автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Декорирование изделий из природного камня растровым гравированием

Полный текст автореферата диссертации по теме "Декорирование изделий из природного камня растровым гравированием"

На правах рукописи

с}^

Ивлева Лидия Петровна

ДЕКОРИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ РАСТРОВЫМ ГРАВИРОВАНИЕМ

Специальность: 17.00.06- Техническая эстетика и дизайн

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАП ¿013

005059123

Москва - 2013

005059123

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Технология художественной обработки материалов».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Павлов Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующая кафедрой «Геммология» Иркутский государственный технический университет Лобацкая Раиса Моисеевна

доктор технических наук, профессор, заведующий отделом «Механика машин и управление машинами» Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН Асташев Владимир Константинович

Ведущая организация:

ФГУП «ВНИПИИстромсырье», г. Москва

Защита состоится 16 мая 2013 года в 11 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, д. 20, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан 15 апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

А.Э. Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Растровое (полутоновое) гравирование на камне широко применимо в архитектуре представительских зданий (объектов государственной, региональной и муниципальной власти), но особенно в производстве мемориальных досок и памятников. В небольшом объеме производятся изделия декоративного назначения - в основном примитивные сувениры и панно, основой которых является изображение, под размещение которого подбирается камень. В основном это однородные, мелко- и среднезернистые породы, массивной текстуры: долерит, габбро, диабаз, темный однородный гранит, черные мраморы, изредка применимы шокшинский кварцит и серпентины.

С целью повышения художественного уровня изделий, их эстетической привлекательности необходимо расширить палитру применяемых материалов, предложив новые подходы к дизайну декоративных и сувенирных изделий, в частности панно.

С развитием компьютерных технологий в художественной обработке камня возросла производительность, но качество станочных работ зачастую уступает ручной гравировке, в частности из-за малой глубины наносимого изображения. Поэтому вопрос декорирования изделий машинным способом при достижении высокого качества передачи гравируемых изображений является актуальным.

На сегодняшний день существует две технологии гравирования камня: лазерная и механическая (векторная, растровая). Учитывая большой диапазон размеров гравируемых изображений, определяемый областью их применения (от 0,05 до 1 м и более), хрупкость и неоднородность природного камня по составу и строению, технология механического растрового (ударного) гравирования имеет преимущества по сравнению с лазерной, являющейся более дорогостоящей, дающей меньшую глубину и избыточное разрешение.

Обычное ударное (растровое) гравирование (УГ) не всегда дает качественное, хорошо читаемое изображение достаточной глубины для эксплуатации изделий из камня, как в интерьере, так и в экстерьере, а

также последующего нанесения красителей для цветных изображений. Проблема получения качественной гравировки, связанная с особенностью физики хрупкого разрушения при ударном воздействии гравировального инструмента на поверхность каменной заготовки в процессе формирования точки (лунки) изображения, является актуальной.

Ударно-вращательное гравирование (УВГ) - нанесение ударов вращающимся инструментом, — позволяет повысить качество, расширить область применения механического гравирования. Метод изучен на пластичных материалах, работ по изучению его применения на материалах хрупких не было до сих пор. В связи с этим направленность работы, заключающаяся в применении данного метода для декорирования каменных изделий, является актуальной.

Работа предназначена для дизайнеров сувенирной продукции из естественного камня и специалистов по камнеобработке.

Объектом исследования являются изделия из природного камня, декорированные гравированными художественными изображениями.

Предметом исследования является процесс декорирования каменных панно посредством нанесения художественных изображений на поверхность природного камня механическим способом на станках с ЧПУ.

Целью работы является разработка научно обоснованных методов и приёмов дизайна и обеспечение качества декорированных гравированием изделий с учетом особенностей физического процесса нанесения изображений.

Задачи исследования

1 Проведение анализа современных технологий гравирования на природном камне.

2 Разработка классификации изделий из природного камня с растровой гравировкой поверхности.

3 Разработка новых дизайн-решений художественных гравированных изделий, основанных на текстурных и цветовых особенностях природного камня.

4 Разработка требований к изображениям, пригодным для нанесения растровым методом и дизайн-решения гравированных изделий.

5 Разработка критериальной оценки определения пригодности материала для гравирования с учетом эстетических и технологических требований к нему, оценки качества изделий с гравировкой.

6 Исследование физико-механических процессов образования растровых элементов (лунок) на поверхности материала при ударном и ударно-вращательном методах художественного гравирования.

7 Разработка рекомендаций для дизайнеров и технологов по изготовлению гравированных изделий из природного камня.

Границы исследования: рассматриваются исключительно сувенирные изделия и пластика малых форм с габаритами от 0,1 до 1 м. В работе рассмотрены монохромные изображения; цветная гравировка выходит за пределы исследования.

Направлением исследования является системный анализ процессов растрового художественного гравирования на станках с ЧПУ и синтез нового дизайна изделий.

В работе использованы методы технической эстетики и дизайна, теории композиции, теории зрительного восприятия, теории растрирования, теории факсимильного копирования изображений, теории разрушения горных пород, методы виброакустической диагностики, квалиметрические методы. Применено математическое моделирование в среде МаШСАО.

Достоверность теоретических результатов подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов, использованием современных средств и методик проведения исследований. Выводы работы не противоречат физическому смыслу явлений, происходящих при гравировании, подтверждены экспериментальными и статистическими данными.

Обоснованность результатов диссертационного исследования достигнута применением методов экспертных оценок и

экспериментальной проверкой теоретических положений при корректном использовании метрологических средств; согласованием научных положений с базовыми теориями разрушения хрупких материалов и зрительного восприятия, с данными, полученными другими исследователями. Имеются публикации, доклады основных результатов сделаны на международных и российских конференциях.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработана классификация изделий из природного камня с растровой гравировкой; определены требования к растровым изображениям (оригиналам), которые могут быть выгравированы растровым методом, и требования к дизайну таких изделий.

