автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Конструктивное и технологическое обеспечение функционально-эстетических свойств колоколов

Полный текст автореферата диссертации по теме "Конструктивное и технологическое обеспечение функционально-эстетических свойств колоколов"

На правах рукописи

Бурцев Дмитрий Сергеевич

КОНСТРУКТИВНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛОКОЛОВ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

7

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005540871

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Научный руководитель: Ершов Михаил Юрьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства» им. П.Н. Аксенова, ФГБОУ ВПО МГМУ (МАМИ)

Официальные оппоненты: Бендерский Борис Яковлевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Тепловые двигатели и установки», ФГБОУ ВПО ИжГТУ им. М.Т. Калашникова

Лившиц Виктор Борисович,

кандидат технических наук, доцент кафедры

«Компьютерного дизайна», ФГБОУ ВПО МГУПИ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный университет технологии и дизайна

Защита диссертации состоится «24» октября 2013 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.119.04 в ГОУ ВПО Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д. 20, в зале заседаний ученого совета.

Текст автореферата размещен на сайте: http://www.mgupi.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ Автореферат разослан 20 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук ~ Анна Эдуардовна Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования н степень ее разработанности

Возрождающееся в России с середины 90-х годов XX века колокольное производство отличается внедрением достижений науки в проектирование, технологию изготовления и настройку колоколов. Стремление получить благозвучные колокола с высоким качеством отделки потребовало применения научных методов проектирования, к числу которых относятся разработанные в школе проф. Нюнина Б.Н. Основным научным результатом этой школы является применение численного моделирования при проектировании формы колоколов и использование акустических методов контроля их звучания. Совершенствованию технологий реставрации и улучшению акустических свойств колоколов посвящены работы Пирайнена В.Ю., Шарикова П.В., Лисовской О.Б., Лисовского В.А.

Успехи современного колокольного производства поставили ряд технических задач, главной из которых является управление звуковыми характеристиками колокола от стадии проектирования до финишных операций. Из практики известно, что частота звучания колокола зависит от формы профиля и физико-механических свойств сплава (плотность, модуль упругости), из которого он изготовлен. Профиль колокола закладывается на стадии проектирования, физико-механические свойства и структура сплава формируются под действием применяемой технологии литья и последующей термической обработки. Влияние перечисленных факторов на звучание колокола изучено в различной степени, и прослеживается недостаток знаний о конструктивных параметрах и технологических режимах, обеспечивающих гармоничность звучания колокола. Таким образом, изучение названной совокупности является актуальной научной и технической задачей.

Объект н предмет исследования

Объектом исследования является колокол, как результат дизайнерской и инженерной мысли. Предметом исследования являются закономерности

з

формирования гармоничного звучания и эстетических свойств колокола под действием конструктивных и технологических факторов.

Целью работы является разработка научно-обоснованных методов гармонизации дизайна и звучания колокола.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка способа дизайн-проектирования колокола, характеризующегося гармоничным звучанием.

2. Установление влияния параметров литейных технологий на звучание колокола в зависимости от формируемых микроструктур оловянистой бронзы (Бр021).

3. Уточнение закономерностей формирования микроструктуры и физико-механических свойств оловянистой бронзы (Бр021) под действием термической обработки.

4. Установление режимов термической обработки оловянистой бронзы (Бр021), обеспечивающих заданную ноту звучания колоколов.

Научная новизна работы

1. Разработан способ дизайн-проектирования колокола, обеспечивающий гармоничное звучание, выражающееся в музыкальном совершенном интервале «чистая кварта» между основным тоном и первым обертоном.

2. Разработан метод управления звучанием колокола, включающий технологические режимы термической обработки и обеспечивающий расширение спектра звучания колокола одного размера.

3. Экспериментально установлены зависимости частот звучания колокола:

- от доли эвтектоида в литых структурах оловянистой бронзы;

- от физико-механических свойств термообработанных структур оловянистой бронзы.

Практическая ценность

1. Разработан дизайн колокола, защищенный патентом РФ на

4

♦Чистая кварта — интервал в четыре ступени (два с половиной тона). Обозначается ч. 4, является совершенным консонансом.

полезную модель. Профиль колокола задан табличной зависимостью и обеспечивает консонансное звучание.

2. В соответствии с запатентованным дизайном изготовлены колокола массой до 2 кг, звучание которых характеризуется заданным музыкальным интервалом «чистая кварта».

3. Разработанные режимы термической обработки применены для настройки четырех колоколов массой 0.7 кг, расположенных по возрастанию частоты звучания в соответствии с равномерно-темперированным строем.

Личный вклад автора

Состоит в формулировании темы работы и обосновании поставленной цели и задач исследования, постановке и проведении экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной технической конференции ААИ «Автомобиле и Тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010, 2012); Научно-технической конференции «Информатика и технология», Факультет «Технологическая информатика» (Москва, МГУПИ, 2012); XV Всероссийской научно-практической конференции по "Технологии художественной обработки материалов" (Ижевск, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, 2012); Международной научно-практической конференции «Применение прогрессивных технологий и оборудования в промышленном и художественном литье», посвященной 70-летию кафедры «МиТЛП» и 110-летию со дня рождения П.Н. Аксёнова (Москва, Университет машиностроения, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР ЕЗН «Разработка научных основ выбора оптимальных технологических решений в машиностроении» тема 4.6 «Создание научно-обоснованных методов: проектирования, технологических процессов литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами» (МГТУ «МАМИ» 2011г.).

