Организация производства по Г. Форду

По мере измельчении в мельнице накапливается все больше частиц, размеры которых меньше минимального размера разрушаемых частиц. Такие частицы продолжают подвергаться механическим воздействиям, энергия которых расходуется на дальнейшее их необратимое пластическое деформирование. Вследствие этого скорость диспергирования по сравнению со скоростью аморфизации кварца уменьшается (рис.1) и глубину слоя пластического деформирования можно определить корректно только для области пропорционального роста этих параметров.

Степень аморфизации кварца с малыми добавками ПАВ всегда больше, чем в помолах с водой или без добавок (рис.1). Обусловлено это тем, что существенное уменьшение поверхностной концентрации малых добавок ПАВ наступает при более высокой, чем для сухого кварца дисперсности. В результате за равный период измельчения и, соответственно, при равных затратах энергии происходит дополнительная аморфизация более мелких, чем при сухом помоле, частиц. Разумеется, толщина аморфного слоя на частицах, измельченных с ПАВ, всегда меньше, чем для измельченных всухую. Степень аморфизации максимальна в области очень малого содержания влаги, поверхностная концентрация которой соответствует образованию от одного до половины насыщенного мономолекулярного слоя

Кинетика измельчения  кварца с водой (рис.2), в лабораторной вибромельнице при различных амплитудах колебаний и частоте 60 герц хорошо согласуется с полученным уравнением.

Уравнение проверено  также по измельчению кварцевого песка с добавками жидкостей, которые составлены из этилового  спирта, воды и гидрата аммония  в соотношении 1:0,74:0,26 [14]. Малые дозы этой смеси значительно влияют на кинетику помола, уравнение во всех случаях согласуется с экспериментальными данными (рис.3). Экспериментально исследованы  закономерности измельчения ряда металлов (титана, никеля) и карбидов (циркония, ниобия и кремния) в среде этилового  спирта, который предотвращает молекулярноплотную агрегацию этих материалов.

Для удельных затрат энергии на измельчение, выраженных величиной dE/dS (затраты на образование единицы площади поверхности твердого тела - некоторым образом аналог классической поверхностной энергии), характерна экстремальная зависимость от дисперсности материала. Экстремальность эта тем более резкая, чем меньше энергонапряженность процесса. Толщины аморфизованного слоя кварца после измельчения в водной среде и всухую равны соответственно 2 nm и 20 nm.

Практическая  ценность законов измельчения и  решающий критерий их достоверности  состоит в применимости к расчету  помольного цикла - возможности использования  для выбора или расчета производительности и режима работы мельниц согласно их техническим параметрам и физико-механическим свойствам предназначенного к измельчению  материала, его исходной и заданной дисперсности. Полученные формулы могут  быть применены для такого практического  приложения, причем в отличие от законов Риттингера, Чарльза, Свенсона, Бонда, а тем более, Кика, они аппроксимируют и область высокой дисперсности, в которой все остальные законы "не работают" [16,17].

В технологии тонкого  измельчения применение сепараторов-классификаторов, отделяющих из измельчаемого материала  уже измельченные до требуемой дисперсности частицы и возвращающих на доизмельчение  крупные частицы, существенно снижает  удельные затраты энергии. Физическую и технологическую сущность этого  явления с очевидностью отражают полученные уравнения измельчения, по которым можно рассчитать эффективность  сепарационного цикла.

Затраты энергии  на сепарацию составляют, как правило, малую, но вполне заметную долю затрат на измельчение. Если эта доля известна или может быть определена можно  полностью оценить и оптимизировать процесс измельчения в замкнутом  цикле.

Шлифование –  процесс, родственный измельчению  и не случайно в английском языке  оба они обозначаются одним и  тем же словом -grinding. Однако для математического описания процесса шлифования оказалось необходимым привлечь значительно больше факторов, чем для теории измельчения. Действительно, износ мелющих тел функционально не влияет на результат измельчения поскольку мелющие тела изнашиваются медленно, а в непрерывных производственных процессах их состав - распределение по размерам поддерживается постоянным специальной службой. В шлифовании же износ инструмента - отдельно абразивных зерен и связки - определяет технологичность всего процесса, его производительность и качество обрабатываемых деталей. Само собой разумеется, что роль состава и скорости подачи жидкой активной среды - смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в зону шлифования не меньшая, чем при измельчении. Технологический эффект СОЖ при шлифовании является одним из решающих факторов производительности и энергоемкости этого процесса. Механизм действия СОЖ, можно полагать, определяется теми же закономерностями, что и в другом виде разрушения - измельчении, которое подробно рассмотрено выше.