2. Уточнена математическая модель физического процесса формирования точки растрового изображения (лунки) на хрупких материалах, учитывающая последовательность микровнедрений гравировального инструмента при формировании лунки.

3. Впервые научно обоснован выбор материала для нанесения растрового изображения на основе разработанного критерия гравируемости, позволяющего дать количественную характеристику пригодности конкретного камня для гравирования.

4. Впервые предложен критерий качества гравирования растровых изображений на поверхности природного камня, основанный на идентичности гравировки оригиналу изображения и учитывающий четкое визуальное ее восприятие при различных условиях эксплуатации изделий. На его безе разработан критерий качества изделий с гравировкой.

5. Впервые разработана методика дизайна гравированных изделий с учетом текстурного рисунка материала, позволяющая расширить область применения данного метода для декорирования поверхности камня.

Практическое значение работы

1. Разработаны авторские дизайн-решения гравированных изделий из природных камней, базирующиеся на их текстурном многообразии.

2. Предложены рабочие методики создания изделий из рисунчатых камней с гравировкой, а также форма технического задания на их

проектирование и изготовление.

3. Впервые даны рекомендации по выбору материала заготовок для гравирования на основе разработанного критерия гравируемое™, учитывающего свойства природного камня и особенности восприятия изделия.

4. Достигнуто повышение качества воспроизведения изображений посредством уточнения механизма формирования лунок.

5. Обосновано применение технологии УВГ для нанесения изображений на полированную поверхность хрупкого материала, увеличение глубины гравирования без дополнительных трудозатрат.

6. Разработаны рекомендации по выбору материала заготовок, способам повышения качества и улучшению внешнего вида гравированных изделий.

Реализация научных результатов исследований заключается в создании рекомендаций для дизайнеров-технологов по выбору материала и последовательности технологических операций при декорировании изделий из природного камня растровым гравированием, в доработке конструкции исполнительного узла для реализации УВГ к гравировально-фрезерному оборудованию с ЧПУ. Результаты исследований используются в учебном процессе при проведении практических занятий со студентами старших курсов по дисциплине «Автоматизации технологических процессов камнеобрабатывающего и ювелирного производства» и «Управление качеством процессов камнеобрабатывающего и ювелирного производства» на кафедре ТХОМ в Московском государственном горном университете. Кроме того, получены 3 акта внедрения результатов исследования в производство.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2004-2005 гг., 2008-2013 гг.» (Москва, МГГУ); на XIX, XXII и XXIII Международной Интернет-конференции молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2007, -2010, -2011» (Москва, ИМАШ РАН); на Международной научно-практической конференции «Инженерные системы 2009 - 2011» (Москва, РУДН); на Всероссийской выставке

научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009-2011» (Москва, ВВЦ); на ХП1 и XV Всероссийской научно-практическая конференция по специальности ТХОМ (Москва - 2010 г., Ижевск -2012 г). Автор является победителем конкурса «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Количество и характеристика публикаций: 12 публикаций из них 2 - в сборниках трудов международных конференций, 8 - в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России; подана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, имеются б приложений. Общий объем рукописи 153 стр. В нее включены 47 рисунков и 15 таблиц. Список используемых источников из 97 позиций.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки нового дизайна и повышения качества гравированных изображений^ определены цели, задачи и границы исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан обзор и анализ процессов художественного гравирования изделий и материалов, пригодных для него. Рассмотрены технологические способы достижения высокого качества гравировки и подготовка исходных изображений. На основе интернет источников и посещения специализированных выставок («Экспокамень» и «Некрополь»), проведен обзор рынка гравированных изделий.

По материалам литературного обзора сделаны выводы о том, что гравирование поверхности различных материалов широко распространено на практике. Работы в области теории растрового гравирования хрупких материалов проводили И.Н. Миков, М.Х. Магомедов, H.H. Стефанова; теории динамического микрофрезерования 1 пластичных материалов -И.А. Науменко; теории прецизионного векторного гравирования — A.B. Козлов. По результатам анализа литературы выявлено, что имеются неизученные теоретические и практические задачи. УВГ не было

J термин уточнен автором и замети на «ударно-врашателыюе гравирование»

рассмотрено при декорировании хрупких материалов.

До сих пор вопросы дизайна изделий с гравировкой в литературе отражение не нашли. Требования к материалам, пригодным для гравирования, рассмотрены поверхностно. Имеются работы по изучению качества формирования пробельных элементов, но не изучено качество собственно изделий с гравировкой.

Выводы анализа подтверждают актуальность направленности предлагаемого диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрены требования к оригиналам изображений для растрового гравирования, материалам заготовок и дизайн-решениям, получаемым за счет синергетического эффекта наложения оригинального изображения на текстурный рисунок камня.

Разработанная классификация изделий из природного камня, декорированных гравированием:

по назначению утилитарные вывески

декоративные панно, плакетки, сувениры

декоративно-утилитарные письменные приборы и часы

детали декора интерьеров

памятники и мемориальные доски

по функциональному признаку монументальные

мемориальные

облицовочно-декоративные

сувенирные

ювелирные

по размеру мелкие изображения до 50 мм

средние изображения от 50 до 200 мм

крупные изображения более 200 мм

особо крупные изображения более 1000 мм

по геометрии простые плоские

объемные

сложные составные

по материалу заготовки по твердости твердые

средней твердости

по однородности текстуры однородные

с природным рисунком

по цвету ахроматические

хроматические

по виду из облицовочного камня

из декоративно-поделочного камня

Классификация позволила упорядочить терминологию и наглядно показала многообразие гравированных изделий.

Основными требованиями к оригиналам гравируемых изображений являются:

- достаточное разрешение (не ниже 300 ёрО и масштаб (не меньше М1:1)

для передачи мелких элементов;

- цветность изображения с глубиной не более 256 бит, позволяющая его

перевести в градации серого (полутона) без потери качества воспроизведения форм;

- четкость и резкость, позволяющие применить процедуры компьютерного

растрирования и постеризации (уменьшения количества полутонов, их загрубление) без потери качества восприятия изображения;

- непротиворечивость содержания изображений этическим нормам.

