абразивность
«F60»;
 наружный и внутренний абразивные круги имели разную абразивность.
Процесс шлифования изделия производился в следующей последовательности. Перед шлифованием с помощью портативного сканера типа
«Merlin Portable Scanner» или стационарного «Canon CanoScan LiDE 20» с установленным разрешением 9600 х9600dpi , с глубиной цвета 48 бит сканировалась начальная поверхность обрабатываемого изделия для получения начальной шероховатости. Затем изделие обрабатывалась машиной с одним абразивным кругом, после чего поверхность тщательно очищалась и производилось ее сканирование. Далее обработка осуществлялась машиной с двумя
абразивными кругами, обработанная поверхность тщательно очищалась и
сканировалась. После шлифованиями изделий всеми комбинациями абразивных кругов, полученные изображения обработанной поверхности загружались в компьютерную программу и производилась обработка экспериментальных данных. Частота вращения кругов в процессе экспериментов изменялась в диапазоне от 900 до 3500 мин 1 с помощью электронного регулятора. Продолжительность шлифования изделия и одним кругом, и двумя кругами составляла от 20 до 60с.
90
3.4 Методика измерения шероховатости
обработанной поверхности камня
На современных камнеобрабатывающих предприятиях, в промышленном и гражданском строительстве, а также в коммунальном хозяйстве оценка
качества обработанной поверхности изделия в настоящее время производится визуально, тактильно или способом профилометрирования [1, 7], что не
отвечает современным требованиям.
В связи с этим, была поставлена задача по созданию программного
обеспечения, позволяющего произвести оценку любого участка обработанной поверхности путем ее сканирования либо фотографирования в режиме
макросъемки.
На основании раннее проведенных исследований и полученных экспериментальных данных было разработано автономное программное обеспечение для персональных компьютеров и мобильных платформ Android и IOS:
«Программа для определения шероховатости поверхности камня» (Приложение 4) [86].
Так как двумерные изображения не несут в себе информации о глубинной составляющей поверхности камня, предложен подход, основанный на
выделении на исходном изображении локальных участков и соотнесении их
к классам с различным уровнем шлифовки. После чего в зависимости от того, каких участков на изображении больше, производится вывод об уровне
шлифовки всей поверхности [88].
На начальном этапе входное изображения I i , j разбивается на r областей Lrm,n , где m  1, t , n  1, t . Значение t задается априорно и зависит от разрешения обучающей выборки и входного изображения I i , j . В данной работе
значение t  100 . После чего для каждого Lrm, n фрагмента формируется вектор
признаков (дескриптор). Для формирования данного вектора признаков был
использован модифицированный текстурный оператор LBP [88].
91
Оригинальный LBP [88, 89] оператор рассчитывается путем сравнения
каждого пикселя вокруг центрального пикселя, принятого за пороговое значение, в локальной области размером 3 на 3 пикселя. Если центральный пиксель меньше или равен соседнему, то на его место записывается 1, иначе 0. В
результате проделанной операции центральному пикселю соответствует 8битный двоичный код, что показано на рисунке 3.13.
Рисунок 3.13 – LBP оператор.
В работе [90], была предложена модификация оригинального оператора
LBP [88, 90]. Суть модификации заключается в увеличении радиуса пикселей,
которые сравниваются с центральным пикселем. Также выделены 9 uniform
patterns, которые несут наибольшую информативность о текстурных особенностях изображения (рисунок 3.14), а также позволяют сократить количество
малоинформативных бинов. Каждый из 9 uniform patterns соответствует своей
текстурной особенности изображения, таких как ребра, углы и пятна.
Модифицированный LBP оператор может быть записан следующим образом [88]:
LBPP , K
 P
  f ( g p  g 0 )
p 1

, ifU  U T ,
P

1
otherwise


1, x  0
f ( x)  
,
0, x  0
(3.1)
где P – число соседей;
K – радиус;
U – число переходов между 1 и 0;
U T – пороговое значение на количество переходов.
92
Таким образом, формируется гистограмма для локальной области,
представляющая собой дескриптор для анализа локальных областей на
изображении [88].
Рисунок 3.14 – Uniform patterns оператора LBP.
Результат работы описанного оператора LBP приведен на рисунке 3.15.
а)
б)
Рисунок 3.15 – Результат работы оператора LBP:
а) – фрагмент поверхности Lrm, n гранита, б) – гистограмма оператора LBP
Для классификации и соотнесения каждого участка к определенному
уровню шлифовки используется метод опорных векторов (SVM) [88].
Для пояснения работы метода опорных векторов рассмотрим задачу
классификации для объектов двух классов [88].
Пусть заданы:

признаков
множество
X
обучающих объектов,
X  X 1 , X 2 ,...X n ,
X  Rd
(X
заданных векторами
является
подмножеством
евклидова пространства размерности d );

множество
Y
ответов
для
обучающих
объектов:
Y  y1 , y2 ,... yn , yk   1,1 (k  1..n) .
93
Тогда задача классификации состоит в построении такой функции
f (классификатора), в которой каждому вектору X k (k  1.. n) соответствует
правильный ответ y k .
В методе SVM в качестве функции f выбрана плоскость, расстояния до
которой ближайших векторов обоих классов равны (рисунок 3.16).
Ближайшие точки-векторы называются опорными. При этом для всех
объектов одного класса должно выполняться неравенство f ( X k )  0 , а для
всех объектов другого класса – неравенство f ( X k )  0 [88, 93, 94].
Уравнение разделяющей плоскости имеет следующий вид:
w1 x1  w2 x 2  ...  wd xd  w0  0,
(3.2)
где d – размерность пространства признаков;
w1 , w2 ,...wd – направляющий вектор;
w0 – скалярный порог;
x - текущий вектор.
В методе опорных векторов выделяют два этапа: этап обучения и этап
распознавания. На первом этапе из множества обучающих примеров
отбираются опорные векторы, на основе которых строится разделяющая
плоскость. Этап распознавания заключается в том, что на вход полученного
классификатора подается пример X , о классовой принадлежности которого
ничего не известно [88].
Рисунок 3.16 – Иллюстрация метода двумерного
пространства признаков.
94
Классификатор должен дать ответ, к какому классу относится вектор
X . Следует отметить, что метод SVM может применяться как для линейно
разделимых образов, так и для линейно неразделимых. Во втором случае
используется либо линейная разделяющая функция с мягкой границей (т.е.
допускается
минимальное
количество
ошибок
классификации),
либо
осуществляется переход в пространство большей размерности, в котором
образы становятся линейно разделимыми [88].
В данной
работе
для
построения
разделяющей
гиперплоскости
используется радиальная базисная функция:
2
k ( x, x)  exp(   x  x ) при   0 ,
(3.3)
где x – центральный вектор;
 – нормализующий параметр.
Пример использования данного ядра приведен на рисунке 3.17. Для
формирования
обучающей
выборки
и
построения
разделяющей
гиперплоскости было использованно 300 изображений с различным уровнем
шлифовки. Размер изображений составляет 100100 пикселей [88].
а)
б)
Рисунок 3.17 – Иллюстрация построения разделяющей гиперплоскости:
а) – входные значения, б) – пример разделяющей плоскости.
Следует отметить, что для корректной работы алгоритма исходное
изображение I i , j
должно иметь разрешающую способность, не менее 600
точек на дюйм (600dpi).
95
На заключительном этапе происходит оценка количества участков. В
зависимости от того, с каким уровнем шлифовки участков больше , к такому
классу и относится все изображение (делается вывод о принадлежности всего
изображения к определенному уровню шлифовки) [88].
3.5 Планирование эксперимента
При планировании эксперимента учитывались следующие факторы,
влияющие на процесс шлифования камня:
Т В - твердость обрабатываемого материала, МПа. (переменная не операциональная, так как задается по условию проведения эксперимента).
Управляемые входные параметры модели:
n - частота вращения абразивных кругов, с1 ;
Звнешн - зернистость внешнего круга шлифовальной машины, мкм;
Звнутр - зернистость внутреннего круга, мкм;
t - продолжительность обработки поверхности, с.
Параметром выхода модели является шероховатость обрабатываемой
поверхности Y , мкм. (рисунок 3.18).
Рисунок 3.18 – Входные и выходные параметры модели
шлифования изделия.
96
При планировании эксперимента рассматривалась множественная регрессионная полнофакторная модель второго порядка зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от времени обработки, зернистости шлифовальных кругов и частоты их вращения в форме:
M (Yˆ )  f ( X ;  ) ,
(3.4)
где Ŷ - среднее по выборке функции отклика Y ;
M (Yˆ ) - математическое ожидание среднего Ŷ ;
X  (n, Звнутр , Звнешн , t ) - вектор входных параметров модели;
  (0 , 1 , 2 , ....) - вектор коэффициентов регрессии.
Вид зависимости (3.4) определяется из условия адекватности модели,
описывающей поведение объекта, которая проверяется по критериям Фишера и Стьюдента [95 - 98]. В настоящей работе, как показала проверка, линейная модель (полином первой степени) не является адекватной эксперименту,
в соответствии с этим модель (3.4) рассматривается в виде полинома второй
степени:
f ( X ;  )  0  1  n   2  Звнутр  3  Звнешн   4  t  5  n 2 
2
2
6  Звнутр
 7  Звнешн
 8  t 2  9  n  Звнутр  10  n  Звнешн  .
(3.5)
 11  n  t  12  Звнутр  Звнешн  13  Звнутр  t  14  Звнешн  t
Диапазон изменения факторов X  (n, Звнутр , Звнешн , t ) или число значений, которые они могут принимать называются уровнями фактора.
Полный факторный эксперимент характеризуется тем, что при фиксированных возмущающих воздействиях входных параметров минимальное
число уровней каждого фактора равно двум. В этом случае, зафиксировав все
факторы n , Звнутр , З внешн , t кроме одного, необходимо провести два измерения, соответствующих двум уровням этого фактора. Последовательно осуществляя такую процедуру для каждого из входных факторов, получим необходимое число N опытов в полном факторном эксперименте для реализации
всех возможных сочетаний уровней факторов.
97
Каждый из факторов X 1  n ,
X 2  Звнутр , X 3  Звнешн , X 4  t имеет
свою область определения, которая была установлена до проведения эксперимента и таким образом были определены диапазоны изменения каждой из
переменных. Соответственно были установлены наибольшее X i
меньшее X i
min
max
и наи-
значения каждой из переменных, которые они в результате
опытов могут принимать.
Для построения плана эксперимента необходимо выбрать основной
уровень и интервал варьирования управляющих параметров X 1, X 2 , X 3 , Х 4 .
Для каждого из факторов X i , i  1,...,4 интервал варьирования можно
определить по формуле:
X imax  X imax
Ii 
, i  1,...,4 ,
2
(3.6)
а основной уровень - как среднее значение:
X i0
X imax  X imax

, i  1,...,4 ,
2
(3.7)
где X imax , X imin  соответственно наибольшие и наименьшие значения
факторов X i .
Для упрощения планирования эксперимента принято вместо реальных
(натуральных) уровней X i использовать кодированные значения факторов.
Для факторов с непрерывной областью определения это можно сделать при
помощи следующего преобразования:
X i  X i0
xi 
.
Ii
(3.8)
В результате xi принимает значения на границах -1 и 1, на основном
уровне xi  0 . Уровни и интервалы варьирования факторов в кодированных и
в соответствующих им реальных переменных представлены в таблице 3.1
98
Таблица 3.1 - Уровни и интервалы варьирования факторов.
Факторы
Значения кодированных переменных
n - частота вращения абразивных кругов, с 1
Звнешн - зернистость внешнего абразивного круга, мкм
Звнутр - зернистость внутреннего абразивного круга, мкм
t - продолжительность обработки поверхности, с
Уровни варьирования
-1
0
1
16,6 33,3
Интервалы
варьирования,
Ii
50
16,6
25
44
63
19
25
44
63
19
20
40
60
20
Комбинацию возможных значений факторов для каждой из переменных можно представить как точку в многомерном пространстве. Совокупности таких точек по плану ПФЭ вместе с соответствующими значениями параметра оптимизации образуют в трехмерном пространстве матрицы планирования, которые представлены в таблицах 3.2 и 3.3.
Таблица 3.2 - Матрица планирования по обработке мрамора в кодированных
переменных.
№
опыта
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
x1
x2
x3
x4
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
1
1
1
4
-1
-1
-0,63
-0,63
1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
5
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
№
опыта
6
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
x1
x2
x3
x4
7
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
8
-1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
1
1
1
1
-1
-1
9
-0,63
1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
1
-1
-1
10
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
99
Продолжение таблицы 3.2
1
2
3
4
17
1
1
1
18
1
-1
-1
19
-1
-1
-1
20
-1
-1
-0,63
5
1
-1
1
-1
6
37
38
39
40
7
0
0
1
-1
8
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
9
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
10
1
-1
0
0
Таблица 3.3 – Матрица планирования по обработке гранита в кодированных
переменных.
№
опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
x1
x2
x3
x4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
-1
-0,63
-0,63
1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
1
-1
-1
-0,63
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
№
опыта
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
x1
x2
x3
x4
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
0
0
1
-1
-1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
1
1
1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-1
1
-1
-1
-0,63
-0,63
1
-1
-1
-0,63
-0,63
-0,63
-0,63
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
0
0
Регрессионная модель шероховатости обрабатываемой поверхности
камня в кодированных переменных примет вид:
f1 x ;     0  1  x1   2  x2   3  x3   4  x4   5  x12 
  6  x 22   7  x32   8  x 42    9  x1  x 2  10  x1  x3  .
(3.9)
 11  x1  x4  12  x 2  x3  13  x 2  x4  14  x3  x 4
100
Проверим
гипотезы
о
значимости
каждого
из
коэффициентов
 0 ,  1 ,...,  14 модельной зависимости (3.9), по t  критерию Стьюдента
[95]. Для проверки гипотезы о значимости коэффициента i построим симметричный относительно нуля доверительный интервал с правой границей
[95 - 98]:
Y 
t , p  m 