Основной проблемой  технологии шлифования является создание условий, обеспечивающих оптимальные  его параметры: максимальную его  производительность при минимальном  износе инструмента. В наших исследованиях [19-22] эта задача была последовательно  решена. Не имея возможности привести здесь весьма громоздкие математические выкладки ограничусь описанием постановки задачи, последовательности ее решения и конечными теоретическими и экспериментальными результатами. Замечу только, что конечным результатом этих работ было конструирование и организация производства алмазного инструмента с расчетными свойствами, а также организация технологи шлифования с подбором оптимального состава СОЖ. Принципы же, составляющие основу расчетов, в значительной мере сходны с теми, что были использованы в математическом описании процесса измельчения.

Задача была решена методом последовательных приближений, причем на первом из них была проанализирована работа единичного алмазного зерна  как сферического резца с отрицательным  углом резания. Далее задача последовательно  усложнялась и на конечном этапе были получены закономерности алмазного шлифования с учетом износа и удаления из зоны резания изношенных алмазных зерен, износа и физико-механических свойств связки алмазного инструмента, твердости и пластичности обрабатываемой детали включая пластическое оттеснение ее материала в процессе резания, свойства и особенности применения СОЖ.

Технологическая задача шлифования деталей разного  назначения сводится, как правило, к  двум подзадачам, которые тоже как правило, неразрывно связаны. Во-первых, необходимо уменьшить шероховатость поверхности детали, характеризуемой, например, величиной RZ или R_a Во-вторых, необходимо придать детали или сохранить при обработке необходимую форму.

В теоретическом  описании процесса шлифования (который  значительно сложнее процесса измельчения) оказалось необходимым принять  в расчет следующие факторы:

1) Износ шлифовальных  зерен и связки инструмента,  в котором эти зерна закреплены.

2) Размер шлифовальных  зерен и плотность их распределения  в связке инструмента - зависимость  их абразивной способности и  шероховатости детали от этих  параметров.

3) Физико-механические  свойства связки инструмента,  детали и абразивных зерен  и, как и в случае измельчения,  изменение их пластичности и  прочности под действием СОЖ.

4) Величину исходной  и требуемой шероховатости детали, ее абразивную способность по  отношения к материалу связки  инструмента в зависимости от  величины шероховатости.

Необходимо было определить условия самозатачивания  абразивного инструмента при  условии минимального его износа и максимальной производительности процесса по перечисленным параметрам, определить оптимальные параметры  цикла шлифования - его длительность, усилие прижима инструмента к  детали, скорости перемещения, скорости подачи и состав СОЖ.

Соответствующие формулы для случаев работы единичного алмазного зерна, монослойного распределения зерен по поверхности детали (в частности - свободный абразив) и распределения алмазных зерен в объеме связки были получены [ 19 -22].

Полирование –  завершающий и самый ответственный  этап механической обработки. Именно этим процессом создаются поверхности  высочайшей степени чистоты, гладкости  и точности. Самым удивительным является тот факт, что высочайшее совершенство и точность достигаются на станках  и технологическими приемами, которые  кажутся примитивными на фоне современных  станков и технологий.

Процесс полирования  на протяжении столетий привлекал внимание крупнейших ученых мира. Ньютон, Гук, Рэлей  и Ломоносов занимались его изучением. В наше время исследования в этой области были выполнены Бэйльби, Гребенщиковым, Качаловым, Крагельским. Тем не менее, определяющие для понимания механизма и актуальные для технологии полирования исследования были выполнены только в последнее время [3,23]. Успехи физико-химической механики и механохимии процесса диспергирования твердых тел позволили с новой, до того неизвестной позиции осветить механизм полирования и решить его загадку. По новому понята роль среды, материала полировальника, полировального порошка и механических воздействий.

Процесс полирования, как и рассмотренные выше процессы измельчения и шлифования, является многофакторным и его математическое описание, осложнено тем, что он не является, как полагали ранее, процессом  абразивного разрушения поверхностных  слоев. Представление о процессе полирования как о чрезвычайно  тонком шлифовании зернами микронных  и субмикронных размеров в случае оптического стекла и, можно полагать, также и поверхностей других материалов оказалось ошибочным.

