Разработка художественного образа и выбор технологии изготовления мужского кольца

Кафедра материаловедения и технологии материалов

Курсовая работа Разработка художественного образа и выбор технологии изготовления мужского кольца

1. Разработка художественного образа кольца

2. Выбор материала

3. Выбор технологии изготовления мужского кольца

3.1 Листовая штамповка

3.2 Литье

3.2.1 Литье в песчано-глинистые или земляные формы

3.2.2 Литье по выплавляемым моделям

3.2.3 Литье в формы из металла (литье в кокиль)

3.2.4 Литьё под давлением

3.2.5 Литьё по газифицируемым моделям

3.2.6 Центробежное литьё

3.2.7 Литьё в оболочковые формы

3.2.8 Выбор технологии для изготовления кольца

4. Разработка технологического процесса литья по выплавляемым моделям

4.1 Изготовление восковой модели

4.2 Изготовление литейной формы

4.3 Приготовление формовочной смеси и формовка

4.4 Выплавка воска

4.5 Заливка литейной формы

4.6 Очистка отливок от формовочной массы

4.7 Окончательная обработка и отделочные операции

4.7.1 Шлифование

4.7.2 Чернение

4.7.3 Полирование

5. Контроль качества

6. Расчеты веса модели и стоимости затраченного металла для изготовления кольца Заключение Список использованных источников Приложение

Введение

Темой курсовой работы является разработка художественного образа и выбор технологии изготовления мужского кольца.

Кольцо — украшение в виде окружности, ободка из твердого материала, надеваемое на палец.

Материалами для изготовления колец могут служить сплавы золота и серебра, латунь и другие сплавы; камни драгоценные, полудрагоценные различных форм и огранок, граненое стекло с амальгамой и без амальгамы, штампованные камни без граней (кабошон), разных цветов размеров и различных форм огранки. Каждый материал обладает определенными технологическими свойствами. В зависимости от материала изделия, могут использоваться различные технологии его изготовления. Оценка эстетических и технологических свойств материалов позволят правильно решать вопросы конструирования кольца и выбора технологического процесса изготовления, подбора рациональных режимов обработки изделия.

Задачами курсовой работы являются:

· создание образа мужского кольца отвечающего определенным эстетическим, эксплуатационным и технологическим требованиям;

· выбор материала для изготовления изделия;

· выбор оптимальной технологии его изготовления.

1. Разработка художественного образа кольца

Кольцо — наиболее распространенное и разнообразное ювелирное изделие. Конструктивно кольца могут состоять из одной детали (обручальное) или из множества деталей (печатки, перстни, кольца с бриллиантами, кольца-вензеля и т. д.)

Размеры колец определяются диаметром шинки кольца или номером. Выпускают кольца следующих размеров (номеров, мм):

13 16 19 22 13,5 16,5 19,5 22,5

14 17 20 23 14,5 17,5 20,5 23,5

15 18 21 24 15,5 18,5 21,5 25

При подборе кольцо или непосредственно примеряют на палец или сначала устанавливают нужный размер с помощью кольцемера (пальцемерные кольца), а затем уже подбирают кольцо нужного размера.

Мужские серебряные кольца разделяются на несколько видов, это — традиционные мужские кольца, мужские печатки и мужские перстни.

Традиционные мужские кольца из серебра одинаково подходят мужчинам всех возрастов и стилей, поскольку имеют небольшие размеры и разнообразный дизайн. Их можно совмещать с другими украшениями, включая обручальные кольца и мужские браслеты. Так, печатки не всегда гармонируют с другими украшениями из-за массивных форм и больших размеров. Их рекомендуется носить отдельно от других колец и браслетов. Допускаются лишь мужские серебряные часы.

Данное кольцо относится к группе мужских традиционных колец (рисунок 1).

Предназначено для повседневной носки, так как имеет простую и удобную форму, неглубокий рельеф, монохромность цветового решения (чернение на серебристо-белом фоне). Также из-за небольшого количества элементов в декоре, приобретает визуальную легкость. Эскиз кольца с размерами приведен на рисунке 2.

Такой аксессуар подходит к любому стилю одежды, что расширяет целевой рынок сбыта.

Рисунок 1. Эскиз кольца Рисунок 2. Эскиз кольца с размерами

2. Выбор материала

При создании художественного образа кольца, опираясь на его конфигурацию, эстетические и эксплуатационные свойства, были выявлены следующие предпочтительные свойства: сплав должен иметь серебристо-белый цвет, характерный металлический блеск, хорошо обрабатываться (резанием, полировкой и т. п.), подвергаться нанесению различных покрытий, а так же должна присутствовать относительно небольшая стоимость готового изделия. Материал должен быть устойчив к механическому воздействию и деформациям (сжатию, растяжению, кручению, деформации на изгиб). Так как данное мужское кольцо, не относится к бижутерии, большее предпочтение будет отдаваться благородным металлам.

Поэтому далее будут рассматриваться сплавы серебра, белого золота и сплавы платины, так как они отвечают выше перечисленным критериям.

Серебряные сплавы

Серебро — металл белого блестящего цвета, мягкий и пластичный, хорошо поддается обработке давлением.

Механические свойства серебряных сплавов существенно зависят от содержания в них меди. Так, увеличение концентрации меди с 5% (СрМ 950) до 20% (СрМ 800) приводит к повышению прочности на 30%, а твердости — на 60% при одновременном снижении пластичности.