p
Qe, Y
pm
,
(3.10)
где t (; p  m) - критическая точка распределения Стьюдента на уровне значимости  при p  m степенях свободы;
p  40 - число опытов в матрице планирования;
m  15 - количество оцениваемых параметров регрессионной зависимости (3.9);
n
Qe, Y   ( y  ( x1, k , x2, k , x3, k )  Yk ) 2 - остаточная сумма квадратов,
k 1
характеризующая влияние неучтенных факторов;
x1, k , x2, k , x3, k - значения переменных x1, x2 , x3 , взятые из k  й
строки таблицы 3.3, k  1,2,....,40 ;
Yk - значения параметра оптимизации.
Если модуль коэффициента  i больше Y , то согласно правилу проверки гипотезы коэффициент i является значимым для модели (3.9). В противном случае (если  i   Y ) коэффициент i является незначимым и влиянием соответствующего слагаемого модели можно пренебречь.
На уровне значимости   0,05 при p  m  25 вычисляем по таблице
критических точек распределения Стьюдента значение:
t (  0,05; 25)  2,06 .
Находим в Maple правую границу доверительного интервала:
Y 
2,06  15,89
 1,676 .
40  24
101
Сравнивая модули коэффициентов модели (3.10) со значением Y приходим к выводу, что статистически значимыми являются влияния факторов
x1 , x2 , x4 , x12 , x22 , x32 , x1  x4 .
Влияние фактора x1 на параметр оптимизации y отрицательное, т.е. с
возрастанием значений фактора x1 убывают значения результирующего фактора – шероховатости поверхности камня y . Влияние факторов x2 , x4 на параметр оптимизации y также отрицательное.
Далее необходимо выполнить проверку модели (3.9) на адекватность
эксперименту по критерию Фишера [95, 97]. Для вычисления статистического значения критерия Fнабл необходимо найти отношение дисперсий двух
выборок, причем так, чтобы большая по величине дисперсия находилась бы в
числителе, а меньшая – в знаменателе. Формула вычисления статистики критерия Фишера [96, 98]:
Fнабл 
Dмежгр
Dвнтгр
,
(3.11)
где Dмежгр - межгрупповая дисперсия, оценивающая средний квадрат
разброса значений параметра оптимизации в уравнении
регрессии относительно среднего значения параметра оптимизации;
Dвнтгр - внутригрупповая дисперсия, оценивающая средний квадрат разброса значений параметра оптимизации в уравнении регрессии относительно статистических значений параметра оптимизации.
Межгрупповая дисперсия определяется по формуле:
Dмежгр 
где
QR , Y
-
сумма
QR, Y
m 1
квадратов
,
(3.12)
отклонений
значений
функции
y ( x1 , x2 , x3 , x4 ) от среднего для результирующего фактора Y .
102
Внутригрупповая дисперсия определяется по формуле:
Dвнтгр 
Qe, Y
pm
,
(3.13)
где Qe, Y - сумма квадратов отклонений значений функции y от статистических значений фактора Y .
Сумма квадратов отклонений значений функции y от среднего для результирующего фактора Y определяется по формуле:
n
QR , Y   ( y  ( x1, k , x2, k , x3, k , x4, k ) 
k 1
1 n
Yk ) 2 ,

n k 1
(3.14)
где k - номер опыта из таблицы 3.3 с соответствующими опытными
значениями x1, k , x2, k , x3, k , x4, k , k  1,2,....40 .
Сумма квадратов отклонений значений функции y от статистических
значений фактора Y , т.е. остаточная сумма квадратов, характеризующая
влияние неучтенных факторов, вычисляется по формуле:
n
Qe, Y   ( y  ( x1, k , x2, k , x3, k , x4, k )  Yk ) 2 .
(3.15)
k 1
Учитывая формулы (3.11) – (3.15), определяем наблюдаемое значение
статистики критерия Фишера:
Fнабл 
QR , Y  ( p  m)
Qe, Y  (m  1)
.
(3.16)
Уравнение регрессии (3.9) статистически значимо на уровне  , если
фактически наблюдаемое значение статистики:
Fнабл  F( , k1 , k 2 ) ,
(3.17)
где  уровень значимости критерия;
F( , k1 , k 2 ) - табличное значения критерия Фишера, определенное на
уровне  ;
k1  m  1 - число степеней свободы для большей дисперсии;
k 2  p  m - число степеней свободы для меньшей дисперсии.
103
Величина
уровня
значимости
обычно
принимается
равной
  0,05  5% .
3.6 Выводы по главе
1.
Разработана
кинематическая
схема
экспериментальной
шлифовальной машины с биротативным рабочим органом, обеспечивающая
возможность вращения абразивных кругов в противоположные стороны.
2. Изготовлены два варианта ручной экспериментальной машины с
электродвигателями мощностью 1900 Вт и 2700 Вт, обеспечивающие
возможность шлифования камня с подачей в зону обработки либо воды, либо
водного раствора СОЖ, либо ПАМ.
3. Поскольку обрабатываемые породы камня имеют различные
показатели твердости, абразивности, хрупкости и др., для правильного
выбора абразивного инструмента и режимов шлифования по результатам
теоретических
и
экспериментальных
исследований
разработан
математический алгоритм и на его основании написана соответствующая
компьютерная программа.
4. Для оценки качества поверхности камня после шлифования по
результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан
математический алгоритм и на его основании написана компьютерная
программа «Программа для определения шероховатости поверхности
камня», которая позволяет на современном уровне дать оценку обработанной
поверхности.
5. При планировании эксперимента разработана множественная
регрессионая
полнофакторная
модель
второго
порядка
зависимости
шероховатости обрабатываемой поверхности камня от времени обработки,
зернистости шлифовальных кругов и частоты их вращения.
104
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ КАМНЯ РАЗРАБОТАННОЙ
ШЛИФОВАЛЬНОЙ МАШИНОЙ
4.1 Производительность обработки и удельные энергозатраты
Как отмечено выше, эксперименты проводились на образцах песчаника, мрамора, гранита, имеющих размеры 280х200х10 мм. Твердость песчаника составила до 4 по шкале Мооса, плотность – до 2250 кг/м 3 , твердость
мрамора – до 5, плотность 2500 кг/м 3 , твердость гранита – до 7, плотность –
2600 кг/м 3 . эксперименты на образцах песчаника проводились как предварительные и в последующем их результаты не оценивались.
Частоту вращения абразивных кругов можно было изменять в диапазоне от 900 до 3500 мин -1 с помощью электронного регулятора.
Непрерывное измерение частоты вращения абразивных кругов, величины тока и потребляемой мощности при проведении экспериментов производилось с помощью разработанного соискателем лабораторного измерительного блока [99], схема которого показана на рисунке 4.1
Рисунок 4.1 - Структурная схема
электронно-механического измерительного блока.
105
Измерительное устройство включает в себя следующие основные компоненты: электронно-механический узел, электронно-вычислительный узел,
персональный компьютер, электродвигатель переменного тока, выпрямитель,
трансформатор, датчик тока, инструментальный усилитель, блок питания.
Электронно-механический узел состоит из оптического датчика 1
(TCST1202 компании Vishay), используемого для измерения времени одного
оборота вертикального вала 5, приводимого в движение посредствам конического редуктора от электродвигателя переменного тока, гайки-прерывателя 2,
пересекающего оптический зазор датчика 1, кронштейна 3 оптического датчика 1 и корпуса 4 шлифовальной машины [99].
Электронно-вычислительный узел предназначен для обработки сигналов оптического датчика 1 и преобразования электрических импульсов в
контрольно-измерительную информацию. Сигнал оптического датчика представляет собой импульсы напряжения прямоугольной формы. В момент времени, когда оптическая щель датчика открыта, сигнал имеет низкий уровень,
в момент, когда гайка-прерыватель пересекает оптическую щель, на выходе
датчика появляется высокий уровень напряжения. Таким образом, зная время
между фронтами соседних импульсов можно определить частоту вращения
вала двигателя. Определение периода следования импульсов происходит в
микроконтроллере STM32F103VCT6 с помощью 16 разрядного таймера, настроенного в режим «захвата» входного сигнала [99].
Персональный
компьютер
используется
для
сбора
контрольно-
измерительной информации, поступающей от электронно-вычислительного
узла, и преобразования ее в физические величины [99].
Выпрямитель – служит для преобразования переменного напряжения
питающей сети в постоянное напряжение с целью дальнейшего измерения в
электронно-вычислительном блоке [99].
Трансформатор используется для гальванической развязки измерительной части от питающей сети, а также для понижения напряжения питающей
цепи до значений приемлемых для подачи на АЦП (аналого-цифровой пре106
образователь), встроенный в микроконтроллер электронно-вычислительного
узла [99].
Датчик тока, выполненный в виде микросхемы, состоит из очень точного линейного датчика Холла, интегрированного на кристалл микросхемы,
и медного проводника, размещенного близко к кристаллу. Электрический
ток, протекая через проводник, создает магнитное поле, которое фиксируется
датчиком Холла и преобразуется в напряжение, пропорциональное значению
входного тока. В рассматриваемом устройстве использовался датчик тока
ACS712 фирмы Allegro. Этот датчик обладает высокой точностью, имеет
гальваническую изоляцию измерительной схемы, термостабильность и малые габариты [99].
Инструментальный усилитель служит для согласования выхода датчика тока и входа АЦП электронно-вычислительного блока. В устройстве использовался усилитель OP07 компании Analog Devices.
Блок питания - источник питания электронно-вычислительного блока
[99].
Измерительная система реализована на микроконтроллере (МК) типа
STM32F103VCT6, основные характеристики которого приведены ниже [99]:

частота тактирования: 72 МГц;

производительность: 1,25 DMIPS/МГц;

память ОЗУ: 64 кбайт;

встроенная флеш - память: 256 кбайт.
Ядро МК STM32F103VCT6 Cortex-M3 построено с использованием
Гарвардской архитектуры с 3-уровневым конвейером в сочетании с рядом
расширенных функций, включая одноцикловый умножитель и аппаратный
делитель, обеспечивающие высокую производительность в 1,25 DMIPS/МГц
[99].
Дополнительная периферия, встроенная в МК, включает контроллер
внешней статической памяти (Flexible Static-Memory Controller -FSMC), под-
107
держивающий микросхемы NOR, NAND и Compact Flash памяти и, кроме того, SRAM память [99].
Измерение частоты вращения вала шлифовальной машины основано на
измерении времени одного оборота с помощью щелевого оптического датчика 1. На рисунке 4.2 представлена схема щелевого оптического датчика, а на
рисунке 4.3 - принципиальная электрическая схема электронного блока измерительной системы. Схема спроектирована в САПР Altium Designer [99].
Рисунок 4.2 – Схема щелевого оптического датчика:
1 – подводы напряжения, 2 – резисторы, 3 - щелевой оптический датчик,
4 – масса, 5 – выводы.
Щелевой оптический датчик представляет собой излучатель и приемник, закрепленные противоположно друг другу в U – пластиковом корпусе на
расстоянии нескольких миллиметров. Датчик работает по принципу светового барьера (Т-тип, разнесенная оптика): излучатель датчика генерирует световое излучение, приемник реагирует на прерывание луча объектом [99].
108
Рисунок 4.3 – Электрическая принципиальная схема компьютерного измерительного блока.
109
Общий алгоритм работы измерительной системы состоит из следующих основных этапов [99]:

выполняется запуск таймера, измеряющего период сигнала с оп-
тического датчика;

выполняется запуск системного таймера, по событиям системно-
го таймера (1 мс) производится запуск преобразования АЦП в канале измерения тока и напряжения;

по завершению преобразования данные АЦП считываются и об-
рабатываются (вычисляется действующее значение тока и мощности);

при возникновении события «захвата» внешнего сигнала произ-
водится вычисление оборотов вала двигателя;

измеренные и обработанные данные передаются через интерфейс
USB на персональную ЭВМ;

