Современное техническое оборудование камнеобрабатывающей промышленности позволяет применять для обработки камня различные методы разрушения горных пород, которые можно разделить на два вида: механические и физико-технические.

Механические способы обработки камня

Механические методы обработки камня, такие, как скалывание, резание и ударное разрушение и в настоящее время являются наиболее распространенными.

Скалывание

Скалывание применяется для получение строительных изделий с фактурой «Скалы» и производится, как вручную с помощью набора клиньев, так и с использованием станков. При этом используются анизотропные (неоднородные, разнонаправленные) и хрупкие свойства камня. Станки для колки камня имеют относительно простую конструкцию, которая включает два стальных ножа, армированных твердосплавным инструментом, приводимых в движение гидравлическими цилиндрами.

Обычно, камнекольные станки применяют для производства колотой или колото-пиленой брусчатки из натурального камня для мощения улиц, дорог и площадей с большой проходимостью. Также, такие станки используются и для изготовления облицовочного камня с неровной естественной поверхностью типа «Скалы».

При обработке камня методом скалывания получается несколько видов фактурной обработки, которые можно разделить на следующие группы:

• Фактура рельефной и плоской «Скалы». Первая получается путем скалывания по периметру лицевой поверхности камня закольником и молотком. В процессе обкалывания камню можно придать рельеф различной глубины. При расколе камня на колочном станке может быть получена менее рельефная фактура «плоской скалы». Рельеф фактуры «Скала» имеет высоту от 500 мм и более.
• Бугристая фактура, характеризующаяся наличием на лицевой поверхности равномерно-распределенных бугров и впадин, получаемых от обработки скалывающими инструментами. Эта фактура подразделяется на мелкобугристую с высотой рельефа 3-7 мм и крупнобугристую с высотой рельефа 7-15 мм. Бугристую фактуру получают путем раскалывания камня на колочных станках или обработкой камня шпунтом и узкой скармелью.
• Рифленая фактура характеризуется наличием параллельных борозд с высотой рельефа от 0,5 до 3 мм и достигается путем обработки распила пород средней твердости троянкой. Рифленая фактура может быть достигнута путем обработки камня на строгальных станках с помощью гребенчатого резца.

Резание или распиловка

Штрипсовая распиловка. Одно из широко распространенных технологий распиловки, известных еще с древних времен, это обработка камня штрипсовой (ленточной) распиловкой, которая подразделяется на штрипсовую распиловку с применением стальной и чугунной дроби и алмазно-штрипсовую распиловку.

В современных штрипсовых станках рабочей частью являются полосовые пилы, которые закреплены в раме шарнирным способом. Они представляют собой стальные ленты длиной 3-4 метра, высотой несколько сантиметров и толщиной 4-5 мм. У большинства пил на боковых гранях есть вертикальные или наклонные пазы. Производительность штрипсового станка зависит от количества пил – чем их больше, тем выше производительность. Такие станки работают с помощью свободного абразива – специальной дроби, изготовленной из закаленной углеродистой стали и отличающейся высокой твердостью.

Дисковая распиловка. Этот вид обработки камня сейчас приобрел наиболее широкое распространение и применяется для распиловки пород любой прочности и подразделяется на два вида: алмазно-дисковая распиловка и дисковая распиловка резцами. Станки для данной технологии резки камня более компактные и производительные.

Канатная распиловка. В современной практике большое распространение для резания горных пород имеет канатная распиловка, причем для пород самой различной твердости, развитие которой идет в трех направлениях: канатная распиловка с помощью абразива; алмазно-канатная распиловка; распиловка канатами, армированными твердосплавными шайбами.

Строгание камня. Обработка мягких пород и пород средней твердости резанием может также производиться строганием камня на специальных строгальных станках с использованием в качестве инструмента резцов, армированных твердым сплавом, а также точением камня на токарных станках при производстве изделий цилиндрической и сложной поверхности вращения (детали декоративных лестниц, колонн и других). Фрезерование камня может быть выполнено торцовыми, вальцовыми и дисковыми фрезами. Вальцовые фрезы, как правило, состоят из набора различных фасонных фрез, необходимых для получения сложных профилей.

Для отрезания плит используются дисковые фрезы, армированные алмазом или твердым сплавом, а для получения чисто-тесанной декоративной поверхности широко применяются торцевые фрезы.

Шлифование и полирование

Камни шлифуются на станках портального, рукавного, планетарного и других типов. При этом процесс шлифовки состоит из нескольких этапов, как правило, из пяти. Это грубое шлифование, черновое шлифование, первое и второе шлифование и лощение. Шлифование производится шлифовальными шарошками на корборундовом зерне либо шлифовальным инструментом на синтетических алмазах.