Автор в составе творческого коллектива отмечен дипломом первой степени за проект «Комплексный метод проектирования, литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами», на XVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» Москва 2013г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах, в том числе две статьи в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен патент РФ на полезную модель «Колокол».

Структура н объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и приложения. Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 97 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 106 наименований.

На защиту выносятся следующие научные и практические результаты

1. Алгоритм дизайн-проектирования колокола, у которого частоты звучания основного тона и первого обертона образуют совершенный музыкальный интервал «чистая кварта».

2. Зависимости функционально-эстетических свойств колоколов от технологических параметров применяемых методов литья.

3. Метод управления звучанием колоколов одного дизайна и размера, обеспечивающий расширение спектра звучания за счет термической обработки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и важность исследования, показана степень проработанности направления по изучению функционально-эстетических свойств колоколов. Определена цель работы, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ состояния и развития научно-технической задачи проектирования, изготовления (литья) и настройки

6

колоколов с заданными функционально-эстетическими характеристиками. Показано, что колокол относится к уникальному изделию, которое на протяжении нескольких тысячелетий получают с помощью литейных технологий, различающихся применяемыми материалами и технологическими режимами. Все технологии (способы литья) включают общую последовательность операций и процессов: проектирование и изготовление модельно-опочной оснастки, изготовление литейной формы, расплавление и заливку сплава в форму, его кристаллизацию, объемную и линейную усадки при затвердевании колокола и последующее его извлечение из формы. Все вышеперечисленные технологические операции и процессы влияют на точность размеров будущего колокола, его физико-механические свойства и микроструктуру.

Следствием нарушения технологии является отклонение частот звукового спектра колокола от заданных. В этом случае колокол нуждается в настройке, которую выполняют путём механической обработки (проточки) его внутренней стенки. В работе показано, что данная операция позволяет снизить основную частоту не более чем на четверть тона. Уменьшение толщины стенки колокола при механической обработке может нарушить гармонический музыкальный строй колокола, так как изменение формы профиля колокола приводит к искажению не только основного тона, но и обертонов, поэтому существующая методика нуждается в совершенствовании и дополнении новыми методами управления функционально-эстетическими характеристиками колокола.

Традиционно в качестве материала для колоколов используется сплав высокооловянистой бронзы (классическая колокольная бронза), содержащий от 78 до 82 % меди и от 18 до 22 % олова, суммарное содержание примесей около 2%. Анализ диаграммы равновесного состояния Си-Бп и публикаций показывает, что к данному сплаву применим ряд видов термической обработки с целью получения различных микроструктур. Однако влияние структуры на функционально-эстетические свойства колоколов исследовано недостаточно. В связи с этим актуальной является задача по разработке конструктивных и

7

технологических способов обоснованного управления дизайном колоколов (его звучанием), на базе зависимостей физико-механических свойств колокольной бронзы от ее микроструктуры.

На основании проведенного литературного анализа была сформулирована научная идея работы, цель и основные задачи исследования.

Во второй главе представлена общая структура комплексной методики исследования функционально-эстетических характеристик колоколов и опытных образцов, основанная на записи звучания объекта после литья и термической обработки, анализе его микроструктуры и определении физико-механических свойств по стандартным методикам. Дизайн-проектирование октавного колокола с консонансным интервалом «чистая кварта» между основным и первым обертоном осуществлялось по разработанной методике, алгоритм которой представлен на рисунке 1. Проверка адекватности разработанной методики велась с применением метода конечно-элементного частотного анализа в программе иг^гарЫся ЫХ7 и на натурных образцах.

Объектами исследования являлись колокола массой от 160 до 2000 г и опытные образцы в виде стержней диаметром 7 и 20 мм и длинной 120 и 150 мм, изготовленные по трем технологиям литья: в гипсовые формы, в холоднотвердеющие жидкостекольные и смоляные формы, в чугунный окрашенный кокиль (металлическая форма). Плавку классической колокольной бронзы вели в резистивной печи с графитовым тиглем под слоем древесного угля на чистых шихтовых материалах (медь марки М1, олово 01). Раскисление расплава проводили 10% фосфористой медью в количестве 0.03-0.05 % от общей массы металла.

Из изготовленных опытных образцов и колоколов составляли группы, которые включающие в себя: колокол, три стержня, три образца на растяжение. Эти группы помещали на стальные кюветки с просверленными отверстиями и их подвергали следующим видам термической обработки в программируемой резистивной печи: закалке в воде при нормальных условиях, отжигу, нормализации, отпуску.

Формирование музыкального гармонического звукоряда ( Г1, Г2, О)

Определение наибольшего диаметра Отзх, ВЫСОТЫ резонансной части Н„, и наибольшей толщины стенки колокола

Определение диаметров Л и толщин стенок 6, по высоте колокола

V — -

1. Создание 2(1 проекции

2. Создание твердотельной 3с1 модели

3. Создание сетки КЗ.

