автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Влияние технологий формообразования на дизайн изделий сложной формы

Полный текст автореферата диссертации по теме "Влияние технологий формообразования на дизайн изделий сложной формы"

На правах рукописи

КОБЗЕВ Дмитрий Сергеевич

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ НА ДИЗАИН ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ.

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 МАР 2015

Москва-2015

005560103

005560103

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики», на кафедре ТИ-4 «Компьютерный дизайн»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Лившиц Виктор Борисович

Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет

приборостроения и информатики»

Ершов Михаил Юрьевич

Доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Московский Государственный

Машиностроительный Университет «МАМИ»

Хрущева Ирина Геннадьевна

Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет»

ФГБУН «Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН»

Защита состоится «24» марта 2015 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.119.04 при Институте технической эстетики МИРЭА-МГУПИ по адресу: Москва, Проспект Мира, д. 119, стр.312, аудитория 309.

Текст автореферата размещен на сайте: http://www.mgupi.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь ^—

диссертационного совета, к.т.н Анна Эдуардовна Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Современные технологии формообразования являются универсальными методами получения художественных изделий любых размеров из самых разнообразных сплавов. Они позволяют получать высокоточные готовые изделия с минимальной механической обработкой.

Широкое внедрение современных технологий приближает к разрешению противоречий между эстетическим представлением и технологическими возможностями, т.е. ведёт к гармонизации средств достижения и среды обитания человека.

Поиск и разработка технологии, которая позволит создавать изделия сложного профиля в металле, является актуальной в современном дизайне художественных изделий.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка метода изготовления сложнопрофильных пустотелых художественных отливок, расширяющего возможности дизайна и повышающего качество художественных изделий.

Для достижения цели были поставлены задачи:

1. Оценить технологические возможности существующих методов изготовления пустотелых художественных изделий сложного профиля и выделить из них наиболее технологичный.

2. На основе выбранного технологического процесса разработать новый метод изготовления пустотелых изделий.

3. Определить технологические параметры процессов формообразования в соответствии с предложенным методом.

4. Согласно классификатору художественных отливок применить разработанный метод, определив граничные условия по массе и способу изготовления художественных изделий.

5. Создать дизайн художественного изделия и воплотить его в материале.

Научная новизна:

1. Разработана методика оценю! дизайнерских возможностей технологических процессов литья художественных изделий, включающая оценку конструктивных, технологических и эстетических факторов.

2. Разработан метод изготовления пустотелых художественных отливок сложного профиля с использованием жидких формовочных смесей

(ЖФС), расширяющий возможности дизайна и повышающий качество изделий. Для указанного метода определены технологические параметры с использованием полученных экспериментальных зависимостей.

3. На основании анализа дизайнерских возможностей произведено ранжирование пяти литейных технологий (метод ЖФС, ЛПВМ, литье в песчано-глинистые формы, литье по газифицируемым моделям, литье в постоянные формы) и выявлено двукратное преимущество метода ЖФС над литьем в постоянные формы.

4. Установлены зависимости начала и окончания схватывания гипсовой формовочной массы в зависимости от концентрации лимонной кислоты. Показано, что заливку формовочной массы следует проводить до момента начала схватывания.

5. Для случая погружения модели под уровень формовочной смеси объяснен механизм заполнения внутренней полости после создания разрежения. Показано, что время заполнения зависит от степени разрежения, диаметра трубчатых вставок и количества формовочной массы, идущей на заполнение полости. Определены уравнения регрессии, описывающие процесс заполнения.

Практической значимостью работы явились:

1. Разработанный технологический процесс изготовления литейной формы, включающий размещение пустотелой модели в опоке, заливку формовочной массы и создания разрежения. Для достижения высоких дизайнерских возможностей модель снабжали трубчатыми вставками, количество и размеры которых определялись использованием закономерностей времени заполнения полости модели, зависящем от диаметра трубчатых вставок, степени разрежения и массы суспензии, заполняемой внутреннюю полость.

2. Предложенный метод получения изделий малой пластики способом изготовления пустотелой модели с применением ЖФС при вибровакуумировании, опробованный на предприятии ООО «Мастер Див» с использованием новых формовочных материалов.

3. Эксклюзивные и серийные художественные изделия с тонкой проработкой деталей поверхности при её высоких чистоте и точности размеров, изготовленные по предложенному методу.

4. Предложенные метод и материалы, которые были применены в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров направления «Технологии художественной обработки материалов».

