ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ АБРАЗИВНОЙ СУСПЕНЗИИ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЮВЕЛИРНЫХ ВСТАВОК

Один из наиболее эффективных способов шлифования и по¬лирования ювелирных вставок «кабошон» и «кабошон двойной» после огранки алмазным инструментом — способ объемной вибрационной обработки. Первоначально виброобработка нашла применение при изготовлении полированных окатышей произвольной формы из отходов камнерезного производства. Этот способ обработки в последнее время находит все более широкое применение при шлифовании и полировании формообразованных ювелирных изделий.

Опыт использования вибрационных установок для обработки вставок, ограненных в форме кабошона, а также шариков, показал, что такие установки можно органично встраивать в автоматические и полуавтоматические ограночные линии на доводочных и финишных операциях обработки поверхности ювелирных вставок из выращенных ограночных и цветных камней. Однако информация о технологии вибрационной обработки ювелирных вставок практически отсутствует. Обычно виброобработку поверхности ограненных вставок осуществляют в несколько стадий абразивными порошками, зернистость которых постепенно уменьшают, а затем переходят на полирующие средства. Несмотря на многостаднйность процесса, виброобработку выгодно использовать: исключается наклейка кабошона на кич, одновременно можно обрабатывать большое количество вставок (300-700 шт. в зависимости от их размера и емкости рабочих резервуаров), стоимость виброустановок низкая, можно использовать при обработке недефицитные материалы.

Ювелирные вставки засыпают в рабочие резервуары, установленные на упругие опоры, которым передаются гармонические колебания от вибратора. Характерная особенность этого способа обработки — неодинаковый съем материала с различ¬ных элементов поверхности вставки. Так, интенсивность удаления поверхностного слоя материала снижается при переходе от рундиста вставки к выпуклой и плоской поверхностям. В связи с этим готовность поверхности вставки к последующей стадии обработки определяют по шероховатости поверхности этого элемента, на котором наблюдается минимальный съем материала. На равномерность обработки отдельных элементов поверхности вставок, особенно плоских поверхностей, оказывает влияние форма внутренней полости рабочего резервуара: она должна исключить слипание вставок между собой и налипание их на стенки, что особенно важно при виброобработке вставок из прозрачных материалов.

Другая особенность вибрационной обработки — низкие съемы материала с обрабатываемой поверхности, уменьшающиеся по мере перехода от грубых к более тонким стадиям обработки. Для того чтобы получить высокий класс шероховатости поверхности, необходимо обеспечить такой процесс обработки, при котором на поверхности вставок не появлялись бы дефекты в виде сколов и выколов материала, обусловленных ударным воздействием наполнителей. С этой целью целесообразнее всего использовать рабочие среды, состоящие из гранулированного неабразивного наполнителя; микро-, субмикрошлифовальных и полирующих порошков и жидкости, в данном исследовании — воды.

Основная цель настоящего исследования — определение такого количества жидкости и твердой фаз обрабатывающей суспензии, которое обеспечивало бы при многостадийной виброобработке получение полированной поверхности не ниже II6 класса шероховатости поверхности. Количества, жидкой и твердой фаз суспензии оказывают влияние не только на величину съема материала, но и на способность гранул наполнителя, оказывающих ударное воздействие на обрабатываемую поверхность, разрушать ее.

Кроме того, количественное содержание этих фаз в рабочей среде вместе с такими ее параметрами, как размер гранул наполнителя, его физико-механические свойства, вместе с величиной загрузки резервуара рабочей средой и соотношением деталей и рабочей среды, определяют демпфирующие свойства последней при обработке изделий.

Исследования проводились на виброустановке с плоскостной вибрацией и круговой траекторией движения рабочих резервуаров U-образной формы, емкостью 1,5 дм³. Амплитуда колебаний рабочего резервуара — 0,5 мм, частота колебаний— 2800 кол/мин. С целью получения высокого качества шлифования и полирования выбрана группа металлических наполнителей со сплошными гранулами цилиндрической формы диаметром 4-5 мм и длиной 5-6 мм: латунь, медь, олово, алюминий. Данные материалы не дают в процессе обработки крупных продуктов износа и наиболее эффективно обрабатывают поверхность ювелирных вставок.

Эффективность обработки при различном содержании компонентов суспензии определяли по весовому съему и величине удаленного поверхностного слоя с обрабатываемого материала (ΔL), а также по абсолютному и относительному изменению параметра шероховатости поверхности (R_z) прямоугольных плоских образцов из стекла К8, иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) и фианита при постоянном времени обработки для каждой самостоятельной серии опытов. Размер образцов 10X15x5 мм. Коэффициент заполнения рабочего резервуара рабочей средой 0,6-0,7. Измерения проводили на аналитических весах АW-20, длинномере ИЗВ-3 и профилографе-профилометре мод. 252. Визуальный контроль качества обработанной поверхности осуществляли на микроинтерферометре МИИ-4.