4. Задание физико-механических свойств сплава.

5. Расчет.

Вывод значений f2, ГЗ

Рисунок 1. Алгоритм способа дизайн-проектирования колокола Исследования и анализ микроструктуры осуществляли оптической (МЕТ-500) и электронной растровой микроскопией (7ЕОЬ ^М-6060А с энергодисперсионной приставкой ШЭ-2300 для рентгеноспектрального

микроанализа химического состава). Количественный и качественный фазовый анализ проводили с применением рентгеновских методов.

Физико-механические свойства определяли по результатам статических испытаний на растяжение при комнатной температуре образцов колокольной бронзы на универсальной испытательной машине УТС 101. Цилиндрические заготовки подвергались механической обработке на токарном станке по приведению их формы в соответствии с ГОСТ 1497-87 (типа VII № 4).

Экспериментальные данные исследований обрабатывали с применением методов статистического анализа в программе Microsoft office Excel.

В третьей главе приведены результаты исследования по влиянию технологических параметров литья и способов термической обработки опытных образцов на их частотные характеристики, микроструктуру и физико-механические свойства. На рисунках 2 б), в) и г) показаны характерные микроструктуры опытных образцов, полученных при использовании различных технологий литья. Для сравнения условий первичной кристаллизации и адекватности полученных зависимостей, на рисунке 2 а) представлена микроструктура колокола, отлитого в 19 веке. Темные пятна на микрофотографиях - это дефекты усадочного характера, к которым склонна колокольная бронза (рассеянная усадочная пористость).

Для рассматриваемых микроструктур колокольной бронзы заметно влияние условий затвердевания на средний размер дендрита а-фазы и дисперсность эвтектоида. При кокильном литье (рисунок 2 б) зёрна имеют существенно меньший размер, чем при литье в разовые формы, что связано с различными теплофизическими свойствами материала формы. Высокая скорость кристаллизации при литье в кокиль приводит к уменьшению площади, занимаемой на шлифе а-фазой, которая составляет - 28,1%. Определение этого параметра методами стереометрической металлографии для других способов литья показало более высокие значения, которые приведены в таблице 1.

Скорость охлаждения в интервале от температуры заливки до температуры перехода сплава в твердое состояние определяли с применением конечно-элементного моделирования в программе «ПолигонСофт».

Рисунок 2. Характерные микроструктуры (хЮО) классической колокольной

бронзы при различных способах литья: а) в сухую песчано-глинистую форму, б) в чугунный кокиль, в) в песчано-смоляную форму, г) в гипсовую форму Увеличение количества а-твердого раствора при литье в смоляные ХТС и гипсовые формы связано с более низкой скоростью теплоотвода формы, а следовательно, и меньшим переохлаждением сплава. При этом возникает меньшее количество центров кристаллизации (зародышей), у которых линейная скорость роста выше, чем при литье в кокиль. Близкое процентное содержание а-фазы в микроструктуре сплава при литье в песчано-глинистые (традиционный материал формы) и смоляные холодно-твердеющие формы говорит о том, что условия кристаллизации схожи.

На основе экспериментальных данных были построены номограммы для определения доли эвтектоида по скорости охлаждения и модуля упругости по доле эвтектоида (рисунках. 3 и 4).

Таблица 1 — Сводная таблица результатов стереометрической металлографии и экспериментов по стержням диаметром 7 мм и длиной 120 мм.

Микроструктура Образца (рис. 2) Рис. 2 а) Рис. 2 б) Рис. 2 в) Рис. 2 г)

Материал и температура формы Песчано-глинистая, 200°С Кокиль (чугун), 200°С Песчано-смоляная (ХТС), 20°С Гипсовая, 300°С

Скорость охлаждения, "С/сек 75 (оценка) 130 97 53

Средняя площадь дендрита, мкм2 790±112 211±56 702±102 128Ш46

Доля а-фазы, % 46.7±2.9 28.1±2.6 41.7±3.4 57.1±2.4

сгв, МП а 300 (оценка) 340 297 318

Пластичность, % 0.7 (оценка) - 0.5 1

Модуль упругости. ГПа 99.3±0.55 (оценка) 118.2±0.9 103.4±0.7 97.1±0.73

Основная частота образца, Гц 3720±50 (оценка) 4343±35 3960±43 3537±40

о Ч

й„г. = 0.. + 27.56

й = 0.9 .-ПС

л„- = я2 = о. 9

♦

V охлаждения, С/с

Рисунок 3. Зависимость доли эвтектоида от скорости охлаждения отливки

Доля эвтектоида Дэвт, %

Рисунок 4. Зависимость модуля упругости от доли эвтектоида

Полученные зависимости использованы при дизайн-проектировании колокола, так как они позволят учитывать неоднородность микроструктуры по сечению отливки. Конструктор сможет откорректировать профиль колокола, изменяя толщину стенки, а при численном моделировании частотных характеристик колоколов, можно будет определить модуль упругости для конкретного метода литья и массы колокола, что повысит точность частот звукового спектра колокола.