Сплав серебра СрМ950 — цвет этого сплава соответствует цвету чистого серебра. Сплав очень хорошо поддается обработке давлением. Его применяют также при глубокой вытяжке, чеканке, для изготовления очень тонкой проволоки.

При отжиге на воздухе на поверхности сплава образуется тонкая окисная пленка, под которой находится гетерогенный внутренний окисный слой. Благодаря высокой температуре плавления и цвету, сплав используется для эмалирования и чернения, так как краски эмали и черни на этой основе имеют интенсивный блеск. При температуре 60 °C начинается старение сплава. После разливки или отжига следует сразу же приступ к обработке сплава, так как в противном случае может произойти естественное старение и пластичность сплава сильно понизится.

К недостаткам сплава серебра 950 пробы относятся невысокие механические свойства. Изделия, изготовленные из этого сплава, при эксплуатации деформируются. Старением увеличивают прочность сплава от 500 до 1000 МПа, что приводит к усложнению и удорожанию технологического процесса обработки сплава.

Сплав серебра СрМ 925 имеет цвет, как и сплав серебра 950 пробы, но более высокие механические свойства. Сплав СрМ925 применяется для изготовления изделий технического назначения, предметов сервировки стола, ритуально-обрядовых изделий (обручальных колец, крестиков), ювелирных изделий для личного украшения (колец, перстней, медальонов, кулонов и т. д.), портсигаров и мундштуков, памятных медалей и значков. В нем удачно сочетаются технологические (легко подвергается формоизменению при обработке) и эксплуатационные свойства (сохраняет твердость и упругость).

Изменяя режимы термообработки этого сплавов, можно получать различные свойства (таблица 1).

Таблица 1 — Свойства сплавов на основе серебра

Сплавы белого золота.

Белое золото представляет собой сплав золота с другими металлами, которые придают ему белый цвет. Для получения белого золота в качестве добавок используют как благородные металлы (платина, палладий, серебро), так и цветные металлы (никель, медь, цинк). Иногда сплавы золота с платиной, палладием и серебром называют «благородным» белым золотом, поскольку перечисленные металлы являются драгоценными. «Благородное» белое золото естественно не вызывает никаких аллергических реакций. Платина в качестве лигатуры является самым лучшим компонентом, так как оно наилучшим образом отбеливает желтое золото. А вот палладий придает золоту невероятную прочность и износостойкость. Именно такое белое золото стоит дороже всех остальных его видов. Из всех сплавов рассмотрим два наиболее применяемых сплава для ювелирных изделий.

585 проба — содержит 58,5% золота, остальное палладий, никель, серебро и медь. Является удачным сочетанием, изделия из этого сплава твердые, прочные и мало подвержены воздействию кислорода.

750 проба — содержит 75% золота, основные добавки — палладий, платина и серебро. Довольно дорогой и используется в филигранных украшениях. Он имеет отличные характеристики, и украшения надолго сохраняют первозданный вид.

От металлов и их пропорций в составе сплава, во время смешивания, зависят свойства, которыми будет обладать белое золото и, благодаря которым, белое золото может применяться для различных целей: прочные и твердые для колец, пластичные и мягкие для вставок с драгоценными камнями. К достоинствам белого золота также следует отнести то, что оно более стойко к внешним воздействиям К основным недостаткам белого золота следует отнести:

· очень высокую вероятность аллергических реакций на коже;

· возможность истирания покрытия из родия, если таковое используется в покрытии ювелирного изделия, предназначенного для частого ношения;

· белое золото все-таки представляет собой более дешевую замену благородной платины, не имеющей указанных недостатков;

· украшения из этого сплава в ювелирных магазинах не могут стоить меньше, чем 2200−2500 рублей за грамм.

Сплавы на основе платины.

Платина относится к химически очень стойким и тугоплавким элементам, что позволяет создавать на ее основе сплавы, обладающие значительными механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. И хотя платина уступает золоту и серебру по ковкости, некоторые ее свойства делают сей металл незаменимым для ювелира.

При изготовлении сплавов на основе платины в ювелирных целях обязательно используют присадки для снижения температуры плавления (платина переходит в жидкое состояние при очень высоких температурах), увеличения ковкости, пластичности и износостойкости металла. В основном ювелирная промышленность работает с двумя видами сплавов на основе платины — с пятипроцентным содержанием либо меди, либо иридия. Медь позволяет снизить температуру плавления, повышая при этом прочность и твердость платины. К сожалению, у таких сплавов есть один серьезный недостаток — в них регулярно образуются поры, что недопустимо при изготовлении большинства ювелирных изделий. Потому часто прибегают к добавлению иридия, который хоть и делает еще большей температуру плавления платины, зато увеличивает ее износостойкость без всякой угрозы появления пор.

Кроме меди и иридия в платиновые сплавы, используемые в ювелирном деле, нередко добавляют некоторые другие металлы. Скажем, кобальт используют для того, чтобы улучшить литейные и механические характеристики сплава, а палладий — дабы получить платиновый сплав, служит для создания закрепочных деталей.