Кроме того, использование изображений не должно нарушать авторские права их создателей.

Автором определены художественно-эстетические и технологические требования к свойствам материалов, пригодным для растрового гравирования, в части к их однородности, зернистости, твердости, цвету скола и декоративности. Они базируются на теории растрирования и особенностях физики процесса нанесения изображений на хрупкие материалы. С целью определения пригодности материала для гравирования был проведен опрос экспертов; выявлены наиболее влияющие на качество гравировки свойства камня и определена их квалиметрическая весомость.

Автором разработан критерий гравируемости материала, позволяющий определить, в какой степени (в числовом эквиваленте) подходит камень для граверных работ по своим свойствам, выраженным значениями соответствующих коэффициентов:

Кгр = (Кз + Ко + Кт + Кс)-Кзр <1, (1)

где: Кз - коэффициент, учитывающий зернистость материала, Кз=0...0,3. Значение больше у мелкозернистых разновидностей природного камня, с увеличением размера зерен оно уменьшается.

Ко - коэффициент, учитывающий однородность материала, Ко =

0...0.25. Значение больше у однородных материалов с незаметными вкраплениями. Неоднородности в виде прожилок, вкраплений и слоистости уменьшают значения коэффициента.

Кт - коэффициент, учитывающий твердость материала, Кт=0...0,15. Наибольшим значением обладают породы со средним значением твердости (типа «мрамор»), у твердых горных пород (типа «гранит») Кт несколько ниже, у мягких пород значения близкие к нулю. На выбор значения Кт влияет область применения гравированного изделия.

Кс — коэффициент, учитывающий цвет скола материала, Кс=0...0,3. Чем контрастнее цвет скола или черты по отношению к цвету полированной поверхности природного камня, тем значение Кс выше.

Кзр - коэффициент, учитывающий зрительное восприятие, т.е. сочетание цвета камня, формы заготовки и изображения, его размеров. В соответствии с классификацией гравированных изделий по размерам Кзр находится в следующих диапазонах, установленных методом экспертных оценок: наибольший линейный размер изображения до 0,05 м —Кзр= 0,7'5; от 0,05 до 0,2м-Кзр=0,85; более 0,2 м - 0,95, более 1 Кзр-1,00.

В результате проведенных автором расчетов критерия гравируемости, определены диапазоны его изменения у традиционных для гравирования камней. Наиболее гравируемыми являются разновидности камня с коэффициентом, стремящимся к 1.

Требования к дизайн-решениям изделий базируются на композиционной целостности, функциональности, удовлетворении пожеланий потребителей. Предложены алгоритмы (последовательности действий) создания дизайн-решений художественных изделий из рисунчатого природного камня: 1) «Альбом - литотека», т.е. изображение определяет выбор рисунка декорируемого камня; 2) «Литотека - альбом», т.е. рисунок камня определяет выбор декорирующего изображения.

На граверные работы необходимо составление технического задания, включающего в себя требования к оригиналам изображений, камню, дизайн-решениям изделий в условиях конкретного заказа.

В работе предложен критерий качества гравирования. Гравировка считается качественной тогда, когда она достаточно точно копирует

оригинальное изображение, учитывает эксплуатационные особенности изделия, а само гравированное изделие пригодно для использования по назначению:

Ккг = Кгт-Кр < 1, где Кзр =/(к„, кр,ком, кт, кср) (2)

К0„ - приближение интегральной оптической плотности гравированного изображения к значению плотности оригинала, А"0„=Д, „ / /), ,,< I; К,р - коэффициент, учитывающий восприятие гравировки в соответствии с функциональным назначением, К1р< 1. Он зависит от размера изображения ки; расстояния, с которого оно обычно рассматривается кр\ однородности материала заготовки кол, и цвета ее полированной поверхности внешнего окружения изделия кср.

Коэффициент Кзр может быть представлен многомерным вектором в пространстве. Выделены наиболее важные, по мнению экспертов, составляющие к„, кр и к,ш . Выразим наибольший линейный размер изображения, расстояние просмотра и размеры вкраплений (зерен и минеральных агрегатов) через л„ , и яам соответственно. Тогда при 4.У„ <5р <10^ и <0,015„ К1р = 1\ при < лр < Зл„ и < 0,035,, К?р = 0,8; при 10л; < 5р <35„ и <0,03^, Кзр = 0,6. При слишком больших и малых расстояниях рассмотрения изделия точность передачи изображения не имеет значения, поскольку его восприятие становится невозможным. Обобщенный критерий, учитывающий не только факсимильность гравировки, но и целостное ее восприятие в изделии, дает возможность дизайнеру-технологу изготавливать продукцию, отвечающую требованиям потребителей.

Для оценки качества изделия с гравировкой автором предложен следующий критерий:

К,пкк.ЛкКк,,<1 (3)

кк - коэффициент композиционного решения, отражающий соответствие расположения гравировки на заготовке законам композиции (весомость 0,5); кн - коэффициент, учитывающий эксплуатационные свойства изделия, возможность использования его по назначению (весомость 0,3); км - коэффициент, значение которого показывает на целесообразность использования материала в изделии (весомость 0,2).

Из нескольких изделий лучшим по качеству будет то, у которого этот показатель выше.

В третьей главе рассмотрена разработанная физико-математическая модель процесса растрового гравирования ударным и ударно-вращательным методом, применительно к обработке хрупких материалов.

В соответствии с теорией разрушения горных пород в момент касания инструментом заготовки происходит ввод энергии в неё, образуется первичное ядро уплотнения2 (ЯУ1), внедрение на глубину действия упруго-пластичных деформаций этого ядра уплотнения, которое, расширяясь перпендикулярно прикладываемой нагрузке, образует вторичное ядро уплотнения (ЯУ2), разрушающееся за время тр около ЮЛ;, с образованием воронки разрушения - лунки выкола глубиной, зависящей от величины введенной в материал энергии. Для формирования воронки разрушения глубиной Н, необходим ввод в заготовку энергии, превосходящей критическое значение; в противном случае разрушения не произойдет.