После установления зависимости физико-механических свойств от условий первичной кристаллизации был проведен ряд видов термической обработки колоколов и опытных образцов, с целью получения различных микроструктур классической колокольной бронзы и установления закономерностей ее влияния на физико-механические свойства. На рисунке 5 показаны микроструктуры, полученные после закалки при различных температурах (увеличение ^ЮО). Физико-механические свойства (модуль упругости, предел прочности, относительное удлинение) при данных микроструктурах колокольной бронзы, определяли по трем образцам на растяжение. Кроме того, модуль упругости определяли резонансным методом по частоте основного тона образца в виде стержня. Полученные зависимости приведены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 5. Микроструктуры, полученные при различных температурах закалки: а) Т=700 С° б) Т=650 С° в) Т=600 С° г) Т=550 С° д) Т=500 С0 е) Т=450 С0

Температура закалки, °С

Рисунок 6. Зависимость модуля упругости от температуры закалки

Из приведенных зависимостей видно, что модуль упругости и частота основного тона образцов при закалке снижается. Значения модуля упругости, определённые механическим и резонансным методами, сопоставимы и лежат в пределах доверительного интервала. При закалке модуль упругости уменьшается на 30%, а при отпуске повышается на 40 %.

При высоких значениях модуля упругости пластичность у сплава незначительна, что подтверждается обработкой диаграмм «усилие-перемещение» при растяжении стандартного образца. Прослеживается четкая взаимосвязь физико-механических свойств сплава от температуры закалки (рисунок 6.). Когда в микроструктуре сплава увеличивается объемная доля мартенситной (З'-фазы. то наблюдается прирост модуля упругости и твердости, при этом длительность звучания колокола, которая зависит от демпфирующий способности (ДС), становится ниже. Это связано с большими термическими и фазовыми напряжениями. Однако после вылеживания образцов длительность звучания резко увеличивается, что вызвано стабилизацией некоторого объема р-фазы и снятием напряжений. В работе Лисовской О.Б. отмечена такая же тенденция с ДС. При данной операции естественного отпуска частота звучания образцов повышается незначительно (около 1%).

Известно, что модуль упругости зависит от энергии кристаллической решетки и типа связи между атомами. Концентрация валентных электронов увеличивается от фазы Р к 5, такая же тенденция наблюдается для модуля упругости, твердости, частоты основного тона образцов и колоколов. Таким образом, можно утверждать, что с увеличением концентрации олова в структурных составляющих колокольной бронзы усиливается химическая связь (ковалентная), увеличиваются параметры решетки, что, в свою очередь, повышает твердость, хрупкость и модуль упругости сплава.

Кроме того, были проведены эксперименты по влиянию отпуска на микроструктуру, функциональные характеристики колоколов и опытных образцов, закаленных от температур: 700, 650, 600 °С. Температура отпуска составляла 400 С°, время выдержки составляло от 1 до 10 часов. Данная зависимость представлена на рисунке 8 и позволяет повысить модуль

упругости относительно начального значения.

15

о 100 >

о.

= 90 л

5 80 О

Е = I I I -0.141»+ 2.4И2- 4.041+ 67.7

= 0.9 V/

У

у/

...

При Т=400°С

0123456789 10

Время выдержки ч

Рисунок 7. Зависимость модуля упругости от параметров низкотемпературного

отпуска

Из данного графика видно, что модуль упругости в начальный момент времени начинает возрастать и после 8 часов выдержки меняется незначительно. При этом у образцов, закаленных от более высокой температуры, наблюдаются максимальные значения модуля упругости, что связано с большим количеством метастабильных высокотемпературных |3' и р фаз, которые претерпевают распад на эвтектоидную мелкодисперсную смесь, содержащую хрупкий интерметаллид Сщ^пц. (рисунок 7)

Рисунок 8. Микроструктуры при отпуске от температуры 400 С° закаленных образцов а) исходная структура б) через 4 часа выдержки в) через 8 часов

выдержки 16

Как видно, проведенные различные режимы термической обработки позволяют получить значение модуля упругости в интервале от 65.2 до 121.3 ГПа, что соответствует четырем нотам равномерно-темперированного музыкального строя. Полученные зависимости физико-механических свойств от микроструктуры сплава позволят управлять частотными характеристиками колоколов. Зависимости положены в основу методик управления звуковым спектром колоколов.

В четвертой главе для подтверждения научных результатов исследований влияния микроструктуры на физико-механические свойства колокольной бронзы была проведена работа по проектированию карильона, состоящего из двенадцати колоколов, составляющих одну октаву равномерно-темперированного строя. Для достижения поставленной научно-технической задачи было рассмотрено два варианта. Первый - традиционный, путем проектирования двенадцати колоколов разного размера, и второй — с применением различных видов термической обработки. Из-за большой стоимости и трудозатрат карильон из двенадцати колоколов был изготовлен частично, из четырех колоколов одного размера массой 700 г. Процесс создания карильона и алгоритм действий представлен на рисунке 9.

