автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Гравирование полихромных изображений на стали с применением лазерных технологий

Полный текст автореферата диссертации по теме "Гравирование полихромных изображений на стали с применением лазерных технологий"

На правах рукописи

Матюшина Анна Эдуардовна

ГРАВИРОВАНИЕ ПОЛИХРОМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА СТАЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2008

003451563

Работа выполнена на кафедре «Технология промышленной и художественной обработки материалов» Ижевского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Черных Михаил Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Трухов Анатолий Павлович кандидат технических наук, доцент Земцов Михаил Иванович

Ведущая организация:

Удмуртский государственный университет

Защита состоится 27 ноября 2008 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д.212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГУПИ Автореферат разослан «16» октября 2008 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

Соколова М.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Украшенное стрелковое оружие - одно из немногих направлений оружейной промышленности, не подверженное влиянию современных модных тенденций. Новейшие материалы, формы и технологии, активно используемые в других отраслях оружейного производства, применительно к этому сегменту встречают серьезное сопротивление со стороны веками сложившихся традиций. Эти стереотипы настолько устойчивы, что на сегодняшний день практически отсутствуют технологии, способные реально конкурировать с ручными способами оформления полихромных изображений на оружии. В результате, процент ежегодного выпуска украшенного оружия по отношению к выпуску массового неуклонно падает при всё возрастающем на него спросе. Таким образом, в настоящее время на рынке украшенного оружия существует острая проблема увеличения объема выпуска изделий без значительного повышения затрат на производство.

Помочь разрешить ситуацию могут инновационные технологии оформления стрелкового оружия, позволяющие создавать на изделиях привычные глазу потребителя многоцветные орнаменты, но при этом не требующие как серьезных расходов на традиционные дорогостоящие материалы, так и высокого профессионального мастерства исполнителей. Научные разработки по созданию промышленных технологий гравирования цветных изображений отсутствуют.

В качестве такой технологии предлагается технология лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием (ЛГП).

Цель работы: Совершенствование дизайна гравированных изделий из металла, повышение эффективности производства охотничьих ружей.

Задачи исследований:

Изучение технологий гравирования по металлу и определение области применения ЛГП;

Выявление закономерностей процесса протекания ЛГП; /Д

Установление взаимосвязей между технологией ЛГП и дизайном изображений;

Исследование процессов, протекающих в материале заготовки при ЛГП и их влияние на эксплуатационные свойства изделия;

Разработка методики компьютерной обработки изображений и практических рекомендаций по проектированию технологических процессов ЛГП;

Практическое апробирование технологии ЛГП в промышленных условиях. Научная новизна работы:

1. Установлены объемы, виды орнаментальной обработки и применяемые материалы для различных ценовых классов украшенных охотничьих ружей. Показана потребность в создании на основе технологии ЛГП класса ружей, отличающегося повышенной декоративностью и меньшими затратами на оформление.

2. Выявлены и классифицированы основные критерии эстетической оценки гравированных изображений на украшенных охотничьих ружьях как товаре, на основании критериев определены и установлены типовые схемы декора для характерных классов исполнения украшенных охотничьих ружей.

3. Скорость движения луча лазера до 40 мм/с, при частоте модуляции в диапазоне от 2 до 6 кГц и силе тока не менее 32 А обеспечивает полное удаление никелевого покрытия толщиной до 8 мкм, а также двойного покрытия никель - нитрид титана (толщина последнего не более 1 мкм), и достижение черного насыщенного цвета фона изображения при последующем оксидировании.

4. Полное удаление слоя нитрида титана толщиной порядка 1 мкм и открытие никелевого подслоя обеспечивается при скорости движения лазерного луча 200 мм/с, частоте модуляции 2-6 кГц и силе тока лампы накачки 29 А.

5. Эстетически приемлемая шероховатость подложки после лазерной обработки составляет до 20 мкм (Ятах) и достигается при скорости движения луча лазера свыше 10 мм/с.

6. Четкость линий воспроизводимого рисунка достигается при диаметре луча лазера не более 0,03-0,05 мм.

Практическая полезность:

Технология ЛГП обеспечивает повышенный уровень дизайна, позволяет автоматизировать технологический процесс гравирования, имитирующий всечку драгоценных металлов, снизить трудоемкость и расход драгметаллов и, тем самым, создает предпосылки для выделения нового ценового класса ружей, полнее удовлетворяющего запросы потребителей.

Установленные зависимости и рекомендации позволяют управлять технологическим процессом лазерного гравирования по покрытиям.

Обеспечиваются повышенные эксплуатационные показатели коррозионная стойкость оксидного покрытия, надежность соединения изображения с подложкой.

