English Deutsch
Новости
Мир антропологии

Трубчатое абразивное сверление. Принципы

«Трубчатое абразивное сверление» – сверление, при котором частицы абразива захватываются и транспортируются в рабочей зоне проделываемого отверстия внешней и внутренней поверхностями трубки из мягкого металла, или сплава. 

Медь и трубка

Рис.1. Медь, Древнее царство

Выплавленную из руды медь металлурги разливали, видимо, по каменной плоскости и остывшие «блины» отковывали каменными молотами до нужной толщины, отжигали для снятия наклёпа, нарезали на листы нужных форматов и, возможно, в таком виде хранили до востребования.

Египтяне запросто обходились с листовыми металлами, это хорошо известно. Медь – материал, прекрасно поддающийся ковке, выколотке и другим разновидностям работ жестянщика. Пример из двадцатого века – выколотка шарообразных водолазных шлемов из плоского медного листа. Пример из египетского Древнего царства  VI династии – медная пустотелая статуя царя Пепи-I.

Ещё пример из Древнего царства IV династии, медные втулки - «фитинги» спального полога царицы Хетепхерес.

…Составлявшие навес двадцать пять разных деталей были соединены посредством шипов и гнёзд, в которые эти шипы вставлялись. Эти шипы и гнёзда были покрыты листовой медью, чтобы создать скользящие поверхности…

Рис. 2. Медные втулки сочленений и трубы вертикальных стоек полога Хетепхерес

В конструкции полога – целый лес деревянных стоек в трубах из металлического листа. 

Десять опор (колонн) по бокам были из особенно толстого золота. Это были трубы, изготовленные путем свёртывания одного листа в цилиндр и сварки его краев в шов… 

Заметим, что для «трубчатого» сверления рациональнее использовать разрезную, а не сплошную (или сварную)  трубку. Почему – разберём чуть позднее. Сделать «разрезную» трубку можно, конечно же, не прорезая продольно готовую цельную трубку, а обёртывая подходящим обрезком медного листа деревянную палку, употреблённую в качестве оправки. 

Абразивы

В качестве абразива в паре с трубкой из мягкого металла (меди) должна работать суспензия из воды и минеральных зёрен твёрдости не меньшей, чем у самого твёрдого из компонентов материала, который предстоит сверлить. Долгое время геологами считалось, что в Египте самым твёрдым из доступных несвязанных абразивов является песок пустыни. И значительную его часть в процентном соотношении составляет песок кварцевый (твёрдость по Моосу – 7).

Но! В некоторых из сверлений характер бороздок на стенках подсказывает, что здесь использовался абразив более твёрдый и грубый, чем песок: края бороздок рваные, а поверхность в целом – более шершава (Рис.3). Эксперименты показали, что песок в качестве основы абразивной суспензии даёт более гладкие края бороздок и поверхность в целом.

Рис. 3. Скол отверстия в граните (Египет), высверленного трубкой с абразивом большей, чем у песка, твёрдости

Подозрения оказались небеспочвенными. Сравнительно недавно в Амарне найден каменный осколок со следами сверлений, на донышках которых – высохшая зеленоватая пульпа (смесь частиц абразива с частицами истёртого им камня и окислившимися до медянки частицами медной трубки – транспортировщика), содержащая абразив – зёрна корунда. А в вади Хафафит обнаружена крупная залежь  природного корунда – наждака (твёрдость – 9 по Моосу).

Привод 

Медная трубка укрепляется на нижнем конце деревянной оси и оси придаётся вращательное движение. Но лучковыми дрелями (Рис.4) египтяне, вероятно, делали сверления исключительно малых диаметров (пожалуй, до сантиметра-двух).   

Рис.4, Рис.5, Рис.6

При потребности в отверстиях сколь-нибудь серьёзных диаметров использовались коловороты с инерциальными грузами. Причём, коловорот с жёстко закреплённым инерциальным грузом (маховиком), как на прорисовке (Рис.5) – удобнее, груз не разбалтывается и даёт, как показывает опыт (Рис.6), при определённой сноровке и оптимально подобранной консистенции абразивной суспензии стабильное инерционное вращение, которое рукой нужно лишь поддерживать. А гироскопический эффект стабилизирует положение инструмента относительно каменной заготовки. 

