Воспоминания о П.А.Ребиндере
Г.С. Ходаков

Физико-химическая механика технологических процессов

Основное детище научных и организационных трудов Петра Александровича Ребиндера – физико-химическая механика – сложилась как наука о явлениях, происходящих в технологических процессах, основу которых составляют различные формы разрушения твердых материалов. Жизнеобеспечение и вся современная культура человечества зиждятся на огромном промышленном использовании таких технологий. Добыча, дробление и измельчение полезных ископаемых и пищевых продуктов, резание и точение, шлифование и полирование стекла, металлов, камней – без них не обходится ни энергетика, ни пищевая индустрия, ни машиностроение, ни оптика, ни электроника.

Тесное и продуктивное содружество и взаимопроникновение наук и производственных технологий, направленное на ускоренное и экономичное производство материальных благ, стало характерным знамением нашего века. В России П.А.Ребиндер был одним из первых классиков науки, обративших талант ученого и способности организатора на становление технологических исследований в академических, университетских и отраслевых институтах и лабораториях. На протяжении многих лет он создавал коллективы ученых и производственников, задачей которых была оптимизация технологических процессов, руководил и координировал их работу. Физико-химическая механика как отрасль науки о закономерностях производственных процессов наилучшим образом объединяла пространства научных исследований и технологических регламентов.

Физико-химическую механику не следует, как иногда принято, сводить к отрасли науки, которая изучает только адсорбционное понижение прочности твердых тел под действием активных жидких сред. Такая трактовка чрезмерно узка и не соответствует всей совокупности явлений, которые она охватывает, и технологических проблем, которые она своим создателем призвана решать. Более того, на основании многолетних исследований технологических процессов, часть которых далее будут здесь изложены, можно утверждать, что адсорбционное понижение прочности в технологических процессах, основу которых составляет эффект разрушения, либо не прослеживается, либо оказывается несущественным на фоне других более действенных факторов. Заметим при этом, что активные среды веками успешно используют в технологических процессах, которые здесь обсуждаются, а многие из них, такие как резание, точение, шлифование, полирование, без применения активных сред просто немыслимы ни в наше время, ни много веков ранее. На протяжении такого весьма длительного времени неоднократно было констатировано весьма сильное и разнообразное влияние среды на многие их технологические и экономические параметры.

Следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о приложении науки к технологиям весьма почтенного возраста. Уже тысячи лет тому назад мастера Шумера, Египта, Индии и Китая, как и их более современные европейские и американские потомки, дробят и измельчают руды и уголь, мелют зерно, обрабатывают металлы, шлифуют и полируют стекла и камни.

В результате непрестанных инженерных поисков, которые, кстати сказать, плодотворно продолжаются и поныне, таким своеобразным "естественным отбором" (почти по Дарвину, но в технологических заповедниках) технологические процессы и механизмы для их осуществления были доведены до относительного совершенства и потому крайне трудны и опасны для революционного научного вмешательства и совершенствования.

Заслуга П.А. Ребиндера, его учеников и последователей состоит, в частности, в том, что физико-химическая механика преодолела многие трудные барьеры на пути в технологию. На это были потрачены тяжкие труды и годы. П.А.Ребиндер своевременно сформулировал возможности оптимизации технологических процессов на основе исследований их физико-химических факторов, к которым относятся не только влияние среды на прочность и работу разрушения твердых тел, но и весь комплекс технологического взаимодействия твердых тел со средой.

Большой заслугой П.А. Ребиндера была также успешная организационная работа по созданию дееспособных научных коллективов и координация их деятельности. Многие годы он возглавлял формально неузаконенный, но признанный научной общественностью общесоюзный центр научных новаций в области технологий, был полюсом притяжения научных работников и технологов. Такая работа требовала самоотверженности. Она отнимала все силы и время и ничего не оставляла для собственных научных исследований. Очень тяжелая, но вполне осознанная им жертва.

Увы, никто из его ближайших учеников и сподвижников на такую самоотверженность не оказался способным или не имел для этого возможностей. Никто не сумел стать достойным продолжателем дела П.А.Ребиндера. Знамя, выпавшее из рук Учителя столь несвоевременно и трагично, как показало время, некому было поднять.

Однако работы его учеников продолжались. Их трудами физико-химическая механика стала живой и результативной технологической наукой, которая кроме хорошего настоящего имеет все шансы на блестящее будущее - лучший из всех памятников Ученому и долгая о нем память.