Предложенная методика подготовки и компьютерной обработки орнаментов и сюжетных композиций для переноса в материал посредством технологии ЛГП позволяет сократить сроки производства;

Технологии, опробованные на украшенном оружии, применимы и к другим видам художественно-промышленных изделий: сувенирам, ювелирным изделиям, предметам быта и др.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в которых отражено основное содержание работы, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Первые Бушуевские чтения» (Златоуст, 2002г), V Всероссийской научной конференции по направлению 656700 (Ижевск, 2002 г.), IX Всероссийской научной конференции по направлению 656700 (Ижевск, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Технология художественной обработки материалов» (Иркутск, 2008), на научных семинарах кафедры ТПиХОМ ИжГТУ.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и библиографии из 99 наименований. Объем работы составляет 193 страницы машинописного текста, включая 101 иллюстрацию, 9 таблиц и 21 страницу приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность диссертационной работы, сформулированы задачи и цели исследований, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ видов охотничьего стрелкового оружия с точки зрения декоративной отделки. Рассмотрены традиции региональных школ украшенного оружия. Приведены основные технологии нанесения орнаментальных и сюжетных композиций на ствольные коробки охотничьих ружей.

Охотничье стрелковое оружие делится на три группы по функциональному признаку: Промысловое, Охотничье и Имиджевое. Украшать принято охотничье и имиджевое оружие, причем имиджевое подлежит более богатому оформлению.

Охотничьи ружья классифицируют по разным признакам, но для выбора декора важными, в первую очередь, являются тип стволов (снарядов) и калибр ружья. По типу стволов различают дробовые и нарезные ружья. Назначение ружья зависит от калибра, а, в свою очередь, от назначения напрямую зависит характер оформления ствольной коробки.

Традиции украшения как холодного, так и огнестрельного оружия во всем мире имеют глубокую и богатую историю. В России история декорирования оружия неразрывно связана с Тульской и Златоустовской оружейными школами. Основоположником Ижевской школы граверного мастерства был Леонард Михайлович Васев (1937 - 1972 гг). Наиболее яркими представителями европейских оружейных традиций можно назвать английскую, среднеевропейскую и итальянскую школы украшенного оружия.

Ручные методы декоративной отделки являются традиционными и наиболее распространенными в оружейном искусстве. Однако, ручное гравирование неприменимо к дешевой серийной продукции, и получать узоры на недорогих ружьях позволяют промышленные технологии: Механическое гравирование, Пластическое деформирование, Термическая обработка, Химическое травление, Электроэрозионная обработка и Лазерные технологии.

Лишь некоторые из перечисленных технологий позволяют создавать на поверхности стальных изделий цветные композиции.

Во второй главе произведен обзор существующего на сегодняшний день рынка украшенного стрелкового оружия. Приведена классификация украшенных ружей, а также сформулирована проблема создания нового, промежуточного ценового класса охотничьих ружей. В главе рассмотрены типовые виды орнаментов для украшенного оружия, выявлена взаимосвязь декора и назначения ружья.

Украшенное оружие условно делят на пять ценовых классов: Классик, Престиж, ДеЛюкс, Эксклюзив и Коллекционный. Установлен объем и вид орнаментальной обработки (заполнения) для каждого из классов (рис. 1.).

Ценовые классы ружей

Классик Престиж ДеЛюкс Эксклюзив Коллекционный

Без орнамента, декоративная рамка, и дентификационная надпись. Крупносерийное производство Площадь орнаментального заполнена обрабатываемой поверхности до 35%, эсечной орнамент с использованием серебра. Мелкосерийное производство Площадь орнаментального заполнения обрабатываемой поверхности до 75%, военной орнамент с использованием серебра и золота. Штучное производство Площадь орнаментального заполнения обрабатываемой поверхности до 100%, всечной орнамент с использованием серебра и золота. Штучное производства Площадь орнаментальною заполнения обрабатываемой поверхности до 100%, всечной орнамент с использованием серебра и золота. Уникальное исполнение

Рис. 1. Ценовые классы ружй

Созданию промежуточного класса охотничьего оружия, которое, при сравнительно невысокой цене, будет внешне похоже на дорогое, могут

способствовать имитационные методы, позволяющие выполнять художественные композиции на металле без применения труда художников-граверов.

Для большинства технологий характерно воспроизведение в материале лишь одноцветных композиций. Предложенная в работе технология, заключающаяся в лазерном гравировании по покрытиям с последующим оксидированием фона (ЛГП), позволяет выполнять украшенное охотничье оружие с богатой орнаментацией серийно по относительно невысокой цене.

Эстетические свойства

Рис. 2. Структура эстетических свойств изображений на украшенных охотничьих ружьях

В результате проведенного анализа украшенных охотничьих ружей была предложена структура эстетических свойств изображений на охотничьем оружии (рис. 2.). Важными являются специфические для украшенного оружия критерии оценки. Декор на ствольной коробке ружья должен располагаться таким образом, чтобы подчеркивать функциональность и выявлять тектонику отдельных деталей и узлов механизма ружья. Назначение ружья, предмегг предполагаемой охоты, во многом определяют его конструктивные особенности, что, в свою очередь, влияет на выбор сюжета. На основании предложенной структуры выявлены орнаменты и сюжеты, предпочтительные для каждого из классов исполнения (таблица 1.).