Профиль кольцевого надреза

Неприятная особенность сверлильных работ со свободным абразивом – расширение профиля кольцевого надреза от дна прореза к входу в него.

Мысль о том, что по мере углубления в кольцевой зазор поначалу беспорядочно покачивавшаяся из стороны в сторону трубка начнёт стабилизироваться, и профиль зазора скоро примет вид двух параллельных стенок, может относиться только к трубчатому сверлу, работающему твердосплавными зубьями рабочей кромки. Внутренняя и наружная поверхности такого сверла "позади", т.е., выше передней кромки – гладкие и по мере углубления ему просто нечем расширять надпил выше передней кромки,  работающей внизу

Иначе – у работающей с абразивной суспензией трубки ручного коловорота, совершающей движение несколько подобное прецессионному. Трубка, покачиваясь, взбалтывает суспензию в зазоре и её всплесками  может заполнять кольцевой надрез  на всю высоту. Эти всплески абразивной суспензии (точнее – пульпы) изнутри и снаружи от стенки трубки затираются между нею и стенкой отверстия, и между нею и стенкой центрального керна. От этого трения не просто снижается скорость работы, здесь суспензия работает во вред, расширяя профиль кольцевого надреза от дна к  входным краям. Отверстие же в итоге становится конусообразным и к верху расширяющимся, а керн  становится конусообразным и к верху сужающимся. 

Рис. 7. Слева стенка отверстия, справа – керна. Радиус закругления донной канавки около одного миллиметра

Метаморфозы рабочей кромки

Рис.8. Этапы самозатачивания кромки. Заточившаяся кромка трубки.

Изначально тупая кромка трубки как в ступке истирает друг о друга абразивные зёрна, одновременно выдавливая их из-под себя в стороны, к керну и к стенке отверстия. Здесь они начинают стачивать «углы» кромки. А  когда выдавятся из-под торца и измельчатся практически все, кромка добирается до дна канавки и начинает его гладить, а вытесненные в стороны зёрна всё больше её затачивают, и она (спереди кромка не тупится – гладит дно) заметно заостряется. Донная канавка приобретает V-образный профиль. Эксперименты показывают, что трубку с заострившейся кромкой вращать становится заметно легче.

Чрезмерно заострившаяся рабочая кромка может стать настолько тонкой, что сминается и заворачивается вверх (Рис.9).

     

Рис. 9. Поверхность трубки после работы с корундовым абразивом – язвочки от внедрения зёрен. Сминание рабочей кромки.

Зёрна несвязанного (свободного) абразива ненадолго врезаются, внедряются в мягкую поверхность медной трубки, кратковременно уподобляясь огромной твёрдости фиксированным  зубьям напильника.  Собственно, трубка этими зубьями, ставшими фиксированными, и производит сверление камня. На поверхностях трубки остаются язвочки от этих внедрений (Рис.9). По снимку – понятно, насколько неподвижно зёрна  укоренялись в меди. 

Бороздки

Механика образования бороздок на стенках надреза никак не связана ни с самими причинами (фиксация зёрен абразива в меди у передней кромки трубки) углубления трубчатого сверла в заготовку (т.е. с собственно «сверлением»), ни с ритмичностью подачи абразива в рабочую зону.

Ключевое наблюдение: попытка от работы с абразивной суспензией перейти к работе с сухим абразивом, влажным абразивом, или даже просто переизбыток абразива в суспензии, приводят к быстрому (2-3 минуты) исчезновению этих бороздок. Обе стенки надреза, и отверстия, и керна – выглаживаются. А при возвращении к пользованию суспензией некоторой определённой насыщенности, канавки снова протираются в течение нескольких минут.

В спокойном состоянии под своей тяжестью абразивная суспензия – внизу, у рабочей кромки, а выше только вода. Первичные бороздки на стенках процарапываются зёрнами абразивной взвеси, поднимаемой всплесками собственно абразива выше зоны работы передней кромки при взбалтывании вращением и перемещаемыми по окружности при их притирании трубкой к поверхностям керна и стенки отверстия (Рис.11). Бороздки образуются и при прокатывании таких зерен (как выкрашивается бороздка под роликом стеклореза). Как только появляется (процарапанная, протёртая, выкрошенная, прокатанная) бороздка, ближайшие зерна тоже скатываются именно в нее, а следующая бороздка может появиться уже не ближе определенного расстояния.