Апробация результатов работы

Результаты проведенных исследований многократно обсуждались на научных семинарах кафедры ТИ-4 «Компьютерный дизайн» МГУПИ (г. Москва), на научно-технической конференции «Информатика и технология» МГУПИ (2012, 2013 г. г.), XVII Всероссийской научной практической конференции по специальности техническая эстетика и дизайн (Иркутск, НИ ИрГТУ, 2014), представлялись на межвузовских конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликованы в 8 научных работах, в том числе пять статей в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Диссертация изложена на 120 страницах, содержит 54 рисунка, 15 таблиц и библиографию из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражается актуальность темы диссертации, формируется цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведён анализ технологий формообразования сложнопрофильных изделий из металлов и сплавов. Приводится литературный обзор по данному вопросу. Отмечается, что сложнопрофильные художественные изделия можно изготавливать ковкой, штамповкой, механической обработкой, гальванопластикой, а также методами литья. Однако, технологические процессы, кроме методов литья, имеют общие недостатки, к которым относятся ограниченная номенклатура, многооперационность, громоздкий машинный парк и большие отходы металла. Делается вывод, что приведенные процессы формообразования неприемлемы для изготовления сложнопрофильных изделий и не могут быть использованы в дизайне пустотелых художественных изделий сложной формы. Указывается, что процессы литья в постоянные формы практически не находят применения при изготовлении сложнопрофильных отливок в связи с трудностями, а часто с невозможностью их извлечения из постоянных форм.

Представлен анализ отечественных и зарубежных работ по способам литья художественных изделий в разрушаемые формы. Приводятся преимущества и недостатки таких видов литья, как литьё в оболочковые формы, литьё по выплавляемым моделям, литьё в керамические формы,

литьё по газифицируемым моделям, литьё вакуумной формовкой, литьё на выплеск и пр. Для получения сложнопрофильных изделий используются литьё по выплавляемым моделям в оболочковые формы и в единые смеси, поскольку отливки, полученные этими методами, имеют чистую поверхность и высокую размерную точность.

Рассматриваются различные технологии литья по выплавляемым моделям, приводятся технологические процессы литья изделий малой пластики в оболочку и единые смеси (эстрих-процесс). Для сувенирной продукции используют цветные сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, а также сплавы драгоценных металлов.

Представлена пооперационная технология, в которой особое внимание уделяется операциям изготовления моделей, прамоделей и мастер-моделей. Подробно рассматриваются особенности их изготовления в эластичных пресс-формах, и способы изготовления моделей с помощью стержней, получаемых как в стержневых ящиках, так и с помощью растворимого воска. Указываются преимущества и недостатки влияния этих технологий формообразования на дизайн сложнопрофильных отливок. Сообщается, что изготовление пустотелых отливок, можно получать как с использованием стержней, так и методом литья на выплеск. Недостатком этого вида литья является невозможность получения отливок с заданной толщиной стенки отливки.

Далее приводятся технологии изготовления стержней, стержневых ящиков, и крепёжных приспособлений. К наиболее часто применяемым способам изготовления стержней относятся: изготовление стержней в стержневых ящиках, в пустотелых моделях, в полости литейной формы и изготовление стержней для неразъёмных керамических форм в пресс-формах.

Рассматриваются примеры изготовления стержней различной сложности и в моделях. Наиболее часто применяется процесс скоростного изготовления стержней. Он базируется на двух составляющих: на ускорении периодов сушки, где процесс сушки либо сведён до минимума, либо исключён при изготовлении поверхностно-подсушиваемых стержней. Приводится процесс изготовления стержней из жидких самотвердеющих смесей (ЖСС), который даёт возможность сократить не только процесс сушки стержня, но и процесс уплотнения стержневой смеси в ящике.

В заключение освещается наиболее современный технологический процесс изготовления оболочковых стержней для орнаментного литья. Процесс изготовления стержня заключается в следующем. Нагретый стержневой ящик с нанесённым на стенках слоем разделительного состава

заполняют стержневой смесью. Смесь выдерживают в ящике 10-20 сек. в зависимости от необходимой толщины стенки стержня. После необходимой выдержки не спёкшуюся часть смеси высыпают из ящика. Для упрочнения оболочкового стержня стержневой ящик со стержнем помещают на 1,5-2 мин в электропечь с температурой 300-350°С, после чего стержень извлекают из ящика.

Для мелкого орнаментного и ювелирного литья в качестве стержня используется водорастворимый воск. С его помощью улучшается процесс изготовления орнаментных изделий. Получается более точная восковка, поскольку модель выполняется целиком. Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в изготовлении двух пресс-форм, одна из которых оформляет наружную поверхность изделия, а вторая - внутреннюю.

