CC BY
131
УДК 658.512.2
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЬЕФА МОДЕЛИ В ДИЗАЙНЕ КАМНЕЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ
Игнатова А. М.
Аннотация
Статья посвящена изучению возможности получения тонкого рельефа на поверхности изделий каменного литья. Представленные результаты носят характер практических рекомендаций для проектирования художественных и строительных изделий каменного литья.
Ключевые слова рельеф; форма; модель; каменное литье
REPRODUCIBILITY OF ELEMENTS OF THE RELIEF OF MODEL IN DESIGN OF PRODUCTS OF STONE MOLDING.
Ignatova A.M.
Annotation
The article is devoted studying of possibility of reception of a thin relief on a surface of products of stone molding. The presented results have character of practical recommendations for designing of art and building products of stone molding.
Key words topography; shape; model; stone casting
Высокий уровень дизайна художественных и промышленных изделий обеспечивается постоянным усложнением и совершенствованием, как самих художественных приемов, так и материалов и технологий для их воплощения [1].
В создании художественных изделий неизменно остаются востребованными натуральные природные материалы, такие как натуральный камень. Однако, это весьма дорогой и дефицитный материал, а существующие аналоги [2] не способны в полной мере его заменить, это приводит к тому, что спрос на натуральный камень остается стабильным, а его натуральность на фоне заменителей ценится еще выше. Для того, чтобы обеспечить возможность получения из натурального камня изделий, способных удовлетворять эстетические требования современного потребителя, активно развиваются технологии его обработки, основанные на автоматизации и
кибернетизации механических операций резания, шлифования, гравирования и т.д. [3]. Однако, новые технологические решения позволяют лишь ускорить процесс обработки и снизить влияние человеческого фактора на ее качество. Несмотря на использование дорогого оборудования, объем пылевидных невозвратных отходов при обработке резанием составляет 10-15%.
Большинство пород натурального камня, используемых в дизайне художественных изделий, относится к нерудным минеральным образованиям основного и ультраосновного характера. Как правило, лишь некоторые из пластов натурального камня обладают ярко выраженными эстетическими характеристиками (цвет, текстура и т.д.), а остальная масса породы не представляет интереса с эстетической точки зрения и используется для изготовления щебня и другой малорентабельной продукции.
Расширить сырьевую базу для изготовления художественных изделий из камня, привлекая в производство горные породы без явно выраженных эстетических качеств, а так же минеральные образования техногенного происхождения (например, доменный шлак), можно, применяя к их обработке технологию каменного литья.
Технология каменного литья подразумевает принципиально иной подход к использованию нерудного сырья, основанный на переработке его в жидком (расплавленном) состоянии. Плавка может производится в различных плавильных агрегатах - топливных или электрических, наиболее современными и эффективными являются электродуговые установки. Температура плавления обычно находится в интервале 1300-1400°С. Формообразование изделий из расплава производится путем его заливки в литейные формы, аналогично художественному литью из металлов. Так же как и в металлическом литье, формы могут быть песчано-глинистыми, керамическими и металлическими. Наиболее дешевыми и простыми в изготовлении являются песчано-глинистые формы. После заливки расплава в форму, отливки должны быть подвергнуты ступенчатой термической обработке, которая обеспечивает образование кристаллических составляющих в их структуре. Без проведения термической обработки, материал переходит в твердое, аморфностекловатое напряженное состояние, такие отливки имеют повышенную хрупкость и склонны к образованию трещин. Ступенчатая термическая обработка обычно проходит в два этапа: выдержка при температуре 800-900°С в течение 120-180 мин., и дальнейшее охлаждение до комнатной температуры со скоростью 30°С/мин. Продолжительность второго этапа зависит от массы отливки, обычно для отливок массой от 1 до 20 кг занимает примерно 10-18 часов. Исследования, проведенные ранее [4] доказывают, что в результате обработки сырья по технологии каменного литья, образуется материал, близкий по минеральному составу к изначальному, однако имеющему более равномерный структурный состав. В отливках отсутствуют трещины и кристаллические
агрегаты, аморфные составляющие находятся в равновесном состоянии, образующийся материал можно назвать синтетическим минеральным сплавом (симиналом). В результате обработки по технологии каменного литья улучшаются и первоначальные эстетические качества сырья -выравнивается цвет, улучшается полируемость, управляя составом шихт (вводя в состав дополнительные компоненты) и температурой обработки достигаются оригинальные текстурные узоры.
Однако, весомым технологическим недостатком симиналов является их высокая вязкость в расплавленном состоянии, которая может приводить к низкой жидкотекучести расплава, и, следовательно, к недостаточной заполняемости литейной формы, не обеспечивающей необходимую рельефность поверхности художественной отливки. Недостаточная изученность связи технологии каменного литья с воспроизводимость рельефа поверхности отливки сдерживает внедрение каменного литья в производство художественных изделий из симиналов.