На рисунке 10 показан карильон из четырех колоколов, изготовленный по разработанной методике. В литом состоянии колокола имели частоту основного тона 2210 Гц, отклонение не превышало 7 Гц. На слух это не определялось, все колокола звучали одинаково. В результате термической обработки по разработанным способам получены следующие основные частоты звучания колоколов: 1975 Гц, 2098 Гц, 2210 Гц и 2342 Гц. В таблице 3 представлены результаты экспериментов по термической обработке колоколов.

Звучание колоколов образует часть равномерно-темперированного строя (хроматической гаммы), с нотами Си, До, До# и Ре. Отклонение основного тона колоколов, подвергнутых термической обработке, от равномерно-темперированного строя не превышает 1 %. Полученные результаты дополняют существующие методы подстройки частотных характеристик колоколов.

17

Формулировка требований к карильону

ч

Полная октава или октавы

Конкретная музыкальная композиция

Количество колоколов (нот) в карильоне

Определение конструктивных параметров 1-ого колокола

Проектирование карильона традиционным методом

Изменением геометрических размеров можно получить любую ноту колокола.

Технологические параметры литья

Химический состав сплава

Скорость охлаждения сплава

Конструкция профиля колокола

Орнаментация колокола

Окраска звучания колокола

РАЗБИВКА КОЛОКОЛОВ ПО РАЗМЕРУ В КАРИЛЬОНЕ

С применением Т.О.

Звуковой спектр колокола термической обработкой можно понизить на 2 полутона и повысить на один, относительно исходного состояния.

Рисунок. 9. Алгоритм проектирования карильона

Рисунок 10. Звонница из колоколов массой 0.7 кг одного типоразмера

18

Таблица 2 - Сводная таблица результатов экспериментов по термической обработке колоколов с наибольшим диаметром 102 мм.

№ колокола Вид термической обработки и микроструктура Модуль упругости, ГПа Частота основного тона, Гц

1 Закалка 650°С, а+(а+Р') 72.5 1973

2 Нормаштация+отпуск, а +эвт.(а+5) 80.1 2096

3 Литое состояние, а +эвт.(а+5) 96.9 2212

4 Закалка+отпуск, а +эвт.(а+8) 109.8 2341

Однако имеется трудность, заключающаяся в том, что со временем частота звучания колокола, подвергнутого термической обработке, может измениться путем естественного старения, но так как диффузия олова в меди при нормальных условиях очень мала, то микроструктура сохранится на достаточно долгое время и частота колокола изменится незначительно. Важно отметить, что эксперименты проводили на колоколах массой 2 кг и стержнях, имеющих максимальный диаметр 20 мм. При увеличении массы колоколов, по нашему мнению, будет уменьшаться диапазон получаемых частот термической обработкой, что связано с прокаливаемостью более толстой стенки колокола. Однако это предположение дает новые направления исследований по термической обработке колоколов.

Основные результаты работы

1. Разработан способ дизайн-проектирования колокола, обеспечивающий в его музыкальном звукоряде определенное соотношение между основным тоном и первым обертоном. Спроектированы и изготовлены колокола, звучание которых характеризуется музыкальным консонансным интервалом.

2. Установлена роль микроструктуры в формировании физико-механических свойств оловянистой бронзы и частотных характеристик колоколов. Показано, что управление физико-механическими свойствами

оловянистой бронзы можно осуществлять путем термической обработки.

3. Показана возможность научно-обоснованного прогнозирования частоты звучания колокола в зависимости от применяемой технологии литья. Установлено, что зависимость доли эвтектоида от скорости охлаждения носит линейный характер.

4. Решена актуальная научно-техническая задача получения заданного звучания колоколов за счет управления физико-механическими свойствами оловянистой бронзы. Получены колокола массой 2 кг литьем в кокиль, структура которых содержит 70% эвтектоида, при этом достигается наибольшая частота звучания для колокола данного размера.

5. Разработаны режимы термической обработки оловянистой бронзы, обеспечивающие настройку частоты звучания колоколов за счет управления микроструктурой сплава. Установлено, что модуль упругости колокольной бронзы в зависимости от ее микроструктуры может иметь значение в пределах от 65 ГПадо 120 ГПа.

6. Разработаны режимы: закалка, обеспечивающая минимальное значение модуля упругости, и закалка с последующим отпуском, обеспечивающая максимальное значение модуля упругости. Установлено, что минимальное значение модуля упругости связано с фиксацией высокотемпературных фаз, у которых преобладает металлическая связь между атомами, а максимальное - с распадом высокотемпературных фаз на мелкодисперсную смесь, в которой присутствует интерметаллид (Си^Бпц) с преобладанием ковалентной связи.

7. Установлено, что с применением разработанных режимов термической обработки колоколов можно достичь значительного экономического эффекта, обусловленного сокращением издержек на изготовление модельно-опочной оснастки и уменьшением суммарной массы колоколов в звоннице.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в изданиях репетируемых научных журналах и изданиях ВАК РФ

1. Бурцев Д.С., Ершов М.Ю. Роль микроструктуры в формировании частотных характеристик колоколов // «ДИЗАЙН. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА». [Электронный ресурс].- 2012,- Вып. 11 С. 32-40.