Таблица 1

Классификация традиционных орнаментов для оформления охотничьих ружей в разных ценовых классах (ручная обработка)

Престиж

Орнамент

Сюжет

Лиственный и (или) линейный орнаменте небольшой площадью заполнения (не более 35% поверхности)

Линейная всечка серебром и (или) цветными сплавами

Линейный орнамент с растушевкой вручную или матуаром_

Однофигурная композиция (зависит от прямого назначения ружья)

Линейная гравировка

Изображение животного на первом плане

Детальная проработка пейзажа не выполняется, I переднем плане пейзаж отсутствует_

Использование техники матуарадля растушевки животного и пейзажа

ДеЛюкс

Орнамент

Сюжет

Лиственный орнамент большой площади, с плотным заполнением (до 75 % поверхности)_

Всечка и насечка

Обронная гравировка

Использование золота и серебра

Линейная всечка в сочетании с лиственным орнаментом

Выборка фона и ручная растушевка

Преимущественно однофигурная композиция (зависит от прямого назначения ружья)

Использование всечки и насечки для изображения животного

Детальная проработка пейзажа, в том числе, переднего плана_\_____

Возможно сочетание техник обронной гравировки со всечкой

Эксклюзив, Коллекционный

Орнамент

Сюжет

Использование и сочетание самых разнообразных техник, включая технику «мороз», линейную и обронную гравироку, всечку и насечку_

Использование золота и

Разнообразные стили орнаментов, с очень плотным заполнением (до 100% поверхности)

Многофигурная сложная композиция, отображающая сцены охоты. Возможны отвлеченные от прямого назначения ружья сюжеты - портреты людей, тематические, фольклорные или абстрактные изображения

Разнообразные техники исполнения, использование разноцветных сплавов золота и серебра для создания многоцветной всечки и насечки _

Детальная проработка пейзажа с тщательной прорисовкой деталей, передачей прозрачности пространства и перспективы_

В третьей главе изложена сущность предлагаемой технология лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием фона (ЛГП), раскрыты её основные технологические переходы и возможности. Названы характерные особенности и эстетические показатели орнаментов для ЛГП. Приведена сравнительная характеристика ЛГП по отношению к технологиям-аналогам. Сформулированы алгоритмы компьютерной подготовки орнаментов и композиций для переноса на изделие.

ЛГП разработана, как технология, позволяющая имитировать ручные методы всечки. Имитацию серебряной и золотой всечки выполняют методом гравирования по покрытиям в один переход.

Отличительная черта технологии ЛГП от большинства аналогов - в возможности сочетания в пределах одного изображения трех цветов: серебристо-белого, золотисто-желтого и черного.

г) Д) е)

Рис. 3. Последовательность создания методом ЛГП орнамента, имитирующего сочетание золотой и серебряной всечки а) стальная заготовка; б) заготовка, покрытая слоем серебристо-белого металла; в) заготовка со слоем золотисто-желтого покрытия поверх серебристо-белого; г) оформление серебристо-белого орнамента лазером за счет снятия часта верхнего покрытия; д) оформление двуцветного орнамента лазером; е) оксидирование фона

Технология получения двухцветного локального орнамента на металле включает снятие верхнего слоя до обнажения нижнего на одних участках и снятие обоих покрытий до обнажения подложки на других участках. Обнажившуюся сталь

оксидируют, в результате чего получают черный фон орнамента. Технология позволяет имитировать сочетание серебряной и золотой всечки (рис. 3.).

Разработана методика компьютерной обработки изображений для ЛГП, заключающаяся в разделении изображения на цветовые шаблоны и последующем совмещении шаблонов в процессе получения изображения (рис. 4).

В зависимости от цветовой гаммы (один или два цвета на черном фоне) и его вида (цвет расположен локально или имеются тоновые переходы) возможны четыре варианта последовательности подготовки изображения к лазерной обработке: подготовка одноцветного локального изображения), одноцветного тонового, двухцветного локального и двухцветного тонового изображений.

Локальное изображение (орнамент) для технологии ЛГП не должно иметь полутоновых переходов, поэтому его обрабатывают в векторной графике, например, в программе CorelDRAW, до получения черно-белого изображения, на котором черные и белые цвета образуют локальные зоны.

Для лазерной обработки двуцветного орнамента необходимо подготовить два изображения: первое для оформления серебристых элементов, второе - для фона. Подготовка обоих изображений также ведется в векторной графике.

При подготовке тоновых изображений обрабатываются композиции, основанные на полутонах, поэтому предпочтительнее использовать растровую графику, позволяющую распределить черные и белые участки не локальными пятнами, а перемежающимися точками. Для этого подходят такие графические редакторы, как Adobe Photoshop или CorelPHOTO-PAINT.