И еще один аспект жизни П.А. Ребиндера. Физико-химическая механика стала научной идеологией, научным прибежищем для многих молодых (в те годы) специалистов - физиков и химиков с университетскими дипломами, которые не по своей воле оказались в технологических НИИ, где чувствовали себя весьма неуютно - не в своей тарелке. Физико-химическая механика под патронажем Ребиндера определила наше место в технологических исследованиях и сделала комфортным психологическое восприятие нового научного поприща. Знаменательная сторона жизни и работы П.А.Ребиндера - бескорыстная поддержка и помощь, которую он оказывал многим. Немногие из нас оказались способными быть его последователями в этом человеческом служении.

Ниже с позиций физико-химической механики кратко изложены результаты наших исследований трех технологических процессов – измельчения, шлифования и полирования. Их механизм в чисто технологическом аспекте оставался непонятым, а закономерности - лишь приближенно на эмпирическом уровне сформулированными. В нашем изложении из всей совокупности технологических факторов выделены лишь те, которые определяют основные проблемы рассматриваемых технологий. Например, такие как зависимость между затратами энергии и дисперсностью измельчаемого материала, соотношение износа детали и инструмента при шлифовании, состав среды и механизм полирования. С учетом специфики данного издания и вынужденной краткости изложения исследования представлены здесь фрагментарно.

Измельчение твердых материалов, освоенное человечеством с незапамятных доисторических времен, в наше время относится к числу самых энергоемких, материалоемких и распространенных технологических процессов. Его осуществляют, как правило, механическим разрушением крупных фрагментов ударным и/или сдавливающим действием в аппаратах различных конструкций. Ежегодно несколько миллиардов тонн различных материалов, таких как руды, угли, цементы, минеральные удобрения, подвергают дроблению и измельчению. И наряду с ними в существенно меньшем объеме, но не менее важных, измельчают такие деликатные товары, как продукты питания, мука для хлебобулочных и кондитерских изделий, сахар, кофе, пряности и лекарственные препараты. Найдется немного отраслей хозяйственной деятельности человека, в которых не производили бы или не использовали измельченные материалы. Несколько миллионов тонн высококачественной стали и около 7-10% всей производимой в мире электроэнергии ежегодно затрачивается на эти процессы.

Практическая актуальность и эвристичность проблемы дробления и измельчения привлекают внимание исследователей более 150 лет. Были выявлены многие закономерности этих процессов, на основе которых разработаны методики расчета мельниц и технологических циклов помола. Закономерности, в основном, эмпирического происхождения выполняются в узком диапазоне дисперсности ограниченного ряда материалов Эмпирические соотношения (между затратами энергии и дисперсностью измельчаемых материалов) Кика, Риттингера и Бонда, которые принято называть законами измельчения, стали классическими и широко используются в производственной практике [1,2].

Однако ни одна из ранее опубликованных теорий и ни один из эмпирических законов измельчения не являются корректными в области тонкого и сверхтонкого диспергирования и, тем более, ни одна из них не учитывает влияние внешней среды на процесс и энергетику разрушения [2-4]. Исследования, выполненные в последнее время, так и не изменили данную ситуацию. Законы измельчения Кика, Риттингера и Бонда по-прежнему остаются темой анализа и дискуссий, например, состоявшегося сравнительно недавно восьмого международного конгресса по измельчению [5-7]. П.А.Ребиндер впервые высказал мысль, что неудачи в поисках универсальных законов измельчения обусловлены односторонней механической интерпретацией происходящих при разрушении твердых тел процессов и не учетом в них роли внешней среды [8-10].

Данное исследование имеет своей целью установление закономерностей тонкого и сверхтонкого измельчения твердых тел на основе положений физико-химической механики и, особенно, той ее части, которая относится к сорбционной механохимии - химическому взаимодействию активированных пластическим деформированием поверхностных слоев частиц между собой и окружающей их внешней средой [3, 4].

Для развиваемой на основе физико-химической механики теории измельчения существенны основанные на анализе большого блока экспериментальных исследований следующие факторы:

1. Влияние внешней среды на процесс измельчения весьма велико и проявляется уже при очень малом содержании химически активных включений, составляющих десятые и даже сотые доли процента массы измельчаемого материала. Такое содержание жидкостей (точнее - их паров) соответствует поверхностной (на частицах) концентрации, близкой к десятым долям насыщенного мономолекулярного слоя. Очистка от столь малых количеств воды или других жидкостей затруднительна, а в большинстве опытов практически невозможна без нарушения структуры и механических свойств измельчаемого материала.