Важно отметить, что в сплавы, применяемые в ювелирной промышленности, добавляют лишь те элементы, которые не оказывают никакого влияния на цвет. Это имеет огромное значение, поскольку платина обладает серовато-белыми оттенками, не бросающимися в глаза и нейтральными для различных вкусовых предпочтений. В связи с этим свойством из сплавов на ее основе изготавливают в основном различные закрепочные детали изделий с драгоценными камнями. На фоне нейтрального металла бриллианты, изумруды и другие камни смотрятся очень эффектно, акцентируя внимание именно на себе, а не второстепенных деталях украшения.

Использование легирующих присадок в ювелирной промышленности позволило получить платиновые сплавы с высокими показателями ковкости, что дает возможность применять их для создания обручальных колец и различных оправ. Кроме того созданы формоустойчивые сплавы с повышенной упругостью, из которых изготавливают такие закрепочные детали украшений, в которых драгоценные камни удерживаются исключительно пружинными свойствами самого сплава.

Как уже было сказано выше, платиновые сплавы очень коррозионностойкие, благодаря чему изготовленные из них изделия даже при весьма активном использовании очень долго сохраняют презентабельный вид и высокую эстетичность.

Но также есть и некоторые недостатки, которые будут учитывать при выборе:

· платина трудно поддается обработке из-за своей тугоплавкости и полировке, поэтому выглядит иногда сероватой.

· дорогостоящий металл.

Сравнив эти три сплава можно увидеть, что серебро имеет некоторые преимущества по сравнению с платиной и белым золотом, например, имеет наивысшую отражательную способность (отражает 94% световых лучей), хорошо деформируется как в холодном, так и в горячем состоянии, подвергается чернению и имеет самую низкую температуру плавления, что значительно облегчает процесс расплавления металла Из двух предложенных сплавов серебра (СрМ950 и СрМ925) был выбран СрМ925, так как он обладает рядом положительных свойств:

· твердый пластичный, упругий, долговечный:

· устойчив к коррозии;

· легко обрабатывается;

· долго не окисляется, чистится при загрязнении;

· великолепно сочетает эксплуатационные и технологические свойства;

· пригоден для всех видов холодной обработки и литья;

· изделия могут быть выполнены полностью или же содержать лишь один элемент декора;

· является довольно не дорогим металлом.

3. Выбор технологии изготовления мужского кольца

Для получения мужского кольца будут рассмотрены два следующих метода его изготовления: листовая штамповка и литье.

Рассмотрим основные технологические операции этих методов.

Листовая штамповка состоит из:

· получение листовой штамповки;

· механическая обработка;

· пайка;

· контроль.

Литье:

· получение заготовок литьем;

· механическая обработка;

· контроль.

Данные технологические процессы отличаются первой технологической операцией и наличием пайки в первом процессе, поэтому для того чтобы понять, какой способ получения изделия выгоднее, рассмотрим эти операции подробно.

3.1 Листовая штамповка

Листовая штамповка заключается в разделении (разрезке) или формоизменении плоской листовой или трубной заготовки с помощью специальных штампов.

Листовой штамповкой можно получать самые разнообразные по форме и размерам изделия от мельчайших до крупногабаритных. Для листовой штамповки применяются заготовки толщиной от долей миллиметра до нескольких десятков миллиметров. Заготовки при S? 4 мм считаются тонкими, а при S> 4 мм — толстыми и соответственно штамповку делят на тонколистовую и толстолистовую.

В большинстве случаев листовая штамповка производится в холодном состоянии, а листовой металл с S? 15 ч 20 мм обычно штампуют в нагретом состоянии.

Наибольшее распространение листовая штамповка получила в крупносерийном и массовом производстве, где большие масштабы выпуска позволяют эффективно применять технически более совершенные, хотя и более сложные и дорогие штампы. Наряду с этим в настоящее время штамповка получается в мелкосерийном и даже единичном производстве, где используют универсальные или упрощенные, сравнительно дешевые штампы.

Широкое применение в промышленности листовой штамповки вызвано ее особенностями и преимуществами по сравнению с другими методами обработки материалов:

1. Листовая штамповка отличается высокой производительностью, низкой себестоимостью продукции, в серийном производстве имеются благоприятные условия для механизации и автоматизации процессов.

2. Достаточно высокая точность и хорошее качество поверхности отштампованных деталей позволяют полностью исключить или свести к минимуму их последующую обработку и обеспечивают взаимозаменяемость отштампованных деталей.

3. Листовая штамповка при относительно больших отходах материала позволяет получать детали с минимальной металлоемкостью, легкий по весу, но достаточно жесткие и прочные.

4. В результате холодной деформации металл отштампованных деталей упрочняется, что повышает износостойкостью и прочность деталей. Область применения листовой штамповки расширяется за счет замены сложных кованых и литых деталей штампосварными конструкциями.

Для получения изделия требуется выполнение в определенном сочетании и последовательности ряда технологических операций. Как правило, операции листовой штамповки осуществляются действием на заготовку пуансона и матрицы — основных рабочих частей штампа.

Все операции листовой штамповки делятся на разделительные и формоизменяющие.

Разделительные операции листовой штамповки.

Разделительные операции характеризуются отделением одной части заготовки от другой путем разрушения материала по заданной границе.