В случае обработки тоновой многоцветной композиции также необходимо подготовить два изображения в растровой графике для послойного снятия покрытий лазером. Блок-схема алгоритма подготовки полихромной тоновой композиции для переноса на металл методом ЛГП представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма подготовки полихромной композиции

В четвертой главе приведены результаты исследования процесса лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием фона. Рассмотрено состояние поверхности подложки после обработки, влияние режимов работы лазера на результаты обработки, коррозионная стойкость подложки после её оксидирования.

От выбора режимов лазерной обработки заготовок зависит качество удаления покрытий. Для успешного последующего оксидирования необходимо тщательно очистить фон от предварительно нанесенных покрытий.

12

Исследование выполнили на образцах, предварительно покрытых химическим никелем (8 мкм), на часть образцов поверх никеля наносили нитрид титана (1 мкм). При помощи лазерной установки Квант-бОМ на каждом из исследуемых образцов оформили гравированные изображения с разной степенью удаления покрытий.

Основными варьируемыми факторами режима обработки были: скорость движения луча лазера (мм/с), частота модуляции (кГц), сила тока лампы накачки (А), диаметр луча лазера и количество проходов.

Отгравированные пластины подвергли спектральному анализу для определения количества остаточного материала покрытий на изображениях. При помощи фотоэлектронной установки МАЭС (многоканальный анализатор эмиссионных спектров) в зонах лазерной обработки выполнили замеры интенсивности спектральных линий никеля и титана. Результатом спектрального анализа стали показатели интенсивности спектральных линий никеля и титана для каждого из гравированных изображений в условных баллах (по десятибалльной шкале).

Остаточный никель,

¿0 40 >0 0 ЮО С

Рис. 5. Зависимэсть количества остатснного никеля на поверхности исследуемых образцов от скорости движения луча лазера при 32 Д 3 кГц, за один проход; * - экспериментальные значения

Установлено, что интенсивность спектра остаточного никеля зависит прямопропорционально от скорости движения луча лазера (рис. 5.). Следов

титана не обнаружено ни на одном участке поверхности, что свидетельствует об удалении нитрида титана со всех изображений.

Для удаления слоя нитрида титана толщиной 1 мкм достаточны скорость движения луча около 200 мм/с, и сила тока не более 29 А. Для удаления слоя химического никеля толщиной 8 мкм с поверхности стального образца нужен следующий режим работы лазерной установки: 2 прохода; сила тока 32 А; частота модуляции 2-6 кГц; скорость рабочего движения луча 10...40 мм/с, диаметр луча лазера 0,03-0,05 мм.

При скорости движения луча меньшей 10 мм/с резко возрастает шероховатость поверхности открывающейся подложки (рис. 6.) из-за чрезмерного теплового воздействия, что может ухудшить эстетическое восприятие участков фона гравированного изображения после оксидирования. При скорости луча большей 40 мм/с покрытие удаляется не полностью из-за недостаточного теплового воздействия, что препятствует образованию оксидной пленки на участках фона изображения.

Рис. 6. Влияние скорости лазерной обработки на высоту микронеровностей поверхности

При частоте модуляции меньшей 2 кГц или большей 6 кГц покрытие удаляется не полностью, соответственно из-за недостаточного для обработки

материала количества импульсов, генерируемых в секунду или накопления в резонаторе недостаточного количества энергии для обработки из-за высокой частоты испускания импульсов.

Диаметр луча лазера без раскрутки равен 0,03-0,05 мм, что условно принимается равным нулю. Даже незначительная раскрутка луча приводит к резкому снижению четкости линий воспроизводимого рисунка.

Исследовали структуру и химический состав подложки после лазерной обработки. Отмечено, что с изображений, оформленных в более щадящих режимах работы лазера в сравнении с отмеченными выше, никелевое покрытие полностью не удалено, а слой нитрида титана отсутствует.

В зоне лазерного воздействия основной металл претерпел изменения, связанные с плавлением и последующей кристаллизацией с высокими скоростями. На участках, освобожденных от никелевого покрытия, образовались приповерхностные слои разной толщины (от 5 до 70 мкм в зависимости от интенсивности лазерного воздействия) однородной мелкодисперсной структуры (предположительно, трооститной или мартенситной) стали. Микротвердость структуры от 318 до 626 Н50.

Технология ЛГП предполагает нанесение оксидного слоя на участки поверхности, обработанные лазером, что обусловливает некоторые особенности пленкообразования, могущие оказать влияние на коррозионную стойкость.

Исследование химического состава поверхности покрытия и подложки после его удаления выполнено методами вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС). Исследования ВИМС выполнены на спектрометре МС-7201М с использованием первичных ионов Аг+ с энергией 4,5 кэВ с плотностью тока 30 мкА/см2. Измерялись интенсивности пиков К5158, Ре56 и С12. РЭС исследования проведены на спектрометре ЭС-2401. Для возбуждения спектров фотоэлектронов использовано излучение М£К6(, 2). Очистка поверхности от адсорбированных загрязнений и травление вглубь покрытия осуществлено бомбардировкой ионами Аг с энергией 0,9 кэв, ]=12 мка/см2. Скорость травления 1,1 нм/мин.