Во всех известных нам исследованиях влияние таких включений на процесс измельчения не контролировали, что и оказалось одной из причин несогласованности экспериментальных данных и неудач в поиске их закономерностей. Если герметичность опыта не соблюдена, содержание активных включений в измельчаемом материале остается неопределенным и ввиду этого их влияние не подлежит количественной оценке.

Помолам в избытке жидкости свойственны свои особенности и тонкости. В наибольшей мере они обусловлены реологией помольной среды - совокупности измельчаемого материала, мелющих тел и жидкой фазы. Вязкие пасты, реологические свойства которых можно значительно варьировать подбором поверхностно активных веществ (ПАВ), затрудняют движение мелющих тел. В разбавленных суспензиях их энергия расходуется на бесполезное перемещение жидкости. В ряде случаев происходит известное в технологии т.н. проскальзывание помольной среды относительно барабана мельницы, что приводит к снижению эффективности измельчения и уменьшению потребляемой мельницей энергии.

В высокоскоростных мельницах ударного действия доля энергии, тем большая, чем выше скорость движения мелющих тел и частиц, расходуется на преодоление сопротивления воздуха. Частицы малых размеров тормозятся воздушным потоком до скоростей, недостаточных для их разрушения [8, 9].

2. По достижении удельной поверхности 5-10 м² /г по БЭТ измельчение порошков сопровождается образованием необычно плотных агрегатов частиц (своеобразных кластеров). Высокодисперсные частицы объединяются в агрегаты с настолько плотной упаковкой, что внутренняя межчастичная поверхность пор становится недоступной для адсорбции азота, криптона и других газов, используемых в качестве адсорбатов при измерении удельной поверхности. Такие агрегаты-кластеры были нами изучены и в силу недоступности их внутренних поверхностей для сорбции простых газов названы молекулярноплотными. Всеми методами дисперсионного анализа они воспринимаются как отдельные частицы. Из-за образования молекулярноплотных агрегатов экспериментально наблюдается уменьшение дисперсности (удельной поверхности по БЭТ) порошков в процессе помола, наступающее после предварительного тонкого их диспергирования. С еще большим эффектом можно (в несколько раз) уменьшить удельную поверхность коллоидно-дисперсных препаратов. Зачастую, особенно для металлических частиц, происходит их контактное сваривание - mechanical alloing, подробно описанное нами ранее [4].

Частицы в молекулярноплотных агрегатах минералов типа кварца, корунда и других слабо связаны между собой и могут быть разрушены кратковременным механическим воздействием в активных дисперсионных средах. И в них же они склонны к самопроизвольному диспергированию при длительном с ними взаимодействии в обычных условиях [4]. Однако некоторые природные или синтетические высокодисперсные материалы (порошки металлов, тальк, аэросил, белая сажа и другие) переходят в молекулярноплотные агрегаты частично или полностью необратимо. Механохимическое сваривание (mechanical alloing) частиц, часто необычного химического состава [5], является предельным случаем такого необратимого агрегирования.

Молекулярноплотное агрегирование и его резкая зависимость от состава среды измельчения делают некорректной трактовки процесса механического измельчения без учета этого фактора. Кроме того, на образование и разрушение агрегатов затрачивается энергия мельницы, доля которой зависит от условий измельчения, физико-химических и механических свойств измельчаемого материала и состава среды измельчения, но всегда увеличивается с ростом дисперсности твердой фазы [4,5].

3. Механическое разрушение твердых тел происходит при создании в нем предельных упругих напряжений, которые на конечной стадии разрушения неизбежно сопровождаются пластическими деформациями, на которые затрачивается значительная доля работы внешних сил. Пластическому деформированию подвергаются тонкие, непосредственно прилегающие к поверхностям раскола слои частиц. Толщина таких слоев и плотность затрат энергии на пластическое деформирование при предельном (разрушающем) напряжении определяются только природой твердого тела и особенностями условий разрушения, но не размерами разрушаемых фрагментов. Следовательно, удельные (на единицу объема измельчаемого материала) затраты энергии на пластическое деформирование пропорциональны площади поверхности уже разрушенных частиц и возрастают пропорционально уменьшению их размеров, тогда как удельные затраты энергии на предельное упругое деформирование от дисперсности не зависят. Пластическое деформирование становится определяющим в балансе затрат энергии на измельчение частиц малых размеров даже весьма хрупких материалов типа кварца и корунда.