Согласно экспериментальным  исследованиям [20-24] процессу полирования  не свойственны закономерности, характерные  для процесса шлифования. Скорость полирования не зависит от размеров и твердости зерен порошка, но коррелирует с их химическим составом, причем эта скорость наибольшая для порошков, которые обладают химическим сродством с продуктами гидратации (в случае стекла) поверхностного слоя. Продукты химического взаимодействия слаборастворимых соединений материала полируемой детали и полировального порошка обнаружены в растворе полировальных суспензий. По мере накопления в нем таких соединений интенсивность полирования уменьшается и становится нулевой в насыщенном растворе. Интенсивность полирования можно восстановить, если перевести эти соединения в осадок. И ни в одном из опытов при самом тщательном наблюдении в полировальных суспензиях не были обнаружены частицы абразивного износа полируемых деталей.

Механические  воздействия полировальника на деталь настолько малы, а полировальный  инструмент настолько мягче полируемой детали, что в сочетании с весьма малыми размерами полировальных  зерен обеспечить процесс резания  или даже усталостного износа невозможен. Роль механических воздействий при  полировании сводится к механохимическому  активированию только фрагментов, выступающих  над поверхностью полируемой детали. Процесс полирования настолько  тонкий, что без такого активирования  химические реакции на поверхности  обрабатываемой детали не идут и съема не происходит.

Можно активировать полировальную суспензию добавлением  химически активных к материалу  полируемой детали веществ. Такие опыты  неоднократно проводили и их результатом неизменно оказывалось увеличение съема стекла при полном блокировании цели полирования.

Исключительно механохимический механизм процесса полирования  определяет его специфичность - избирательность  состава триады: полируемой детали, полировального порошка и полировальной  среды. Эффектом пересыщения полировальной среды растворенными в ней продуктами механохимического взаимодействия вещества полировального порошка с веществом полируемой детали обусловлено резкое уменьшение скорости процесса. Химическая очистка полировальной суспензии от таких продуктов (вывод их из раствора путем осаждения) возвращает скорость полирования к первоначальному значению, а периодическая добавка веществ-осадителей в полировальную суспензию поддерживает скорость полирования на постоянном высоком уровне.

На основе изложенных здесь представлений о механизме  полирования были разработаны новые  высокоэффективные полировальные  порошки и составы. Было отлажено их промышленное производство и применение на всех предприятиях оптико-механической промышленности бывшего Советского Союза.  

Подрисуночные подписи

Рис. 1. Соотношение  степени аморфизации и дисперсности – (а) - и кинетика аморфизации - (в)- кварца, измельченного в вибромельнице.

1 - в сухом  воздухе, 2 - с 1,2% воды, 3 - с 80 % воды.

Рис. 2. Влияние  среды на кинетику виброизмельчения кварца.

1, 2, 3 - в сухом  воздухе; 4, 5, 6 - с 80% воды, соответственно  амплитуды колебаний вибромельницы 3, 4 и 5 мм.  

Литература

1. Перов В.А., Андреев Е.Е.. Биленко Л.Ф. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра. 1990, 300с.

2. Schonert K.; Advanches in the physical fundamentals of comminution. In: Advances in mineral Processing, 1986. Littleton, p. 28.

3. Ходаков Г.С.; Коллоидн.журн. 1994. Т. 56, N1. С. 113.

4. Ходаков Г.С.; Физика измельчения. М.: Наука. 1972. 240 с.

5. Lin I., Schonert K. ; Modeling of interparticle breakadg. P.101. In : Comminution 1994, - Proccedings of the European Symposium on Comminution. 1996. Elsevier, Amsterdam.

6. Straziar J., Ranove F.; Kinetics in micro- and sub-micrometeres. P. 673. : Comminution 1994, - Proccedings of the European Symposium on Comminution. 1996. Elsevier, Amsterdam.

7. Clerc I., Oaummoa M., Bemhassaine A.; Dimensioning a forced movement wet grinder with a Mac Cade and Thiele construction. P.603. : Comminution 1994, - Proccedings of the European Symposium on Comminution. 1996. Elsevier, Amsterdam.