Целью настоящего исследования является оценка степени воспроизводимости формы и определение минимальных размеров элементов воспроизводимого рельефа.
Вопрос изучения воспроизводимости рельефа отливками непосредственно из расплавов симиналов как таковой ранее не изучался, поскольку номенклатура технических изделий из них не включала в себя те, которые обладали бы сложным рельефом. Однако, использование симиналов для изготовления художественных изделий приводит к необходимости таких исследований. Подобные исследования по изучению воспроизводимости рельефа активно проводились ранее на отливках из металлических расплавов, в связи с необходимостью замены трудоемких операций формообразования с применением механической обработки резанием металлов на более экономичные процессы. В теории и практике процессов формообразования качественных поверхностей отливок различными способами большой вклад внесен учеными Г.Ф.Баландиным, П.П.Бергом, Ю.Ф.Боровским, Ю.П.Васиным, К.И.Ващенко, И.В.Валисовским, Б.Б.Гуляевым, С.П.Дорошенко, Ф.Д.Оболенцевым, А.М.Петриченко, Н.Н. Рубцовым, А.А.Йисиковым,
А.Н.Цибриком, Я.И.Шкленником и другими исследователями. Проводимые в рамках данной работы исследования опирались на опыт предшественников, однако методы и подходы были адаптированы с учетом технологических особенностей расплавов симиналов.
Объектом исследования является симинал, полученный на основе горнблендита (некондиционное отвальное сырье или «пустая порода» при добыче железных руд). Состав сырьевых компонентов, их соотношение и состав получаемого симинала представлены в таблицах 1 и 2 .
Известно [5], что в разной степени воспроизводятся рельефные поверхности выпуклые и вогнутые, криволинейного и прямоугольного сечения. Для исследования разработаны и изготовлены модели, которые представляли собой деревянные плитки размером 180x115x20 мм. На поверхности моделей первого типа были изготовлены выступы и углубления со скругленным профилем, радиус изменяли от 1 до 9 мм с шагом 1 мм. На моделях второго типа оформили выступы и углубления прямоугольного сечения, их высота и глубина изменялась от 1 до 9 мм, с шагом 1 мм, а ширина от 2 до 18 мм с шагом 2 мм (рис. 1). Исследование проводилось на отливках, полученных в песчано-глинистых формах. Сечения представлены на рис. 1, а их размеры в табл. 3 и 4.
Таблица 1. Состав сырьевых компонентов и их соотношение для получения симинала
Материал Содержание в шихте, мас. % Химический состав, мас. %
£ с/5 еч О 3 9 о 3 Рн а $ Рн (5 Р % $ 3
Горнблендит 88 35- 39 - 11- 16 7-12 4,3-7 9-14 7-14 1-2 до 2 -
Хромитовая руда 3 6-7 - - 0,8- 1,2 4-6 14,5- 15,5 8-15 - - 30- 32
Кварцевый песок 2 91- 97 - 2-4 0,2- 0,6 1-2 0,8- 1,2 0,3- 0,5 - - -
Отработанная формовочная смесь 5 82- 92 - 2-8 0,5- 2,5 2-3 1-2,5 0,5-1 - - -
Плавиковый шпат 2 - 61- 92 -
Таблица 2. Химический состав горнблендитового каменного литья
Соеди нение £ 3 9 $ % 3 £ 4, § І а
Массо вая доля, % 7,3 2,5 ,5 0,9 ,3 ,4 ,3 ,1 ,5 -20
б)
Рис.1. Разрезанные поперек литые образцы с прямоугольным (а) и скругленным (б) элементами рельефа Таблица 3. Результаты измерений размеров прямоугольных выступов и углублений на камнелитых отливках, мм
Форма
Размер на Размер а х Ь, мм
модели № образца
а х Ь, мм 1 2 3 1 2 3
1х2 - - 0,5х0,5 - - -
2х4 - - 1,8х3,5 - 1,7х3,8 1,9х3,8
3х6 - 2,9х6,0 2,8х6,0 2,9х6,0 - 2,9х6,0
4х8 3,9х8,0 3,7х8,0 4,0х8,0 3,9х8,1 4,0х8,0 4,0х8,0
5х10 5,0х10,0 5,0х10,0 5,3х10,0 4,9х10,0 5,0х10,0 5,0х10,0
6х12 5,7х12,0 6,0х12,0 6,0х12,0 6,0х12,0 5,9х12,0 6,0х12,0
7х14 7,0х14,0 7,0х14,0 7,0х14,0 7,0х14,0 7,0х14,0 7,0х14,0
8х16 8,0х16,0 8,0х16,0 8,0х16,0 8,0х16,0 8,0х16,0 8,0х16,0
9х18 9,0х18,0 9,0х18,0 9,0х18,0 9,0х18,0 9,0х18,0 9,0х18,0
Форма Размер на модели, Я мм 1Ш
Размер на отливке, Я, мм
№ образца
1 2 3 1 2 3
1 - - - - - -
2 - - 1,9 1,9 - -
3 - 2,5 2,6 2,6 - 2,8
4 3,7 3,7 4,0 4,0 4,0 3,8
5 4,6 5,0 4,9 5,0 5,0 4,8
6 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0
7 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0
8 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0
9 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0
Зависимость воспроизводимости элемента рельефа поверхности от его линейного размера представлена на рис. 2.