Химический анализ подложки после лазерной обработки показал высокое содержание железа, углерода и кислорода. Результаты в таблице 2.

Таблица 2

Концентрации элементов в приповерхностном слое подложки по данным РЭС

после 10 мин травления ионами Ar с энергией 0,9 кэВ 12 мкА/см2

Элементы С Fe Ni 0 Р

Количество,% 26,9 20,4 1,5 51,2 0

Никель в подложке обнаруживается в следовых количествах в окисленном состоянии, поэтому не будет оказывать существенного влияния на процесс последующего оксидирования. Данные рентгеноэлектронной спектроскопии показали, что основной состав приповерхностной зоны - окисленное железо в состояниях 2+ и 3+ с преобладанием последнего (рис. 7.).

Ре 2р (3/2)

Рв(О), Ре-С _Ре-р,,_

| РеЗ+ 1

Г_еЗ+(за1)

|ИПП 11Ц1П1П1ЩЧП111Ч |Ч11ЧЧЦ1||11|11ЦИ1 ППЩ1ИЧП1Ц1И ПНИ I

702 704 706 708 710 712 714 716 718 Е св, эВ

Рис. 7. Рентгеноэлектронный спектр поверхности подложки

Исследование коррозионной стойкости зоны лазерной обработки после оксидирования проводили на двух сериях образцов, покрытых в щелочной и бесщелочной среде.

Испытание коррозионной стойкости оксидной пленки, образовавшейся в результате щелочного оксидирования, провели капельным методом при помощи медного купороса. Испытания покрытий бесщелочного оксидирования на коррозионную стойкость проводили методом погружения в емкость с раствором хлористого натра.

В результате испытаний было выявлено, что в зонах лазерного воздействия коррозионная стойкость пленки щелочного оксидирования выше почти в 7 раз, чем на полированных участках. Причинами столь резкого повышения коррозионной стойкости покрытия является, прежде всего, наличие в поверхностном слое стали после лазерной обработки магнитной окиси железа Ре304, после оксидирования срастающейся с оксидной пленкой аналогичного состава.

Результаты замеров коррозионной стойкости покрытия, полученного бесщелочным оксидированием, показали, что, независимо от типа обработки, пленка оказалась стойкой к агрессивной среде на всех участках воздействия.

В пятой главе приведены практические рекомендации по выбору покрытий и установки, а также сформулированы указания по ведению технологического процесса ЛГП. Рассмотрены технико-экономические показатели ЛГП и представлены результаты производственного опробования технологии.

Для имитации серебра предпочтительным является выбор химического никеля в качестве основного покрытия. Производственный процесс создания покрытия путем химического восстановления никеля производят в кислых ваннах на основе сернокислого никеля.

Для имитации золота выбор остановлен на нитриде титана, наносимом поверх никеля, толщиной 1 мкм.

Черный цвет фона рекомендуется создавать посредством бесщелочного оксидирования, ванны которого имеют состав на основе ортофосфорной кислоты. При обработке изделий в ваннах бесщелочного оксидирования не происходит реакций никелевого покрытия с реагентами, входящими в состав раствора.

В качестве лазерной установки рекомендуется выбирать твердотельный лазер на алюмоиттриевом фанате, либо оптоволоконный, как обладающие набором характеристик, наиболее подходящих для обработки металлов.

При расчете себестоимости ружья, оформленного по технологии ЛГП, за основу был взят готовый расчет себестоимости ружья, оформленного ручной всечкой серебром.

Аналогичным образом произвели расчет ружья, оформленного ЛГП по однослойному покрытию. Для простоты расчетов в качестве покрытия выбрали гальваническое серебрение толщиной 5 мкм.

Таблица 3

Сравнительная таблица экономических показателей нового ценового

класса украшенного охотничьего оружия

Класс ^"\испол нения )кономическшГ\. показатели Престиж Промежуточный ' класс ДеЛюкс

Себестоимость 10100,00 руб. 8498,66 руб. 23288,00 руб.

Розничная цена 18000,00 руб. 15171,00 руб. 41569,00 руб.

Экономический эффект технологии ЛГП в сравнении с традиционным методом ручной обработки приведен в таблице 3. Преимущества технологии ЛГП очевидны, если сравнить себестоимости изготовления ружей. Себестоимость ружья, украшенного теми же орнаментами и теми же материалами, что ружья высоких ценовых классов, при использовании технологии ЛГП почти в 3 раза ниже.