Основные операции:

· отрезка — полное отделение части заготовки по незамкнутому прямолинейному или криволинейному контуру;

· вырубка — отделение части заготовки по замкнутому контуру в штампе, причем отделение, смещенная в матрицу часть заготовки является деталью (или полуфабрикатом) для последующей обработки;

· пробивка — отделение части заготовки по замкнутому контуру в штампе, причем отделенная, смещенная в матрицу часть заготовки является отходом (получение отверстий);

· надрезка — отделение части заготовки по незамкнутому контуру на заданном участке без нарушения связи частей заготовки по другим участкам контура.

Остальные разделительные операции выполняются в штампах на листоштамповочных прессах.

Качественное выполнение разделительных операций позволяет полностью получить чистую, без заусенцев, поверхность среза и избежать искажения детали. При этом должна сохраняться перпендикулярность поверхности среза и плоскости заготовки (б = 0).Основными условиями получения качественного изделия являются: оптимальный зазор между пуансоном и матрицей; острые кромки инструмента; оптимальные усилие прижима (Рпр Р); достаточная величина перемычек между соединениями деталей, вырубаемые из одной заготовки.

Формоизменяющие операции листовой штамповки

Формоизменяющие операции характеризуются тем, что заготовка испытывает пластические деформации без разрушения материала или потери устойчивости (недопустимого искажении формы). Основные формоизменяющие операции следующие:

1) Вытяжка — превращение плоской заготовки в полую объемную деталь (или дальнейшее изменение ее размеров) в вытяжных штампах.

Основные условия получения качественных изделий:

— применение заготовок из достаточно пластичных материалов;

— шлифовка пуансонов и матриц, применение правильно подобранных технологических смазок для заготовок и штампов;

— оптимальные величины: зазоров Z между пуансоном и матрицей (в среднем Z = 1,2S); радиусов закругления кромок пуансонов и матриц (в среднем Rп = Rм = (5ч8)S); усилия прижима (в среднем Рпр? 0,25Р).

2) Гибка — получение деталей с изогнутой осью. Исходная заготовка укладывается на матрицу и пуансоном, действующим на нее с усилием, изгибается на угол гибки. Радиус закругления пуансона оказывает существенное влияние на усилие гибки и качество детали. Слои детали, расположенные у внутренней поверхности со стороны пуансона, сжимаются, а наружные слои растягиваются. Между ними находится нейтральный, не изменяющийся по длине слой. После снятия нагрузки внутренние слои изогнутой детали стремятся увеличить свою длину на величину упругой деформации, а наружные — уменьшить.

3) Формовка — изменение формы заготовки в штампах, заключающееся в образовании небольших местных углублений и выпуклостей за счет уменьшения толщины заготовки при неизменных ее наружных размерах. Чаще всего производится с целью получения необходимой жесткости деталей, т. е. образования ребер — выступов жесткости, различных фиксирующих упоров, граней и т. п. — для получения декоративных изделий и др.

4) Отбортовка — образование в плоском или полом изделии, с предварительно пробитым отверстием малого диаметра, отверстия большего диаметра с бортами путем вдавливания пуансоном части заготовки в отверстие матрицы.

5) Обжимка — уменьшение поперечного сечения краевой части полого полуфабриката путем внедрения его в сужающуюся полость матрицы.

6) Раздача — увеличение поперечного сечения краевой части полого полуфабриката путем внедрения в него конического пуансона.

3.2 Литье

Литьё — технологический процесс изготовления заготовок (реже — готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом, сплавом, пластмассой и т. п.) с последующим его затвердеванием.

Рассмотрим несколько видов литья.

3.2.1 Литье в песчано-глинистые или земляные формы

Дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75−80% по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее — деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования) копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), которая заполняет пространство между моделью и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия — литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводя термообработку.

Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего. Для получения отливки данным методом могут применяться различные формовочные материалы, например песчано-глинистая смесь или песок в смеси со смолой и т. д. Для формирования формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ — поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки). Также выполняют вторую полуформу. Соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.

3.2.2 Литье по выплавляемым моделям

Применяется в случаях изготовления деталей машин и деталей высокой точности. Из легкоплавкого материала: парафин, стеарин и др. (в простейшем случае — из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50% стеарина и 50% парафина, для крупногабаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 °C для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000 °C, устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС. Таким образом получаем отливку. Преимущества этого способа: возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью размеров до 11−13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5−1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

· Копия или модель конечного изделия изготавливаются из легкоплавкого материала.

· Эта модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

· При последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

· В оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит исходную модель отливки.

3.2.3 Литье в формы из металла (литье в кокиль) Изготавливается кокиль — разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести.

Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200−300°С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

3.2.4 Литьё под давлением

ЛПД занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. Этим способом изготавливают литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Выделяются следующие положительные стороны процесса ЛПД:

- высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условиях массового и крупносерийного производств;

— минимальные припуски на механическую обработку или не требующие таковой, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ± 0,075 мм на сторону;

— чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили;

— чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях, позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Также выделяют следующие негативное влияние особенностей ЛПД, приводящие к потере герметичности отливок и невозможности их дальнейшей термообработки:

— воздушная пористость, причиной образования которой являются воздух и газы от выгорающей смазки, захваченные потоком металла при заполнении формы (вызвано неоптимальными режимами заполнения, а также низкой газопроницаемостью формы).