Автором установлено: если время действия импульса силы г < тр, то

инструмент «проваливается» в мгновенно образовавшуюся воронку, снова разгоняясь, и происходит последующий его удар о дно лунки с образованием нового выкола. Таким образом, формирование лунки происходит за счёт «микропровалов» инструмента под действием импульса электромагнитного - усилия. Суммарный скол, от каждого микровнедрения, меньше скола от единовременного формирования всей

-V А' 1

глубины: £с(я,)<С(£я,), т.к. я12 + я22+...+ я; <(£я,)2 (где Н, - глубина

1 1 и

/-го микровнедрения, а из теории разрушения горных пород (Протасов Ю.Г.):

С(Н) = 0,2Н2К'Х, (4)

где: Л'* = ок!а^т]а0(1 — //), Л'* = 1 / /1, , Н - глубина воронки разрушения (лунки выкола), А; - ширина лезвия инструмента, В - длина лезвия инструмента, к - коэффициент пластичности, учитывающий граничные

* Источник трещин в механических способах разрушения называется ядром уплотнения

условия разрушения и пластичность минерала, ар - предел прочности хрупкого материала при объёмном сжатии, сто - предел прочности материала, 1] — коэффициент эффективности для работы ядра уплотнения (ЯУ), ц - коэффициент Пуассона, Ъ - коэффициент формы объёма V, в случае конической лунки Ь~3. Формулы справедливы при А ¡«В. В противном случае, необходимо деление на коэффициент а>1, учитывающий размер в направлении В. Если А\ соизмерима с В и разрушение воронки происходит в микромасштабе (её размеры около 0,1 -0,5 мм), то а ~ 10.

Для теоретического исследования процесса гравирования уточнена математическая модель, описывающая его постадийно. Выделены следующие этапы перемещения гравировального инструмента:

1) инструмент массой т проходит технологический зазор Д и приобретает скорость дающую энергию, достаточную для внедрения в материал на требуемую величину (й=Л):

«^/2 = ^-^/2 (5)

где: // - перемещение гравера при внедрении, т.е. глубина лунки, определяющая ее диаметр (от нее зависит чёткость и долговечность изображения), ср - жёсткость пружины электро-механического преобразователя (ЭМП), Гст - электромагнитное усилие.

2) внедрение инструмента в заготовку. Энергия 0ра1р, необходимая для разрушения материала, с учётом: критической глубины (упруго-пластического деформирования хрупкого материала) Ькр\ его физико-механических свойств В, а0, к, ар, Е, ц, ц ; параметров инструмента -ширины лезвия А] и массы звена вращения с инструментом т; времени внедрения т2 на некоторую глубину И, определяется из полученного выражения:

О^И) = (2тЬ2/2) + сЬ2+{А1Всг0кср/ЗЕмп) (6)

С учётом потерь энергии при ударе инструмента о заготовку и критической энергии, не дающей лунки выкола:

Г„ (А) = ^/(Оуп(Л)+ сг„ 5"/12£0^)/0.495т) (7)

Для этапа внедрения («микровнедрения») инструмента в хрупкий

материал получаем при V!ri = К, „(Л*) (где И* - глубина первого микровнедрения):

т vl / 2 - т vl / 2 = FJi - (ср (Л + Д)2) / 2 (8)

3) возврат гравера в исходную точку:

mV^/2=cph2/2 (9)

где Уу- - скорость инструмента при возврате в точке с координатой h по оси OZ.

Из выражений (5, 8, 9) путём интегрирования и дифференцирования находим скорость и время для каждого этапа.

Из решений уравнений найдено электромагнитное усилие, дающее внедрение в материал на заданную величину h при выставленном технологическом зазоре Д (где с = ср+1с):

Fm=AK„,A, Л*,Л**) (10)

где: /;** - последующее микровнедрение, Кст - обобщенный параметр станочной системы).

Рассчитано время внедрения инструмента путём интегрирования скорости и определена необходимая частота вращения шпинделя n(h) = \lta для хрупких материалов (const = c,cp,&,f,„):

= f^,cp,A,Fm,h) ^ n(h) = \//(c,cp,A,F„,h) (П)

Суммарное время - цикл работы ЭМП (опускание - внедрение -подъём) составит tg = t: + tm + tv:. Оно определяет частоту импульсов ЭМП, не вызывающую провисания якоря (/. + t„, ~ trz) и обеспечивающую достаточную производительность процесса (S=H+Д):

Лмп=ь'/г =щ(л наяждзд (12)

Из модели видно, что для внедрения необходимо определённое соотношение величины технологического зазора и электромагнитного усилия, приложенного к якорю ЭМП, осуществляющего возвратно-поступательное движение инструмента (удары о поверхность материала). Кроме того, моделирование даёт возможность рассчитать время процесса в общем и каждой стадии в отдельности, скорость инструмента в любой момент, а также рассчитать необходимую частоту вращения гравера.

Формообразование лунки за счёт серии микровнедрений при УГ

позволяет уменьшить дополнительный скол, но незначительно. В то время, как применение технологического способа УВГ дает дополнительное его уменьшение за счёт выноса продуктов разрушения из лунки и облегчении «провала» гравера - усечённого конусного инструмента (половины конуса с углом при вершине 90° и одной режущей кромкой). За счет вращения в заготовку вводится большая энергия, что позволяет увеличить глубину лунки без дополнительных энергетических затрат.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса гравирования.