Следствием пластических деформаций при измельчении является ряд экспериментально наблюдаемых необратимых превращений, которые позволяют фиксировать и измерять некоторые его аспекты: изменения (уменьшение, иногда - повышение) плотности, полиморфные инверсии и аморфизацию поверхностных слоев частиц. Таким активированным (в частности, аморфным) слоям свойственна аномально высокая химическая активность и сорбционная способность, а также и аномально низкое диффузионное сопротивление. Аккумулированные в разупорядоченной структуре поверхностных слоев значительные запасы энергии и низкое диффузионное их сопротивление могут быть реализованы в низкотемпературных химических реакциях и определяют протекающие в них механохимические и механосорбционные процессы.

Как и упругие деформации, пластические деформации с течением времени частично или полностью релаксируют и их энергия переходит в тепловую. Однако период релаксации пластических деформации значительно больше, чем упругих. Его величина определяется природой материала и зависит от состава и содержания среды измельчения, размера частиц и температуры опыта.

4. Энергия, затрачиваемая на трение и образование новой поверхности при разрушении частиц, как и энергия пластического деформирования, пропорциональна удельной поверхности порошков. Наряду с этим, износ мелющих тел и затрачиваемая на него энергия по мере увеличения дисперсности за редким исключением уменьшаются. Исключения составляют материалы, которые в высокодисперсном состоянии вследствие механохимических воздействий испытывают полиморфные инверсии, которые переводят их в более абразивную форму [4].

Попутно следует заметить, что удельные (на единицу массы измельчаемого материала) затраты металла в результате абразивного и коррозионного износа мельниц в стоимостном выражении сопоставимы, а зачастую и превосходят удельные затраты энергии. Поэтому их в равной мере следует учитывать в расходах на процесс измельчения. Однако, как часто наблюдается, в стоимостном выражении удельные затраты металла и энергии на измельчение пропорциональны. Это упрощает расчеты и кроме того, в процессе измельчения в отличие, например, от родственного ему процесса шлифования, износ инструмента - мелющих тел и показатель работы мельницы - дисперсность измельчаемого материала связаны не функционально, а корреляционно.

5. В теории измельчения неизбежно использование хорошо известных законов разрушения твердых тел конечных размеров, разрушаемых также на фрагменты конечных размеров. Порция механической энергии, затраченной на совершившееся разрушение тела конечных размеров, также всегда конечна. (Не исключая усталостное разрушение, для которого удельные затраты на разрушение в среднем многократно больше затрат на обычное предельное упруго-пластичное воздействие.) Это, казалось, исключает написание закономерностей измельчения в виде дифференциальных уравнений.

Для привлечения аппарата математического анализа к теории измельчения мог быть использован тот факт, что в ансамбле множества частиц дисперсной системы всегда имеются такие их группы, размеры которых можно полагать отличающимися от других групп частиц на бесконечно малую величину. Это означает, что распределение частиц по размерам могло быть аппроксимировано непрерывной функцией, причем безразличен вид такого распределения и величина его используемого участка. Другие посылки для математического анализа процесса измельчения не требовались. Отметим, что такой прием общепринят, но в теории измельчения его ранее не применяли.

6. Масштабное упрочнение частиц (как физическое явление), в силу непрерывного пополнения объема каждой из них в последовательных актах разрушения разного рода дефектами, для процесса измельчения весьма проблематично. Тем не менее, учет этого эффекта по классической схеме произведен, и удалось показать, что он не приводит к заметным изменениям соотношений, полученным из более основательных посылок.

Критерием корректности всех сделанных здесь предпосылок является не только доказанная в наших и других исследованиях их экспериментальная обоснованность [например, 13-15]. Полученные на их основе математические соотношения непротиворечивы и преемственны с общепринятыми "законами измельчения" Кика, Риттингера и Бонда в тех диапазонах дисперсности, в которых корректность этих законов проверена не только в исследованиях, но и производственной практикой.

В соответствии с изложенным пластическое деформирование совершается в тонких слоях частиц, прилежащих к поверхности образующихся при их разрушении фрагментов. В каждом отдельном акте разрушения затраты энергии на пластические (квазиобратимые) деформации определяются объемом деформированной области.

Энергия, необходимая для разрушения частицы, определяется суммой работ упругой и пластической предельных деформаций, а также работой поверхностных сил в условиях опыта.