2. Ершов М.Ю., Бурцев Д.С. Управление частотными характеристиками колоколов термической обработкой // «Литейщик России». -2013,- №1.- С.28-30

В других изданиях

3. Бурцев Д.С,, Ершов М.Ю. Исследование влияния термической обработки бронзы марки Бр020 на ее акустические свойства // Дизайн и технологии художественной обработки материалов: материалы XIV Всероссийской науч. -практ. конф. (Архангельск, 16-20 мая 2011 г.) /под ред. П. Н. Рыбицкого. -Архангельск: Северный (Арктический) Федеральный университет.

4. Бурцев Д.С,, Ершов М.Ю. Роль микроструктуры в формировании частотных характеристик колоколов» 77-я Международная научно-техническая конференция ААИ «АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА КАДРОВ» Тезисы докладов [Электронный ресурс СО] МГТУ «МАМИ». 2012г.

5. Бурцев Д.С., Ершов М.Ю. Проектирование профиля колокола с заданным музыкальным звукорядом // XV Всероссийская научно-практическая конференция по "Технологии художественной обработки материалов" Тезисы докладов. Ижевск, 2012г.

6. Бургов Д.С'., Ершов М.Ю. Влияние литейных технологий на формирование микроструктуры классической колокольной бронзы. // XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных "Современные техника и технологии" (СТТ-2013) Тезисы докладов [Электронный ресурс СГ)] Томский политехнический университет.

Патенты, авторские свидетельства и свидетельства регистрации программ:

Пат. 121953 Российская федерация, МПК (51) вЮК 1/00. Колокол [Текст] / Ершов М.Ю., Бурцев Д.С, заявитель и патентообладатель: ФГБОУ высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», Ершов М.Ю., Бурцев Д.С. - № 2012115685/28; заявл. 20.04.12; опубл. 10.11.12, Бюл. № 12. - 6 с.

Подписано в печать I 8.09.2013 г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №17446 Тираж: 50 экз.

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

Текст диссертации на тему "Конструктивное и технологическое обеспечение функционально-эстетических свойств колоколов"

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

На правах рукописи

04201362539

Бурцев Дмитрий Сергеевич

КОНСТРУКТИВНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ КОЛОКОЛОВ

Специальность 17.00.06 - «Техническая эстетика и дизайн»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор ЕРШОВ М.Ю.

Москва - 2013

/

г

-2-

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................- 5 -

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................- 6 -

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, НАСТРОЙКИ КОЛОКОЛОВ С ЗАДАННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ..................................................................................- 101.1 Технологии изготовления колоколов............................................-10 -

1.2 Технология плавки и ее влияние на свойства колокольной бронзы ............................................................................................................- 141.3 Настройка колокола путем механической обработки его профиля ............................................................................................................-17 -

1.4 Исследование и анализ звукового спектра колокола. Критерии качества оценки звука колоколов......................................................................- 19 -

1.5 Вибро-акустические исследования и компьютерное моделирование частотных характеристик и форм колебаний колокола.- 24 -

1.6 Исследование влияния микроструктуры звучащих бронз на их демпфирующую способность.............................................................................- 28 -

1.7 Диаграмма состояния Си-Бп, структура и свойства классической колокольной бронзы.....................................................................- 34 -

1.8 Формулирование научной идеи, цели работы и задач исследования.........................................................................................................- 45 -

Выводы по главе 1.......................................................................................- 47 -

ГЛАВА 2. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ..........................................................................................- 49 -

2.1 Методики получения, анализа звукового спектра колоколов и

экспериментальных образцов............................................................................- 49 -

2.2. Математическое моделирование форм колебаний и частот звукового спектра колоколов..............................................................................-52-

-32.3 Проектирование и совершенствование дизайна колокола с гармоническим музыкальным звукорядом путем математического моделирования......................................................................................................- 53 -

2.4 Методика изготовления экспериментальных образцов и колоколов - 58 -

2.5 Методика термической обработки опытных образцов и экспериментальных колоколов..........................................................................- 62 -

2.6 Методики исследования микроструктуры колокольной бронзы.... ............................................................................................................- 63 -

2.6.1 Металлография и исследования микроструктуры методами стереометрической металлографии............................................................- 63 -

2.6.2 Метод рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА)..............- 65 -

2.6.3 Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).................................- 66 -

2.7 Механические испытания.............................................................- 66 -

2.7.1 Испытание на растяжение.................................................................- 66 -

2.7.2 Измерение твердости и микротвердости структурных составляющих колокольной бронзы..............................................................- 67 -

2.7.3 Методика определения модуля упругости методом конечно-элементного моделирования...........................................................................- 68 -

Выводы по главе 2.......................................................................................- 68 -

ГЛАВА 3. ЗАВИСИМОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛОКОЛОВ от МИКРОСТРУКТУРЫ.......................................................................- 70 -

3.1 Влияние условий первичной кристаллизации на микроструктуру колокольной бронзы.............................................................................................- 70 -

3.2 Исследования и анализ микроструктур полученных в результате различных режимов термической обработки................................................- 82 -

3.3 Зависимости физико-механических свойств колокольной бронзы и функционально-эстетических свойств колоколов от микроструктуры.......