специальная программа ЭВМ записывает данные на жесткий
диск.
Шлифование камня производилось следующим образом. На рабочий
стол укладывались две одинаковые плиты. Одна из них обрабатывалась машиной с одним абразивным кругом, вторая машиной с двумя абразивными
кругами. Частота вращения абразивных кругов в соответствии с рекомендациями [1, 7, 99], а также по данным предварительных экспериментов принималась равной 1000, 2000, 3000 мин -1 . Продолжительность одного прохода
шлифовальной машины с одним абразивным кругом вдоль плиты составляла
от 40 до 70 с. После обработки плиты очищались от пыли и затем производилось измерение шероховатости поверхности по методике, изложенной в параграфе 3.3.
При шлифовании камня одним кругом качество поверхности изделия
было недостаточно высоким при любом из принятых значений зернистости
абразивных кругов. На рисунке 4.4 показаны образцы песчаника, мрамора и
гранита, обработанные одним кругом зернистостью F24.
110
Рисунок 4.4 – Образцы песчаника (а), мрамора (б) и гранита (в) после шлифования одним кругом зернистостью F24.
На образцах видны риски и полосы различной ширины, а так как песчаник более мягкий по сравнению с мрамором и гранитом, риски имели
большую глубину. Шероховатость поверхности песчаника после обработки
составила 72 – 80 мкм, мрамора 71 – 77 мкм, гранита 70 – 80 мкм.
При шлифовании двумя кругами зернистостью F24/F24 качество поверхности образцов оказалось значительно лучше, рисунок 4.5.
Рисунок 4.5 - Образцы песчаника (а), мрамора (б) и гранита (в) после
шлифования двумя кругами зернистостью F24/F24.
Продолжительность одного прохода шлифовальной машины с двумя
кругами составляла 20 – 40 с. Наилучшее качество поверхности получено
111
при обработке образцов двумя кругами с разной зернистостью, когда наружный круг имел меньшую зернистость, таблица 4.1, таблица 4.2.
Таблица 4.1 – Результаты экспериментов по шлифованию мрамора.
№
опыта
Звнутр ,
З внешн ,
мкм
2
мкм
3
4
5
Шероховатость обрабатываемой поверхности,
мкм.
6
n, c
1
1
50
F60
F60
40
21
2
50
F60
F60
20
31
3
50
F60
F46
40
19
4
50
F60
F46
20
33
5
50
F60
F24
40
22
6
50
F60
F24
20
24
7
50
F46
F60
40
17
8
50
F46
F60
20
18
9
50
F46
F46
40
15
10
50
F46
F46
20
27
11
50
F46
F24
40
11
12
50
F46
F24
20
20
13
50
F24
F60
40
5
14
50
F24
F60
20
14
15
50
F24
F46
40
3
16
50
F24
F46
20
14
17
50
F24
F24
40
12
18
50
F24
F24
20
21
19
16,6
F60
F60
40
14
20
16,6
F60
F60
20
19
21
16,6
F60
F46
40
25
22
16,6
F60
F46
20
35
23
16,6
F60
F24
40
18
-1
t, с
112
Продолжение таблицы 4.1
1
2
3
4
5
6
24
16,6
F60
F24
20
35
25
16,6
F46
F60
40
27
26
16,6
F46
F60
20
51
27
16,6
F46
F46
40
22
28
16,6
F46
F46
20
35
29
16,6
F46
F24
40
18
30
16,6
F46
F24
20
27
31
16,6
F24
F60
40
21
32
16,6
F24
F60
20
40
33
16,6
F24
F46
40
19
34
16,6
F24
F46
20
34
35
16,6
F24
F24
40
15
36
16,6
F24
F24
20
25
37
33,3
F46
F46
40
13
38
33,3
F46
F46
20
51
39
50
F46
F46
30
16
40
16,6
F46
F46
30
27
По данным таблицы 4.1 с помощью стандартных команд подбиблиотеки «statistica» пакета Maple 9.5 была рассчитана регрессионная модель:
y  9,855  5,65  x1  6,07  x2  0,62  x3  5,61  x4  4,23  x12 
 6,15  x22  4,25  x32  0,77  x42  0,82  x1  x2  0,55  x1  x3  . (4.1)
 2,26  x1  x4  0,43  x2  x3  0,19  x2  x4  0,23  x3  x4
На рисунке 4.6 показан график поверхности регрессии и данных эксперимента при шлифовании мрамора.
113
Рисунок 4.6 – Сравнение графика поверхности зависимости шероховатости мрамора и данных эксперимента при x1  1 и x4  1 .
Адекватность регрессионной модели экспериментальным данным проверялась по критерию Фишера, численное значение которого оказалось равным 9,32, что больше табличного значения 2,11, следовательно, регрессионная модель разработана правильно.
Таблица 4.2 – Результаты экспериментов по шлифованию гранита.
№
опыта
Шероховатость обраба-
n, c-1
Звнутр ,
З внешн ,
мкм
мкм
t, с
тываемой поверхности,
мкм.
1
2
3
4
5
6
1
50
F60
F60
40
24
2
50
F60
F60
20
33
3
50
F60
F46
40
23
4
50
F60
F46
20
36
5
50
F60
F24
40
27
6
50
F60
F24
20
27
7
50
F46
F60
40
21
114
Продолжение таблицы 4.2
1
2
3
4
5
6
8
50
F46
F60
20
23
9
50
F46
F46
40
17
10
50
F46
F46
20
30
11
50
F46
F24
40
12
12
50
F46
F24
20
25
13
50
F24
F60
40
5
14
50
F24
F60
20
15
15
50
F24
F46
40
4
16
50
F24
F46
20
14
17
50
F24
F24
40
15
18
50
F24
F24
20
22
19
16,6
F60
F60
40
25
20
16,6
F60
F60
20
37
21
16,6
F60
F46
40
25
22
16,6
F60
F46
20
37
23
16,6
F60
F24
40
19
24
16,6
F60
F24
20
34
25
16,6
F46
F60
40
31
26
16,6
F46
F60
20
57
27
16,6
F46
F46
40
25
28
16,6
F46
F46
20
39
29
16,6
F46
F24
40
21
30
16,6
F46
F24
20
28
31
16,6
F24
F60
40
24
32
16,6
F24
F60
20
43
33
16,6
F24
F46
40
23
34
16,6
F24
F46
20
38
115
Продолжение таблицы 4.2
1
2
3
4
5
6
35
16,6
F24
F24
40
17
36
16,6
F24
F24
20
28
37
33,3
F46
F46
40
16
38
33,3
F46
F46
20
51
39
50
F46
F46
30
23
40
16,6
F46
F46
30
39
По данным таблицы 4.3 с помощью стандартных команд подбиблиотеки «statistica» пакета Maple 9.5 была рассчитана регрессионная модель:
y  32 ,026  6  x1  6 ,36  x 2  1,3  x3  5,55  x 4  7 ,69  x12 
 4 ,18  x 22  5,53  x 32  7 ,69  x 42  1,62  x1  x 2 
. (4.2)
 0 ,49  x1  x 3  2 ,32  x1  x 4  1,03  x 2  x 3  0 ,18  x 2  x 4  0 ,1  x 3  x 4
На рисунке 4.7 показан график поверхности регрессии и данных эксперимента при шлифовании гранита.
Рисунок 4.7 – Сравнение графика поверхности зависимости шероховатости гранита и данных эксперимента при x1  1 и x4  4 .
116
Адекватность регрессионной модели экспериментальным данным также проверялась по критерию Фишера, численное значение которого оказалось 8,08, что больше табличного значения 2,11.
При принятых диаметрах абразивных кругов шлифовальная машина с
одним абразивным кругом обрабатывала за один проход площадь плиты, равную 35  103 мм 2 . При работе машины с двумя кругами наружный круг обрабатывал такую же площадь, а внутренний круг большую часть этой площади,
а именно 28 10 3 мм 2 , обрабатывал во второй раз. Из этих данных следует,
что при шлифовании машиной с двумя абразивными кругами принятых размеров 80% от общей площади обработанной поверхности шлифовалось дважды.
Измерения потребляемой мощности при проведении экспериментов
показали, что во всех случаях при шлифовании камня машиной с двумя абразивными кругами одинаковой или разной зернистости затраты мощности
оказались примерно одинаковыми или несколько меньшими, чем при обработке изделия машиной с одним абразивным кругом (рисунки 4.8, 4.9, 4.10).
4000
Р, Вт
3000
2000
1000
0
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 t, c
обработка одним абразивным кругом Рср = 3045 Вт
обработка двумя абразивными кругами Рср = 2958 Вт
Рисунок 4.8 – График потребляемой мощности при обработке песчаника кругами зернистостью F60.
117
4000
Р, Вт
3000
2000
1000
0
1
5
9
13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101t, c
обработка одним абразивным кругом Рср = 2824 Вт
обработка двумя абразивными кругами Рср = 2678 Вт
Рисунок 4.9 – График потребляемой мощности при обработке мрамора кругами зернистостью F60.
4000
Р, Вт
3000
2000
1000
0
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 t, с
обработка одним абразивным кругом Рср = 2936 Вт
обработка двумя абразивными кругами Рср = 2780 Вт
Рисунок 4.10 – График потребляемой мощности при обработке гранита кругами зернистостью F60.
Объяснить такие результаты можно тем, что при шлифовании изделия
ручной шлифовальной машины с одним или двумя абразивными кругами
усилие прижатия кругов к изделию практически одинаково, так как оно создается усилием оператора. Удельные усилия, приходящиеся на единицу площади контактирования с изделием, при обработке одним кругом в 1,3 раза
больше, чем при обработке двумя кругами, но суммарная площадь контакта
двух кругов в 1,8 раза больше, чем у одного круга. Вследствие этого, потребляемая мощность в обоих случаях примерно одинакова.
118
Удельные энергозатраты при шлифовании песчаника, мрамора и гранита машиной с одним абразивным кругом составили 2,5  2,57 Вт  с/мм 2 , с
двумя абразивными кругами - 1,45  1,5 Вт  с/мм 2 , т.е. во втором случае они
оказались меньше на 58 – 60%.
При шлифовании камня машиной с одним абразивным кругом отмечено, что как только круг касается обрабатываемой поверхности, под действием реактивного момента, направленного в сторону, противоположную вращению круга, шлифовальную машину сразу же уводило влево, и оператору
нужно было прикладывать усилие, чтобы удержать машину на изделии.
На рисунке 4.11 последовательно показано начало процесса шлифования (I), когда оператор держит машину обеими руками, затем оператор отпускает левую рукоятку и держит машину только правой рукой, так как под
ладонью этой руки находится клавиша включения машины в работу (II), и
машина резко уходит влево и для того, чтобы удержать ее на верстаке, оператор вынужден снова взяться за нее обеими руками (III).
Рисунок 4.11 – Процесс обработки гранита шлифовальной машиной
с одним кругом.
Последствиями увода шлифовальной машины в сторону от изделия
могло быть появление на обрабатываемой поверхности рисок и царапин, устранение которых может потребовать значительных затрат времени и энергозатрат.
При обработке камня двумя абразивными кругами увода машины в
сторону не наблюдалось, машина устойчиво работала на одном месте, а опе119
ратор только придерживал ее правой рукой, чтобы держать нажатой клавишу
включения (рисунок 4.12).
Рисунок 4.12 – Пример обработки гранита машиной с двумя
абразивными кругами:
I) оператор держит машину двумя руками,
II) оператор держит машину одной рукой.
Были выполнены эксперименты по определению усилий, которые необходимо приложить к шлифовальной машине, чтобы удержать ее на обрабатываемом изделии. Усилия замерялись с помощью электронных динамометров типа ТМР – 1/1 с пределом измерения 10 – 200Н, причем измерение
усилий проводилось и поперек рукояток управления, и вдоль них (рисунок
4.13).
Рисунок 4.13 – Схема измерения усилий на рукоятках
шлифовальной машины:
1 – шлифовальная машина, 2 – рукоятки управления, 3 – динамометры.
120
Экспериментально установлено, что при шлифовании гранита машиной с одним кругом усилие на рукоятках составило 15 – 16 Н, при шлифовании двумя кругами – 5 – 6 Н, т.е. в 2,6 – 3,0 раза меньше.
При шлифовании песчаника без подачи воды наблюдалось значительное пылеобразование (рисунок 4.14). Запыленность рабочей зоны составила
3200 – 3900 мг/м 3 , но после того, как была обеспечена подача воды на обрабатываемую плиту в объеме 0,10 – 0,20 л/мин., пылеобразование практически
прекратилось, запыленность составила 100 – 180 мг/м 3 , что удовлетворяет
требованиям ГОСТ 12.1.005-88 [102]. Измерение проводилось при помощи
измерительного прибора «Прибор контроля запыленности воздуха ПКА –
01».
Рисунок 4.14 – Процесс шлифования песчаника:
а) – шлифование без применения воды;
б) шлифование с применением воды.
Были проведены также пробные эксперименты по шлифованию камня
с подачей водных растворов СОЖ, в качестве которых применялись растворы поваренной соли с концентрацией 5 – 10% (рисунок 4.15).
Рисунок 4.15 – Шлифование с применением воды, раствора СОЖ, ПАМ.
121
Отмечено, что применение растворов СОЖ и ПАМ повышает производительность обработки до 10 – 15%. Одновременно с этим происходит промывка абразивных кругов и обрабатываемой поверхности камня от продуктов разрушения.
4.2 Оценка уровня вибрации при работе экспериментальной
шлифовальной машины
Уровень вибрации, возникающей при работе ручной технологической
машины, не должен превышать предельно допустимый уровень, устанавливаемый санитарными нормами и правилами 2.2.2.540-69 [101].
По способу передачи вибрации на человека различают:
 обычную вибрацию, передающуюся через опорные поверхности
на тело стоящего или сидящего человека;
 локальную вибрацию, передающуюся через руки человека от
ручного механизированного инструмента, что имеет место при
работе ручной шлифовальной машины.
Локальную вибрацию измеряют вдоль осей ортогональной системы координат X л , Yл , Z л , рисунок 4.16 [103], где ось X л параллельна оси места охвата источника вибрации (в нашем случае рукоятки управления шлифовальной машиной), ось Yл перпендикулярна ладони, а ось Z л лежит в плоскости,
образованной осью X л и направлением подачи или приложения силы.
Рисунок 4.16 – Схема измерения локальной вибрации на рукоятке шлифовальной машины.
122
По характеру спектра вибрации различают:
 узкополосные, у которых контролируемые параметры в одной 1/3
октавной полосе частот более, чем на 15 Дб. превышают значения соседних 1/3 октавных полос;
 широкополосные вибрации с непрерывным спектром шириной
более одной октавы.
Локальные вибрации могут быть низкочастотные с преобладанием максимальных уровней в октановых полосах частот 1- 4 Гц, среднечастотные с
уровнем 31,5 – 63 Гц, высокочастотные с уровнем 125 – 1000 Гц. Нормируемый диапазон частот для локальной вибрации устанавливается в виде октавных полос со среднегеометрическими частотами: 8; 16; 31,5; 63; 125; 250;
500; 1000 Гц.
По временным характеристикам вибрации разделяют на постоянные и
непостоянные, а последние могут быть колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные. Ручные шлифовальные машины работают в режиме прерывистых вибраций, так как процесс шлифования периодически прерывается.
Измерение уровня вибрации экспериментальной шлифовальной машины производилось с помощью прибора «Вибран 2.1», датчики которого 1, 2
крепились по схеме, показанной на рисунке 4.17 [103].
Рисунок 4.17 - Схема установки датчиков.
123
Крепление датчиков осуществлялось приклеиванием. Измерение уровня вибрации производилось как на холостом ходу, так и в процессе шлифования камня при работе машины с одним и двумя абразивными кругами. Одновременно с этим измерялась величина виброперемещений.
На рисунке 4.18 показаны значения виброскорости для нормируемого
диапазона частот, полученные при шлифовании гранита абразивными кругами зернистостью F24.
Третьоктавы виброскорости
10
V, мм/с
8
6
4
2
0
8
16
31,5
63
125
250
500
F, Гц
шлифование одним абразивным кругом
шлифование двумя абразивными кругами
Рисунок 4.18 - Значения виброскорости при частоте 8 – 500 Гц.
Из представленных данных следует, что при работе шлифовальной
машины с двумя абразивными кругами значения виброскорости оказались
меньше по сравнению с вариантом работы машины с одним абразивным кругом в 1,54 – 1,98 раза в диапазоне частот 8 – 500 Гц. В диапазоне частот 500 –
1000 Гц сколько-нибудь существенные значения виброскорости не отмечены.
Следует отметить, что полученные значения виброскорости существенно
ниже требуемых по санитарным нормам и правилам 2.2.2.540-96 [101].
При оценке уровня вибрации экспериментальной шлифовальной машины производилось также измерение виброперемещений. На рисунке 4.19
показаны значения виброперемещений для нормируемого диапазона частот,
полученные при идентичных условиях работы машины.
124
Третьоктавы виброперемещений
0,2
S, мм
0,15
0,1
0,05
0
8
16
31,5
63
125
250 F, Гц
шлифование одним абразивным кругом
шлифование двумя абразивными кругами
Рисунок 4.19 - Значения виброперемещений при частоте 8 – 250 Гц.
Анализ данных, представленных на рисунке 4.19, показал, что при работе шлифовальной машины с двумя абразивными кругами значения виброперемещений оказались ниже, чем при работе с одним абразивным кругом, в
1,48 – 1,99 раза. Отсюда следует, что и значения виброскорости, и значения
виброперемещений при работе машины с двумя абразивными кругами
уменьшаются практически в 1,5 – 2,0 раза, а это доказывает, что при соосной
установке двух абразивных кругов, вращающихся в противоположные стороны, происходит существенное уравновешивание шлифовальной машины.
4.3 Комплект оборудования для интенсификации процесса
шлифования камня
Сложная экологическая обстановка в стране в значительной мере является следствием постоянного увеличения количества промышленных и бытовых отходов и неудовлетворительной их переработки [104].
Технологические отходы шлифовального абразивного инструмента на
камнеобрабатывающих предприятиях составляют около 20%, а вредные растворы СОЖ, как показал анализ, собираются в емкости и утилизируются без
повторного использования.
125
Отсюда проблема переработки промышленных отходов и последующего их использования в виде вторсырья, таких как ПАМ и растворы СОЖ, является актуальной задачей, следствием чего может быть экономия затрат и
улучшение экологической обстановки.
Одним из способов экономии энергозатрат при обработке камня является интенсификация технологического процесса при использовании втор
сырья, которая может быть достигнута путем применения, разработанного в
диссертации специального комплекта оборудования.
Структурная схема предлагаемого комплекта оборудования показана
на рисунке 4.20 [21, 105]. Комплект оборудования состоит из шлифовальной
машины 1 с полым шпинделем, соединенным гибким шлангом 2 с магистралью 3 для подачи воды с вентилем 4, емкости с раствором СОЖ 5, имеющей
дозатор 6, емкости с ПАМ 7, имеющей питатель 8. К магистрали 3 может
быть подключено несколько шлифовальных машин.
Рисунок 4.20 – Структурная схема комплекта оборудования для интенсификации процесса шлифования камня:
1 – шлифовальная машина, 2 – гибкий шланг, 3 - питающая магистраль,
4 – вентиль, 5, 7 – емкости с раствором СОЖ и ПАМ,
6 – дозатор, 8 – питатель.
126
При применении данного комплекта оборудования процесс обработки
изделия производится следующим образом: сначала открывается вентиль 4, и
вода поступает в магистраль 3, а оттуда по гибкому шлангу 2 к полому шпинделю шлифовальной машины 1 в зону обработки изделия, причем вода воздействует на небольшую площадь изделия, ограниченную внутренним диаметром внутреннего шлифовального круга. Затем включается дозатор 6 и из
емкости 5 по магистрали 3 и гибкому шлангу 2 вместе с водой поступает раствор СОЖ, который разрыхляет поверхностный слой изделия. После этого
начинается обработка изделия шлифовальной машиной. Подача ПАМ из емкости 7 через дозатор 8 в магистраль 3 и далее по гибкому шлангу 2 осуществляется непрерывно или периодически тем же потоком воды. Данный комплект оборудования обеспечивает различные варианты шлифования изделия:
обработка только шлифовальными кругами с промывкой водой, обработка
шлифовальными кругами с подачей раствора СОЖ, обработка шлифовальными кругами с подачей ПАМ, обработка шлифовальными кругами с подачей раствора СОЖ и ПАМ. В процессе шлифования можно изменять концентрацию раствора СОЖ и ПАМ в потоке воды, либо совсем прекращать их
подачу на изделие [21, 105]. Растворы СОЖ и ПАМ могут использоваться
многократно, что позволяет добиться практически безотходного производства.
При применении специальной проставки (рисунок 4.21) экспериментальная шлифовальная машина может работать либо от собственного электродвигателя, либо от сменного электродвигателя посредством гибкого вала.
Наличие проставки расширяет область применения разработанной шлифовальной машины.
127
Рисунок 4.21 – Схема возможных комбинаций электродвигателей с
универсальной шлифовальной головкой:
1 – шлифовальная машина, 2 – абразивные круги, 3 - проставка, 4 – присоединяемый электродвигатель, 5 – гибкий вал, 6 – сменный электродвигатель.
По результатам проведенных экспериментов в конструкцию шлифовальной машины внесены следующие изменения:

с целью уменьшения шумности при работе шлифовальной маши-
ны прямозубые конические зубчатые колеса заменены на зубчатые колеса с
круговыми зубьями из стали 45Х [72], это решение позволило также уменьшить габаритные размеры машины;

для отсоса пыли из зоны обработки изделия к ограждающему ко-
жуху 5 прикреплен патрубок 6 (рисунок 4.22 а), к которому присоединяется
гибкий шланг аспирационного устройства;

для очистки отработанной поверхности камня от остатков пыли и
продуктов износа на торце ограждающего кожуха закреплена щетка 8 (рисунок 4.22 б);

с целью уменьшения массы шлифовальной машины ее корпус из-
готовлен из дуралюмина Д16 ГОСТ 4784-97 [106].
128
Рисунок 4.22 - Универсальная шлифовальная машина:
1 – электродвигатель, 2 – электронный регулятор оборотов, 3 – корпус
шлифовальной машины, 4 – вентиль, 5 – ограждающий кожух, 6 – патрубок,
7 – рукоятка управления, 8 – чистящая щетка.
Техническая характеристика усовершенствованной шлифовальной машины [107]:
 мощность электродвигателя – 2500 Вт;
 диаметр наружного абразивного круга – 125 мм;
 диаметр внутреннего абразивного круга – 100 мм;
 частота вращения абразивных кругов 1000 – 3000 мин 1 ;
 габаритные размеры: длина – 350 мм, ширина –135 мм, высота –
170 мм;
 масса –до 3 кг.
4.4 Выводы по главе
1. Выполненные экспериментальные исследованию по шлифованию
камня доказали работоспособность разработанной шлифовальной машины.
Экспериментально установлено, что производительность обработки увеличилась в 1,7 – 1,8 раза при снижении удельных энергозатрат на 58 – 60%.
Наиболее эффективным сочетанием абразивных кругов для комбинирован-
129
ного, предварительного и чистового шлифования является: наружный круг с
меньшей зернистостью, внутренний с большей зернистостью.
2. Измерение уровня вибрации экспериментальной шлифовальной машины при обработке камня показало, что значения виброскорости и виброперемещений уменьшились в 1,5 – 2,0 раза.
3. Разработанная ручная шлифовальная машина с биротативным рабочим органом, на которую получен патент РФ на изобретение, обеспечивает
возможность шлифования камня либо с гашением пыли, либо с ее отсосом.
4. При установке на шлифовальную машину специального переходника
она может работать как от собственного электродвигателя, так и от электродвигателя с гибким валом, что расширяет область ее применения.
5. Предложен комплект оборудования для интенсификации процесса
шлифования камня с использованием экспериментальной шлифовальной
машины, на который получен патент на полезную модель. Применение данного комплекта обеспечить возможность шлифования камня с применением
поверхностно-активных веществ и порошкообразных абразивных материалов.
130
ГЛАВА V. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1 Внедрение результатов исследования
Работы по внедрению экспериментального образца ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом проводились в ООО
«КОМФОРТ» г. Донецк Ростовской обл. (Приложение 1) при шлифовании
плит гранита и мрамора с размерами 1000х1600 мм. (рисунок 5.1). Для сравнения использовалась ручная шлифовальная машина углового исполнения с
одним абразивным кругом типа DWT-230S.
Рисунок 5.1 – Заготовки мрамора и гранита для последующей шлифовки.
ООО «КОМФОРТ» выполняет следующие виды работ:

строительные,
ремонтно-строительные,
проектно-изыскатель-
ские, реставрационные и отделочные работы;
131

работы по текущему и капитальному ремонту инженерных ком-
муникаций, узлов и установок, строительных конструкций и элементов жилых и нежилых зданий;

благоустройство города;

проведение научно-исследовательских и опытно-конструктор-
ских работ;

разработка и реализация программных средств для обработки
информации;

производство товаров народного потребления.
В процессе внедрения экспериментальная шлифовальная машина оценивалась по следующим параметрам:

производительность шлифования (измерялась путем сравнения
количества обработанных плит шлифовальной машиной с биротативным рабочим органом и машиной с одним абразивным кругом);