Рис. 8. Накладные доски ружья Иж-43 (ЛГП по двухслойному покрытию в два перехода)

Промышленные испытания ЛГП проводили на декоративных накладках и на накладках ружейных коробок (рис. 8.), непосредственно на ружейных коробках, а так же на деталях пистолетов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Уточнены эстетические свойства изображений на украшенных охотничьих ружьях, как объекте дизайна. Таковыми являются: Информационная выразительность (оригинальность композиции, стилевое соответствие), Композиционная завершенность (целостность композиции, выявление

тектоники деталей, соответствие сюжета назначению ружья и соответствие масштабов орнамента и сюжета), Совершенство исполнения (мастерство исполнения, соответствие техники и материалов).

2. Показано, что при скорости движения луча лазера, большей 40 мм/с, а также частоте модуляции лазерного излучения меньшей 2 кГц и большей 6 кГц никелевое покрытие толщиной не более 8 мкм удаляется не полностью из-за недостаточного теплового воздействия, что препятствует образованию оксидной пленки и получению насыщенного черного на участках фона изображения.

3. Установлено, что при скорости движения луча лазера меньшей 10 мм/с резко возрастает шероховатость поверхности из-за чрезмерного теплового воздействия, что ухудшает эстетическое восприятие участков фона гравированного изображения после оксидирования.

4. Для обеспечения четкости воспроизводимого рисунка показана необходимость использования минимального значения диаметра луча лазера (0,03-0,05 мм) без его раскрутки.

5. Установлено, что в процессе лазерной обработки покрытие в подложку не диффундирует, что дает возможность выполнить последующее её оксидирование. Образующиеся в приповерхностной зоне стальной подложки окись и закись железа способствуют повышению коррозионной стойкости оксидной пленки, нанесенной из щелочных растворов.

6. Предложенная методика компьютерной подготовки рисунков позволяет воспроизводить в металле многоцветные изображения.

7. При использовании технологии ЛГП себестоимость изготовления украшенных охотничьих ружей меньше, чем у класса Перстиж, а декоративность гравированных изображений - на уровне класса ДеЛюкс, что обеспечивает предпосылки для создания нового ценового класса охотничьих ружей, отличающегося меньшими издержками производства при большей декоративности, причем, в отличие от ручного гравирования, чем выше заполненность изображения, тем меньше затраты на его оформление.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анисимов С.Р., Курочкина Т.Л., Семашко А.Э., Черных М.М. Технология получения многоцветных композиций на металле // Первые Бушуевские чтения 23-25 декабря 2002 г.: сборник материалов.- Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2003.-с. 100-102.

2. Дорогушин М.Ю., Анисимов С.Р., Курочкина Т.Л., Рябчиков A.B., Семашко А.Э., Черных М.М. Имитация всечки на украшенном стрелковом оружии // Труды V-й Всероссийской конференции по направлению 656700 «Технология художественной обработки материалов». - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2003. Вып. 7. - с. 52-56.

3. Матюшина А.Э. Декорированное оружие // Инженер (М.). - ноябрь 2004. -№11 - с. 14-15.

4. Матюшина А.Э., Черных М.М. Исследование влияния лазерного воздействия на покрытия при гравировании орнаментов на стали //Дизайн. Материалы. Технология. 2(3), 2007. - с. 74-77.

5. Матюшина А.Э., Черных М.М. Компьютерная обработка изображений для лазерного гравирования по покрытиям // Вестник ИжГТУ, 2007. - № 3(35), июль-сентябрь. - с. 10-14.

6. Матюшина А.Э. Оружие и декор: как совместить несовместимое? // Калашников. - август, 2008. - № 8. - с. 58-61.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 16.10.2008 г. Формат 60x84. 1/16 Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 184.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, уп. Стромынка, 20

Оглавление научной работы автор диссертации — кандидата технических наук Матюшина, Анна Эдуардовна

Основные термины и определения.

Введение.

Глава 1. Охотничье стрелковое оружие. Традиции и современные технологии декорирования охотничьих ружей.^

1.1. Классификация охотничьего оружия.:.

1.2. Исторически сложившиеся школы и направления художественной отделки оружия.

1.2.1. Особенности традиционного декорирования оружия на Тульском оружейном заводе.

1.2.2. Особенности традиционного декорирования оружия на Ижевских заводах.

1.2.3. Особенности традиционного декорирования оружия на Златоу сто веком заводе.

1.2.4. Зарубежные школы декоративной отделки оружия.

1.3. Особенности и области применения различных технологий отделки охотничьих ружей.

1.3.1. Ручное гравирование.

1.3.2. Механическое гравирование.

1.3.3. Пластическая обработка.

1.3.4. Термическая обработка.

1.3.5. Химическая обработка.

1.3.6. Электроэрозионная обработка.

1.3.7. Лазерные технологии.

1.4. Выводы.

Глава 2, Украшенное охотничье оружие. Классы и орнаменты

2.1. Украшенное охотничье оружие. Классы.

2.2. Классификация изображений и виды орнаментов для украшенного оружия. Взаимосвязь дизайна формы оружия с наносимым на его поверхность изображением.

2.3. Выводы.