Получают двухслойную модель из водорастворимого и обычного воска. Эту модель помещают в воду, в которой растворимый воск удаляется. Далее технологический процесс литья по выплавляемым моделям продолжают по стандартной методике.

Проведенный анализ литературных источников показал, что, несмотря на множество технологий получения пустотелых изделий, отсутствие обоснованных исследований и достоверных технологических параметров, в приведенных технологиях.

Было установлено, что из всех известных способов производства изделий литейная технология с использованием стержней в дизайне пустотелых сложнопрофильных изделий наиболее эффективна, так как позволяет получать изделия непосредственно из расплава с минимальными припусками на механическую обработку.

Во второй главе представлен разрабатываемый метод получения пустотелых художественных изделий. Определены области применения, условия и режимы опытно-экспериментальным путем и выбор вспомогательных материалов этого процесса для предложенного метода.

Известно, что в художественной отливке чистота поверхности и её соответствие оригиналу зависят от толщины стенки отливки. Установлено, что чем тоньше стенка отливки, тем выше точность размеров, чище поверхность, меньше масса и возможность искажения от усадки. Уменьшая толщину стенки, влияние усадки на точность воспроизведения мелких деталей поверхности уменьшается "и понижается возможность появления дефектов отливки.

В работе предложен метод заполнения пустотелых моделей с использование жидкой формовочной смеси (ЖФС) для формирования

внутренней полости. В основе метода лежит принцип восковой формовки. Способ позволял получать форму вокруг модели, а затем удалять её с образованием полости для литья. Сущность метода заключалась в формовке наружного контура модели с одновременным заполнением внутренней полости. Для этого была изготовлена пустотелая восковая модель, имеющая небольшие отверстия снизу и сверху (внутрь стержень не устанавливали). Под действием разрежения в вибровакуумной установке восковая модель полностью заполнялась формовочной массой. На рис.1 представлены схемы технологий изготовления фигуры «неваляшка»: с применением стержня(а) и новая технология с применением ЖФС(б).

Рис. 1. Схемы технологий. Рис.2. Технологическая проба.

Изучаемые отливки по массе относятся к малым, мелким, очень мелким и миниатюрным группам, по классификатору художественного литья А. Гаммера и А. Гутина. Разработку технологии формообразования проводили на пустотелых отливках этих групп сложности.

Для установления режимов технологического процесса был проведён ряд экспериментов, цель которых была определение зависимостей времени заполнения формы от её объема, разрежения установки и площади отверстий в восковке, через которые поступает формовочная смесь.

Для проведения исследования и отработки технологического процесса была разработана технологическая проба для изучения заполнения объёма пустотелых моделей (Рис.2). Был изготовлен ряд образцов, отличающихся размерами, диаметрами отверстий и габаритными размерами объемной части. В исследовании рассматривались различные диаметры отверстий от 6 до 10 мм, и объемные части образца массой от 200 до 600г.

Модели образцов изготовляли с помощью инжекционной установки П143 запрессовкой пастообразного состава ПС50. Для изготовления пресс-форм использовали резину и ласил.

В начале эксперимента рассматривалось использование гипсодинасовой смеси на базе формовочной смеси «Ювелирная» и импортные смеси, в которых применялся кристобалит («К90», «Суперкаст», «Сатинкаст»). В них используются в качестве замедлителей процесса отверждения гашеная известь (2-8%) или борная кислота (1-1,5%). Без замедлителя смесь теряла жидкоподвижность в течение 2-3 минут. В течение этого времени ряд технологических операций провести было невозможно. С этими замедлителями смеси начинается затвердевать через 12-20 минут. После введения указанных ингредиентов, наблюдается некоторое снижение чистоты поверхности отливок.

Для нейтрализации усадки гипсовых форм применяются огнеупоры, значительно расширяющиеся при нагреве. К ним относятся кварцевый песок, пылевидный кварц, кристобалит. Особенно большое расширение наблюдается у кристобалита, он используется для импортных и отечественных смесей в качестве наполнителя. Тем не менее, пользоваться кристобалитом. также как и динасом, было экономически не выгодно. Наибольшую прочность имеют смеси, содержащие комбинированный наполнитель, состоящий из 70% кварцевого песка и 30% пылевидного кварца. Поэтому были исследованы наименее дефицитные и экономически выгодные огнеупоры, к которым относились кварцевый песок и маршалит.