энергоемкость шлифования (определялась по потребляемой
мощности).
Работы проводились в течение 21 рабочего дня при 8-ми часовой рабочей смене, из них ручная шлифовальная машина работала 6,4 часа в соответствии с СанПиН 2.2.2.540-96 [88]. Шлифование производилось двумя шлифовщиками пятого разряда.
Рисунок 5.2 – Технологический процесс шлифования ручной шлифовальной
машиной с биротативным рабочим органом.
132
В ходе проведения сравнительных испытаний (рисунок 5.2) получены
следующие данные, таблица 5.1.
Таблица 5.1 – Сравнительные данные по шлифованию плит экспериментальной шлифовальной машиной и машиной с одним абразивным
кругом.
Показатель
Ед. изм.
Время работы за 21 рабочий день
час.
Количество обработанных плит шлифовальшт.
ной машиной с одним абразивным кругом
Количество обработанных плит шлифовальшт.
ной машиной с биротативным рабочим органом
Расход электроэнергии шлифовальной машикВт  ч.
ной с одним абразивным кругом
Расход электроэнергии шлифовальной машикВт  ч.
ной с биротативным рабочим органом
Удельный расход электроэнергии при шлифовании машиной с одним абразивным кру- кВт  ч/м.2
гом
Удельный расход электроэнергии при шлифовании машиной с биротативным рабочим кВт  ч/м.2
органом
Значение
134,4
21
37
362,88
372,96
10,8
6,3
Данные таблицы 5.1 показывают, что производительность у экспериментальной шлифовальной машины оказалась выше в 1,75 раза, чем у базового варианта, а удельные энергозатраты снизились на 58%. Эти результаты
можно объяснить тем, что при работе экспериментальной машины в зону обработки производилась подача 20% раствора поваренной соли, что уменьшало время шлифования.
5.2 Технико-экономическое обоснование
При определении экономической эффективности результатов исследований в качестве базового варианта принята ручная угловая шлифовальная
машина типа DWT-230S с одним абразивным кругом. Эта машина может об133
рабатывать изделия из камня только насухую, так как у нее нет приспособлений для подачи воды или другой жидкости в зону обработки изделия. Нет у
этой машины также устройств для отсоса пыли.
Разработанная в диссертации шлифовальная машина так же имеет угловое исполнение, но ее отличие от базового варианта состоит в том, что на
машине соосно установлены два чашечных абразивных круга с возможностью вращения в противоположные стороны, а в ограждающем кожухе имеется патрубок для отсоса пыли. Кроме того, в теле вертикального вала выполнено центральное сквозное отверстие, через которое можно подавать в
зону обработки либо только воду, либо воду с раствором СОЖ, либо воду с
ПАМ. Эти инновации в конструкции шлифовальной машины позволяют, как
показывают результаты экспериментальных исследований, повысить производительность обработки камня и существенно улучшить санитарногигиенические условия работы оператора.
Исходные данные к расчету приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2 – Исходные данные для расчета эффективности результатов исследований.
№
1
2
3
4
Показатели
Базовый вариант
Предлагаемый
вариант
2,7
143*
1
8
Мощность привода, кВт
2,7
Количество рабочих дней в году
250
Количество смен в сутки
1
Продолжительность смены при
8
пятидневной рабочей недели, час
5 Коэффициент
использования
0,8
0,8
времени смены
6 Цена шлифовальной машины,
9,4
10,5
тыс. руб.
* так как производительность предлагаемой шлифовальной машины больше
базовой в 1,75 раза, машина может выполнить годовую программу за 143 дня
Эффективность от внедрения предлагаемого варианта шлифовальной
машины можно оценить посредствам чистого дисконтированного дохода, который представляет разницу между доходами П, полученными за срок экс134
плуатации машины, и инвестициями, которые определяются ценой предлагаемой шлифовальной машины Ц пр [108]:
Т
П
 Ц пр ,
t
i 1 (1  r )
ЧДД  
(5.1)
где Т – горизонт расчета;
r – уровень инфляции;
t – шаг расчета.
За шаг расчета принят один календарный год, за горизонт расчета –
пять лет, а ожидаемый уровень инфляции в 2015 г. – 12%.
Результаты, достигаемые на шаге расчета при внедрении предлагаемого варианта шлифовальной машины, определяются из выражения:
П  Э эк.эл  Э зп ,
(5.2)
где Э эк.эл - экономия средств по электроэнергии;
Э зп - экономия средств по заработной плате.
Расход средств по электроэнергии:
Р эл  N р.дн  nсм  tсм  kи.см.  N дв  Ц эс ,
(5.3)
где N р.дн - число рабочих дней в году;
nсм - число смен;
tсм - продолжительность смены;
kи.см - коэффициент использования времени смены;
N дв - установленная мощность электродвигателя;
Ц эс - цена одного кВт-ч электроэнергии для предприятий в Ростовской области (по данным Ростовэнерго в 3-м квартале 2015 г.
1 кВт-ч электроэнергии для предприятий стоит 5,2 руб).
Расход средств по электроэнергии за первый год эксплуатации:
по базовому варианту:
Р эл1  250  1  8  0,8  2,7  5,2  22464 руб.,
по предлагаемому варианту:
135
Р эл1  143 1  8  0,8  2,7  5,2  12849,40 руб.
Экономия средств по электроэнергии за первый год эксплуатации:
Ээл1  22464  12849,40  9614,6 руб.
С учетом ежегодного роста тарифов на электроэнергию в размере 6%
получим:
за второй год эксплуатации:
Р эл2  22464  1,06  23811,84 руб.,
Р эл2  12849,40 1,06  13620,36 руб.,
Ээл2  23811,84  13620,36  10191,47 руб.,
за третий год эксплуатации:
Р эл3  23811,84 1,06  25240,55 руб.,
Р эл3  13620,36 1,06  14437,58 руб.,
Ээл3  25240,55  14437,58  10802,97 руб.,
за четвертый год эксплуатации:
Р эл4  25240,55  1,06  26754,98 руб.,
Р эл4  14437,58  1,06  15303,83 руб.,
Ээл4  26754,98  15303,83  11451,15 руб.,
за пятый год эксплуатации:
Р эл5  26754,98 1,06  28360,27 руб.,
Р эл5  15303,83  1,06  16222,05 руб.,
Ээл5  28360,27  16222,05  12138,22 руб.
Расход средств по заработной плате за первый год эксплуатации:
по базовому варианту:
Р зп1  250  0,68  170 тыс.руб.,
по предлагаемому варианту:
Р зп1  143  0,68  97,24 тыс.руб.,
где 0,68 тыс.р. – заработная плата шлифовщика 5-го разряда за смену.
Экономия средств по заработной плате за первый год эксплуатации:
136
Эзп1  170,0  97,24  72,76 тыс.руб.
Поскольку повышение заработной платы не планируется, экономия
средств за второй, третий, четвертый и пятый год эксплуатации составит, как
и за первый год, 72,76 тыс.р. ежегодно.
Достигаемый результат П составит:
за первый год эксплуатации:
П1  9614,6  72760  82374,6 руб.,
за второй год эксплуатации:
П 2  10191,47  72760  82951,47 руб.,
за третий год эксплуатации:
П 3  10802,97  72760  83562,97 руб.,
за четвертый год эксплуатации:
П 4  11451,15  72760  84211,15 руб.,
за пятый год эксплуатации:
П 5  12138,22  72760  84898,22 руб.,
Определим ежегодный доход с учетом уровня инфляции по выражению:
Пи 
П
(1  r)t
(5.4)
По прогнозам ожидается снижение уровня инфляции на 2% ежегодно.
Эти доходы составят:
за первый год эксплуатации:
П и1 
82374,6
 80759,41 руб.,
(1  0,02)1
за второй год эксплуатации:
П и2 
82951,47
 79730,36 руб.,
(1  0,02) 2
за третий год эксплуатации:
137
П и3 
83562,97
 78743,25 руб.,
(1  0,02)3
за четвертый год эксплуатации:
П и4 
84211,15
 77798,08 руб.,
(1  0,02) 4
за пятый год эксплуатации:
П и5 
84898,22
 76894,93 руб.
(1  0,02)5
Расчетный чистый дисконтированный доход за время эксплуатации
предлагаемой шлифовальной машины составит:
ЧДД  80759,41  79730,36  78743,25  77798,08 
 76894,93  10500  383426,03руб.
5.3 Выводы по главе
1. Внедрение экспериментальной шлифовальной машины произведено
на промышленной площадке ООО «КОМФОРТ» г. Донецка Ростовской обл.
при обработке плит мрамора и гранита.
2. Экспериментально установлено, что применение ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом повышает производительность обработки в 1,75 раза и снижает удельные энергозатраты на 58%.
3. Расчетный чистый дисконтированный доход за пять лет эксплуатации одной шлифовальной машины согласно расчету составит 383426 руб.
138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основании выполненных теоретических и
экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая
задача по разработке ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом для обработки изделий из камня в сфере жилищнокоммунального хозяйства, промышленного и гражданского строительства.
При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты,
имеющие научное и практическое значение:
1. Применяемые для обработки изделий из камня ручные шлифовальные машины отечественного и зарубежного производства с одним абразивным кругом имеют существенные недостатки, такие как сравнительно низкая
производительность, большие энергозатраты, высокий уровень вибрации,
значительный нагрузки на оператора, отсутствие, как правило, средств пылеулавливания или пылеподавления.
2. На основании теоретических исследований установлено, что применение на шлифовальной машине биротативного рабочего органа обеспечивает уравновешивание моментов резания на абразивных кругах, вследствие чего машина может устойчиво обрабатывать изделие, что исключает риски образования дефектов на обрабатываемой поверхности. Кроме того, при применении биротативного рабочего органа существенно увеличивается площадь обработки изделия за один проход.
3. Разработана математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании. Показано, что шероховатость
обрабатываемой поверхности подчиняется двумерному нормальному закону
распределения. Получена зависимость для определения числа проходов
шлифовальной машины по камню до получения требуемой шероховатости.
4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований
разработаны математические алгоритмы, на основании которых написаны
компьютерные программы для выбора абразивных кругов и режимов шлифо139
вания, а также для оценки качества обработанной поверхности, позволяющие
существенно сократить затраты времени на проведение данных операций.
5. Выполненные исследования по шлифованию камня доказали работоспособность экспериментальной шлифовальной машины. По результатам
экспериментальных исследования и производственных испытаний установлено, что производительность обработки увеличилась в 1,7 – 1,8 раза при
снижении удельных энергозатрат на 58 – 60 % и уменьшении показателей
вибрации в 1,5 – 2,0 раза по сравнению с известными образцами. При этом
наилучшим сочетанием зернистости абразивных кругов для предварительного, комбинированного и чистового шлифования признан вариант: наружный
круг с меньшей зернистостью, а внутренний с большей зернистостью.
6. Разработана ручная шлифовальная машина с биротативным рабочим
органом, на конструкцию которой получены патент на изобретение и два патента на полезную модель. Машина внедрена в производство, расчетный годовой экономический эффект составляет от 76 до 80 тыс.р. При этом обеспечивается значимый социальный эффект.
7. Предложен комплект оборудования для интенсификации процесса
шлифования камня, на который получен патент на полезную модель. Комплект обеспечивает возможность шлифования камня с подачей в зону обработки либо раствора СОЖ, либо порошкообразных абразивных материалов,
либо и того, и другого.
140
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берлин, Ю. И. Обработка строительного и декоративного камня:
Учебное пособие для ВПО / Ю.Я. Берлин, Ю.И. Сычев, И.Я. Шалаев. – Л.:
Стройиздат. Ленинград. отд-ние 1979. – 232 с., ил.
2. Дубин, П.И. Повышение производительности круглого шлифования
изделий из природного камня на основе обоснования энергосберегающих
режимов хрупкого разрушения: дис. канд. техн. наук: 05.02.07 / Дубинин
Петр Иванович; Москва. гос. ун-т. – Московский государственный технологический университет «СТАНКИН». 2010. – 174с.
3. Ржевский, В.В. Основы физики горных пород / В.В. Ржевский, Г.Я.
Новик. – изд. 3-е. перераб. и доп. М., Недра. Москва 1978. – 390с.
4. Чириков, А.С. Добыча и переработка строительных горных пород:
Учебник для вузов / А.С. Чириков. – М.: Издательство московского государственного университета. 2001. – 623с.
5. Абатуров, В.Г. Физико-механические свойства горных пород и породоразрушающий буровой инструмент: Учеб. пособие для вузов / В.Г. Абатуров. - Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2007. - 238 с.
6. Смирнов, А.Г. Добыча и обработка природного камня: Справочник /
А.Г. Смирнов. – М.: Недра, 1990 – 445с.
7. Сычев, Ю.И. Шлифовально-полировальные и фрезерные работы по
камню: Учебник для средних проф.-техн. училищ / Ю.И. Сычев, Ю.Я. Берлин. – М.: Стройиздат, 1985. – 312 с, ил.
8. Маслов, Е.Н. Теория шлифования материалов / Е.Н. Маслов – М.:
Машиностроение, 1974, 320с.
9. ГОСТ 9480 – 89 Плиты облицовочные пиленые из природного камня.
– Взамен ГОСТ 9480 – 70; введен 01.01.90. – Москва: ИПК Издательство
стандартов, 1990. – 7с.
141
10. ГОСТ 23342 – 91 Изделия архитектурно-строительные из природного камня. – Взамен 23342 – 78; введен 01.01.92. ИПК Издательство стандартов, 1991. – 11с.
11. Синельников, О.Б. Добыча природного облицовочного камня / О.Б.
Синельников. – М.: Издательство РАСХН, 2005. – 245 с.
12. Лоскутов, В.В. Шлифование металлов: Учебное пособие для профессиональных - технических училищ: 4-е изд. переработанное / В.В. Лоскутов. – М.: Москва – Свердловск, Машгиз, 1962. – 280 с. с ил.
13. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / под
ред. д.т.н., проф, А.Н. Резникова. – М.: Машиностроение, 1977. – 391 с. с илл.