..........................................................................................................- 101 -

Выводы по главе 3.....................................................................................- 108 -

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

КОЛОКОЛОВ...................................................................................- 110-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.......................................- 122 -

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................-124 -

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................- 133 -

хтс кпд дс

КЭА

кэм

РСФА РСМА РФА

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

холодно-твердеющие смеси коэффициент полезного действия демпфирующая способность конечно элементный анализ конечно элементное моделирование рентгено структурный фазовый анализ рентгено спектральный микро анализ рентгенофлюоресцетный анализ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Возрождающееся в России с середины 90-х годов XX века колокольное производство отличается внедрением достижений науки в проектирование, технологию изготовления и настройку колоколов. Стремление получить благозвучные колокола с высоким качеством отделки потребовало применения научных методов проектирования, к числу которых относятся разработанные в школе проф. Нюнина Б.Н. Основным научным результатом этой школы является применение численного моделирования при проектировании формы колоколов и использование акустических методов контроля их звучания. Совершенствованию технологий реставрации и улучшению акустических свойств колоколов посвящены работы Пирайнена В.Ю., Шарикова П.В., Лисовской О.Б., Лисовского В.А.

Успехи современного колокольного производства поставили ряд технических задач, главной из которых является управление звуковыми характеристиками колокола от стадии проектирования до финишных операций. Из практики известно, что частота звучания колокола зависит от формы профиля и физико-механических свойств сплава (плотность, модуль упругости), из которого он изготовлен. Профиль колокола закладывается на стадии проектирования, физико-механические свойства и структура сплава формируются под действием применяемой технологии литья и последующей термической обработки. Влияние перечисленных факторов на звучание колокола изучено в различной степени, и прослеживается недостаток знаний о конструктивных параметрах и технологических режимах, обеспечивающих гармоничность звучания колокола. Таким образом, изучение названной совокупности является актуальной научной и технической задачей.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является колокол, как результат дизайнерской и инженерной мысли. Предметом исследования являются закономерности

формирования гармоничного звучания и эстетических свойств колокола под действием конструктивных и технологических факторов.

Целью работы является разработка научно-обоснованных методов гармонизации дизайна и звучания колокола.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка способа дизайн-проектирования колокола, характеризующегося гармоничным звучанием.

2. Установление влияния параметров литейных технологий на звучание колокола в зависимости от формируемых микроструктур оловянистой бронзы (Бр021).

3. Уточнение закономерностей формирования микроструктуры и физико-механических свойств оловянистой бронзы (Бр021) под действием термической обработки.

4. Установление режимов термической обработки оловянистой бронзы (Бр021), обеспечивающих заданную ноту звучания колоколов.

Научная новизна работы

1. Разработан способ дизайн-проектирования колокола, обеспечивающий гармоничное звучание, выражающееся в музыкальном совершенном интервале «чистая кварта»* между основным тоном и первым обертоном.

2. Разработан метод управления звучанием колокола, включающий способы литья, технологические режимы термической обработки и обеспечивающий расширение спектра звучания колокола одного размера.

3. Экспериментально установлены зависимости частот звучания колокола:

- от доли эвтектоида в литых структурах оловянистой бронзы;

- от физико-механических свойств термообработанных структур оловянистой бронзы.

Практическая ценность

1. Разработан дизайн колокола, защищенный патентом РФ на

*Чистая кварта — интервал в четыре ступени (два с половиной тона). Обозначается ч. 4, является совершенным консонансом.

полезную модель. Профиль колокола задан табличной зависимостью и обеспечивает консонансное звучание.

2. В соответствии с запатентованным дизайном изготовлены колокола массой до 2 кг, звучание которых характеризуется заданным музыкальным интервалом «чистая кварта».

3. Разработанные режимы термической обработки применены для настройки четырех колоколов массой 0.7 кг, расположенных по возрастанию частоты звучания в соответствии с равномерно-темперированным строем.

Личный вклад автора

Состоит в формулировании темы работы и обосновании поставленной цели и задач исследования, постановке и проведении экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной технической конференции ААИ «Автомобиле и Тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010, 2012); Научно-технической конференции «Информатика и технология», Факультет «Технологическая информатика» (Москва, МГУПИ, 2012); XV Всероссийской научно-практической конференции по "Технологии художественной обработки материалов" (Ижевск, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, 2012); Международной научно-практической конференции «Применение прогрессивных технологий и оборудования в промышленном и художествеином литье», посвященной 70-летию кафедры «МиТЛП» и 110-летию со дня рождения П.Н. Аксёнова (Москва, Университет машиностроения, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР ЕЗН «Разработка научных основ выбора оптимальных технологических решений в машиностроении» тема 4.6 «Создание научно-обоснованных методов: проектирования, технологических процессов литья и термообработки колоколов с заданными акустическими

свойствами» (МГТУ «МАМИ» 2011г.).

Автор в составе творческого коллектива отмечен дипломом первой степени за проект «Комплексный метод проектирования, литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами», на XVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» Москва 2013г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, в том числе две статьи в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен патент РФ на полезную модель «Колокол».

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и приложения. Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 97 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 106 наименований.