Было получено уравнение, которое для грубого помола – дробления (удельная поверхность – малая величина) переходит в уравнение Кика, а для среднетонкого (величина S - значительна) – в уравнение Риттингера, отражающее прямолинейный участок кинетики измельчения по обобщенному уравнению.

Для всех хрупких, а тем более - пластичных твердых тел, объемная плотность энергии предельных пластических деформаций многократно больше, чем упругих. Поэтому закон Кика выполняется только когда размеры кусков измельчаемого материала на несколько порядков больше толщины слоя пластических деформаций. Данный вывод согласуется со всеми экспериментальными данными и производственной практикой.

Был определен максимальный размер неразрушающихся частиц.

Теория позволяет учитывать не только механические свойства измельчаемого материала, но и действие окружающей среды. Подбором состава и содержания дисперсионной среды толщину слоя и, следовательно, работу пластического деформирования можно изменять в несколько раз (для кварца добавками воды - в 10-15 раз). Для очень хрупких материалов и активной дисперсионной среды используется параметр, определяющий затраты энергии на образование новой поверхности, трение в помольном ансамбле, образование и разрушение агрегатов.

Активированные при механическом разрушении поверхностные слои частиц интенсивно взаимодействуют с молекулами внешней среды - жидкостей и их паров, подвергаются механодеструкции, их фрагменты химически связываются с механически активированным веществом поверхностных слоев частиц и глубоко в них проникают. Скорость диффузии в активированных пластическим деформированием деструктурированных слоях частиц на несколько порядков превосходит скорость диффузии в обычных кристаллах и стеклах.. Этот вид сорбции и взаимодействия как по интенсивности, так и по механизму, существенно не идентичны физической (обратимой) адсорбции и классической хемосорбции. Анализом экспериментальных данных убедительно установлено, что именно таким типом механосорбционного взаимодействия при разрушении твердых тел и обусловлены основные эффекты (кроме реологических) внешней среды в кинетике и энергетике измельчения [3,4]. Основным фактором взаимодействия частиц с внешней жидкой и парообразной фазами является не столько уменьшение их поверхностной энергии, сколько значительное уменьшение удельной работы предельного пластического деформирования при разрушении. Результирующий энергетический эффект уменьшения работы предельного пластического деформирования на несколько порядков превосходит возможный эффект снижения поверхностной энергии.

Следует заметить, что применительно к твердым телам понятие поверхностной энергии и методы его экспериментального измерения определены неоднозначно. Расчетные значения поверхностной энергии разупорядоченных механическими воздействиями поверхностей частиц также проблематичны.

Жидкости, растворенные в них поверхностно-активные вещества (ПАВ) и даже сорбированные на частицах пары жидкостей (сорбционные монослой и прослойки) во многих случаях меняют реологические свойства массы измельчаемого материала - сыпучесть и связность частиц в порошках, вязкость суспензий и паст. Реологические свойства измельчаемой массы в силу конструктивных особенностей механического диспергирования определяют долю энергии привода мельницы, трансформируемой в энергию разрушения частиц и тем самым влияют на формально определяемую на приводе мельницы удельную работу диспергирования. В ряде случаев реологический фактор, который также следует относить к разряду физико-химической механики, определяет энергетику и кинетику (особенно) процесса измельчения в большей мере, чем механосорбционные и другие эффекты, традиционно считающиеся областью физико-химической механики.

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.

8. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур, М.:Наука, 1966, с.3.

9. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А.. Физико-химическая механика металлов. АН СССР, 1962.

10. Ходаков Г.С., Ребиндер П.А.. ДАН СССР 1959, т. 127, с. 1070.

11. Яминский В.В., Пчелин В.А., Амелина Е.А., Щукин Е.Д. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. М.; Наука, 1982, 311с.

12. Ходаков Г.С.; Тонкое измельчение строительных материалов. М.; Стройиздат. 1972. 240с.

13. Ruzek Josef, Phan Van Chuoc ; Silikaty, Bratislava, 1977. N 4, C.341.

14. Августинник А.И., Вигдергауз В.Ш., Гропянов В.П., Дроздецкая Г.В. Порошковая металлургия. 1963, N2, с.3

15. Струк Л.М., Федорус В.Б., Макаренко Г.Н., Прилуцкий Э.В. Порошковая металлургия, 1985, N6. с.29.

16. Лесин А.Д. Помольное оборудование, ВНИИЭСМ, серия 7, вып.3, М. 1988, 60 с.