14. Попов, С.А. Шлифовальные работы: Учебник для СПТУ / С.А. Попов. – М.: Высш. шк. 1987. – 383 с. с илл.
15. Стратиевский, И.Х. Абразивная обработка: Справчочник / И.Х.
Стратиевский, В.Г. Юрьев, Ю.М. Зубарев. – М.: Машиностроение, 2010. –
352 с.
16. Деркачев, И.С. Рекомендации по выбору абразивных кругов для обработки камня / И.С. Деркачев // Материалы VI Международной научнопрактической конференции «Тенденции и перспективы развития современного научного знания»: Институт стратегических исследований. Москва
2013. – С. 103 – 107.
17. Микульский, В.Г. Строительные материалы (Материаловедение.
Строительные материалы): Учебное издание / В.Г. Микульский [и др.] – М.:
Издательство Ассоциация строительных вузов, 2004. – 536 с.
18. Барсов, И.П. Строительные машины и оборудование: Учебник для
техникумов / И.П. Барсов. 2 – е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986.
– 511 с., с ил.
19. Раннев, А.В. Строительные машины: Справочник: В 2 т. Т. 1: Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог /
А.В. Раннев [и др.]; под общ. ред. Э.Н. Кузина. 5 – е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1991. – 496 с. с ил.
142
20. Волков, Д.П. Строительные машину: Учебник для вузов спец. ПГС /
Д.П. Волков [и др.]; под ред. Д.П. Волкова. – М.: Высш. шк., 1988. – 319 с. с
ил.
21. Деркачев, И.С. Комплект оборудования для интенсифицированного
шлифования изделий из камня / И.С. Деркачев // Электронный научный журнал. Современные проблемы науки и образования. – Москва, 2013 - №2 URL:
http://www.science-education.ru/108-8870.
22. Patent US 5261190 A United States. Eccentric grinder / Gunter Berge,
Karl-Heinz Braunbach. - № US 07/752,440; PCT Filed 17.11.1989; PCT Pub. Date
16.11.1993
23. Patent US 4891915 A United States. Disk grinder / Shigeru Yasuda. - №
US 07/268,841; PCT Filed 08.11.1988; PCT Pub. Date 09.01.1990
24. Patent US 4965965 A United States. Grinding head for surfacing and
polishing stone, marbles and other hard materials / Sven E. Wallin, Andres Wallin.
- № US 07/372,124; PCT Filed 27.06.1989; Date of Patent 30.10.1990.
25. Patentamt DE 4009876 A1. Germany. Handwerkzeugmaschine mit
schleifteller / Arnuif Gutknecht, Gunther Berger, Manfred-Otto Stabler, ManfredWilhelm Stabler, DE Leinfelden-Echterdingen, Claus Kemmner, Albert lng.(grad.)
Kleider, Martin Schmideder. – DE19904009876; Anmeldetag 28.03.1990; Offenlegungstag 28.02.1991.
26. Patent EP 0472548 A1 Europaische Patentschrift. Portable tool comprising a drive housing with packing ring / Manfred Kirm. - № EP 19900906906; PCT
Filed 17.05.1990; Date of Patent 04.03.1992.
27. Patent EP 0447408 B1 Europaische Patentschrift. Hand tool with a
multipart, manually operated quick-change clamping device / Gunter Schaal, Walter Barth, Gerd Bemmer . - № EP 19890911766; PCT Filed 26.10.1989; Date of
Patent 07.01.1993.
28. Patent EP 0559020 B1 Europaische Patentschrift. Orbit disc sander with
limited disc speed / Steffen Dipl.-lng. Wunsch, Claus Dipl.-lng. Kemmher, Karl-
143
Heinz Dipl.-lng. Braunbach, Klaus Wurst, Thomas Palaver. - № EP 19930102636;
PCT Filed 19.02.1993; Date of Patent 15.10.1997.
29. А. с. SU 1627388 А1 СССР. Шлифовальная головка / Н.Т. Золотопуп, А.А. Айриев. – № 4498322/08; заявл. 25.10.1988; опубл. 15.02.1991, Бюл.
№11.
30. А. с. SU 1689032 А2 СССР. Устройство для обработки плоских поверхностей / В.М. Ванин, А.А. Орап, С.В. Сохань, Н.Е. Стахниев. – №
1359099; заявл. 21.03.1989; опубл. 07.11.1991, Бюл. №41.
31. А. с. SU 89257 А1 СССР. Шлифовально-полировальный агрегат /
И.И. Шонин. – № 388286; заявл. 07.12.1948; опубл. 01.01.1950, Бюл. №11
32. Устройство для абразивной обработки и чистки поверхностей: пат.
2046693 Рос. Федерация. № 93050729/08: заявл; 05.11.93; опубл. 07.11.1991.
Бюл. №11.
33. Patentamt DE 3717723 A1. Germany. Hand-guided electric tool, such as
angle grinder and the like / Herbert lng. Grad Piater, Juergen lng. Grand Strauss,
Helmut lng. Grand Zabel. – DE19873717723; Anmeldetag 26.05.1987; Offenlegungstag 08.12.1988.
34. 220 вольт: интернет магазин [Электронный ресурс]. – М.: - Режим
доступа: http://www.220-volt.ru/catalog/shlifovalnye-mashiny-po-betonu/, свободный. Загл. с экрана.
35. Горобец, И.А. Исследование качества поверхности при шлифовании
заготовок из природного камня / И.А. Горобец, Н.В. Голубов // Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 129/2012. Серія: Машиноприладобудування та транспорт.— Севастополь, 2012. – С. 50-55.
36. Горобец, И.А. Повышение качества шлифования заготовок из природного камня / И.А. Горобец, Н.В. Голубов, И.А. Чвала // Вісник Донбаської
державної машинобудівної академії: тематичний збірник наукових праць. Краматорськ: ДДМА, 2010. - № 1 (6Е). - С. 29-36.
144
37. Горобец, И.А. Управление качеством поверхностного слоя обрабатываемой заготовки / И.А. Горобец, А.Н. Михайлов // Міжнародний збірник
наукових праць. Донецьк: ДонНТУ. 2004. Вип. 22. 2003.
38. Байков, А.В. Неравномерность съема материала при многопроходном шлифовании плоских поверхностей / А.В. Байков // Прогресивні
технології та системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. Донецьк: ДонНТУ. 2014. – Вип. 1 (47). – С. 34-39.
39. Байков, А.В. Определение шероховатости поверхности при обработке эластичным шлифовальным инструментом / А.В. Байков, А.Н. Михайлов, К.А. Билищук // Прогресивні технології та системи машинобудування:
Міжнародний зб. наукових праць. - Донецьк: ДонНТУ, 2011. - Вип. 42 - С.
33-37.
40. Байков, А.В. Обеспечение шероховатости поверхности при тонком
шлифовании изделий из природного камня / А.В. Байков // Прогресивні
технології та системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. Донецьк: ДонНТУ, 2013. - Вип. 1, 2(46) - С. 9 - 15.
41. Горобец, И.А. Исследование производительности процесса шлифования изделий из природного камня / И.А. Горобец, Н.В. Голубов, И.А. Чвала
// Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. Вип. 41. – С. - 86-91.
42. Филатов, Ю.Д. Оценка качества обработанных поверхностей деталей из неметаллических материалов / Ю.Д.Филатов, В.И. Сидорко, С.В. Ковалев, А.Ю. Филатов, В.П. Ящук // Наукові праці Донецького національного
технічного університету. Серія: машинообладнання. Донецьк: ДонНТУ, 2008,
Вип 5. – С. 127 - 134.
43. Леушева, Е.Л. Анализ существующих методов выбора поверхностно-активных веществ для повышения эффективности разрущения твердых
горных пород на забое скважины / Е.Л. Леушева, М.В. Турицина // Научный
вестник государственного горного университета. Москва: МГГУ. – 2012.
Вып. 10. – С. 46 – 50.
145
44. Nad Alona. Development and prospects of mineral liberation by using
SAW and electrical pulses / Nad Alona // VI Krakowska Konferencja Młodych
Uczonych, Kraków 2011. – Р. 385 – 393.
45. Шумячер, В.М. Феноменологическая модель прочности абразивного зерна в связи с режимами разрушения / В.М. Шумячер, О.И. Пушкарев,
В.В. Перемыщев, С.В. Скопинцев // Материалы Международной научнотехнической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2005 – С. 31 – 33.
46. Байдакова, Н.В. Повышение эффективности абразивной обработки
за счет применения инструмента с классифицированным по форме зерном /
Н.В. Байдакова, В.М. Шумячер // Материалы Международной научнотехнической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2004 – С. 24 – 27.
47. Адигамов, К.А. Ручная шлифовальная машина с исполнительным
органом двойного вращения / К.А. Адигамов, И.С. Деркачев // Известия высших учебных заведений. Северо–Кавказского региона. Технические науки.
Новочеркасск. 2012 – С. 46 – 47
48. Козловкская, Т.Ф. Влияние поверхностно-активных веществ и их
растворов на интенсивность дробления горных пород / Козловская, В.Д. Лемижанская, Долударева Т.Ф. // Вісник КрНУ імені Михайла Остроградського. Кременчуг. – 2013. – С. 124 – 129.
49. Терган, В.С. Шлифование на круглошлифовальных станках: Учебник для проф. – техн. училищ / В.С. Терган, Л.Ш. Доктор.: М. Изд-во Высш.
школа, 1972 – 376 с., ил.
50. Прасолов, В.В. Геометрия / В.В. Просолов, В.М. Тихомиров. – М.:
МЦНМО, 2007. – 328 с.
51. Деркачев, И.С. Математическая модель формирования шероховатости поверхности камня при плоском шлифовании и определение площади
контакта абразивного круга с поверхностью / И.С. Деркачев, М.Ф. Мицик,
146
К.А. Адигамов, О.В. Жданова, С.Н. Байбара // Электронный научный журнал.
Фундаментальные исследования. Москва, 2015 - №2 URL:
52. Вержанский, А.П. Обоснование параметров упругого круглого наружного шлифования природного камня / А.П. Вержанский, П.И. Дубинин –
М.: Горный информационно-аналитический бюллетень, № 5, 2007, С. 72 – 82.
53. Гусев, В.В. Математическая модель формирования шероховатости
поверхности конструкционной керамики при алмазном шлифовании / В.В.
Гусев, А.Д. Молчанов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: - ДонНТУ,
2002. Вып. 19. - 50-57 С.
54. Белик, В.В. Физическая и коллоидная химия: Учебник / В.В. Белик,
К.И. Киенская. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 288 с.
55. Четвергов, В.А. Физические основы надежности: Конспект лекций /
Четвергов В.А., Овчаренко С.М. // Омский гос. ун-т путей и сообщения.
Омск. 2002. – 37 с.
56. Шумячер, В.М. Внезонная подача СОЖ через тело шлифовального
круга / В.М. Шумячер, В.А. Деменков // Материалы Международной научнотехнической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2003 – С. 238 – 241.
57. Шумячер, В.М. Физико-химические процессы в контакте «круг - заготовка» при шлифовании с СОЖ / В.М. Шумячер, И.В. Носова // Материалы
Международной научно-технической конференции «Процессы абразивной
обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2011 – С. 91 – 93.
58. Шумячер, В.М. Повышение экологической безопасности процессов
абразивной обработки за счет применения специального инструмента / В.М.
Шумячер, П.В. Орлов // Материалы Международной научно-технической
конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и
материалы». Сборник статей. – Волжский – 2003 – С. 237 – 238.
147
59. Носова, И.В. Повышение эффективности шлифования путем рационального подбора компонентов технологической среды / И.В. Носова,
В.М. Шумячер // Материалы Международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2014 – С. 97 – 100.
60. Шоболова, Л.П. Разработка методики выбора оптимальных поверхностно-активных жидкостей для понижения сопротивляемости горных пород
разрушению: дис. канд. техн. наук: 05.15.11 / Шоболова Лариса Павловна;
Москва. Институт горного дела им. А.А. Скочинского. 1984. – 180 с.
61. Шумячер, В.М. Оценка эффективности смазочно-охлаждающих
жидкостей при алмазном шлифовании карбидокремниевой керамики / В.М.
Шумячер, Д.О. Пушкарев // Материалы Международной научно-технической
конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и
материалы». Сборник статей. – Волжский – 2009 – С. 153 – 155.
62. Крюков, С.А. Стабилизация и регуляция структурно-механических
характеристик абразивных инструментов / С.А. Крюков, В.М. Шумячер.;
Министерство образования и науки Российской Федерации, Волгоградский
государственный архитектурно-строительный университет, ВИСТех (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. 178 с.
63. Деркачев, И.С. Выбор порошкообразных абразивных материалов
для шлифования изделий из камня / И.С. Деркачев // Материалы Международной дистанционной научно-практической конференции «Современные
тенденции развития науки и производства» в 4-х томах, Том 3, - Кемерово
2014 – С. 43 – 48
64. Эфрос, М.Г. Современные абразивные инструменты: 3-е изд., перераб. и доп. / М.Г. Эфрос, В.С. Миронюк; под ред. З.И. Кремня. – Л.: Изд-во
Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1987 – 158 с., ил.
65. Кащук, В.А. Справочник шлифовщика / В.А. Кащук, А.Б. Верещагин. – М.: Машиностроение, 1988 – 480 с., ил.
148
66. Наерман, М.С. Справочник молодого шлифовщика / М.С. Наерман.
– М.: Изд-во Высш. школа, 1985 – 207 с., ил.
67. Абразивные материалы и инструменты. Каталог – справочник / В.А.
Рыбаков [и др.]; под ред. В.А. Рыбакова. – М.: Изд-во НИИмаш, Москва,
1981 – 356 с., ил.
68. Гарвер, М.И. Декоративное шлифование и полирование / М.И. Гарвер. – М.: Изд-во МАШГИЗ, Москва, 1948 – 183 с., ил.
69. ГОСТ 52381-2005 Материалы абразивные. Зернистость и зерновой
состав шлифовальных порошков. Контроль зернового состава. – введ.
27.10.05. – Москва: ИПК Издательство стандартов, 2005. – 15с.
70. Дуличенко, И.В. Шлаки алюмотермического производства ниобия
как новый абразивный материал в производстве абразивных инструментов /
И.В. Дуличенко, Т.Н. Орлова, В.М. Шумячер // Материалы Международной
научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. – Волжский – 2011 –
С.13 – 17.
71. Угловая ручная шлифовальная машина: пат 115704 Рос. Федерация.
№ 2011150937/02; заявл. 14.12.11; опубл. 20.06.13. Бюл. №13.
72. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной
отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали; введ. 01.01.91. – Москва: Стандартинформ, 2008 – 21 с.
73. Рыбаков, В.А. Абразивные материалы и инструменты: Каталог
ВНИИАШ / В.А. Рыбаков, В.И. Муцянко. – М.: НИИмаш: 1981 – 365с.