На защиту выносятся следующие научные и практические результаты

1. Алгоритм дизайн-проектирования колокола, у которого частоты звучания основного тона и первого обертона образуют совершенный музыкальный интервал «чистая кварта».

2. Зависимости функционально-эстетических свойств колоколов от технологических параметров применяемых методов литья.

3. Метод управления звучанием колоколов одного дизайна и размера, обеспечивающий расширение спектра звучания за счет термической обработки.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ,

НАСТРОЙКИ КОЛОКОЛОВ С ЗАДАННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

На Бога надейся, а сам не плошай!

Народная пословица

1.1 Технологии изготовления колоколов

Колокол относится к уникальному изделию, которое на протяжении нескольких тысячелетий получается с помощью литейных технологий, различающихся применяемыми материалами и технологическими режимами. Все технологии (способы литья) включают общую последовательность операций и процессов: дизайн-проектирование и изготовление модельно-опочной оснастки, изготовление литейной формы, расплавление металла, заливку металла в форму, его кристаллизацию и последующее извлечение отливки из формы.

На сегодняшний момент существует большое количество разновидностей методов литья. Все они характеризуются своими отличительными признаками, преимуществами и недостатками. У литейщиков принято подразделять эти способы на обычные и специальные. Традиционно к обычному методу относится литье в песчано-глинистые разовые разъемные формы, к специальным - все остальные. При литье колоколов небольшой массы могут использоваться почти все способы литья. С увеличением массы колокола некоторые способы становятся неприменимыми или неоправданно дорогими.

Одна из самых древних технологий изготовления колоколов - это литье по выплавляемым моделям, описанная в манускрипте монаха Теофила [1], жившего на рубеже XI - XII веков. Более поздняя технология описана в работах

На кирпичную кладку послойно наносили формовочную глину, ее излишки убирали шаблоном, между слоями глины укладывали конский волос и конский навоз, которые нужны для повышения газопроницаемости и податливости формы. Последние слои обычно содержали больше воды для наилучшего качества поверхности формы. После изготовления нижней полуформы и ее сушки приступали к изготовлению фальшивого колокола (фальшь-модель) с помощью наружного профиля. Материалом для модели служила жирная глина и пчелиный воск, сало применялось в качестве разделительного состава. Модель короны также изготавливали из воска.

После нанесения слоя из воска и выглаживания его шаблоном, на фальшивый колокол крепились восковые украшения (лики святых, иконы, почитаемые в данных местах). У заводчан эта операция называется «нарядка» колокола. Как правило, толщина узоров составляла от 1,5 до 10 мм в зависимости от размера отливки. Колокола массой менее 100 кг сильно не перегружали украшениями, так как это могло повлиять на музыкальный звукоряд колокола. По изготовленной фальшивой модели формовали верхнюю полуформу со знаковыми частями, куда устанавливался стержень короны, который также содержал модели литниково-питающей системы. Для вытопки восковых моделей украшений и сушки последнего слоя фальшь-модели колокола, под фундаментом разводили костер на березовых или сосновых дровах. После сушки и вытопки снимали верхнюю полуформу и разбивали фальшь-модель. Таким образом получалась полость литейной формы, которую в дальнейшем заполняли расплавленной колокольной бронзой.

В настоящее время производством колоколов занимается около десяти предприятий России. На них применяются следующие методы литья:

1. Литье в холоднотвердеющие смеси (ХТС). При этом методе литья применяются постоянные модели из металла (чаще алюминия), дерева или пластмассы. Живучесть данной смеси составляет около 10 минут, вследствие чего невозможна формовка по шаблону. Себестоимость литья невысокая, так

как смесь состоит из кварцевого песка (огнеупорного наполнителя) и карбомидо-фурановой смолы марки КФ-90 (связующее вещество). Хорошее качество поверхности достигается при использовании мелкодисперсных огнеупорных красок. Применение постоянных моделей с наименьшим количеством разъемов позволяет получить хорошую геометрическую точность отливок, а следовательно, и минимальное отклонение по частотам звукового спектра колокола.

2. Литье по Шоу-процессу (корковое литье). Технология позволяет проводить формовку как по постоянный моделям, так и с помощью вращающегося шаблона на вертикальной оси. При этом меняется количество катализатора и консистенция формовочной массы. В отличие от литья в ХТС, у этого метода наблюдается улучшенное качество поверхности, что приводит к повышению себестоимости. Формовочная смесь состоит также из кварцевого песка, но имеет добавки пылевидной фракции. Связующим веществом, как правило, служит гидролизованный этилсиликат. Формовочная смесь является жидкоподвижной, которую заливают в пространство между моделью и опокой. При формовке по шаблону смесь доводят до консистенции густой сметаны путем добавок большего количества пылевидного кварца, как и в старинной технологии. После затвердевания смеси литейные формы необходимо прокаливать, при этом используют не прокалочные печи, а газовые горелки или твердое топливо. При данном технологическом цикле форма чаще всего растрескивается, что является одним из главных недостатков технологии, с которым до сих пор борются заводы, на которых она используется.

3. Литье в металлические формы (кокильное литье). В настоящий м