Для уточнения математической модели гравирования создан лабораторный стенд, включающий в себя: гравировальный станок «Полутон» с компьютерным ЧПУ, компрессор, комплект из двух вибропреобразователей с усилителем, фотодиодный датчик оборотов с усилителем, АЦП-ЦАП и ноутбук с программным обеспечением ZetЫЪ. С его помощью были записаны сигналы виброускорения гравировального инструмента, зафиксирован момент касания инструментом заготовки и частота вращения гравера (рис. 1). При изучении полученных в ходе гравирования и УВГ лунок видно уменьшение дополнительного скола при обработке хрупкого материала (рис. 2). Процесс гравирования был смоделирован также на электродинамическом вибростенде ВС-133.

шт

V

Ф. \

У

Рисунок 1 - Запись осциллограмм процесса УВГ поверхности природного камня (черный мрамор)

Рисунок 2 -Форма лунок УГ и УВГ

Исследования движения гравировального инструмента с помощью

вибродатчиков и датчика частоты вращения позволило уточнить параметры математической модели и провести ее коррекцию. Это необходимо для дальнейших расчетов режимов гравирования (частот вращения и ударов, амплитуды, скорости строчной подачи, шага по строке) и их последующей каталогизации в привязке к конкретным материалам, что позволит сократить время настройки станка под конкретный материал.

Показано, что при увеличении времени действия импульса силы (за счет уменьшения скорости строчной подачи и частоты ударов) диаметр лунки и ее глубина увеличивается. Вместе с тем, при малой строчной подаче проявляется явление скрабирования (превращения лунки в овальную или в штрих). Амплитуда связана с усилием и определяет глубину получающейся лунки. Связь частоты и скорости подачи однозначна: для большей частоты, возможно использование большей скорости без проявления явления скрабирования.

При высокой частоте и малой скорости перемещения по строке в наибольшей степени проявляется влияние микровнедрений - в этом случае для формирования лунки в хрупком материале нужна меньшая амплитуда, т.е. усилие — процесс становится менее энергоемким.

В ходе проведения операций УВГ на имеющемся оборудовании выявлены его недостатки: громоздкость звена вращения (пневматической турбинки), недостаточная жесткость ее крепления на якоре ЭМП. Автором предложена возможность замены конструкции на узел, состоящий из двух поршневых расширительных машин, обеспечивающих соответственно возвратно-поступательное и вращательное движение инструмента. Предложенная конструкция позволит увеличить частоту ударов и вращения гравера, что повысит производительность работы.

Для уточнения предложенного критерия гравируемости природного камня были выгравированы изображения на разных по цвету, сколу, зернистости и однородности плитках. Показано, что наибольшее влияние на зрительное восприятие оказывает текстура, однородность материала, в то время как общий цвет не столь важен, главное изображение должно быть контрастно фону.

На качество изображений с одной стороны влияет геометрия

пробельных элементов, контрастность цвета поверхности материала, с другой стороны сказывается размер изображения по отношению к структурным элементам.

В пятой главе разработана методика создания декоративных изделий из камня и приведены практические рекомендации по определению рациональных технологических параметров процесса гравирования.

В соответствии с алгоритмами, разработанными во второй главе (рис.3 и 4), предложена общая методика декорирования изделий из рисунчатого камня, включающая в себя сканирование поверхности камня, планирование размещения гравируемого изображения на ней, его ретушь (при необходимости) и собственно процесс работы станка с учетом технологических рекомендаций, разработанных автором.

Исходный материал. Выработка дизайн-решений картины из камня с

Выбор фрагмента. гравировкой

Рисунок 3 - Создание картины из камня с гравированным изображением по алгоритму «Литотека-альбом»

Рисунок 4 - Создание картины из камня с гравированным изображением по алгоритму «Альбом-литотека»

Методика назначения настроечных параметров УГ и УВГ основана на представлении технологической системы гравирования художественных изображений в виде управляемого объекта.

Исходные параметры (факторы) для расчёта параметров процесса гравирования - физико-технические свойства материала заготовки. Входные параметры: технологический зазор; длина строки изображения, глубина внедрения гравера, глубина лунки, интегральная оптическая плотность оригинала изображения; параметры и свойства инструмента. Входные расчётные параметры: скорость строчной подачи; частота следования электромагнитных импульсов; частота вращения гравера (при УВГ); шаг привода по строке; электромагнитное усилие, прикладываемое к якорю ЭМП, достаточное для внедрения на заданную глубину. Выходные параметры процесса: время гравирования одной лунки; производительность УВГ; диаметр лунки. Выходные параметры изделия: интегральная оптическая плотность гравированного изображения; качество гравирования. Системное описание дало возможность привнести элементы оптимизации в расчёт параметров процесса. Разработанная методика назначения настроечных параметров процесса УВГ поверхности материалов основана на описании их взаимосвязей, возникающих при изготовлении гравированных художественных изделий из хрупких материалов (природного камня).

Изделия, изготавливаемые из рисунчатых камней с применением их декорирования растровым гравирования, могут быть выполнены в форме часов, письменных приборов, плакеток, визитниц и т.д. Также возможно создание больших панно на слэбах камня или составленных панно из плиток. Гравировальное оборудование позволяет изготовить такие изделия размером от 0,05 м до нескольких метров. Для создания дополнительных визуальных эффектов возможно нанесение цветных красителей на гравировку. Перспективно изготовление ювелирных и сувенирных изделий из рисунчатых поделочных и полудрагоценных камней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой в области технологии художественной обработки материалов и вносит вклад в

теорию и практику проектирования художественных изделий с учетом технологических и материаловедческих факторов посредством: разработки методов и средств теоретических и экспериментальных исследований процессов растрового гравирования поверхностей изделий из природного камня разными способами; разработки методики дизайна гравированных изделий, изготовленных из рисунчатого камня, в которых гравирование является дополнительным средством создания целостного художественного образа.

