Разработка технологии изготовления рельефных изделий из природного камня

Обращаясь вначале к скульптуре как к технологии, мы столкнёмся с феноменом художника-скульптора, создающего свои произведения по канонам искусства. Процесс его творчества на протяжении веков завершается созданием готового произведения, а не описанием технологии применённого творческого метода, которое могло бы позволить воспроизводить его машинными методами. Поэтому совершенно технологичного скульптурного метода в 2010 году найти невозможно. Это приводит к тому, что технолог-программист, которому ставится задача создать цифровую модель произведения искусства с целью её воплощения и тиражирования средствами ЧПУ-станков, вынужден работать наугад и напрямик, не имея возможности использовать знания и умения художника. [2]

Именно поэтому все современные «цифровые скульптурные» работы выполняются в форме следующей процедуры [7]:

– получение от Заказчика наброска предполагаемого изделия;

– создание скульптором по этому наброску аппаратно-независимой и технолого-независимой гипсовой «болванки» будущего изделия;

– снятие геометрической информации с болванки мелкой лазерной решёткой и запись в компьютер полученных «сырых данных» вводящей АСТПП или

– интерактивный машинный очерк болванки швами лоскутов пустотелой объёмной фигуры и автоматический перенос этими лоскутами «формы модульных поверхностей» в вводящее АСТПП;

– доведение программистом неточного цифрового подобия болванки до формата аппаратно-зависимой, но технологически независимой «компьютерной 3D-модели» преобразовательной машиностроительной САПР;

– согласование созданной модели с заказчиком;

– реализация ЧПУ–оператором преобразования полученной от программиста модели в формат аппаратно-зависимой и технологически зависимой мнемокодовой программы модульного изготовления выводящего АСТПП с помощью локальной сети промышленных ЭВМ и подчинённых программируемых логических контроллеров;

– изготовление изделия из камня на автоматическом производственном участке с гибким компьютерным управлением;

– доставка изделия заказчику;

– изучения ошибок и трудностей, возникших в процессе работы, учитывающихся в новой версии проеобразовательного САПР.

Из приведённого примера понятно, что прогресс в усовершенствовании цифровой технологии изготовления скульптуры обеспечивается опытным путем, в результате взаимодействия многих участников процесса. При этом расхождения в их эстетических концепциях и представлениях могут существенно мешать делу. Очевидно, что даже одна только замена Художника, Программиста и ЧПУ-Оператора одним человеком существенно упрощает существующий информатико-технологический метод создания каменной скульптуры. Может стать качественным скачком в машинной скульптуре создание принципиально нового методически универсального скульптурного САПР-АСТПП без различения и смены уровней технологической зависимости модели изделия. [3]

По изложенным выше причинам полнота рассмотрения существующих прикладных методов ведения цифрового производства рельефов – избыточно технически сложных и художественно неадекватных – в настоящей работе не оправдывается поставленной целью. Поэтому указанными в проектной части данной работы теорией, приведённым выше примером организационного процесса и советом по рациональной модернизации обсуждаемой отрасли рассмотрение организационной части описываемой технологии можно теперь завершить, и перейти от неё к исключительно технической части физической технологии.

Обратившись к физике основного для камнецветной технологии механического процесса в камне, приходится отказываться от удобных инженеру–металлисту механических теорий и абстракций. Так, можно смело забыть об «абсолютно твёрдом теле», микротвёрдости, законе Гука.

Специфика камнерезной механики заставляет вспомнить наиболее общие положения сопротивления материалов и теории разрушения. Так, в камне становятся актуальными различение статической и кинематической прочностей материала и статистические методы изучения механического поведения нагруженных систем связанных разнородных частиц. [12]

Камень ставит труднейшие задачи перед статической, динамической и разрушительной физикой сплошной среды. В сложной механике камня попеременно проступают совершенно самостоятельные связи величин фундаментальных свойств обобщённой модели сплошной среды: твёрдости – мягкости, жёсткости – гибкости, хрупкости – вязкости, пластичности – упругости. Как частные случаи сочетания этих характеристик для объёма и для поверхности можно принять устоявшиеся эмпирические меры механизма разрушения камня: разрывная, сжимательная, сдвиговая, крутильная прочности, динамометрические графики, микротвёрдость, вязкость, выкрашиваемость, отдельность, блочность, шлифуемость, полируемость.

Именно трудность расчётов далеко не примитивной механики обработки камня часто вынуждает прибегать к чисто эмпирическим методам построения производственной технологии. Гораздо чаще, чем хотелось бы промышленным теоретикам, это выражается в обращении к эксклюзивным услугам частных мастеров по ручной скульптуре.