1 _ ^ • » У* ** * и
1 * л У • 1
I У' *
0 1 2 3 4 5 6 7
Линейный размер элемента рельефа, мм
Рис. 2. Воспроизводимость элементов выпуклого и углубленного рельефа, криволинейного (1) и прямоугольного (2) сечений в зависимости от линейного размера
элементов
Установлено, что при изготовлении камнелитых отливок в разовых песчаных формах, минимальный размер элементов рельефа воспроизводимых с вероятностью 90% и выше составляет 2 мм.
Элементы криволинейного сечения воспроизводятся значительно лучше элементов прямоугольного сечения, что естественно для литых изделий, как показано на рисунках 2 и 3. Прямые углы сглаживаются, причем радиус этих естественных сглаживаний равен 1-2 мм.
Полученные данные справедливы в тех случаях, когда отливки изготавливаются при литье в песчано-глинистые формы. При изготовление отливок из симиналов специальными методами литья (литье по выплавляемым моделям, литье под давлением и т.д.) минимальный воспроизводимый размер элемента рельефа будет меньше, конкретные значения планируется выяснить в ходе последующих исследований.
Опыт применения полученных результатов показал, что от размеров отливки и ее массы эти данные не зависят, но при этом визуально могут восприниматься различно. Например, в зависимости от освещения, при котором она рассматривается или от масштабов самого рельефа, то есть крупная шероховатость на крупном рельефе может придать ему дополнительный визуальный объем, и та же шероховатость на более мелком рельефе может его исказить.
Выявлено, что в зоне резкого перехода от выступа к основанию образца концентрируется пористость, которая может приводить к образованию сколов.
Отмечено, что у скругленных элементов воспроизводятся выпуклости, а у прямоугольных наоборот впадины, что вероятно вызвано тем, что выпуклые элементы имеют менее резкий переход и следовательно при термообработке и заливке меньше подвергаются термическим напряжениям.
1 і V,- * ’ л» ■ ■» ч ■/ 4 *’ .€%"•
Рис. 3. Выпуклый элемент прямоугольной формы размером 4х8 мм
в
Рис. 4. Степень воспроизведенности рельефа модели и камнелитой отливки (барельеф «А.С. Пушкин»)
Установлено, что на прямоугольных элементах следует назначать литейные уклоны величиной не менее 3 °.
Полученные выводы исследования и соответствующие рекомендации были учтены при изготовлении модели и камнелитой отливки барельефа «А.С. Пушкин» (0 300мм, h = 50-100 мм).
Оценка воспроизведенности рельефа модели отливкой производилась цифровым методом, основанным на сравнение изображения модели и отливки с помощью программных средств. Изображения модели и отливки получали с помощью сканирования. Перед проведением сравнения изображения подвергли дополнительной обработке (чтобы исключить влияние цветопередачи на оценку). Результаты проведенной оценки представлены на рис. 4. Согласно этих результатов в целом степень воспроизводимости составила 87%, при учете того, что некоторые отдельные детали рельефа, размером 3-5 мм, были воспроизведены на 98%. Практические результаты подтвердили, что выводы исследований и предложенные рекомендации позволяют получать камнелитые отливки с высокой степенью воспроизводимости рельефа модели.
Библиографический список
1. Розенсон И.А. Основы теории дизайна: Учеб. Для вузов/ И.А. Розенсон. - СПб.: Питер, 2006. - 219 с.
2. Бутт Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов/ Ю.М. Бутт, М.Н. Сычев,
В.В. Тимащев - М.: Высшая школа,1980.- 455с.
3. Карасев Ю.Т. Современное состояние отраслей природного камня России/ Ю.Т. Карасев, Н.Н. Анощенко //Горный журнал, №7, 1998. -с. 29-31/
4. Игнатова А.М. Разработка эталонов шероховатостей поверхностей каменного литья и условий их обеспечения// «Вестник Пермского государственного технического университета «Машиностроение. Материаловедение» . - 2010, №1, т.12,- с. 50-63.
5. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа. -М.: Мир, 1976. -250 с.
Сведения об авторах
Игнатова Анна Михайловна
Место работы и должность: Ижевский государственный технический университет, аспирант
E-mail: [email protected]
Рабочий адрес и телефон: 614000, Россия, г. Пермь, ул. Кирова 126а-23 Тел. 8-922-513-78-79