Была подобрана и применена гипсо-песчано-маршалитовая смесь. Увеличение содержания гипса повышает прочность формы, но в работе использовалась смесь с его минимальным содержанием. Исходили из следующего условия: смесь должна была давать наибольшую чистоту поверхности отливок при максимальной газопроницаемости. Для получения смесей, дающих высокую чистоту поверхности, добавляли маршалит, а высокая газопроницаемость обеспечивалась добавлением песка при меньшем количестве маршалита. Кроме того песок, находящийся в смеси, создавал каркас в гипсовой массе, который принимал значительную часть нагрузки, действующей на форму в процессе ее изготовления. Экспериментальным путём разработаная гипсо-песчано-маршалитовая смесь, имела высокую газопроницаемость при чистоте поверхности отливок Иг=20 мкм. Вначале эксперимента количество компонентов составляло приблизительно 30-33%. Однако при таком количестве составляющих чистота поверхности была низкая. Поэтому количество маршалита было увеличено, а количество песка и гипса уменьшено. В результате оптимальные результаты по чистоте поверхности и газопроницаемости были получены при содержании маршалита 50%, песка 23% и гипса 27%.

Большинство кислот, к которым относятся соляная, серная, азотная и др., замедляют затвердевание формовочных смесей. Однако они эффективно и стабильно действуют на смеси, содержащие кристобалит и динас. В случае применения гипсо-песчано-маршалитовых смесей были рассмотрены более простые кислоты, экономически выгодные и безопасные в работе. Были применены уксусная и лимонная кислоты. Последняя, дала стабильные результаты при работе с предложенной смесью. При ее добавлении время затвердевания (схватывания) смеси составляло от 12 до 14мин.

Соотношение объема воды к массе сухой смеси составляло ~ 0,33 л на 1 кг сухой смеси.

Было проведено исследование по влиянию лимонной кислоты на время затвердевания гипсо-песчано-маршалитовой смеси.

Время начала и конца затвердевания формовочной смеси определяли на приборе Вика, который используют для определения времени затвердевания гипсовых и цементных смесей. Для проведения испытаний приготавливали различные составы гипсо-песчано-маршалитовой смеси, изменяя количество лимонной кислоты. По результатам исследования была построена зависимость времени начала затвердевания формовочной смеси от содержания лимонной кислоты (Рис.3).

Общее время от замешивания и до заполнения формы, включая время затвердевания смеси, не должно было превышать 12-15 мин. В случае увеличения указанного времени формовочная смесь расслаивалась (в связи с оседанием крупных фракций составляющих) и после прокаливания ухудшалась прочность литейной формы.

В качестве замедлителя затвердевания формовочной смеси использовался раствор лимонной кислоты в воде (ОД г/л).

Для определения нормальной густоты формовочной смеси применяли вискозиметр Суттарда ВС.

Определение времени заполнения пустотелых моделей проводили на вибровакуумной установке П142. Образец, находящийся в опоке, устанавливали в вибровакуумную установку. Опоку заливали формовочной смесью и накрывали прозрачным колпаком. При включении установки создавалась разница давления в камере и в полости образца, воздух из полости удалялся. Внутренний объем заполнялся формовочной смесью под действием давления жидкости (суспензии) и вибрации.

0,06 0.08 0,10 0,12 0.14 0,16

Солсржанне лимонной кислоты, г/д

Рис.3. Время начала затвердевания формовочной смеси в зависимости от содержания лимонной кислоты. I - жидкоподвижное состояние; II-твердеющее; III- твердое тело. Т„ - начало затвердевания, Тк - конец затвердевания, Ск - концентрация, R2 - коэффициент детерминации.

Исследовали зависимость времени заполнения цилиндра от площади отверстий в образце (Рис.4). Эксперимент проводили с использованием цилиндров объёмом 87, 174 и 261 см3, что соответствовало количеству заполняемой формовочной смеси в 200, 400 и 600 грамм.

Время, сек

100

so

60......._

m

— 200

20

4 6 8 10

Диаметр отверстий, мм

Рис.4.Время заполнения объема формы с образцом в зависимости от диаметра отверстия образца.

Из приведенного графика видно, что время заполнения исследуемого образца прямо пропорционально увеличению площади отверстия модели, которое уменьшается с увеличением диаметра отверстия.

Исследовали зависимость времени заполнения цилиндра от массы смеси, заполняемой внутреннюю полость (Рис.5).

Время, сек 120 ,_

200 300 400 500 600

Масса, г

Рис.5. Время заполнения формы с образцами разного объёма в зависимости от массы смеси, заполняемой внутреннюю полость образцов.

Из графика видно, что время заполнения исследуемого образца увеличивается в зависимости от увеличения массы, заполняемой его внутреннюю полость. С увеличением массы от 200 до бООг время увеличивается от 50 до 80 с при минимальном диаметре отверстия 6 мм.