Камень полируется войлочными и матерчатыми кругами с применением пасты ГОИ (оксида хрома), либо азотнокислого олова. В последнее время в практике камнеобрабатывающих предприятий все чаще внедряется полирование алмазными инструментами.

При обработке камня вышеизложенными методами достигается ряд фактур обработки. В практике такой фактурной обработки чаще всего встречаются три вида: шлифованная, имеющая следы инструмента; лощения, в которой следы инструмента отсутствуют, а поверхность камня имеет слабый блеск; полированная, характеризующаяся зеркальным блеском.

Ударная обработка

В практике производства тесаных изделий широко применяется ударное разрушение камня, производимое в основном вручную с помощью клиньев, закольников, скарпелей, бучард, шпунтов, тоянок и пневмомолотков. Это так называемые классические методы ударной обработки.

Из указанных видов обработки наиболее распространенным является бучардирование камня для придания камню шероховатой поверхности, предотвращающей скольжение, которое выполняется ручными бучардами, превмобучардами и пневмокиянками с 25, 36, 64 и 100 зубьями. Бучардирование камня в практике камнеобработки широко применяется при производстве ступеней, бордюров, устоев мостов, оснований памятников и других изделий.

При этом виде обработки достигается точечная фактура обработки.

Физико-технические способы обработки камня

Ультразвуковая обработка камня

В промышленности и, в частности, для декоративной обработки камня применяется ультразвуковая обработка. Камень обрабатывается ультразвуком в абразивной среде, процесс обработки протекает медленно, но характеризуется высокой точностью. В качестве источника ультразвука применяются ультразвуковые генераторы и магнитно-стрикционные преобразователи для механической обработки.

В камнеобработке ультразвуковые колебания используются в трех направлениях:

• в целях раскрытия естественной фактуры распиленных и шлифованных плит без полировки. При этом ультразвуковое поле создается в жидкой среде;
• для интенсификации существующих технологических процессов путем наложения ультразвуковых колебаний на камнеобрабатывающий инструмент;
• для ультразвуковой размерной сложно-профильной обработки в абразивной среде.

Особенно высокоэффективной, как показали результаты экспериментов, является ультразвуковая обработка распиленных или грубо-шлифованных плит в водной среде, в которой сформировано ультразвуковое поле, обеспечивающая удаление разрушенного и затертого слоя под влиянием кавитации (процесса образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости). При этом камню придается вид свежего излома.

Большую технологическую эффективность, особенно при алмазном шлифовании природного камня, дает наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент. При этом снижается износ инструмента, повышается производительность обработки, улучшается качество обработанной поверхности. Специалистами предложен простой и надежный способ возбуждения ультразвуковых колебаний в алмазном инструменте, по которому металлическая связка выбирается из металла, имеющего магнитострикционные свойства. Вокруг инструмента создается переменное магнитное поле. Применение такого способа позволяет отказаться от сложной колебательной системы.

С помощью ультразвуковой размерной обработки можно получить рельефное изображение на камне любой сложности. Обработка камня ведется металлическим инструментом, имеющим негативное изображение требуемого рисунка. Ультразвуковая обработка камня имеет большую перспективу, так как этот способ позволяет также получать на камне различные изображения.

Лазерная обработка камня

Обработка камня лазерами, как на основе полного разрушения, так и для ослабления породы в целях последующего разрушения механическими способами. Квантовыми генераторами можно эффективно разрушать практически любую горную породу, придавая ей при обработке любую форму, а также получать объемные и барельефные изображения.

Обработка камня водяной струей

Немецкими специалистами был разработан способ обработки камня высокоскоростной водяной струей, подаваемой под давлением более 10 Мпа через сопло диаметром в несколько миллиметров. Такая струя под действием своей кинетической энергии оказывает режущее воздействие на камень, прорезая его за один проход на глубину до 4 см. При этом для повышения эффективности резки камня необходимо добиться полного устранения завихрения струи после выхода ее из сопла, что достигается путем добавки в рабочую жидкость полностью или частично растворимых в воде специальных добавок. Решению этой задачи лучше всего соответствуют вещества с длинными цепными молекулами и особенно полиэтилен гликоль. Скорость резания камня значительно возрастает, если на небольшом расстоянии от отверстия сопла в воду подается нерастворимая добавка, усиливающая действие резания, например песок, мелкая чугунная сечка и др.

Заключение

Описанные выше механические и физико-технические способы обработки горных пород значительно увеличили производительность в камнеобрабатывающей индустрии, а также позволили совершенствовать технологию обработки камня, организовать поточное производство изделий из камня, повысить их качество, эффективно и комплексно использовать минеральное сырье, улучшать экономические показатели камнеобрабатывающих предприятий.

Литература:

А.Г. Смирнов, Н.Т. Бакка и др. Справочник. Добыча и обработка природного камня.