74. ГОСТ 2424-83. Круги шлифовальные. Технические условия. - Взамен ГОСТ 2424-75; введ. 01.01.85. – Москва: ИПК Изд-во стандартов, 1985. –
39 с.
75. Ипполитов, Г.М. Абразивно-алмазная обработка / Г.М. Ипполитов.
– М.: Машиностроение, Москва. 1969. – 343 с.
76. Derkachev, I.S. Development of a computer program to select the mode
of abrasive wheels and grinding stone / I.S. Derkachev, N.A. Dmitrienko // Мате149
риалы Международной научно-практической конференции «Закономерности
и тенденции развития науки». Уфа. 2014. – С. 21-23.
77. Derkachev, I.S. Choice of surface-active substances for grinding stone
articles / I.S. Derkachev, N.A. Dmitrienko, K.A. Adigamov // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской
науки»: Центр развития научного сотрудничества. Новосибирск 2013 – С. 97101.
78. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для
ЭВМ №201462563 «Программа по выбору абразивных кругов и режимов
шлифования камня с применением поверхностно-активных веществ» / Адигамов К.А., Деркачев И.С. опубл. 28.02.2014.
79. MSDN – Справочник для разработчиков [Электронный ресурс]. –
Microsoft. - Режим доступа: http://msdn.microsoft.com/ru-RU/ свободный. –
Загл. с экрана.
80. Straustrup, B. Programming: principles and practice using C++ / B.
Straustrup. - New York: Addison Wesley Pubilshing Company, Ins/ 2009. – 1248
р.
81. Schildt, H. The complete reference C# 4.0 / H. Schildt. – New York:
McGraw-HillCompanies, 2003. – 1044 p.
82. Schildt, H. Complete guide to C# / H. Schildt. – New York: McGrawHillCompanies, 2003. – 752 p.
83. Richard, S.M. Mineral names / S.M. Richard. – New York: Van nostrand
reinhold company, 1979. – 248p.
84. Hurlbut, JR. Manual of mineralogy / JR. Hurlbut, Klein C. – New York:
by John Wiley & Sons, 1977. – 524p.
85. Толстой, М.П. Геология с основами минералогии. 4-е изд. перераб.
и доп. / М.П. Толстой. – М.: Агропромиздат, 1991. – 398 с.: ил.
86. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для
ЭВМ №2014660208 «Программа для определения шероховатости поверхно-
150
сти камня» / Адигамов К.А., Деркачев И.С., Воронин В.В., Сизякин Р.А., Гапон Н.В. опубл. 2.10.2014.
87. ГОСТ 3060-86 Круги шлифовальные. Допустимые неуравновешенные массы и методы их измерения. – Взамен ГОСТ 3060-75; введен 01.01.88.
– Москва: Издательство стандартов, 1988. – 18 с.
88. Адигамов К.А. Алгоритм и принцип работы программы для определения шероховатости поверхности камня после шлифовки / К.А. Адигамов,
В.В. Воронин, И.С. Деркачев, Р.А. Сизякин, Н.В. Гапон // Электронный научный журнал. Современные проблемы науки и образования. Москва, 2015 №1 URL: http://www.science-education.ru/121-17344.
89. Pietikäinen М. Texture analysis in industrial applications, Image
Technology - Advances in Image Processing, Multimedia and Machine Vision,
(Ed. J.L.C. Sanz) / M. Pietikäinen, T. Ojala // Springer-Verlag, 1996. – P. 337-359.
90. Ojala T. Multiresolution Gray-Scale and Rotation Invariant Texture
Classification with Local Binary Patterns, IEEE Transactions on pattern analysis
and machine intelligence / T. Ojala, M. Pietikaeinen, T. Maenpaa // vol. 24, no. 7,
2002.
91. Вапник, В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным / В.Н. Вапник. — М.: Наука, 1979. – 448 с.
92. Котельников, Е.В. Параллельная реализация машины опорных
векторов с использованием методов кластеризации / Е.В. Котельников, А.В.
Козвонина // ПаВТ 2008 Труды международной научной конференции, Санкт
- Петербург 2008. – С. 417 – 421.
93. Vapnik, V.N. The Nature of Statistical Learning Theory / V.N. Vapnik.
Springer-Verlag, 1995.
94. Vapnik, V.N. Statistical Learning Theory / V.N. Vapnik. New York:
Viley, 1998.
95. Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика:
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 543 с.
151
96. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика:
Учеб. пособие для вузов / В.Е. Гмурман. – М.: Высш. шк., 1999. 479 с.
97. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский.— изд. 2е. перераб. и доп. М.: Наука, 1976, 279 с.
98. Колемаев, В.А. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Колемаева. – М: ИНФРА-М, 1997. –
302 с.
99. Деркачев, И.С. Компьютерный электронно-механический измерительный блок / И.С. Деркачев // Материалы Международной научнопрактической конференции «Проблемы и перспективы современной науки»:
Ставрополь, Цент научного знания «Логос», 2015 – С. 107 – 111.
100. Деркачев, И.С. К вопросу шлифования камня абразивным инструментом / И.С. Деркачев // Материалы Международной научно – практической конференции «Актуальные проблемы современного строительства»:
Пенза, Приволжский дом знаний, 2011 – С. 18 – 21.
101. Санитарные правила и нормы: 2.2.2.540-96. Технологические процессы, сырье, материалы и оборудование, рабочий инструмент. Гигиенические требования к ручным инструментам и организации работ. – Москва.:
1997. – 43 с.
102. ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны. – Взамен ГОСТ 12.1.005-76; введен 01.01.89. – Москва: ИПК Издательство стандартов, 1989. – 71 с.
103. ГОСТ 30873.8-2006. Ручные машины. Измерение вибрации на рукоятке. Часть 8. Машины полировальные, круглошлифовальные, орбитальные шлифовальные и орбитально-вращательные шлифовальные.; введен
24.06.06. – Москва: Стандартинформ, 2006. – 11 с.: ил.
104. Шумячер В.М. Ресурсосберегающие технологии и возможности
утилизации отходов / В.М. Шумячер, И.В. Надеева, О.Ю. Пушкарская // Материалы Международной научно-технической конференции «Процессы абра152
зивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Сборник статей. –
Волжский – 2006 – С. 96 – 98.
105. Установка для обработки изделий из камня ручной шлифовальной
машиной: пат. 129038 Рос. Федерация. № 2013101650/02; заявл. 11.01.13;
опубл. 20.06.13. Бюл. №17.
106 ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые и деформируемые. – Взамен ГОСТ 4784-74; введ. 01.07.2000. – Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1999 – 19с.
107. Универсальная шлифовальная головка: пат. 2534702 Рос. Федерация. № 2012154195/02; заявл. 13.12.12; опубл. 10.12.14. Бюл. №34.
108. Филатов, О.К. Экономика предприятий (организаций) / О.К. Филатов // Учебник, 3-е изд. перераб. и доп. Финансы и статистика. 2005. – 512 с.
153
154
155
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Программный код программы по выбору абразивных кругов и режимов
шлифования камня с применением поверхностно активных веществ.
функции:
Класс DBEditor.cs.
DBEditor_Load – обработчик события загрузки формы редактирования
данных;
BTSave_Click – обработчик события нажатия на кнопку сохранения
данных в файл;
LoadData – функция для загрузки данных на форму редактирования;
GetRow – функция для получения текущей выделенной строки в таблице;
BTAddColumn_Click – обработчик события нажатия на кнопку добавления столбца;
DGVMain_CellEnter – обработчик события получения фокуса ячейкой
таблицы;
DGVValues_CellEndEdit – обработчик события завершения редактирования ячейки;
BTValuesAdd_Click – обработчик события добавления значения в выбранной ячейке;
BTValuesDel_Click – обработчик события удаления значения из ячейки;
BTCancel_Click – обработчик события нажатия на кнопку отмены.
Класс IO.cs
SaveData – функция сохранения данных в файле;
GetString – функция получения строки XML-подобного формата из
набора значений ключ-значение (словарь);
LoadData – функция загрузки данных из файла;
GetDictionary – функция для получения набора значений ключзначение из строки XML-подобного формата.
156
Класс MainForm.cs
MainForm_Load – обработчик события загрузки данных на главную
форму;
LoadData – функция загрузки данных из файла на главную форму;
CMB_SelectedIndexChanged – обработчик события изменения выбранного значения в выпадающем списке;
BTEdit_Click – обработчик события нажатия на кнопку вызова формы
редактирования данных;
DGVValues_CellEnter – обработчик события получения фокуса ячейкой таблицы главной формы.
Файл DBEditor.cs
using
using
using
using
using
System;
System.Collections.Generic;
System.Data;
System.IO;
System.Windows.Forms;
namespace RubHelper {
/// <summary>
/// Форма для редактирования данных
/// </summary>
public partial class DBEditor : Form {
public DBEditor() {
InitializeComponent();
}
public Dictionary<string, object> Dict = null;
private Dictionary<string, object> _dict = null;
/// <summary>
/// Загрузка данных
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void DBEditor_Load(object sender, EventArgs e) {
_dict = Dict;
LoadData();
}
/// <summary>
/// Сохранение данных в файл
157
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void BTSave_Click(object sender, EventArgs e) {
_dict = new Dictionary<string, object>();
try {
foreach (DataGridViewColumn column in
DGVMain.Columns) {
var dict = new Dictionary<string, object>();
foreach (DataGridViewRow row in
DGVMain.Rows) {
var cell = DGVMain[column.Index,
row.Index].Tag as Dictionary<string, object>;
dict.Add(row.HeaderCell.Value + "",
cell);
DGVMain[column.Index,
row.Index].ErrorText = "";
}
_dict.Add(column.Name, dict);
}
Dict = _dict;
IO.SaveData(_dict);
DialogResult = System.Windows.Forms.DialogResult.OK;
Close();
} catch (Exception ex) {
MessageBox.Show("Невозможно сохранить данные" +
ex.Message);
}
}
/// <summary>
/// Загрузка данных в таблицу
/// </summary>
public void LoadData() {
bool done = true;
// Сначала добавляем столбцы, иначе будет исключение
foreach (var stone in _dict.Keys) {
var index = DGVMain.Columns.Add(stone, stone);
DGVMain.Columns[index].AutoSizeMode = DataGridViewAutoSizeColumnMode.Fill;
}
foreach (var stone in _dict.Keys) {
var row = _dict[stone] as Dictionary<string, object>;
if (row == null) {
done = false;
continue;
}
foreach (var r in row.Keys) {
var rowNew = GetRow(r);
158
rowNew.HeaderCell.Value = r;
var cell = row[r] as Dictionary<string, object>;
if (cell == null) {
done = false;
continue;
}
var val = new Dictionary<string, object>();
foreach (var c in cell.Keys) {
val.Add(c, cell[c] + "");
}
rowNew.Cells[DGVMain.Columns[stone].Index].Tag = val;
}
}
if (!done) {
MessageBox.Show("Не удалось корректно загрузить
данные");
}
}
/// <summary>
/// Получает строку по ее имени
/// </summary>
/// <param name="str"></param>
private DataGridViewRow GetRow(string str) {
foreach (DataGridViewRow row in DGVMain.Rows) {
if (row.HeaderCell.Value + "" == str) {
return row;
}
}
return DGVMain.Rows[DGVMain.Rows.Add()];
}
private void BTAddColumn_Click(object sender, EventArgs e) {
AddItem form = new AddItem();
form.ShowDialog();
if (form.DialogResult == System.Windows.Forms.DialogResult.OK) {
var index = DGVMain.Columns.Add(form.Value,
form.Value);
DGVMain.Columns[index].AutoSizeMode = DataGridViewAutoSizeColumnMode.Fill;
}
}
private void BTAddRow_Click(object sender, EventArgs e) {
AddItem form = new AddItem();
form.ShowDialog();
if (form.DialogResult == System.Windows.Forms.DialogResult.OK) {
159
int rowNum = DGVMain.Rows.Add();
DGVMain.Rows[rowNum].HeaderCell.Value =
form.Value;
}
}
private void DGVMain_CellEnter(object sender, DataGridViewCellEventArgs e) {
DGVValues.Rows.Clear();
var dict = DGVMain[e.ColumnIndex, e.RowIndex].Tag as
Dictionary<string, object>;
if (dict != null) {
foreach (var item in dict.Keys) {
var rowNew = DGVValues.Rows[DGVValues.Rows.Add()];
rowNew.Cells[ClValues.Index].Value =
dict[item];
rowNew.HeaderCell.Value = item;
}
}
}
private void DGVValues_CellEndEdit(object sender, DataGridViewCellEventArgs e) {
Dictionary<string, object> dict = new Dictionary<string, object>();
foreach (DataGridViewRow item in DGVValues.Rows) {
dict.Add(item.HeaderCell.Value + "",
item.Cells[ClValues.Index].Value + "");
}
if (DGVMain.SelectedCells.Count > 0) {
DGVMain[DGVMain.SelectedCells[0].ColumnIndex,
DGVMain.SelectedCells[0].RowIndex].Tag = dict;
DGVMain[DGVMain.SelectedCells[0].ColumnIndex,
DGVMain.SelectedCells[0].RowIndex].ErrorText =
"Значение изменено, но еще не сохранено";
}
}
private void BTValuesAdd_Click(object sender, EventArgs e) {
AddItem form = new AddItem();
form.ShowDialog();
if (form.DialogResult == System.Windows.Forms.DialogResult.OK) {
var rowNew = DGVValues.Rows[DGVValues.Rows.Add()];
rowNew.HeaderCell.Value = form.Value;
rowNew.Cells[ClValues.Index].Selected = true;
}
}
160
private void BTValuesDel_Click(object sender, EventArgs e) {
if (DGVValues.SelectedCells.Count == 0)
return;
DGVValues.Rows.Remove(DGVValues.Rows[DGVValues.SelectedCells[0].RowIndex]);
}
/// <summary>
/// Отменить изменения
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void BTCancel_Click(object sender, EventArgs e) {
Close();
}
}
}
Файл IO.cs
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.IO;
using System.Windows.Forms;
namespace RubHelper {
/// <summary>
/// Класс работы с файлом данных
/// </summary>
public class IO {
/// <summary>
/// Ключ шифрования файла. НЕ МЕНЯТЬ ПОСЛЕ СОЗДАНИЯ РАБОЧЕГО
ФАЙЛА!!!
/// </summary>
private static string _key = "uishrgopj8sg5we2wegw8";
/// <summary>
/// Имя файла с данными
/// </summary>
private static string _fileName = "data.frh";
/// <summary>
/// Сохранение данных в файл
/// </summary>
public static void SaveData(Dictionary<string, object> dict)
{