Исследовали зависимость времени заполнения цилиндра от остаточного давления ввибровакуумной установке. Эксперимент проводили с использованием цилиндра объёмом 174 см3, что соответствовало количеству заполняемой формовочной смеси равному 400 граммам. (Рис.6)

Время, сек 100 ...............,..........................................................................

> ■

0 6 мм О 8 мм ! 0 10 мм \

0,6 0.8 1 1,2 1,4

Остаточное давление. 10 Па

Рис.б.Время заполнения формы с образцами разных объёмов в зависимости от остаточного давления в установке.

В результате обработки данных первого эксперимента было получено общее уравнение (1) для времени заполнения образцов в зависимости от диаметра отверстий и массы.

I = - 4,2с1 + 0,06т +89,93 (1)

По обработке данных второго эксперимента получено суммарное уравнение линейной регрессии (2)

I = (0,14 - 0,006(1)т -3,6(1 + 68 (2)

Итоговый результат обработки данных третьего эксперимента был получен в виде нелинейной регрессии (3) . .

1 = [0,8(10 - с!)2 + 3,7]-[р10^ - 0,6]3 - 4,25с1 + 93,7 (3)

Где: I - время, с; (1 - диаметр, мм ; ш - масса, г; р - остаточное давление, 104Па.

Полученные зависимости были использованы при разработке дизайн проектов различных художественных изделий, для определения остаточного давления в вибровакуумной установке и размера отверстий в модели.

В третьей главе на базе изученных зависимостей и проведенных операций технологического процесса разработана технология формообразования пустотелых художественных отливок методом эстрих-процесса, которая позволяет получать пустотелые отливки по выплавляемым моделям с помощью ЖФС.

Модели получали методом заливки формы жидким модельным составом. Тем же способом изготавливали литниковую систему, которую припаивали к модели отливки.

Эластичные формы для получения восковых моделей художественных изделий изготавливались из резины, ласила и виксинта. Для сложных форм использовали пресс-формы из силоксанового герметика и гипсового кожуха.

Процесс получения комбинированных пресс-форм состоял из двух этапов: изготовления вкладыша самой формы и изготовления кожуха пресс-формы. Для удобства снятия сложной формы прамодель формовали раздельными участками методом кусковой формовки. Затем на виксинт наносили слой гипса, в количестве, соответствующему размеру изготавливаемого кожуха. В результате получали две самостоятельные формы с открытыми полостями. Пресс-форму заполняли модельным составом. Затем его выдерживали в течение 10-15 сек для получения тонкого слоя. После чего оставшийся в полости формы модельный состав выливали. Эта операция проводилась несколько раз до получения слоя необходимой

толщины. Полученные части моделей извлекались из пресс-форм и спаивались вместе. В результате получали пустотелую восковую модель. Затем в полученной модели делали отверстия и вставляли металлические трубки диаметром от 5 до 8 мм. В дальнейшем из легкоплавкой массы изготавливали литниковую систему и производили сборку блока.

Для изготовления литейных форм приготавливали жидкую формовочную смесь. Для этого песок просеивали через мелкое сито (0,4-0,16 мм), взвешивали и перемешивали в барабане совместно с маршалитом и гипсом. Полученную массу добавляли в воду в соотношении 1 кг массы на 360-400 мл раствора (воды с замедлителем). Перемешивание в миксере производили при давлении Р=104 Па (0,1 атм) для удаления пузырьков замешанного воздуха. Затем жидкую смесь заливали в опоку с установленным модельным блоком чашей вниз. Опоки с залитой смесью помещали в вибровакуумную установку на 3-4 мин при остаточном давлении Р=104 Па. Чтобы избежать перелива жидкой массы через края опоки при образовании пузырей жидкой массы, опоку надставляли манжетами. При сушке и прокаливании формы манжеты удаляли.

После схватывания гипсовой составляющей модель вытапливали при 150°С. Часть модельного состава, впитываемая формой, удалялась во время прокаливания форм при температуре 750-800°С.

Плавку бронз и латуни производили, загружая древесный уголь, красную медь, и фосфористой медью в количестве 0,2-0,3% от веса шихты. Затем загружали лигатуры, цинк, олово, свинец. Металл перемешивали графитовой мешалкой, нагревали до необходимой температуры, очищали от шлака и древесного угля, вторично раскисляли фосфористой медью в количестве 0,1-0,2% от массы шихты, после чего выпускали.

Формы заливали на установке «Вакуум-металл». После кристаллизации и достаточного остывания в форме отливки прохЪдили следующие операции: выбивку из форм, отделение литников, предварительную и окончательную очистки.