При определении оптимальных количеств жидкой и твердой фаз суспензии была сделана попытка установить взаимосвязь между оптимальными количествами данных фаз и количеством жидкости, при котором появляются характерные точки перегиба циркуляционных кривых, снятых на чистом наполнителе при отсутствии твердой фазы. Циркуляционными кривыми являются кривые, выражающие изменение демпфирующих свойств рабочей среды в зависимости от количества жидкой фазы (при постоянном содержании пли отсутствии твердой фазы суспензии), которое может оцениваться значениями частоты циркуляции рабочей среды. Частоту циркуляции рассчитывают по формуле

где T_ц— период циркуляции (с) — усредненное время одного полного оборота стандартного образца вместе с циркулирующей рабочей средой.

Принципиальный ход циркуляционной кривой, полученной на исследуемых наполнителях при отсутствии твердой фазы обрабатывающей суспензии, показан на рис. 1.

Наиболее точно определяемая точка перегиба циркуляционной кривой — точка, характеризующая продольное количество жидкости, удерживающееся в пустотах и на поверхности гранул наполнителя при стабильной частоте циркуляции V_{ж. уд.} Для расчетов исследуемых количеств твердой фазы использовали формулы

Причем отношение К менялось в пределах 0,15-0,50. Циркуляционные кривые, снятые в присутствии твердой фазы (в данном случае абразивный порошок 63СМ7) при К=0,15-0,35, показывают, что с появлением на циркуляционных кривых в области малых количеств жидкой фазы образуется экстремум, характеризующийся минимальной частотой циркуляции рабо¬чей среды (рис. 2).

С увеличением отношения К наблюдается сдвиг экстремума(точка b) в область больших количеств жидкой фазы и сокращение участка циркуляционной кривой с—d со стабильной частотой циркуляции рабочей среды. При значении K=0,25 на циркуляционной кривой(точка d) образуется второй экстремум, характеризующийся максимальной частотой циркуляции рабочей среды. Положение точек d и f относительно оси абсцисс независимо от величины отношения К остается .постоянным и соответствует количествам жидкой фазы V_{ж. уд} и V_ж.пред для циркуляционных кривых, снятых на чистых наполнителях (см. рис. 1,2).

Обработка стеклянных образцов при различных значения отношения К и количества жидкой фазы, а также при постоянной величине отношения К и различном содержании жидкой фазы, показала, что оптимальным количеством твердой фазы абразивной суспензии является количество абразивного порошка, определяемое из отношения К=0,25, а оптимальное содер5жание жидкой фазы лежит в интервале количеств V_{ж. уд} — V_{ж. пред.}. Результаты экспериментов показаны па рис. 3 и в табл. 1. Циркуляционные кривые, снятые при К = 0,25 на абразивных порошках 63СМ14, 63СМ10, 63СМ5, имеют аналогичный ход и положение экстремумов относительно оси абсцисс, следовательно, оптимальные количества жидкой и твердой фаз абразивной суспензии справедливы и для абразивных порошков данных зернистостей.

Оптимальные количества твердой и жидкой фаз полирующей суспензии определяли па обрабатывающих парах: оловянные гранулы — SnО₂; медные гранулы — Cr₂O₃. Циркуляционные кривые, снятые при К=0,15-0,35, показали, что в отличии от абразивных порошков с появлением твердой фазы одновременно появляется два экстремума (см. рис. 2), которые по мере увеличения ее содержания смещаются в область больших количсств жидкой фазы, при постоянном положении точки f относительно оси абсцисс. При превышении значения K=0,25 на циркуляционных кривых вместо второго экстремума возникает участок со стабильной частотой циркуляции с—d увеличивающейся с ростом содержания твердой фазы.

Таблица 1

Влияние количества жидкой фазы абразивной суспензии на съем материала и шероховатость обработанной поверхности (τ=6 ч; R_{z исх}=6,1-6,4 мкм)

Расчет отношения Ж:Т (по массе) в характерных точках циркуляционных кривых показал, что при точности определения положения экстремума относительно оси абсцисс, обеспечиваемой шагом изменения количества жидкой фазы ΔV_ж = 1 .10^-5м³, до величины отношения К = 0,30 включительно оно практически одинаково. Обработка образцов из стекла и иттрий-алюминиевого граната при различном содержании твердой фазы и количестве жидкости, соответствующем точкам перегиба циркуляционных кривых, показала, что оптимальное количество твердой фазы полирующей суспензии соответствует отношению К=0,25, а оптимальное количество жидкой фазы лежит в пределах V_{ж. уд}— V_{ж. пред.}.