Как и в любой технической работе, в ходе долгого эмпирического изучения поведения обрабатываемого камня, обрабатывающего инструмента и оснастки, получается сформулировать известные общие указания технологу–проектанту. Тем не менее, эти во множестве накопленные и разрозненно укрываемые как «ноу–хау» знания ещё предстоит либо дополнить до более совершенного состояния, либо преобразовать в единую, математически описанную и объективную форму. Иначе успешная механизация, а тем более – гибкая компьютеризация отрасли и далее останутся грубо коммерческим, глубоко частным и частичным, «урывочным» делом. Это, разумеется, не будет способствовать качественному развитию камнеобрабатывающей промышленности, и не приведёт её к каким–либо современным культурным высотам. [8]

Прежде всего следует отметить отличие кристалло–зернового строений металла и камня: зерна металла связаны крепко, упруги и пластичны, зерна же камня обычно жесткие и всегда хрупкие, соединены слабее металлических. Помимо отличий внутризерновых есть и различия в форме ячеистой сетки зёрен: зёрна камня – причём порой даже одного образца – имеют самую разную форму: как округлую и равноосную, так и изогнутую, даже волоконную. Можно сказать, что в общем случае камень подобен крайне скверно рекристаллизованному, сильно ликвированному и существенно деформированному тугоплавкому металлу, за обработку которого не возьмётся ни один металлист. По такому металлу испортится любой не твёрдосплавный инструмент, даже цельнокристаллический алмазный резец при сильном трении об микронеровности камня обломается. Поэтому камень приходится обрабатывать, как и металл, контактным способом – но совсем не резанием в стружку, а велоситивным микроударным разрушением, подобным грубому шлифованию. Инструмент в таком случае представляет собой массив связанных микрозёрен синтетического или природного алмаза. Работу такого инструмента можно условно назвать площадно-контактным скородвижным бороздообразовательным микрощерблением, или – как принято среди техников отрасли – абразивными сверлением, резом или шлифовкой [18]

В теории механообработки камня приходится изобретать не только новый механизм разрушения инструментом материала, но также и сам инструмент. Попытки обойтись в расчётах без таких изобретений за недавние десятилетия отбросили российскую камнеобработку на поколение назад, на что помножился и застой в развитии компьютерной поддержки производства. Тем не менее, в силу меньшей востребованности зарубежная камнеобработка компьютеризуется с опозданием относительно металлообработки; в настоящее время она проходит этап формирования модульных технологий и надсистемной компьютерной интеграции. В этих условиях для экономического выигрыша российской технологии можно использовать лишь теоретическое преимущество российской технической науки в инновационных целях. А именно – немедленно, «ещё вчера», активно включаться в процесс формирования инновационных областей отрасли.

В современной камнеобработке существенно важна микрогеометрия и физико–химия взаимодействия алмазной крошки, держащей её связки, каменных зёрен и воздушно–газовой среды, в том числе – масляного или водяного охлаждения. Продуманный подбор инструмента и оснастных жидкостей к материалу может дать впечатляюще большое преимущество в производстве. [10]

Однако, такой подбор невозможен без знания сложной природы природного камня, которые можно почерпнуть лишь из фундаментальных геологических исследований. Такими исследованиями активнейше занимались научные учреждения СССР во времена освоения минеральной базы РСФСР и союзных республик. В данном разделе работы приведены интересные для технологии результаты этих исследований.

Многие породы характерны переменностью множества характеристик в пространственном и технологическом протяжениях – например, внутренние трещины поперёк слоёв разной прочности. Нужны опыт, выдумка, терпение и сноровка, чтобы проскочить всё это на одном технологическом дыхании. Незаменимы советы коллег и иностранных специалистов. Например, в разных частях заготовки для одного и того же могут подойти разные инструменты и разные механические режимы. Непременно выигрывает технология с наименьшим возможным числом операций. Расход камня снижается подгонкой не только фигур грубой раскройки к проекту, но и наоборот. Порода разрезается вдоль ее механических неоднородностей, а поперек них порода рассыпается. Оптимальный вид изделия – текучесть линий и плавность перехода между формируемыми за одну операцию поверхностями – ведь резких движений инструмента камень не принимает даже от машины. Допустимо резкие формы получаются косвенно пересечением по линии или вывертом через одну точку плавных поверхностей – и при этом с образованием неострых телесных углов между касательными к зашипованным или свободным кромке или шипу. Формы же, предрасположенные к хрупкому разрушению – например, воронки и заворонкованные или свободные канавки, тонкие оболочки и перешейки, иглы и лезвия, а также разрушающиеся от тяжести – трудно изготовимы и неустойчивы в любом материале; способы выявления таких форм могут быть взяты из теории сопротивления материалов. [3]

При обработке декоративной породы абразивным фрезерованием режим резания (скорость подачи, глубина прохода, частота вращения) в первую очередь зависит от материала заготовки. Рекомендуется начинать с малых исходных значений скорости подачи, глубины прохода. Если материал поддаётся, то скорость подачи и глубину прохода можно увеличить. Частота вращения шпинделя задается для условий серийного производства – специальными указаниями в управляющем кодовом сигнале ЧПУ; при эксклюзивной и экспериментальной обработке её подбирают рукояткой оборотов в процессе работы. Технологические наладки процесса надлежащего снятия материала с заготовки в случае ЧПУ–технологии задаются АСТПП для каждого инструмента отдельно. Также среди множества контрольных средств АСТПП есть полезный параметр «масштаб машинного времени», позволяющий прямо в процессе исполнения станком программы фрезеровки менять величину единичного интервала хронометрической сетки ЧПУ.

Режим абразивной обработки также зависит от диаметра абразивной фрезы. Для тонких инструментов необходимо уменьшать скорость подачи и глубину прохода. Абразивной обработке разумно подвергать мелкозернистые материалы, однородные по механическим свойствам, имеющие невысокую твёрдость и хрупкость, а также малоабразивные в отношении алмаза или корунда.

Также нельзя забывать о балансе скульптуры в поле тяготения Земли: центр масс всей фигуры следует прослеживать, и соотносить его положение с центром масс одной лишь поверхности основания, исходя из основных законов статической механики. [11].