Глава 3. Технология лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием фона. ^

3.1. Сущность процессов лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием фона.^

3.1.1. Гравирование по однослойному покрытию.

3.1.2. Гравирование по двухслойному покрытию в один переход

3.1.3. Гравирование по двухслойному покрытию в два перехода.

3.2. Эстетические показатели и особенности дизайна изображений при лазерном гравировании по покрытиям.

3.2.1. Орнаменты для технологии ЛГП.

3.2.2. Художественные композиции и фотографии' для технологии ЛГП.

3.2.3. Некоторые технологические особенности процесса ЛГП, влияющие на выбор изображений.

3.2.4. Рекомендации по выбору орнаментов.

3.3. Сравнительные характеристики технологии ЛГП и технологий-аналогов.

3.4. Компьютерная обработка изображений для лазерного гравирования по покрытиям.

3.4.1. Выбор и подготовка изображения.

3.4.2. Алгоритм подготовки одноцветного локального изображения.

3.4.3. Алгоритм подготовки одноцветной тоновой композиции на черном фоне.

3.4.4. Алгоритм подготовки двухцветной локальной композиции.

3.4.5. Алгоритм подготовки многоцветной тоновой композиции

3.5. Выводы. IOS

Глава 4. Исследование процесса лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием фона.

4.1. Методика исследования.

4.1.1 Исследование влияния режима лазерной обработки на формирование изображения. Ю

4.1.2. Исследование влияния лазерного воздействия на подложку.

4.1.3. Исследование коррозионной стойкости оксидных пленок

4.2. Влияние режима обработки на формирование изображения.

4.3. Структура и химический состав обрабатываемой поверхности.

4.3.1. Исследование микроструктуры образцов после ЛГП.

4.3.2. Исследование химического состава образцов после ЛГП

4.4. Свойства оксидных пленок на обработанной лазером поверхности.

4.4.1. Коррозионная стойкость оксидных пленок.

4.4.2. Эстетические свойства оксидных пленок.

4.5. Выводы.,.

Введение диссертации2008 год, автореферат по искусствоведению, Матюшина, Анна Эдуардовна

Оружие является непременным спутником жизни человека на протяжение всей истории. Желание защититься от врагов, а также необходимость обеспечивать себя и близких пропитанием за счет охоты привели к тому, что оружие перестало быть просто предметом утилитарного назначения. Оно стало, своего рода, символом благополучия и независимости владельца. Не даром было принято у богатых и знатных семей украшать стены домов военными трофеями, передавать из поколения в поколение именные шпаги и дуэльные пистолеты, с гордостью показывать гостям коллекции старинных сабель и ружей. Почтительное отношение к оружию отражено и мировой литературе, где некоторым предметам из амуниции персонажей даны даже собственные имена: это и древнерусский Меч-Кладенец, и Эскалибур короля Артура, и Нарсил — меч наследников Элендила.

Изготовление и украшение оружия издавна считается одним из самых сложных и уважаемых занятий. Несмотря на грозное предназначение, множество предметов вооружения числятся среди самых выдающихся произведений искусства. В музеях всего мира хранятся великолепнее образцы как холодного, так и огнестрельного оружия, созданные великими мастерами -оружейниками прошлого.

Сегодня, когда производство оружия поставлено на поток и крупными оборонными предприятиями, выпускаются тысячные партии ружей и пистолетов, традиции их любовного украшения не утрачены. Тонкие линии гравированных узоров, яркие золотые и матовые серебряные нити всечки, насечные охотничьи сюжеты и орнаменты и по сей день ложатся на стальные детали охотничьих ружей и пистолетов. Сочетание их с ажурной резьбой на деревянных прикладах и рукоятках позволяет мастерам создавать изделия, достойные занять место среди мировых шедевров.

Актуальность работы: Перспективы совершенствования эстетических свойств и вцелом дизайна изделий показаны в работах Сомова Ю.С, Михайлова С.М., Кулеевой Л.М., Васина С.А., Талащука А.Ю. и дгс. Научные разработки и исследования Куманина В.И, Соколовой М.Л., Крашенинникова А.И., Галанина С.И., Пирайнена В.Ю., Жуковой Л.Т., Лобацкой И.М., Зимина Ю.А., Гамова Е.С., Юдиной Т.Ф., Земцова М.И., и др. выделились в последние годы в направление, увязывающее дизайн, материалы и технологии обработки. Предложенные новые технологии, покрытия и выявленные свойства материалов позволяют существенно расширить возможности дизайна. В отмеченном направлении важное место занимает улучшение эстетических свойств гражданского оружия в связи с растущей его востребованностью на рынке. В последние годы дизайну оружия были посвящены работы Хузиахметова С.Х., Ломаевой Л.Г., Драгунова М.Е., Матюшина В.В. и др.