Рис.10. Профиль стенки отверстия или стенки керна с проточившимися бороздками.
Рис. 11

Если всплеском зёрен поднято не слишком много, все они с выпуклостей между бороздками будут неизбежно скатываться в ближайшие бороздки, находясь на выпуклостях очень недолго. Отсюда – приблизительная равномерность чередования бороздок (Рис.12).  

Сваливание зёрен абразива в канавки происходит при прижимании движущейся  стенки трубки к стенке отверстия, или керна. 

Рис.12. Керн из современного сверления.

Работает и ещё один механизм образования и углубления бороздок. Из-за действия сил поверхностного натяжения в момент отлипания трубки от обкатываемой поверхности керна, или стенки, абразивная суспензия подсасывается от них в локальные зоны мгновенных понижений давления в виде дискретных из-за вязкости сгустков. Эти сгустки, перемещаемые и размазываемые проскальзыванием трубки по керну и стенке отверстия, рассредоточиваются – растягиваются в виде гряд в направлении движения, заполняя намеченные зёрнами бороздки. Тут же прижатыми трубкой к поверхностям керна и стенки грядами абразива бороздки дополнительно «расхаживаются».

Трубки цельная и разрезная

По рис.13 и рис.14 сразу угадывается, что показаны результаты абразивного трубчатого сверления гранита и керамогранита с использованием неразрезной трубки.

Рис.13, Рис.14

Абразивная суспензия, подававшаяся в зазор снаружи трубки, внутрь попадала практически только благодаря её покачиванию, просачиваясь сквозь щёлку внизу под кромкой. Поэтому, всё время в самом низу у кромки между трубкой и керном находилось лишь очень небольшое количество рабочей суспензии – здесь нечему было «всплёскиваться».  В результате, на стенках отверстий хорошо различимы бороздки, процарапанные, протёртые из-за всплесков абразива, а на кернах бороздки практически незаметны. Понятно, пользы от появления бороздок на стенках отверстия и керна, вызванных всплесками пульпы – никакой.

Важно, что фактически здесь абразив работал только снаружи трубки, эффективность сверления была снижена в два раза! Для эффективной работы системы (трубка + абразив) необходимо наличие оптимальных количеств рабочей суспензии по обе стороны стенки трубки, внутри и снаружи.

 «Разрезная», а фактически – свёрнутая из медного листа на оправке трубка имеет длинную продольную щель, обеспечивающую свободный обмен суспензией между внутренним объёмом трубки и объёмом между трубкой и стенкой отверстия. И…, как бесплатное приложение – обеспечивающую возникновение бороздок на керне. 

Керны

Рис. 15

Археологи находят в Египте выбитые из отверстий ненужные керны. Знаменитый керн (Рис.15) сэра Уильяма Флиндерс Питри («керн №7», каталожный номер музея Питри – 16036):

«Наиболее совершенен гизехский керн из красного гранита. На нём непрерывная борозда от сверлящего зубца, формирующая подлинную винтовую резьбу и демонстрирующая быструю подачу сверла, может быть прослежена в нескольких оборотах...»  

Такими волшебными заклинаниями сыр Уильям добывал финансирование археологических работ у своего мецената. Технический взрыв конца викторианской эпохи настраивал и мышление меценатов на определённый лад, хотя, конечно же, на керне №7 нет и в помине ни регулярных спиралей, ни намёков на «резьбу», прорезанную фиксированным зубцом сверла, двигавшегося в толще гранита с 2-мм шагом на каждый оборот. Есть набор бороздок с крайне нерегулярным «шагом»; механизм их образования подробно описан выше и не имеет никакого отношения к собственно сверлению отверстия.  

Рис. 16. Слева фрагмент снимка керна №7: четыре бороздки слились в одну. Справа керн после современного трубчатого сверления – от букв fly две бороздки идут вверх и сходятся в одну.

Бороздки иногда случайным образом переходят «со строки на строку» и неискушённому олуху – меценату это явление можно выдать за спираль.