— усадочные пороки, проявляющиеся из-за высокой теплопроводности форм наряду с затрудненными условиями питания в процессе затвердевания;

— неметаллические и газовые включения, появляющиеся из-за нетщательной очистки сплава в раздаточной печи, а также выделяющиеся из твёрдого раствора.

Всегда необходимо учитывать, что качество отливок, получаемых ЛПД, зависит от большого числа переменных технологических факторов, связь между которыми установить чрезвычайно сложно из-за быстроты заполнения формы.

Основные параметры, влияющие на процесс заполнения и формирования отливки, следующие:

— давление на металл во время заполнения и подпрессовки;

— скорость прессования;

— конструкция литниково-вентиляционной системы;

— температура заливаемого сплава и формы;

— режимы смазки и вакуумирования.

3.2.5 Литьё по газифицируемым моделям

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенопласта по качеству фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуре производства наиболее выгодно.

В песчаной форме модель из пенопласта при заливке замещается расплавленным металлом, так получается высокоточная отливка. Чаще всего форма из сухого песка вакуумируется на уровне 50 кПа, но также применяют формовку в наливные и легкоуплотняемые песчаные смеси со связующим. Область применения — отливки массой 0,1−2000 кг и более, тенденция расширения применения в серийном и массовом производстве отливок с габаритными размерами 40−1000 мм.

На 1 тонну годного литья расходуется 4 вида модельно-формовочных (неметаллических) материалов:

— кварцевого песка — 50 кг;

— противопригарного покрытия — 25 кг;

— пенополистирола — 6 кг;

— плёнки полиэтиленовой — 10 кв.м.

Отсутствие традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком с повторным его использованием на 95−97%.

3.2.6 Центробежное литьё

Центробежный метод литья (центробежное литьё) используется при получении отливок, имеющих форму тел вращения. Подобные отливки отливаются из чугуна, стали, бронзы и алюминия. При этом расплав заливают в металлическую форму, вращающуюся со скоростью 3000 об/мин.

Под действием центробежной силы расплав распределяется по внутренней поверхности формы и, кристаллизуясь, образует отливку. Центробежным способом можно получить двухслойные заготовки, что достигается поочерёдной заливкой в форму различных сплавов. Кристаллизация расплава в металлической форме под действием центробежной силы обеспечивает получение плотных отливок. При этом, как правило, в отливках не бывает газовых раковин и шлаковых включений.

Особыми преимуществами центробежного литья является получение внутренних полостей без применения стержней и большая экономия сплава в виду отсутствия литниковой системы. Выход годных отливок повышается до 95%.

Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах, к примеру:

— высокая износостойкость;

— высокая плотность металла;

— отсутствие раковин;

— в продукции центробежного литья отсутствуют неметаллические включения и шлак.

По сравнению с литьём в неподвижные формы центробежное литьё имеет ряд преимуществ: повышаются наполняемость форм, плотность и механические свойства отливок, выход годного. Однако для его организации необходимо специальное оборудование; недостатки, присущие этому способу литья: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейных форм.

3.2.7 Литьё в оболочковые формы

Литьё в оболочковые формы — способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита). Предпочтительно применение плакированных песчаных зёрен (покрытых слоем синтетической смолы).

Оболочковую форму получают одним из двух методов. Смесь насыпают на металлическую модель, нагретую до 300 °C, выдерживают в течение нескольких десятков секунд до образования тонкого упрочнённого слоя, избыток смеси удаляют. При использовании плакированной смеси её вдувают в зазор между нагретой моделью и наружной контурной плитой. В обоих случаях необходимо доупрочнение оболочки в печи (при температуре до 600−700°C) на модели. Полученные оболочковые полуформы скрепляют, и в них заливают жидкий сплав. Во избежание деформации форм под действием заливаемого сплава перед заливкой их помещают в металлический кожух, а пространство между его стенками и формой заполняют металлической дробью, наличие которой воздействует также на температурный режим охлаждающейся отливки.

Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг. Преимуществами способа являются значительные повышение производительности по сравнению с изготовлением отливок литьём в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.

3.2.8 Выбор технологии для изготовления кольца

Из всех представленных двух способов изготовления мужского кольца, а так же различных способов литья, было выбрано литье по выплавляемым моделям, так как этот способ обладает рядом преимуществ:

— универсальность, позволяющая получать отливки сложной конфигурации;

— применять большую номенклатуру сплавов, в том числе труднообрабатываемых резанием и ковкой;

— литейные заготовки являются более дешевыми и имеют минимальный припуск на механическую обработку, что говорит об экономичности процесса литья в серийном производстве;

— отсутствие разъема формы, что обеспечивает точность размеров и массы отливок;

— уменьшение параметров шероховатости поверхности и существенное улучшение внешнего товарного вида отливок;

— сокращение в несколько раз объема переработки и транспортирования формовочных материалов;

— уменьшение объема механической обработки отливок и т. д.

4. Разработка технологического процесса литья по выплавляемым моделям

Основными этапами изготовления элементов ювелирных изделий по выплавляемым моделям являются (рисунок 3).:

— изготовление восковой модели кольца;

— изготовление литейной формы,

— заливка формы металлом,

— очистка отливок.

Подробный маршрут операций приведен в приложении А.