Украшенное стрелковое оружие - одно из немногих направлений оружейной промышленности, не подверженное влиянию современных модных тенденций. Новейшие материалы, формы и технологии, активно используемые в других отраслях оружейного производства, применительно к этому сегменту встречают серьезное сопротивление со стороны веками сложившихся традиций. Эти стереотипы настолько устойчивы, что на сегодняшний день практически отсутствуют технологии, способные реально конкурировать с ручной отделкой оружия. В результате, процент ежегодного выпуска украшенного оружия по отношению к выпуску массового неуклонно падает. В то время, как спрос потребителей на украшенное оружие не только не снижается, но и постоянно возрастает.

Таким образом, в настоящее время на рынке украшенного оружья существует острая проблема увеличения объема выпуска изделий без значительного повышения затрат на производство.

Помочь разрешить ситуацию могут инновационные технологии оформления стрелкового оружия, позволяющие создавать на изделиях привычные глазу потребителя орнаменты, но при этом не требующие кгк серьезных расходов на традиционные дорогостоящие материалы, так и высокого профессионального мастерства исполнителей.

Проблемой замены методов ручной отделки менее затратными промышленными технологиями применительно к стрелковому оружию до сих пор на научной основе занимались лишь несколько специалистов-оружейников, совместно ,с художниками-граверами: Васев JIM., Лекомцев A.A., Передвиган A.A. и другие. Научные разработки по создание промышленных технологий гравирования цветных изображений отсутствуют.

В качестве такой технологии предлагается технология лазерного гравирования по покрытиям с последующим оксидированием (ЛГП).

Цель: Совершенствование дизайна изделий из металла, декорированных гравированием, повышение эффективности производства

Задачи:

- Изучение технологий гравирования по металлу и определение области применения ЛГП;

- Выявление закономерностей процесса протекания ЛГП;

- Установление взаимосвязей между технологией ЛГП и дизайном изображений;

- Исследование процессов, протекающих в материале заготовки при ЛГП и их влияние на эксплуатационные свойства изделия;

- Разработка методики компьютерной обработки изображений и практических рекомендаций по проектированию технологических процессов ЛГП; г Практическое апробирование технологии ЛГП в промышленных условиях. Научная новизна работы:

1. Установлены объемы, виды орнаментальной обработки и применяемые материалы для различных ценовых классов украшенных охотничьих ружей. Показана потребность в создании на основе технологии ЛГИ класса ружей, отличающегося повышенной декоративностью и меньшими затратами на оформление.

2. Выявлены и классифицированы основные критерии эстетической оценки гравированных изображений на украшенных охотничьих ружьях как товаре, на основании критериев определены и установлены типовые схемы декора для характерных классов исполнения украшенных охотничьих ружей.

3. Эстетически приемлемая шероховатость подложки после лазерной обработки составляет до 20 мкм (Ктах) и достигается при скорости движения луча лазера свыше 10 мм/с.

4. Скорость движения луча лазера до 40 мм/с, при частоте модуляции в диапазоне от 2 до 6 кГц и силе тока не менее 32 А обеспечивает полное удаление никелевого покрытия толщиной до 8 мкм, а также двойного покрытия никель-нитрид титана (толщина последнего не более 1 мкм), и достижение черного насыщенного цвета фона изображения при последующем оксидировании.

5. Полное удаление слоя нитрида титана толщиной порядка 1 мкм и открытие никелевого подслоя обеспечивается при скорости движения лазерного луча 200 мм/с, частоте модуляции 2-6 кГц и силе тока лампы накачки 29 А.

6. Четкость линий воспроизводимого рисунка достигается при диаметре луча лазера не более 0,03-0,05 мм.

Практическая полезность:

- Технология ЛГП обеспечивает повышенный уровень дизайна, позволяют автоматизировать технологический процесс гравировки, имитирующий всечку драгоценных металлов, снизить трудоемкость и расход драгметаллов и, тем самым, создают предпосылки для выделения нового ценового класса ружей, полнее удовлетворяющего запросы потребителей.

- Установленные зависимости и рекомендации позволяют управлять технологическим процессом лазерной гравировки по покрытиям.

- Обеспечиваются повышенные эксплуатационные показатели -коррозионная стойкость оксидного покрытия, надежность соединения изображения с подложкой.

- Предложенная методика подготовки и компьютерной обработки орнаментов и сюжетных композиций для переноса в материал посредством технологии ЛГП позволяет сократить сроки производства;

- Технологии, опробованные на украшенном оружии, применимы и к другим видам художественно-промышленных изделий: сувенирам, ювелирным изделиям, предметам быта и др.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в которых отражено основное содержание работы, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Первые Бушуевские чтения» (Златоуст, 2002г), (Ижевск, 2002 г.), IX Всероссийской научной конференции по направлению 261000 (Ижевск, 2006 г.), научных семинарах кафедры ТПиХОМ ИжГТУ.

Структура и объем диссетации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и библиографии из 99 наименований. Объем работы составляет 173 страницы машинописного текста, включая 101 иллюстрацию, 9 таблиц и 21 страницу приложений.