17. Лесин А.Д. Обзорная информация ВНИИЭСМ, Вибрационные мельницы. М. 1989, 97с.

18. Акунов В.И. Струйные мельницы. Машиностроение, 1967, 264 с.

19. Ходаков Г.С., Коровкин В.П., Альтшуллер В.М. Оптико-механическая промышленность, 1980, N 9, с.46.

20. Ходаков Г.С., Глухов Ю.А. Оптико-механическая промышленность, 1985 N 7, с.49.

21. Ходаков Г.С. Оптико-механическая промышленность, 1985 N 9, с.17.

22. Ходаков Г.С. Оптико-механическая промышленность, 1985 N 5, с. 31 и N 8 , с.8.

23. Ходаков Г.С., Кудрявцева Н.Л. Физико-химические основы полирования стекла. 1985. 220 с.

24. Яковлева Т.П., Ходаков Г.С., Оптический журнал, 1994, N 6 , с. 32 и

25. Там же - с. 64.

___________________

К столетнему юбилею нашего Учителя – Петра Александровича Ребиндера мы, его ученики, прожили уже столько лет, сколько было ему в нашей молодости. Участие Петра Александровича в нашей судьбе было огромно и не ограничивалось только областью науки.Его влияние на наше мировосприятие, мировоззрение и гражданскую позицию было не меньшим, чем на научное наше становление.

В той ситуации, когда привычные и обычные пути самореализации оказались закрытыми, мы были поставлены перед необходимостью определения себя в технологических областях науки и техники, которые считались по тем временам второстепенными. В отраслевых НИИ, в которых мы оказались, необходимо было изучить непривычные для университетских аудиторий курсы, вникать в тонкости и закономерности поначалу чуждых и нелюбимых отраслевых наук и технологий. Заново учились, а наше университетское образование казалось грузом знаний, которым не находилось применения. Однако, по мере взросления и накопления опыта, проникновения в суть технологических проблем различных отраслей промышленности они стали представляться достаточно интересными. Помощь Петра Александровича в обретении новой научной страны, в которой я поселился, была неоценима для меня. Никто и ничто более не способствовало новому моему становлению и восприятию отраслевых наук. Он же приобщил меня и к большой науке. Иногда, хотя это заведомо не так, мне казалось, что физико-химическую механику он специально для того и создал, чтобы вовлечь в большую науку тех, кто к ней тянулся и в силу разных причин не имел возможности работать в ней непосредственно.

Никогда не забуду эпизод на одном их юбилеев Петра Александровича. Торжество проходило в большом конференц-зале Института физической химии, до отказа заполненном. На том юбилее Борис Владимирович Дерягин обратился к аудитории со словами:

Впечатление от лаконичности и значительности такого выражения признательности было очень сильным и эмоциональным. Прошли годы, многое забыто, но это событие в памяти осталось навсегда.

Николай Васильевич Михайлов – один из ближайших в то время соратников Петра Александровича, имя которого следует помнить также и в связи с физико-химической механикой технологических процессов, представил меня ему. Было это в 1958 г. Тогда я сделал работу и написал статью по механохимии кварца, кажется, первую в этой области в советской науке. Петр Александрович внимательно прочел статью и сделал в ней множество научных и стилистических исправлений. Потом были и другие статьи. Всегда Петр Александрович был беспощаден к их недостаткам и, следовательно, к моему неумению. Самолюбие мое страдало. Но на правках, сделанных рукою Петра Александровича, я отрабатывал стиль, учился ценить ясность и точность изложения фактов, закономерностей и мыслей. Петр Александрович приучил нас ценить богатство русского языка, четкость и лаконичность изложения. Одним из правил Петра Александровича было: не применять высокопарных выражений ни в статьях (Боже упаси), ни по отношению к коллегам и друзьям. Вот и здесь я избегаю превосходных степеней по отношению к Петру Александровичу из уважения к его памяти. Однажды, когда я принес очередную статью, Петр Александрович внимательно прочел ее, ничего не стал поправлять и решительно вычеркнул свое имя, стоявшее, как и в предыдущих статьях, рядом с моим в авторской строчке. И размашисто наискосок – "Представляю в ДАН". И подпись. Все. Так состоялось мое посвящение. Никогда больше П.А.Ребиндер не был моим соавтором. Соавторство ему было нужно не для себя. Для меня. Этим он вводил меня в свою школу, в круг своих соратников.