Основные выводы и результаты исследований, полученные лично автором:

1. обосновано применение технологии УВГ природного камня, повышающей глубину внедрения инструмента без дополнительных энергозатрат, а также позволяющей получить лунки правильной геометрической формы, что экспериментально подтверждено;

2. доказано, что декорирование гравированием поверхности камня, имеющей природный рисунок, позволяет получить оригинальные, основанные на красоте камня, художественные изделия (панно, сувениры), данная техника декорирования рисунчатого камня гравированием обладает новизной и открывает перспективное направление в дизайне каменных изделий, базирующееся на синергетическом эффекте от наложения гравировки на текстурный рисунок;

3. выделены два возможных варианта дизайн-решений гравированных изделий: подбор изображения под рисунок камня или подбор камня под конкретное изображение;

4. разработана классификация изделий из природного камня, декорированных гравированием, на основе выделения изделий по назначению и функциональному признаку, размеру, геометрии и материалу. Она позволяет упорядочить терминологию и наглядно показывает многообразие таких изделий;

.5. выявлено, что оригинальные исходные растровые изображения для гравирования должны иметь разрешение не ниже 300 dpi, быть четкими, позволять без потерь графической информации переводить полихромную палитру в полутона (градации серого);

6. разработан критерий гравируемости камня Кгр (его пригодности для граверных работ) на основе анализа свойств этого материала, учитывающий особенности зрительного восприятия гравированных изображений;

7. разработан критерий оценки качества гравирования К кг, посредством определения точности приближения интегральной оптической плотности гравированного изображения к значению плотности оригинала и дополнительного учета эстетического и эксплуатационного качества гравированного изделия;

8. разработана математическая модель процесса гравирования на основе уточненного постадийного описания физических закономерностей формообразования лунки (растрового элемента) на поверхности хрупкого материала; показано, что формирование лунки при гравировании происходит за счет серии микровнедрений инструмента в заготовку;

9. созданы рабочие методики осуществления художественного гравирования рисунчатых природных камней.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

журналы из перечня ВАК Мтюбриауки России:

1. Миков И.Н., Осипова3 Л.П., Павленко A.C. Технологическая подготовка художественного изображения для растрового гравирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2004. -№4. -С.279-284

2. Миков И.Н., Осипова Л.П., Стефанова H.H. Математическое моделирование прямого и обратного ударного перемещения режущего инструмента // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2006. -№ 4, -С.247-253

3. Миков И.Н., Ивлева Л.П., Фейзханов У.Ф. Экспериментальное исследование процесса ударного микрофрезерования материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2010. -№ 3. -С.330-339

4. Ивлева Л.П. Математическое моделирование технологического процесса гравирования поверхности материалов средствами MATHCAD

3 фамилия Ивлевой Л.П до 2007 года

//Технология машиностроения. - Москва, 2010. -№ 9. -С.41-46

5. Ивлева Л.П., Павлов Ю.А. Методика расчета режимных параметров растрового гравирования поверхности материалов вращающимся инструментом // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2011. -№ 8. -С.390-394

6. Ивлева Л.П., Павлов Ю.А. Направления развития технологии художественного гравирования поверхностей материалов // Дизайн. Материалы. Технологии. - СПб., 2012. -№1(20). -С.43-47

7. Ивлева Л.П. Разработка дизайна декоративных панно из природного камня // Дизайн. Теория и Практика. МГУПИ. - Москва,2012. - №9. -С.29-39

8. Ивлева Л.П. Разработка комплексного критерия применимости материала для художественного гравирования // Дизайн. Теория и Практика. МГУПИ. - Москва, 2012. -№11.- С.41-50

труды международных конференций:

9. Миков И.Н., Осипова Л.П. Технология и станок для растровой факсимильной гравировки минералов // Сборник трудов IV международной научно-технической конференции "Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня", - Магнитогорск, 2004. -С.210-221

10. Ивлева Л.П. Применение композитных каменных материалов в производстве декоративных изделий // XXIII Международная Интернет-конференция молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2011) // Материалы конференции. -М.: Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. -2011. -С.36

прочие публикации:

11. Ивлева Л.П. Разработка технологии гравирования хрупких материалов, реализующей микровнедрения инструмента // XIII Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция по специальности ТХОМ // Сборник статей. - М.: МГТУ, 2010. -С.415-422

12. Заявка № 2011133205 от 09.08.2011- на патент на изобретение «Устройство для реализации ударно-вращательного гравирования материалов» / Ивлева Л.П.

Подписано в печать 12.04.2013г.

Усл.п.л. - 1.0

Заказ №13509 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Текст диссертации на тему "Декорирование изделий из природного камня растровым гравированием"

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет»

04201356656 п/ /ШО^

ИВЛЕВА ЛИДИЯ ПЕТРОВНА

ДЕКОРИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ РАСТРОВЫМ ГРАВИРОВАНИЕМ

Специальность: 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., докт. техн. наук Ю.А. ПАВЛОВ

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................6

Глава 1 Анализ существующих технологий и технических средств растрового станочного гравирования.............................................................12

1.1 Современные технологии гравирования материалов..........................12

1.1.1 Виды гравирования и оборудование для их реализации..............13

1.1.2 Преимущества растрового механического гравирования перед лазерным..........................................................................................................15

1.1.3 Описание сути процесса растрового гравирования поверхности материалов. Образование лунок, составляющих изображение.................16

1.1.4 Обзор особенностей растрового гравирования хрупких материалов.......................................................................................................18

1.1.5 Обзор математического моделирования процессов гравирования поверхности материалов................................................................................19

1.2 Обзор применяемых для гравирования материалов............................21

1.2.1 Пластичные материалы....................................................................22

1.2.2 Хрупкие материалы..........................................................................22

1.3 Обзор способов достижения высокого качества гравирования..........23

1.3.1 Обзор критериев качества растровых изображений.....................25

1.3.2 Ретушь как способ повышения качества........................................26

1.3.3 Технологические способы достижения качественного гравирования. Технология ударно-вращательного гравирования............27

1.4 Анализ рынка и тенденции дизайна гравированных каменных изделий................................................................................................................28

1.5 Выводы по обзору литературы...............................................................30

Глава 2 Разработка требований к оригинальным изображениям для гравирования, материалу изделий и их дизайну..........................................32