File.WriteAllText(_fileName, GetString(dict, 0));
}
/// <summary>
161
/// Рекурсивное преобразование словаря в текст
/// </summary>
/// <param name="dict"></param>
/// <param name="lvl"></param>
/// <returns></returns>
private static string GetString(Dictionary<string, object>
dict, int lvl) {
string str = "";
bool f = false; // Флаг для форматирования текста
foreach (var col in dict.Keys) {
if (dict[col] is string) {
if (f) {
str += new string('\t', lvl);
}
str += "<" + col + ">";
str += dict[col];
str += "</" + col + ">\n";
f = true;
} else if (dict[col] is Dictionary<string, object>) {
var prefix = new string('\t', lvl);
str += prefix + "<" + col + ">\n";
str += prefix + prefix + GetString(dict[col]
as Dictionary<string, object>, lvl + 1);
str += prefix + "</" + col + ">\n";
}
}
return str;
}
/// <summary>
/// Загрузка данных в таблицу
/// </summary>
public static Dictionary<string, object> LoadData() {
var txt = File.ReadAllText(_fileName);
txt = txt.Replace("\t", "");
txt = txt.Replace("\n", "");
txt = txt.Trim(' ');
return GetDictionary(txt);
}
/// <summary>
/// Рекурсивная загрузка данных
/// </summary>
/// <returns></returns>
private static Dictionary<string, object> GetDictionary(string txt) {
var dict = new Dictionary<string, object>();
while (txt != "") {
int indexStart = txt.IndexOf("<");
int indexEnd = txt.IndexOf(">");
162
string substr = txt.Substring(indexStart + 1, indexEnd - indexStart - 1);
int indexLast = txt.IndexOf("</" + substr + ">");
string subdata = txt.Substring(indexEnd + 1, indexLast - indexEnd - 1);
if (subdata.Contains("<") &&
subdata.Contains(">")) {
dict.Add(substr, GetDictionary(subdata));
} else {
dict.Add(substr, subdata);
}
txt = txt.Substring(indexLast + 1);
txt = txt.Substring(txt.IndexOf(">") + 1);
}
return dict;
}
}
}
Файл MainForm.cs
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Windows.Forms;
using System.IO;
namespace RubHelper {
public partial class MainForm : Form {
public MainForm() {
InitializeComponent();
}
private Dictionary<string, object> _dict = null;
/// <summary>
/// Загрузка данных на форму
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e) {
try {
_dict = IO.LoadData();
LoadData();
} catch (Exception ex) {
MessageBox.Show("Не удалось загрузить данные.
Дальнейшая работа невозможна.\n" + ex.Message);
Close();
}
}
/// <summary>
163
/// Загрузка данных в комбобоксы
/// </summary>
private void LoadData() {
CMBStone.Items.Clear();
CMBClean.Items.Clear();
foreach (var cl in _dict.Keys) {
CMBStone.Items.Add(cl);
var dict = _dict[cl] as Dictionary<string, object>;
if (dict == null) {
continue;
}
foreach (var clean in dict.Keys) {
if (!CMBClean.Items.Contains(clean)) {
CMBClean.Items.Add(clean);
}
}
}
if (CMBStone.Items.Count > 0)
CMBStone.SelectedIndex = 0;
if (CMBClean.Items.Count > 0)
CMBClean.SelectedIndex = 0;
}
/// <summary>
/// Изменение выбранных пунктов
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void CMB_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e) {
if (CMBStone.SelectedIndex == -1 ||
CMBClean.SelectedIndex == -1)
return;
Dictionary<string, object> data = null;
DGVValues.Columns.Clear();
string stone = CMBStone.SelectedItem + "";
string clean = CMBClean.SelectedItem + "";
if (_dict.ContainsKey(stone)) {
var dict = _dict[stone] as Dictionary<string, object>;
if (dict != null) {
if (dict.ContainsKey(clean)) {
var values = dict[clean] as Dictionary<string, object>;
if (values != null) {
data = values;
}
}
}
164
}
if (data == null) {
MessageBox.Show("Не удалось прочитать данные");
return;
}
// Сначала создаем столбцы
foreach (var key in data.Keys) {
DGVValues.Columns.Add(key, key);
DGVValues.Columns[key].AutoSizeMode = DataGridViewAutoSizeColumnMode.Fill;
}
int rowNum = DGVValues.Rows.Add();
foreach (var key in data.Keys) {
DGVValues[key, rowNum].Value = data[key];
}
if (DGVValues.Rows.Count > 0 && DGVValues.Columns.Count > 0) {
DGVValues_CellEnter(new object(), new DataGridViewCellEventArgs(0,0));
}
}
private void BTEdit_Click(object sender, EventArgs e) {
DBEditor db = new DBEditor();
db.Dict = _dict;
if (db.ShowDialog() == System.Windows.Forms.DialogResult.OK) {
_dict = db.Dict;
}
}
private void DGVValues_CellEnter(object sender, DataGridViewCellEventArgs e) {
if (e.RowIndex != 0)
return;
var txt = DGVValues.Columns[e.ColumnIndex].Name +
":\n";
txt += DGVValues[e.ColumnIndex, 0].Value;
TBDescription.Text = txt;
}
}
}
165
166
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Программный код программы для определения шероховатости поверхности камня.
clear all
close all
clc
I=rgb2gray(imread('гранит 3(2).jpg'));
% I=imcrop(I);
t=100;
[M N]=size(I);
mapping=getmapping(16,'riu2');
k=0;
d=0;
for i=1:t:M-t
for j=1:t:N-t
w=I(i:i+t-1,j:j+t-1);
k=k+1;
[CLBP_A,CLBP_B]=clbp(w,2,16,mapping,'h');
d(k,1:36)=[CLBP_A CLBP_B];
end
end
ens=load('ens.mat');
ens=ens.ens;
ypredict = predict(ens,d);
figure,hist(ypredict,1:3)
xlabel('F24
F46
F60');
%
% a=I(175,:);
%
%
% m=median(a);
% a=a-m;
%
% mm=abs(min(a));
%
% a=a+mm;
%
% figure,plot(a);
%
% I(175,:)=0;
% figure,imshow(I)
%
% I=imcrop(I,[500 500 500 500]);
%
% figure,imshow(I)
%
% I=im2double(rgb2gray(I));
% level = graythresh(I);
167
%
% I=im2bw(I,level);
% figure,imshow(I)
% clc
%
% [M N]=size(I);
%
% all=M*N;
% white=sum(sum(I));
%
% black=all-white;
%
% razn=white-black;
%
%
% pW=(white*100)/all
% pB=(black*100)/all
%
%
%GETMAPPING returns a structure containing a mapping table for LBP codes.
% MAPPING = GETMAPPING(SAMPLES,MAPPINGTYPE) returns a
% structure containing a mapping table for
% LBP codes in a neighbourhood of SAMPLES sampling
% points. Possible values for MAPPINGTYPE are
%
'u2' for uniform LBP
%
'ri' for rotation-invariant LBP
%
'riu2' for uniform rotation-invariant LBP.
%
% Example:
%
I=imread('rice.tif');
%
MAPPING=getmapping(16,'riu2');
%
LBPHIST=lbp(I,2,16,MAPPING,'hist');
% Now LBPHIST contains a rotation-invariant uniform LBP
% histogram in a (16,2) neighbourhood.
%
function mapping = getmapping(samples,mappingtype)
% Version 0.1.1
% Authors: Marko Heikkilд and Timo Ahonen
% Changelog
% 0.1.1 Changed output to be a structure
% Fixed a bug causing out of memory errors when generating rotation
% invariant mappings with high number of sampling points.
% Lauge Sorensen is acknowledged for spotting this problem.
table = 0:2^samples-1;
newMax = 0; %number of patterns in the resulting LBP code
index = 0;
if strcmp(mappingtype,'u2') %Uniform 2
newMax = samples*(samples-1) + 3;
for i = 0:2^samples-1
j = bitset(bitshift(i,1,samples),1,bitget(i,samples)); %rotate left
168
numt = sum(bitget(bitxor(i,j),1:samples)); %number of 1->0 and
%0->1 transitions
%in binary string
%x is equal to the
%number of 1-bits in
%XOR(x,Rotate left(x))
if numt <= 2
table(i+1) = index;
index = index + 1;
else
table(i+1) = newMax - 1;
end
end
end
if strcmp(mappingtype,'ri') %Rotation invariant
tmpMap = zeros(2^samples,1) - 1;
for i = 0:2^samples-1
rm = i;
r = i;
for j = 1:samples-1
r = bitset(bitshift(r,1,samples),1,bitget(r,samples)); %rotate
%left
if r < rm
rm = r;
end
end
if tmpMap(rm+1) < 0
tmpMap(rm+1) = newMax;
newMax = newMax + 1;
end
table(i+1) = tmpMap(rm+1);
end
end
if strcmp(mappingtype,'riu2') %Uniform & Rotation invariant
newMax = samples + 2;
for i = 0:2^samples - 1
j = bitset(bitshift(i,1,samples),1,bitget(i,samples)); %rotate left
numt = sum(bitget(bitxor(i,j),1:samples));
if numt <= 2
table(i+1) = sum(bitget(i,1:samples));
else
table(i+1) = samples+1;
end
end
end
mapping.table=table;
mapping.samples=samples;
mapping.num=newMax;
%CLBP returns the complete local binary pattern image or LBP histogram of an image.
% [CLBP_S,CLBP_M,CLBP_C] = CLBP(I,R,N,MAPPING,MODE) returns either a local binary pattern
% coded image or the local binary pattern histogram of an intensity
169
% image I. The CLBP codes are computed using N sampling points on a
% circle of radius R and using mapping table defined by MAPPING.
% See the getmapping function for different mappings and use 0 for
% no mapping. Possible values for MODE are
%
'h' or 'hist' to get a histogram of LBP codes
%
'nh'
to get a normalized histogram
% Otherwise an CLBP code image is returned.
% [CLBP_S,CLBP_M,CLBP_C] = CLBP(I,SP,MAPPING,MODE) computes the CLBP codes
using n sampling
% points defined in (n * 2) matrix SP. The sampling points should be
% defined around the origin (coordinates (0,0)).
%
% Examples
% -------%
I=imread('rice.png');
%
mapping=getmapping(8,'u2');
%
[CLBP_SH,CLBP_MH]=CLBP(I,1,8,mapping,'h'); %CLBP histogram in (8,1) neighborhood
%
%using uniform patterns
function [CLBP_S,CLBP_M,CLBP_C] = clbp(varargin) % image,radius,neighbors,mapping,mode)
% Version 0.2
% Authors: Zhenhua Guo, Lei Zhang, and David Zhang
% The implementation is based on lbp code from MVG, Oulu University, Finland
% http://www.ee.oulu.fi/mvg/page/lbp_matlab
% Check number of input arguments.
error(nargchk(1,5,nargin));
image=varargin{1};
d_image=double(image);
if nargin==1
spoints=[-1 -1; -1 0; -1 1; 0 -1; -0 1; 1 -1; 1 0; 1 1];
neighbors=8;
mapping=0;
mode='h';
end
if (nargin == 2) && (length(varargin{2}) == 1)
error('Input arguments');
end
if (nargin > 2) && (length(varargin{2}) == 1)
radius=varargin{2};
neighbors=varargin{3};
spoints=zeros(neighbors,2);
% Angle step.
a = 2*pi/neighbors;
for i = 1:neighbors
spoints(i,1) = -radius*sin((i-1)*a);
spoints(i,2) = radius*cos((i-1)*a);
end
if(nargin >= 4)
mapping=varargin{4};
if(isstruct(mapping) && mapping.samples ~= neighbors)
170
error('Incompatible mapping');
end
else
mapping=0;
end
if(nargin >= 5)
mode=varargin{5};
else
mode='h';
end
end
if (nargin > 1) && (length(varargin{2}) > 1)
spoints=varargin{2};
neighbors=size(spoints,1);
if(nargin >= 3)
mapping=varargin{3};
if(isstruct(mapping) && mapping.samples ~= neighbors)
error('Incompatible mapping');
end
else
mapping=0;
end
if(nargin >= 4)
mode=varargin{4};
else
mode='h';
end
end
% Determine the dimensions of the input image.
[ysize xsize] = size(image);
miny=min(spoints(:,1));
maxy=max(spoints(:,1));
minx=min(spoints(:,2));
maxx=max(spoints(:,2));
% Block size, each LBP code is computed within a block of size bsizey*bsizex
bsizey=ceil(max(maxy,0))-floor(min(miny,0))+1;
bsizex=ceil(max(maxx,0))-floor(min(minx,0))+1;
% Coordinates of origin (0,0) in the block
origy=1-floor(min(miny,0));
origx=1-floor(min(minx,0));
% Minimum allowed size for the input image depends
% on the radius of the used LBP operator.
if(xsize < bsizex || ysize < bsizey)
error('Too small input image. Should be at least (2*radius+1) x (2*radius+1)');
end
% Calculate dx and dy;
dx = xsize - bsizex;
dy = ysize - bsizey;
% Fill the center pixel matrix C.
C = image(origy:origy+dy,origx:origx+dx);
d_C = double(C);
171
bins = 2^neighbors;
% Initialize the result matrix with zeros.
CLBP_S=zeros(dy+1,dx+1);
CLBP_M=zeros(dy+1,dx+1);
CLBP_C=zeros(dy+1,dx+1);
%Compute the LBP code image
for i = 1:neighbors
y = spoints(i,1)+origy;
x = spoints(i,2)+origx;
% Calculate floors, ceils and rounds for the x and y.
fy = floor(y); cy = ceil(y); ry = round(y);
fx = floor(x); cx = ceil(x); rx = round(x);
% Check if interpolation is needed.
if (abs(x - rx) < 1e-6) && (abs(y - ry) < 1e-6)
% Interpolation is not needed, use original datatypes
N = d_image(ry:ry+dy,rx:rx+dx);
D{i} = N >= d_C;
Diff{i} = abs(N-d_C);
MeanDiff(i) = mean(mean(Diff{i}));
else
% Interpolation needed, use double type images
ty = y - fy;
tx = x - fx;
% Calculate the interpolation weights.
w1 = (1 - tx) * (1 - ty);
w2 = tx * (1 - ty);
w3 = (1 - tx) * ty ;
w4 = tx * ty ;
% Compute interpolated pixel values
N = w1*d_image(fy:fy+dy,fx:fx+dx) + w2*d_image(fy:fy+dy,cx:cx+dx) + ...
w3*d_image(cy:cy+dy,fx:fx+dx) + w4*d_image(cy:cy+dy,cx:cx+dx);
D{i} = N >= d_C;
Diff{i} = abs(N-d_C);
MeanDiff(i) = mean(mean(Diff{i}));
end
end
% Difference threshold for CLBP_M
DiffThreshold = mean(MeanDiff);
% compute CLBP_S and CLBP_M
for i=1:neighbors
% Update the result matrix.
v = 2^(i-1);
CLBP_S = CLBP_S + v*D{i};
CLBP_M = CLBP_M + v*(Diff{i}>=DiffThreshold);
end
% CLBP_C
CLBP_C = d_C>=mean(d_image(:));
%Apply mapping if it is defined
if isstruct(mapping)
bins = mapping.num;
sizarray = size(CLBP_S);
CLBP_S = CLBP_S(:);
172
CLBP_M = CLBP_M(:);
CLBP_S = mapping.table(CLBP_S+1);
CLBP_M = mapping.table(CLBP_M+1);
CLBP_S = reshape(CLBP_S,sizarray);
CLBP_M = reshape(CLBP_M,sizarray);
% % another implementation method
% for i = 1:size(CLBP_S,1)
%
for j = 1:size(CLBP_S,2)
%
CLBP_S(i,j) = mapping.table(CLBP_S(i,j)+1);
%
CLBP_M(i,j) = mapping.table(CLBP_M(i,j)+1);
%
end
% end
end
if (strcmp(mode,'h') || strcmp(mode,'hist') || strcmp(mode,'nh'))
% Return with LBP histogram if mode equals 'hist'.
CLBP_S=hist(CLBP_S(:),0:(bins-1));
CLBP_M=hist(CLBP_M(:),0:(bins-1));
if (strcmp(mode,'nh'))
CLBP_S=CLBP_S/sum(CLBP_S);
CLBP_M=CLBP_M/sum(CLBP_M);
end
else
% %Otherwise return a matrix of unsigned integers
% if ((bins-1)<=intmax('uint8'))
%
CLBP_S=uint8(CLBP_S);
%
CLBP_M=uint8(CLBP_M);
% elseif ((bins-1)<=intmax('uint16'))
%
CLBP_S=uint16(CLBP_S);
%
CLBP_M=uint16(CLBP_M);
% else
%
CLBP_S=uint32(CLBP_S);
%
CLBP_M=uint32(CLBP_M);
% end
end
173
174
175
176
177
178