Рисунок 3. Схема технологического процесса литья по выплавляемым моделям: 1 — заполненная формовочной смесью опока; 2 — литейная форма, помещённая в муфельную печь; 3 — заполнение литниковой формы на центробежной машине; 4 — извлечённая из опоки отливка

4.1 Изготовление восковой модели

Главные компоненты воска — парафины, натуральный и синтетический церезин, стеарин, буроугольный или горный (монтановый) и торфяной воски (битумы), сложные эфиры высших кислот, в отдельных случаях (в настоящее время редко, преимущественно в зарубежной практике) — натуральные воски; пчелиный, кандилльский, карнаубский.

Для изготовления модели мы используем воск для резьбы марки Ferris. Воски этой марки являются фактическим стандартом для восковых модельеров во всем мире. Они выпускается в трех различных модификациях, которые имеют различные цвета: зеленый, фиолетовый и синий. По форме они бывают в виде блоков, брусков различного профиля, пластин, заготовок для колец и т. п. (рисунок 4).

Рисунок 4. Воски для резьбы Мы используем воск зелёного цвета. Это самый твердый воск, на нем возможна прорезка наиболее тонких деталей и сложных дизайнов. Может полироваться до зеркального блеска. Толщина изделий из воска может достигать менее 0,2 мм — абсолютного минимума толщины, при которой вообще возможна качественная отливка изделий. При этом восковка остается прочной и не подвержена деформации. Воск исключительной твердости, содержащий минимум пластических добавок, чтобы гарантировать, что модель не сломается в руках во время работы. Предельные параметры для использования данного воска — плоские изделия толщиной менее 1 мм и диаметром 38 мм, что перекрывает практически весь диапазон ювелирных изделий. Воск плавится при 105єС, практически сразу превращаясь в легко подвижную жидкость, минуя вязкую стадию. Стоимость такого воска размером 90×150×37 мм составляет 766 рублей.

4.2 Изготовление литейной формы Изготовление литейной формы осуществляется следующим образом.

К готовым восковым моделям присоединяют восковые стержни — литники — диаметром 3,17 мм (может доходить до 6,65 мм в зависимости от размера изделия). Литники, выступающие из модели со всех сторон, соединяются в один толстый восковой стержень, центральный литник, так что подготовленная модель напоминает букет цветов на длинных стеблях. Литники должны быть прикреплены так, чтобы обеспечивать правильное движение потока расплава. Если литники будут прикреплены неправильно, то есть большая вероятность, что во время литья модель будет испорчена. Например, если литник будет прикреплен под прямым углом, то металл, при заливке, потечет неправильно, приводя к образованию пузырьков воздуха, которые «взрываясь», оставляют в металле мельчайшие раковины — явление называется пористостью. Литники должны обеспечить потоку металла доступ ко всем частям модели. Чем массивнее и толще деталь, тем, разумеется, толще должен быть литник или их должно быть несколько. Отдельные литники нужны и очень тонким деталям, или стоящим в стороне от всей модели, или повернутым в направлении, обратном потоку расплава. Три важных фактора, которые необходимо помнить при подготовке литников:

1) Расплав, движущийся под воздействием центробежной силы, вытекает из тигля по прямой линии и маловероятно то, что он повернет на 90°, тем более что он потечет в обратном направлении.

2) По ходу движения в полость металл начинает остывать.

3) Чем дальше от тигля изделие, тем слабее поток металла.

Модель с прикрепленными литниками не должна напоминать гриб, ножка которого поддерживает совершенно плоскую шляпку: металл сам по себе не растечется по ней тонким ровным слоем под прямым углом к направлению потока. Для этого поверните модель под углом, который совпадал бы с направлением потока, а литники лучше прикрепить по одной стороне модели, а не точно по центру. В соответствии с этим принципом каждый раз, когда деталь модели оказывается под прямым углом к потоку расплава, чтобы обеспечить полное заполнение металлом, к ней добавляется дополнительный литник, по возможности, изогнутый. Таким образом, формируются два канала, через которые расплав хорошо заполнит полость и примет форму модели.

Что же касается второго и третьего факторов, хотя и кажутся довольно очевидными, они имеют первостепенное значение при присоединении литников. Эти два фактора, зачастую, сливаются в одну проблему, которая, попросту говоря, заключается в том, что, деталь изделия заполняется тем хуже, чем дальше она находится от источника расплава. Если литники прикреплены неправильно, то эти отдаленные участки окажутся слишком тонкими или с кавернами, или, того хуже, отсутствующими. Таким образом, для достаточного заполнения таких участков быстрое остывание и недостаток напора потока необходимо компенсировать литниками. Для этого можно, во-первых, убедиться, что самая толстая деталь изделия ближе всех к центральному литнику. Такое расположение гарантирует адекватный приток расплава именно к детали, требующей наибольшего количества металла, и к тому же обеспечивает дополнительный источник расплава для подпитки более отдаленных деталей.

Металл застывает от стенок формы внутрь. Чем тоньше деталь, тем меньше промежуток между стенками формы, оставшийся после выплавления воска. Металл, слишком быстро застывая в этом узком месте, с трудом проходит в соседние детали. В более толстой детали поток металла мощнее и остывает не так быстро, затвердевшие участки не препятствуют дальнейшему его ходу.

Если в изделии имеются две толстые детали, разделенные тонкой деталью, потребуются несколько литников. Если изделие достаточно массивно, компенсируйте поток путем добавления дополнительных литников на расстоянии двух третей от воронки, чтобы увеличить напор расплава там, где он идет на убыль.