Таким образом, был разработан технологический процесс литья пустотелых изделий малой пластики в единые гипсовые смеси с помощью ЖФС.

В четвёртой главе дизайн рассматривался, как процесс проектирования и создания изделия. Понятие «дизайн» включает в себя все этапы жизни изделия: идею, проектирование, изготовление, использование и утилизацию.

При рассмотрении художественных изделий из металлов и сплавов, полученных различными литейными технологиями, необходимо учитывать, что поверхность изделия должна передавать замысел дизайнера во всех частях отливки при высокой точности размеров и высокой чистоте поверхности.

В большинстве случаев толщина поверхности отливок неравномерна по контуру изделия. Неравномерное и неодновременное затвердевание, а затем и охлаждение металла в частях отливки разной толщины приводит к образованию усадочных дефектов. В результате форма изделия искажается и мелкие детали поверхности черты лица, фактура поверхности и пр. не прорабатываются.

Древние скульпторы и литейщики изготавливали литейные скульптуры методом формовки по восковой модели. На рисунке 7 изображена статуя «Князя Владимира», изготовленная литьём по выплавляемым моделям. При заливке форм жидким металлом литейщики использовали литниковые системы с большим количеством развитых литейных каналов, питающих массивные части отливок. Это делалось для предотвращения изменения размеров при усадке залитого металла.

Рис.7. Восковая модель статуи «Князя Владимира» с системой каналов: а - восковая модель; б -каналы для удаления воска; в -литниковая чаша; г - каналы для удаления воздуха; д - литниковые стояки.

Опыт получения художественных изделий показал, что большое значение имеет конструкция изделия и литниково-питающие системы. Использование моделей равномерной толщины (и выполнение поднутрений), отсутствие резких переходов по сечению, уменьшение массивных частей отливок - ряд факторов, позволяющих повысить качество поверхности литых деталей.

Предложенный метод получения пустотелых отливок с применением ЖФС уменьшает количество массивных частей отливки, что повышает чистоту поверхности и точность размеров отливок. Даёт возможность

широкого регулирования эстетических свойств изделия, создает дополнительную степень свободы при проектировании изделий.

Предложенный способ и полученные результаты исследования по разработанному технологическому процессу были опробованы и проверены на предприятии ООО «Мастер Див» при получении эксклюзивных отливок малой пластики (Рис.8).

Рис.8. Художественное изделие статуэтки«Лошадь».

Для приготовления гипсо-песчано-маршалитовых форм использовались тонкодисперсные формовочные материалы. При литье бронзы в гипсо-песчано-маршалитовые формы параметр шероховатости Rz составлял от 20 до 10 мкм и выше. В процессе изготовления отливок применяли литьё с вакуумным всасыванием, поскольку оно способствовало получению высококачественной поверхности отливок и точному воспроизведению рисунка. Кроме того, этот способ заливки позволил снизить температуру расплава и форм, что также привело к улучшению качества наружней поверхности.

Специфика использования традиционных технологий накладывает определенные ограничения на способы изготовления пустотелых отливок. В работе приводится сравнения двух технологических процессов, традиционного с применением стержней и нового процесса с применением жидких формовочных смесей (Рис.9).

На рисунке 10(а) представлена форма с тонкой оболочкой, равномерно расположенной по контуру отливки. На рисунке 10(6) - форма с применением стержней. В связи с возможной усадкой металла, в отливке со стержнем, размеры головы и ног могут быть искажены. В результате изменения технологического процесса видно, как дизайн внутреннего оформления отливки влияет на дизайн внешнего оформления (Рис.10).

Существующий технологический процесс, с применением стержней

Изготовление мастер модели_

Изготовление пресс-форм_

Изготовление стержневого ящика_

Установка арматуры_

Приготовление стержневой смеси_

Набивка стержневого ящика (изготовление

стержня)_

Извлечение стержня_

Установка стержня в пресс-форму

Запрессовка модельного состава_

Сборка блока с литниковой системой_

Приготовление формовочной смеси_

Изготовление литейной формы (заливка

формовочной смеси)_

Вибровакуумирование_

Выплавление воска и прокаливание формы

Заливка металла_

Очистка отливок от формовочной смеси Отрезка отливок от литниковой системы Удаление арматуры, отделка отливок_

Рис. 9 Технологические процессы изготовления пустотелых сложнопрофильных изделий.

Рис.10. Влияние дизайна внутреннего оформления отливки на дизайн внешнего оформления: а - технология с применением ЖФС, б - технология с применением стержней.