В Египте 

При использовании отверстий в качестве ступиц для осей дверей и ворот, чтобы ось слишком быстро не истиралась упомянутыми бороздками, внутренность отверстия, по-видимому, ещё до начала использования шлифовали – поверхность несколько сглаживалась (Рис. 17, 18). 

Рис. 17. Сглаженные шлифовкой саккарские ступичные отверстия. В правом на стенке – продукты окисления втёртой в неё медно – абразивной пульпы
Рис.18. Профиль сглаженной шлифовкой поверхности стенки отверстия.

Иногда в ступице для сохранности дверной оси крепили подшипник скольжения – медную втулку. У входа в отверстие на рис.19 видны дополнительные проточки для крепления такой втулки - подшипника.

Рис. 19. Карнак, ступица около 18 см в диаметре (предположительно 18 династия). Справа – профиль её донной канавки
Рис. 20. Донная канавка всё той же ступицы. Видны бороздки от измельчившихся зёрен абразива.

В тяжёлых изделиях сверлились такелажные отверстия. Например, для поднятия, перемещения и установки на место крышки гранитного саркофага царевича Ахет-Хотепа (IV династия) просверлены четыре отверстия, в которые можно было пропустить верёвочные петли. Хороший пример наклонного такелажного отверстия в крышке гранитного саркофага из мастабы царевича Каваба. Оно кажется очень изогнутым, но это обман зрения из-за винтообразности скола.

Рис. 21. Саркофаги царевичей Ахет-Хотепа и Каваба, Древнее царство

Получение  полостей в сосудах из твёрдых пород камня начиналось в трубчатого абразивного сверления. Затем, если требовалось, производилось токарное растачивание полости.

Рис. 22. Один из сосудов Саккарской коллекции. Полость получена сверлением и дальнейшей токарной расточкой

В Египте полости некруглой формы часто создавались высверливанием. Для этого близко друг к другу (с взаимным перекрытием, или без) делалось множество сверлений, но керны сразу не выбивались (Рис.24), чтобы трубке было, чем удерживаться с боков, при каждом следующем сверлении. Чтобы не было опасений, что абразивная суспензия стечёт в уже готовые соседние сверления и оголит работающую трубку, достаточно было просто поддерживать постоянный её уровень во всём объёме сверлений, а оставленные пока не выбитыми соседние керны позволяли не использовать при этом избыточного количества абразивной суспензии.

Рис.23. Египетские примеры выборки объёмов при помощи множественных сверлений
Рис.24. Взаимные перекрытия сверлений. Результат опыта, 2016

Таким же методом делались и полости саркофагов из твёрдого камня – на внутренних плоскостях их стенок иногда обнаруживаются несошлифованные следы трубчатых сверлений.

Два из опытов Н.Васютина

Четвёртый опыт, 2010 год

Гранит, разрезная трубка и корунд из раздробленного отрезного диска.

Привод сверла – низкооборотная электродрель. Между патроном дрели и собственно трубчатым сверлом – шарнир Гука (Карданово соединение) для обеспечения сверлу степеней свободы (Рис. 25, слева), полностью имитирующих свободные произвольные покачивания сверла при работе ручным коловоротом. 

Рис. 25. Соединение дрель – сверло. Окончание опыта, видна ширина щели в трубке

Медную трубку, использовавшуюся в этом опыте, трубкой можно назвать лишь условно. Даже разрезной её не назовёшь! Ширина получившейся после обёртывания оправки медным листом щели – порядка 18 мм (Рис.25, справа). Такая щель обеспечила абсолютно свободную циркуляцию абразивной суспензии между объёмом внутри трубки и объёмом между трубкой и стенкой отверстия. И возникновение бороздок на керне. Абразив подавался снаружи, между стенкой сверления и трубкой без вынимания сверла.  

Рис.26. Трубка по окончании опыта
Рис.27. Результат
Рис.28. Развёртка керна
Рис.29. Профиль бороздок на керне

Шестой опыт, 2016 год

Гранит, сплошная трубка и корунд из раздробленного отрезного диска.

Привод сверла – ручной коловорот с гипсовым маховиком, обеспечивающим вертикальную нагрузку и гироскопический эффект для стабилизации положения оси сверла.