4.3 Приготовление формовочной смеси и формовка Для приготовления формовочной смеси используют формовочную массу KerrCast 2000 (рисунок 5), представляющую собой кристобалитогипсовую смесь. В отличие от обычных формовочных смесей KerrCast 2000 считается во всем мире самой надежной формомассой для работы с золотом и серебром. Также как и формомасса SatinCast 20, KerrCast 2000 изготовлена в соответствии с самыми строгими стандартами на основе эксклюзивной системы воздушного перемешивания компании Kerr и сопровождается сертификатом ISO 9001.

Рисунок 5. Формовочная смесь Состав EasyQuench позволяет легко отделять литейную форму в холодной воде. Отливки без заусенцев и заливов. Отсутствие водяных пятен. Минимальная тепловая нагрузка. Образует блестящую финишную отделку поверхности. Кремообобразная и однородная консистенция. Получение высокопрочных и одновременно проницаемых литейных форм. Быстрое прокаливание. Обеспечивает получение ровных и плотных отливок. Содержит увлажнители для устранения шаровидных выделений и поверхностной активности.

Для массивных отливок, соотношение 38/100, мужские кольца, изделия более консервативного дизайна.

Порядок использования и особенности

1. Взвесьте формомассу

2. Отмерьте необходимое количество воды. Вода должна иметь температуру от 21 до 24 °C. Меньшая температура увеличивает рабочее время, большая — уменьшает ее. Рабочее время должно находиться в пределах 9−10 мин.

3. Перемешайте смесь вручную (30 сек.) и далее механическим способом (3.5 минут).

4. Вакуумируйте формомассу в резервуаре мешалки (не более 2 мин., оптимально — 1.5 мин.).

5. Разлейте формомассу в опоку.

6. Вакуумируйте формомассу в опоке (1.5 мин.).

7. Оставьте формомассу в опоке на 2 часа.

8. Прокалка в печи.

Рабочее время — определяется как время, в течение которого материал может обрабатываться перед утратой его рабочих свойств.

Время высыхания (исчезание глянца), соответствует времени, когда влажная глянцевая поверхность исчезает с поверхности опоки, это происходит в течение 0,5−2 минут после рабочего времени. Вначале необходимо смешивать вручную около 30 секунд, используя лопатку для смешивания или резиновый шпатель. Время смешивания должно быть минимум 2,5 минуты и может быть увеличено до 4−5 минут, если существует неиспользуемое рабочее время формомассы. После смешивания, смесь необходимо вакуумировать в течение 1 минуты. При вакуумировании происходит увеличение объема смеси. После вакуумирования опоку оставляют в покое на 1−2 часа для полного затвердевания.

4.4 Выплавка воска Эту операцию осуществляют в муфельной печи при поддержании температуры 120−140°С в течение 1 ч, после чего температуру повышают до 200 °C и опоку выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, а затем температуру плавно повышают до 700−750°С и прокаливают литейную форму в течение 3 ч. После этого можно считать, что литейная форма подготовлена для заливки. [4]

4.5 Заливка литейной формы В прокаленные литейные формы заливают расплавленным металлом на машину для центробежного литья KERR Centrifico.

Температура опоки для заливки для сплавов СрМ 925 примерно 400−580°С. Температура жидкого металла должна быть выше температуры плавления на 50−200 градусов в зависимости от сплава и формы изделий. Невысокая температура не даст металлу хорошо пролиться, большой перегрев и наличие кислорода дает поры.

Так для сплава серебра 925 пробы температура жидкого металла примерно от 1012−1162°С.

Сплав доводят до температуры плавления и состояния текучести на открытом пламени горелки, которое должно быть сильным и шумящим. При достижении состояния текучести запускают центрифугу. Под действием центробежной силы сплав заполняет литейную форму. Затем после остановки центрифуги заполненную литейную форму с помощью специальных щипцов снимают с тарелки и охлаждают, опуская ее в воду. После охлаждения литейной формы выбивают отливки. После охлаждения отливки выбивают из литниковых форм, очищают от формовочной смеси, а затем отбеливают.

4.6 Очистка отливок от формовочной массы

Очистка отливок от формовочной массы происходит в 20−40%-ном растворе плавиковой кислоты после выбивки блока отливок из опоки. Затем отливку промывают в проточной воде и отбеливают в составе, соответствующем сплаву металла (для сплавов золота — в 10%-ном водном растворе азотной кислоты, для сплавов серебра — в 10%-ном водном растворе серной кислоты). Температура раствора должна быть не ниже 60−70°С. Время отбеливания длится не более 5 мин.

После отбеливания отливки просушивают в муфельной печи при температуре 100−120°С или в естественных условиях.

4.7 Окончательная обработка и отделочные операции

Шлифование и полирование относятся к отдельной группе методов обработки металлов резанием. Цель этой обработки состоит не в придании металлу какой-то определенной формы, а в том, чтобы придать готовым изделиям определенную чистоту поверхности и точные размеры.

4.7.1 Шлифование

Шлифование — механическая или ручная операция по обработке твёрдого материала. Разновидность абразивной обработки, которая, в свою очередь, является разновидностью резания. Механическое шлифование обычно используется для обработки твёрдых и хрупких материалов в заданный размер с точностью до микрона. А также для достижения наименьшей шероховатости поверхности изделия допустимых ГОСТом. В качестве охлаждения обычно используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).