2.1 Разработка классификации промышленных гравированных изделий из природного камня..........................................................................................32

2.2 Выработка требований к оригиналам изображений для растрового гравирования.......................................................................................................34

2.3 Требования к гравируемым каменным материалам.............................38

2.3.1 Эстетические и технические требования, предъявляемые к материалам для гравирования.......................................................................38

2.3.2 Свойства природного камня............................................................40

2.3.3 Декоративность природного камня. Виды текстур камня............43

2.3.4 Разработка критерия гравируемости материала............................45

2.4 Требования к дизайн-решениям каменных изделий с гравировкой. Укрупненные алгоритмы их создания.............................................................50

2.3.1 Алгоритмы создания изделий, сочетающих природный текстурный рисунок и гравировку................................................................54

2.3.2 Формирование технического задания на проектирование изделия с гравировкой..................................................................................................56

2.4 Разработка комплексного критерия качества гравирования..............57

2.4.1 Уточнение критерия качества гравирования. Критерий определения качества гравированного изделия..........................................61

2.5 Выводы......................................................................................................63

Глава 3 Математическое моделирование процессов растрового гравирования на поверхности хрупкого материала....................................66

3.1 Описание процесса гравирования хрупких материалов......................66

3.1.1 Уточнение теории вопроса образования лунки выкола при ударном гравировании (УГ)..........................................................................71

3.2 Математическая модель определения параметров ударно-вращательного гравирования (УВГ)................................................................73

3.2.1 Влияние вращения гравера на формообразование лунки в хрупком материале.........................................................................................78

3.3 Методика расчета количества микровнедрений гравировального инструмента........................................................................................................79

3.4 Выводы......................................................................................................82

Глава 4 Экспериментальные исследования технологического процесса УВГ.........................................................................................................................84

4.1 Создание станка-стенда для исследования УВГ..................................84

4.1.1 Гравировальный станок «Полутон 1».............................................85

4.1.2 Приборы для виброакустических измерений процесса УВГ.......90

4.1.3 Особенности обработки хрупких материалов при УВГ...............93

4.1.4 Влияние режимных параметров обработки на формообразование лунки при УВГ................................................................................................96

4.2 Исследование возвратно-поступательного движения якоря ЭМП ...97

4.2.1 Запись сигналов с акселерометров в ПК........................................98

4.2.2 Обработка сигналов в ПО ТеХХэЪ...................................................100

4.3 Совершенствование станочного узла для УВГ..................................101

4.4 Уточнение критерия гравируемости материала.................................104

4.5 Выводы....................................................................................................107

Глава 5 Разработка методики создания декоративных панно из природного камня.............................................................................................109

5.1 Методика гравирования природного камня с рисунчатой текстурой поверхности......................................................................................................109

5.2 Технологии дигитализации поверхности заготовки..........................114

5.3 Формирование составного произведения...........................................115

5.4 Методика назначения настроечных параметров процесса УВГ поверхности материалов.................................................................................116

5.5.1 Описание взаимосвязей параметров процесса гравирования.... 116

5.5.2 Представление технологической системы гравирования как управляемого объекта..................................................................................119

5.5 Изготовление декоративных изделий на гравировально-фрезерном станке.................................................................................................................122

5.6 Перспективы применения растрового гравирования.........................126

5.7 Выводы....................................................................................................128

Заключение.........................................................................................................130

4

Библиографический список............................................................................132

Приложение А Анкетирование при выборе камня, пригодного для

гравирования......................................................................................................143

Приложение Б Бланк технического задания...............................................145

Приложение В Анкетирование при определении качества гравирования147

Приложение Г Формообразование лунки в хрупком материале.............148

Приложение Д Связь режимных параметров гравирования...................149

Приложение Е Каменные материалы, пригодные для гравирования... 151

Введение

Вопросами дизайна изделий из камнесамоцветного сырья занимается ряд крупных вузов по всей России [50]. Научные школы, занимающиеся данным направлением находятся:

- в Иркутском государственном университете - под руководством профессор P.M. Лобацкой защищены кандидатские диссертации по дизайну изделий из долерита [39], дизайну ювелирных изделий с использованием мрамора [3];

- в Санкт-петербургском университете дизайна и технологии - под руководством профессор JI.T. Жукова ведутся работы в области исследования флорентийской мозаики [90] и геммополихромии [23];

в Российском геологоразведочном университете профессором Ю.П. Солодовой ведутся работы геммологического профиля;

- в Московском государственном горном университете работы в области использования компьютерного проектирования в дизайне изделий из камня и технологиях их изготовления ведутся проф. Ю.А. Павловым [45,79], в области дизайна изделий с природными алмазами - профессором Т.Б. Тепловой в области геммологи - профессором Е.П. Мельниковым.

Ряд исследований проводится в Магнитогорском государственном университете, в Ужно-Уральском государственном техническом университете.

Все вышеназванные школы не занимаются вопросами дизайна изделий с гравировкой и технологией ее нанесения. Художественное гравирование исследуется в Ижевском государственном техническом университете профессором М.М. Черных, но работы посвящены металлическим материалам и древесине, в то время как природный камень не рассмотрен.

Из вышесказанного следует, что представляемая работа обладает новизной.

Растровое (полутоновое) гравирование на камне широко применимо в архитектуре представительских зданий (объектов государственной, региональной и муниципальной власти), но особенно в производстве мемориальных досок и памятников. В небольшом объеме производятся изделия декора-

тивного назначения - в основном примитивные сувениры и панно, основой которых является изображение, под размещение которого подбирается камень. В основном это однородные, мелко- и среднезернистые породы, массивной текстуры: долерит, габбро, диабаз, темный однородный гранит, черные мраморы, изредка применимы шокшинский кварцит и серпентины.

С целью повышения художественного уровня изделий, их эстетической привлекательности необходимо расширить палитру применяемых материалов, предложив новые подходы к дизайну декоративных и сувенирных изделий, в частности панно.