Для опыта использована сплошная трубка. Её рабочий конец на длине около 12 см был проточен для утончения стенки до 2 мм. Для возможности циркуляции абразивной суспензии вместо выпиливания щели в стенке были просверлены отверстия диаметром 10 мм. 

Рис.30. Коловорот с насаженной трубкой

Этот опыт с самого начала пошёл не так, как следовало бы.

Прежде всего, абразив был истолчён довольно грубо, поэтому своими крупными зёрнами он сразу стал рвать поверхности отверстия и керна, просто-таки выбивая из них кристаллы гранита.

Практически всё время сверление велось перенасыщенной суспензией. В суете как-то забылось, что однажды добавленная в рабочую зону порция абразива никуда оттуда не исчезает, она только немного уменьшается в объёме за счёт взаимного истирания зёрен, но исчезнуть ей некуда. Это не пиление, где абразивная суспензия из рабочей зоны постоянно выбрасывается взад – вперёд и требуется постоянное её восполнение в больших объёмах.

Рис. 31. Керн, профиль кольцевого прореза, стенка сверления

Мы же, неопытные помощники, обильно добавляли абразив в щель между трубкой и стенкой.

Не давая прежней порции пульпы (корунд, гранит, медь) истереться, сработаться, сгущали пульпу, превращая её в кашу. Сверление всё время шло с сухим скрежетом, несмотря на то, что гранитный кубик (в котором сверлили отверстие) полностью залили в ведре водой.  И к окончанию работы, когда трубка погрузилась в кольцевой надрез почти на пять сантиметров, а абразива было столько, что он оказался затёртым в щели между трубкой и стенкой отверстия на всю её высоту, вращать коловорот стало очень трудно.

Видно, что, если на стенке отверстия ещё сохранились остатки грубых рваных кольцевых бороздок, почти стёртых под окончание работы, то на керне бороздок почти нет вообще – отсутствие в трубке достойных размеров проходов для циркуляции пульпы не смогло не сказаться. Круглые отверстия не смогли заменить нормальной широкой вертикальной щели. Ни о каких всплесках суспензии к стенке крена речи быть не могло.

 Трубку часто вынимали наружу, интересуясь глубиной сверления, а когда вставляли обратно, каждый раз на дно кольцевого прореза уже успевал осесть толстый слой осадка – пульпы. И кромке, притупляясь, приходилось заново прорезать осадок до дна. И всё же, медленнее, чем это происходило бы, не вынимай мы трубку, она заострялась. По толщине стенки, видимой внутри отверстий, можно судить о том, насколько заточилась рабочая кромка.

Рис. 32. Трубка в самом начале опыта и по окончании.
Рис. 33. Итог

Данные, касающиеся этих двух опытов Николая Васютина, представлены в Табл.1.

Табл.1

№ опыта

Диаметр трубки/

толщина стенки, мм

Абразив

Диаметр керна, верх/низ, мм

Диаметр сверления, верх/низ, мм

Глубина сверления, мм

Износ трубки, мм

Вертикальная нагрузка, кГ

Частота вращения, об/мин

Скорость сверления, мм/час

    4

46,5(2)

корунд

39,4/43

50,5/50

      70

     20

           4

100-150

    8-12

    6

47,6(2)

корунд

39,8/44

50,6/47

      50

     15

           11

ок. 150

    ок.10

 

Источники: 

Интересно

«Если не углубляться в Античность и Средневековье, то можно сказать, что всё на­чалось с Христофора Колумба, который обнаружил в открытой им части света новую расу людей. Сперва этот факт просто вызывал удивление, но когда Америго Веспуччи убедил мир в том, что открыт именно новый материк (1503), возник вопрос: могут ли его жители быть потомками Адама? Те, кто отвечал утвердительно, позже стали именоваться моногенистами. Их позиция служила базой для защитников прав индей­цев на человеческое существование. Их противники - полигенисты, давали аргумен­тацию тем, кто видел в индейцах всего лишь «говорящий скот». Можно сказать, что моногенизм предварял идею эволюции человека.

Чайковский Ю.В., Пятьсот лет споров об эволюции, журнал «Вопросы философии», 2009 г., N 2, с. 71. Цитата предоставлена Викентьевым И.Л.

Catalog gominid Antropogenez.RU