В ювелирном производстве различают несколько типов приводных станков для произведения шлифования и полирования ювелирных изделий: полировальные станки и электрические бормашинки с гибким валом.

У промышленных полировальных станков войлочные круги и щетки укрепляют на цилиндрических или конических шпинделях, которые быстро приводятся в движение электродвигателем. Для тонкой работы требуется более мелкий шлифовальный инструмент, который укрепляется в зажимном патроне на гибком вале.

В основном, формы носителей шлифовальных веществ у обоих видов станков одинаковы, они могут отличаться друг от друга только лишь по величине и разнообразию способов крепления.

Что касается шлифовального волока, то его необходимо брать немного жестче и крепче, чем полировальный волок. В ювелирном деле очень часто используют и шерстяной войлок, который изготовлен из чистой шерсти, волосяной войлок, который изготовлен из волос разных животных, а также смешанный войлок — волосяной и шерстяной в соединении. Форму войлочных дисков можно очень легко изменить самостоятельно рашпилем или же напильником с крупной насечкой.

Войлочный диск укрепляют на конических шипах полировального мотора. На движущийся войлочный круг наносится шлифовальное вещество в требуемом количестве.

Для шлифовки ювелирных изделий применяется более жесткий войлок и твердая круглая щетка, чем при полировании.

4.7.2 Чернение

Так как Тула издавна была важным центром чернения, этот процесс называют также «тулированием». Суть чернения, которое имеет много общего с эмалированием, заключается в том, что черная смесь серебра-медисвинца-серы, называемая чернью, при прокаливании вплавляется в углубления, выгравированные в основном металле изделия, и образует плоский цветовой контраст.

Чернению подвергаются преимущественно сплавы серебра, так как на серебре получается сильный цветовой контраст и, кроме того, на нем легче всего плавится чернь.

Чернь на данное мужское кольцо наносится в углубления по внешнему периметру глубиной до 0,25 мм. Перед нанесением поверхность должна быть отшлифована, обезжирена и только потом на нее наносится состав для чернения.

Есть два способа чернения:

— наложение на изделие смеси, приготовленной из серебра, меди, свинца, буры и серы (основной элемент) с последующим обжигом. После этого изделие сушат и обжигают при температуре 300−400°С. В результате обжига смесь оплавляется, заполняя все штрихи рисунка. После охлаждения изделие направляют на чистовые операции (шлифовка, полировка).

— нанесение готового раствора для чернения серебра КААС 232 (жидкость красно-коричневого цвета).

Разбавить раствор КААС-232 водой в соотношении 1:2 — 2:3. Обезжиренные влажные изделия погрузить в приготовленный раствор на 30 сек-1мин. Промыть, высушить. Не смешивать использованный и свежий растворы. На небольшие поверхности можно наносить раствор при помощи кисточки. После нанесения чернения внутренняя поверхность кольца зачищается.

Из этих двух способов более прост второй, поэтому именного его будем применять к данному технологическому процессу.

Так же необходим контроль качества покрытия.

4.7.3 Полирование

Полирование — один из отделочных процессов обработки изделий. Сущность процесса полирования заключается в удалении с поверхности металла микронеровностей, чем достигается высокий класс чистоты и зеркальность поверхности. В данном случае необходимо получить чистоту поверхности Ra=0,01 мкм. Так как изделия после сборки сложно будет отполировать целиком, то эта операция следует до пайки и сборки.

В основном в производстве ювелирных украшений применяются два вида полировании: механические и электрохимическое. Механическим называют поштучное полирование изделий с абразивом и без него. Электрохимическое полирование — это анодное травление изделий в среде электролитов под действием электрического тока, т. е. процесс, обратный золочению и серебрению.

Механическое полирование делится на абразивное и безабразивное. Механическое абразивное полирование проводят на полировальных станках с помощью эластичных кругов и щеток с абразивными пастами, а безабразивное — вручную специальными полировками.

Рисунок 10. Двухшпиндельный станок ARBE DS — 204

Для абразивного полирования, осуществляемого в данном случае, применяют двухшпиндельные станки (рисунок 10), ювелирные бормашинки с разными насадками (рисунок 11).

Рисунок 11. Бормашина FOREDOM SR-2, педаль FCH-2

Мощность электродвигателей станков может быть в пределах 0,5-1,1 кВт. Скорость вращения вала 3000 об/мин. Инструментом для механического полирования служат эластичные круги и щетки (рисунок 12).

Рисунок 12. Полировальные круги: а — фетровый; б — волосяной (щетка; в — матерчатые; г — нитяной; д — для внутреннего полирования колец.

Материалы кругов должны хорошо удерживать на поверхности абразивные пасты и быть прочными в эксплуатации. Назначение полировального инструмента зависит от материала, из которого он сделан, и его формы. Фетровые круги (фильцы) — применяют для первоначального полирования гладких, ровных и выпуклых поверхностей.

Это высококачественный полировальный инструмент, очень стойкий в эксплуатации, его твердость зависит от грубошерстности материала. Размер кругов определяется их внешним диаметром. Фетровый круг благодаря имеющемуся в центре отверстию наворачивается на конусно-винтовую насадку шпинделя полировального станка.