Результаты эксперимента для обрабатывающей пары: оловянные гранулы — SnO₂ приведены в табл. 2.

Из представленных выше результатов экспериментов можно сделать вывод, что для вибрационного шлифования и полирования хрупких материалов сплошными гранулами неабразивных наполнителей, когда общая поверхность гранул значительно превышает поверхность резервуара, контактирующего в процессе обработки с рабочей средой, оптимальные количества жидкой и твердой фаз можно определить как

При этом процесс обработки предпочтительнее начинать, когда количество жидкости равно V_{ж. пред}, так как по мере испарения ее количество приближается к V_{ж. уд}. Ухудшение шероховатости поверхности при превышении оптимальных количеств жидкой и твердой фаз обрабатывающей суспензии связано с одной стороны с вымыванием порошка с поверхности гранул и разрушением сформированной поверхности самими гранулами, а с другой стороны с поступлением в зону обработки зерен порошков с исходной зернистостью, скапливающихся на дне резервуара в виде избытка в первоначальный момент обработки. Получен¬ные оптимальные количества фаз обрабатывающей суспензии справедливы для всего класса хрупких материалов, так как механизм разрушения их поверхности при ударном и абразивном воздействии одинаков. Установленная связь между оптимальными количествами жидкой и твердой фаз с характерной точкой циркуляционных кривых V_ж.уд для чистых наполните¬лей, по-видимому, обусловлена способностью поверхности и плотных пустот наполнителя, а также поверхности внутренней полости самой камеры, контактирующей с рабочей средой, удерживать предельные количества жидкой и твердой среды обрабатывающей суспензии без образования избытка, который ухудшает качество обработанной поверхности. Различие в виде циркуляционных кривых при вибрационном шлифовании и полировании объясняется различной способностью абразивной и полирующей суспензии к расслаиванию, а также различной способностью зерен абразивных и полирующих порошков налипать на поверхность гранул наполнителя. Обработка образцов из фианита с исходной шероховатостью поверхности R_z.исх= 5-5,5 мкм, соответствующей шероховатости поверхности ограненных вставок, которые были обработаны алмазным инструментом зернистостью 160/125, абразивными порошками карбида кремния зеленого зернистостью 7-160 мкм при оптимальном составе абразивной суспензии, показала, что для виброоботки ювелирных вставок не пригодны порошки с зернистостью более 40-63 мкм, так как это приводит к ухудшению шероховатости обработанной поверхности (в отдельных случаях до R_z = 10-12 мкм), а также уменьшению съема материала (рис. 4).

Изучение влияния амплитуды колебаний рабочей камеры на интенсивность процесса виброполирования вставок из полудрагоценных выращенных материалов (фианит, ИАГ) в интервале амплитуд 0,3-0,7 мм показало, что с возрастанием амплитуды колебаний рабочего резервуара наблюдается увеличение площади прополированных участков поверхности вставок при постоянном времени обработки. Однако при увеличении амплитуды колебаний (более 0,5 мм) на поверхности вставок наблюдаются крупные выколы материала, обусловленные ударным действием гранул наполнителя. При вибрационном полировании превышение амплитуды колебаний (более 0,5 мм) рабочего резервуара приводит к аналогичному результату.

Определение оптимального состава обрабатывающей суспензии, максимально пригодной для шлифования и полирования ювелирных вставок, а также зернистости абразивных порошков и эффективной амплитуды колебаний рабочего резервуара позволило разработать технологические процессы вибрационной обработки ювелирных вставок «кабошон» из цветового камня: яшмы, халцедона, агата и «кабошон двойной» из иттрий-алюминиевого граната и фианита. Для обработки ювелирных вставок используются медные и оловянные гранулы, которые на данных материалах обеспечивают эффективное удаление следов алмазного инструмента; тонкое шлифование, доводку и полирование поверхности вставок. В качестве обрабатывающих суспензий используются водные суспензии абразивного порошка карбида кремния зеленого уменьшающейся зернистостью М40-М5 и полирующего порошка ОХ-1.

В абразивных суспензиях эффективна частичная замена абразивных порошков на полирующий порошок, до 20% по объему. Разработанная технология позволяет получать шероховатость полированной поверхности вставок не ниже IIб класса. Данные технологические процессы прошли производственные испытания на ЛПО «Русские самоцветы».