Таким образом, разработан технологический процесс, с применением ЖФС, который проще и короче существующего на 4 технологические

Новый технологический процесс, с применением ЖФС

Изготовление мастер модели_

Изготовление пресс-форм_

Изготовление половинок восковой модели

Сборка модели_

Установка трубчатых вставок_

Сборка блока с литниковой системой

Приготовление формовочной смеси_

Изготовление литейной формы (заливка

формовочной смеси)_

Вибровакуумирование_

Выплавление воска и прокаливание формы

Заливка металла_

Очистка отливок от формовочной смеси

Отрезка отливок от литниковой системы Удаление трубок, отделка отливок_

операции. Отливки, полученные по предлагаемому процессу, получаются более лёгкими, имеют высокую чистоту поверхности и повышенную точность размеров.

Разработана методика оценки технологических процессов. Возможности дизайна литейных технологий оценивались по трем группам факторов: конструктивным, технологическим, эстетическим.

1. К конструктивным факторам отнесены:

1.1. Габаритные размеры и масса изделий, которые рассматриваются по трём группам - малой, средней и крупной. Для определения группы использовалась комплексная классификация художественного литья А. Гаммера и А. Гутина. В ней художественные отливки разбиты по массе. Менее 0,5 кг отливки относятся к малой группе, от 0,5 кг до 25 кг к средней, более 25 кг к крупной.

1.2. Конфигурация (сложность формы) изделия. В ней выделены 3 группы:

- простая, к которой относятся изделия симметричной формы, без выступов и углублений;

- средняя, в которой рассматриваемые изделия имеют неровную поверхность с выступами и впадинами;

- сложная, в которой изделия имеют одно или несколько поднутрений.

1.3. Чистота поверхности отливки. Для определения оценки использовали набор эталонов литейных поверхностей. Шероховатость образцов исходит из основного ряда по ИСО Р 468. По этому параметру определены 3 группы чистоты:

- грубая, [поверхность отливки соответствует поверхностям эталонов литых поверхностей УТР 7 (Яа 63; Я* 250) и УТР 6 (Яа 40; 160)];

- средняя, [поверхность отливки соответствует поверхностям эталонов литых поверхностей УТР5 (Яа 25; Я2100) и УТР4 (Яа 16; Я* 63)];

- чистая, [поверхность отливки соответствует поверхностям эталонов литых поверхностей УТРЗ (Яа 10; 40) и УТРЗ (Б^ 6,3; Г^ 25)].

2. К технологическим факторам свойствам были отнесены:

2.1 Жидкотекучесть, способность металла (сплава) течь по каналам литейной формы и воспроизводить конфигурацию отливок. Жидкотекучесть зависит от: состава и физико-химических свойств сплава; т'еплофизических свойств формы; технологических условий литья. Она определяется спиральной, и-образной и клиновой пробами. В работе принято три уровня заполняемое™ и жидкотекучести: низкий, средний, высокий.

2.2. Трещиноустойчивость - технологическое свойство, характеризующее способность отливки противостоять образованию трещин,

возникающих вследствие усадки отливки. Определяется на пробах «Арфа». Нами было принято три уровня трещиноустойчивости: трещины не возникают, возникают редко, возникают часто.

2.3. Образование газоусадочных дефектов - газоусадочная пористость, газовые раковины в теле отливки и газовые вмятины на поверхности. Были выделены три уровня: дефекты не возникают, возникают редко, возникают часто.

3. К эстетическим факторам изделия была отнесены:

3.1. Возможность использования разных материалов. Рассматривались три группы материалов: черные металлы и сплавы; цветные; драгоценные.

3.2. Необходимость механической доработки отливки до готового изделия. Были определены три уровня эстетических свойств отливки:

- высокие, при которой доработка практически не требуется;

- средние, при которой производится доработка фрагментов отливки способами шлифовки и полировки;

- низкие, при которой требуется доработка всей поверхности и большей части отливки с помощью механической обработки на металлорежущих станках (точение и фрезерование) с последующей шлифовкой и полировкой.