С развитием компьютерных технологий в художественной обработке камня возросла производительность, но качество станочных работ зачастую уступает ручной гравировке, в частности из-за малой глубины наносимого изображения. Поэтому вопрос декорирования изделий машинным способом при достижении высокого качества передачи гравируемых изображений является актуальным.

На сегодняшний день существует две технологии гравирования камня: лазерная и механическая (векторная, растровая). Учитывая большой диапазон размеров гравируемых изображений, определяемый областью их применения (от 0,05 до 1 м и более), хрупкость и неоднородность природного камня по составу и строению, технология механического растрового (ударного) гравирования имеет преимущества по сравнению с лазерной, являющейся более дорогостоящей, дающей меньшую глубину и избыточное разрешение.

Обычное ударное (растровое) гравирование (УГ) не всегда дает качественное, хорошо читаемое изображение достаточной глубины для эксплуатации изделий из камня, как в интерьере, так и в экстерьере, а также последующего нанесения красителей для цветных изображений. Проблема получения качественной гравировки, связанная с особенностью физики хрупкого разрушения при ударном воздействии гравировального инструмента на поверхность каменной заготовки в процессе формирования точки (лунки) изображения, является актуальной.

Ударно-вращательное гравирование (УВГ) - нанесение ударов вращающимся инструментом, - позволяет повысить качество, расширить область применения механического гравирования. Метод изучен на пластичных

материалах, работ по изучению его применения на материалах хрупких не было до сих пор. В связи с этим направленность работы, заключающаяся в применении данного метода для декорирования каменных изделий, является актуальной.

Работа предназначена для дизайнеров сувенирной продукции из естественного камня и специалистов по камнеобработке.

Объектом исследования являются изделия из природного камня, декорированные гравированными художественными изображениями.

Предметом исследования является процесс декорирования каменных панно посредством нанесения художественных изображений на поверхность природного камня механическим способом на станках с ЧПУ.

Целью работы является разработка научно обоснованных методов и приёмов дизайна и обеспечение качества декорированных гравированием изделий с учетом особенностей физического процесса нанесения изображений.

Задачи исследования

1 Проведение анализа современных технологий гравирования на природном камне.

2 Разработка классификации изделий из природного камня с растровой гравировкой поверхности.

3 Разработка новых дизайн-решений художественных гравированных изделий, основанных на текстурных и цветовых особенностях природного камня.

4 Разработка требований к изображениям, пригодным для нанесения растровым методом и дизайн-решения гравированных изделий.

5 Разработка критериальной оценки определения пригодности материала для гравирования с учетом эстетических и технологических требований к нему, оценки качества изделий с гравировкой.

6 Исследование физико-механических процессов образования растровых элементов (лунок) на поверхности материала при ударном и ударно-вращательном методах художественного гравирования.

7 Разработка рекомендаций для дизайнеров и технологов по изготовлению гравированных изделий из природного камня.

Границы исследования: рассматриваются исключительно сувенирные

изделия и пластика малых форм с габаритами от 0,1 до 1 м. В работе рассмотрены монохромные изображения; цветная гравировка выходит за пределы исследования.

Направлением исследования является системный анализ процессов растрового художественного гравирования на станках с ЧПУ и синтез нового дизайна изделий.

В работе использованы методы технической эстетики и дизайна, теории композиции, теории зрительного восприятия, теории растрирования, теории факсимильного копирования изображений, теории разрушения горных пород, методы виброакустической диагностики, квалиметрические методы. Применено математическое моделирование в среде МаШСАО.

Достоверность теоретических результатов подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов, использованием современных средств и методик проведения исследований. Выводы работы не противоречат физическому смыслу явлений, происходящих при гравировании, подтверждены экспериментальными и статистическими данными.

Обоснованность результатов диссертационного исследования достигнута применением методов экспертных оценок и экспериментальной проверкой теоретических положений при корректном использовании метрологических средств; согласованием научных положений с базовыми теориями разрушения хрупких материалов и зрительного восприятия, с данными, полученными другими исследователями. Имеются публикации, доклады основных результатов сделаны на международных и российских конференциях.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработана классификация изделий из природного камня с растровой гравировкой; определены требования к растровым изображениям (оригиналам), которые могут быть выгравированы растровым методом, и требования к дизайну таких изделий.

2. Уточнена математическая модель физического процесса формирования точки растрового изображения (лунки) на хрупких материалах, учитывающая последовательность микровнедрений гравировального инструмента при формировании лунки.

3. Впервые научно обоснован выбор материала для нанесения растрового изображения на основе разработанного критерия гравируемости, позволяющего дать количественную характеристику пригодности конкретного камня для гравирования.

4. Впервые предложен критерий качества гравирования растровых изображений на поверхности природного камня, основанный на идентичности гравировки оригиналу изображения и учитывающий четкое визуальное ее восприятие при различных условиях эксплуатации изделий. На его безе разработан критерий качества изделий с гравировкой.

5. Впервые разработана методика дизайна гравированных изделий с учетом текстурного рисунка материала, позволяющая расширить область применения данного метода для декорирования поверхности камня.

Практическое значение работы

1. Разработаны авторские дизайн-решения гравированных изделий из природных камней, базирующиеся на их текстурном многообразии.

2. Предложены рабочие методики создания изделий из рисунчатых камней с гравировкой, а также форма технического задания на их проектирование и изготовление.

3. Впервые даны рекомендации по выбору материала заготовок для гравирования на основе разработанного критерия гравируемости, учитывающего свойства природного камня и особенности восприятия изделия.

4. Достигнуто повышение качества воспроизведения изображений посредством уточнения механизма формирования лунок.

5. Обосновано применение технологии УВГ для нанесения изображений на полированную поверхность хрупкого материала, увеличение глубины гравирования без дополнительных трудозатрат.

6. Разработаны рекомендации по выбору материала заготовок, способам повышения качества и улучшению внешнего вида гравированн