Таблица 1. Оценки возможностей технологических процессов литья по различным факторам. _____

Метод ЖФС ЛПВМ Литье в песчано-глинистые смеси Литье по газифицируемым моделям Литье в постоянные формы

Наибольший габаритный размер и масса изделия 2 2 2 2 1

и м Конфигурация (сложность формы) изделия 3 3 2 3 2

о •©• и V Чистота поверхности отливки 3 3 1 2 1

ж Жидкотекучесть 3 3 2 2 1

£ о. Трешиноустойчивость 3 2 2 2 2

г е ° % * -э- и Ъ) Н = Образование газоусадочных дефектов 3 3 2 1 1

и и Материалы 3 3 2 2 2

а г Степень доработки отливки 3 2 1 2 1

о •&

23 21 14 16 10

Факторы оценивались в баллах, по трёхбалльной шкале. Чем выше были качественные или количественные характеристики - тем выше балл. Конструктивный фактор, относящийся к габаритам и массе отливок, оценивался по охватываемым группам (1 балл за группу). Аналогично определялся балл для оценки по применяемым материалам. Оценки рассматриваемых технологических процессов представлены в таблице 1.

лпвм

Габариты

Литье в |1-Гформ|

Л ни, с но и шфшшрус

/_/

/I поверхности

Трсгапиоустойчнвость

"К

..... _.__

1«\ \ [ / / 7 -

ШШШшШШЫ.

С использованием оценок дизайнерских возможностей технологических процессов литья были сделаны диаграммы для наглядного сравнения их возможностей (Рис.11).

Использование технологии ЖФС в изготовлении сложнопрофильных художественных изделий дает преимущества как в эстетических, так технологических и конструкционных аспектах дизайна, расширяя его возможности.

Технология применения жидких формовочных смесей для формирования внутренней полости отливки является проявлением дизайна в области художественного литья, «развитием, совершенствованием и оптимизацией».

Применение метода ЖФС ведет к уменьшению ограничений между творческим замыслом и технологическими возможностями, т.е. ведет к гармонизации средств достижения и среды обитания человека.

Общие выводы

1. В работе были проанализированы возможности существующих технологий изготавливать сложнопрофильные изделия из металла. Было установлено, что перечисленные технологии имеют общий недостаток -ограниченную номенклатуру, многопозиционность, громоздкий машинный парк и большие отходы металла, уходящего в стружку.

2. Показано, что следует применить технологию литья по выплавляемым моделям в единые смеси. Впервые был предложен и проверен на практике, процесс формообразования изготовления пустотелых изделий с использование жидкой формовочной смеси для формирования внутренней полости.

3. Предложена формовочная смесь с отвердителем, способным увеличить время затвердевания гипсо-песчано-маршалитовой смеси до 12-14 мин.

4. Определены технологические параметры процессов формообразования. Определены граничные условия по массе и методу изготовления художественных изделий.

5. Установлено, что благодаря возможности получения оболочки одинаковой толщины, равномерно расположенной по всему изделию, значительно расширяются возможности конструктора-дизайнера, проектирующего сложно-профильные изделия с четкой проработкой мелких частей поверхности.

6. На базе разработанной технологии получения пустотелых изделий были изготовлены эксклюзивные и серийные отливки художественных изделий.

Основные научные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

Статьи в журналах, входягцих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Голубятников И.В., Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Получение художественных отливок методом прессования при кристаллизации в разовые формообразующие части пресс-форм. Электронное научное издание «Дизайн. Теория и практика», 2012. - Вып. №10. -С.45-50.

2. Крашенинников А.И., Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Применение наноматериалов в дизайне для изготовления художественных изделий. Электронное научное издание «Дизайн. Теория и практика», 2012. - Вып. №10. -С.95-101.

3. Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Изготовление ювелирных изделий прессованием при кристаллизации. Электронное научное издание «Дизайн. Теория и практика», 2013. - Вып. №14. -С.49-54.

4. Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Новый способ изготовления пустотелых художественных отливок. Электронное научное издание «Дизайн. Теория и практика», 2014. - Вып. №15.- С.43-47.

5. Лившиц В.Б., Кушнир А.П., Кобзев Д.С. Изготовление пустотелых художественных отливок с использованием жидкой формовочной смеси. Электронное научное издание «Дизайн. Теория и практика», 2015. - Вып. №18,- С.62-73.

Другие издания:

6. Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Технология получения пустотелых моделей при изготовлении художественных отливок. Информатика и технология. Межвузовский сборник научных трудов, Москва 2012. Вып. №18,-С. 101-106.

7. Кушнир А.П., Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Лазерные ЗБ технологии изготовления моделей. Информатика и технология. Межвузовский сборник научных трудов, Москва 2013.Вып. №19 - С. 98-110.

8. Кушнир А.П., Лившиц В.Б., Кобзев Д.С. Новые ЗБ технологии изготовления моделей. Информатика и технология. Межвузовский сборник научных трудов, Москва 2013.Вып. №19 - С. 111-127.

Подписано в печать 30.01.2015г.

У сл.пл. - 1.5 Заказ № 24489 Тираж: 70 экз.

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