Дизайн ювелирных изделий из сплава ЗлСрМ 58, 5-8 на основе совершенствования финишной обработки их поверхности

Актуальность темы

Сильная конкуренция на рынке ювелирных украшений требует от их производителя постоянно изыскивать возможности по совершенствованию дизайна и технологических процессов, направленные на удешевление производства, повышение качества продукции и освоение новых, конкурентоспособных видов изделий. Неизбежным становится интерес ювелирной промышленности к новому оборудованию и процессам обработки, которые ранее не были широко распространены по различным причинам. Однако накопление новых знаний в последнее время позволяет давать новую жизнь старым, и может быть незаслуженно забытым технологическим процессам. К одним из них, несомненно, можно отнести электрохимическое полирование (ЭХП) и электрохимическое глянцевание (ЭХГ) поверхности.

ЭХП поверхности металлов и сплавов в настоящее время является одним из наиболее прогрессивных технологических процессов металлообработки, не смотря на то, что используется в промышленности на протяжении многих десятилетий. В основном это связано с рядом существенных преимуществ процесса по сравнению с механическим полированием с применением свободного или связанного абразива:

— возможность обработки деталей и изделий конфигурации любой сложности;

— возможность получения зеркальной поверхности с высотой микронеровностей вплоть до Rz = 0,01.

— устранение в процессе обработки некондиционного поверхностного-слоя и остаточных напряжений, что улучшает физико-механические свойства поверхности;

— достаточно короткая продолжительность процесса полирования;

— резкое снижение ручного труда;

— получение отходов обработки в ионном виде, удобном для последующей регенерации, что важно при обработке драгоценных металлов и сплавов;

— возможность обработки высокотвердых и вязких материалов, обработка которых традиционными способами невозможна, затруднена или является весьма дорогостоящей.

Традиционно ЭХП производится в анодном режиме в растворах кислот и щелочей с различными неорганическими и органическими добавками. Одним из существенных недостатков ЭХП является зависимость режимов обработки и составов электролита и обрабатываемого сплава. Электролиты при традиционном ЭХП часто требуют подогрева до температуры 60−90°С. Продолжительность обработки обычно составляет от трёх до десяти минут.

Однако при промышленном использовании традиционного ЭХП могут возникать определенные проблемы:

— применение электролитов при повышенных температурах вызывает значительную экологическую нагрузку на окружающую и производственную среду;

— промышленное ЭХП ювелирных сплавов на основе золота в настоящее время отработано лишь в цианистых электролитах, которые являются дорогостоящими, ядовитыми и требующими специальных технологий по их утилизации;

— известные технологические процессы ЭХП с использованием постоянного тока не позволяют использовать их в качестве финишной операции, так как качество получаемой поверхности (высота микронеровностей и отражательная способность (блеск)) по современным требованиям недостаточны;

— внедрение ЭХП в существующий технологический процесс получения деталей и изделий требует согласования с ним предварительных операций обработки поверхности во избежание брака и нежелательных эффектов, связанных со вскрытием приповерхностных литьевых пор и механических повреждений, которые как бы «замазываются» на предварительных операциях механической подготовки поверхности к финишным операциям.

Необходимость совершенствования процесса ЭХП для устранения существующих недостатков и расширения его технологических возможностей потребовало использования импульсов тока невысоких длительностей в диапазоне (0,1−3,0)х1СГ с. Промышленное же внедрение требует дополнительных исследований технологических особенностей процесса, а именно, динамики удаления металла и скорости сглаживания микронеровностей поверхности деталей при различных исходных её состояниях в условиях предварительной и финишной обработки изделий конфигурации различной сложности. Кроме того, необходимо установление связей дизайна и формы изделий с технологией обработки их поверхности на промежуточных и заключительных операциях, с целью оптимизации цепочки «художественное проектирование — изготовление ювелирного изделия».

Целью работы является расширение возможностей дизайна ювелирных изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 на основе совершенствования финишной обработки их поверхности.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи.

1. Проанализировать расширение возможностей дизайна изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 за счёт усложнения профилированности их поверхности при одновременном использовании бесконтактного высокоэффективного способа электрохимического полирования труднодоступных для других способов участков поверхности.

1. Исследовать особенности процесса сглаживания высоты микронеровностей поверхности сложнопрофилированных изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 при использовании различных способов их обработки — ручной, турбогалтования, электрохимического полирования.

2. Определить оптимальные условия использования различных способов сглаживания микронеровностей поверхности ювелирных изделий из сплава.

ЗлСрМ 58,5−8 на предварительных и заключительных этапах обработки в зависимости от различной сложнопрофилированности поверхности.

3. Систематизировать ювелирные изделия по группам в зависимости от формы их поверхности и возможности её обработки различными способами и предложить критерии выбора последовательности операций промежуточной и заключительной обработки поверхности изделий из сплавов золота в зависимости от её сложнопрофилированности.

4. Установить закономерности электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 при различных амплитудно-временных параметрах униполярных и биполярных импульсов тока и исходных состояниях обрабатываемой поверхности.

5. Разработать научно обоснованные технологические рекомендации по проведению процесса электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 различной конфигурации на промежуточных и заключительных этапах обработки.

6. Разработать патентнопригодный способ электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8, оборудование для его реализации, внедрить их на ювелирном предприятии.

Научная новизна.

1. Показано, что расширение возможностей дизайна изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 реализуется при использовании в их конструкции участков с сильно профилированной поверхностью и её электрохимического полирования униполярными и биполярными импульсами тока.

2. Экспериментально доказана эффективность использования электрохимического полирования поверхности по сравнению с другими способами полирования при производстве сложнопрофилированных изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 на промежуточных и заключительных операциях.

3. Экспериментально установлены закономерности электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 при различных амплитудно-временных параметрах униполярных и биполярных импульсов тока. Показано, что существует оптимальная продолжительность процесса, превышение которой приводит к непроизводительному съёму металла.

4. На основании проведённых исследований установлена и экспериментально подтверждена оптимальная последовательность технологических операций обработки при производстве изделий с различной профилированно-стью поверхности.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработаны критерии систематизации ювелирных изделий с различной сложнопрофилированностью поверхности по эффективности применения различных способов полирования поверхности, что расширяет возможности их художественного проектирования.

2. Разработаны технологические рекомендации по проведению процесса электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 различной конфигурации на промежуточных и заключительных этапах обработки с учётом оптимальных условий применения и продолжительности процесса.

3. На основании проведённых исследований разработан способ электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5—8 на промежуточных и заключительных этапах обработки, защищённый Патентом РФ, технологические рекомендации и оборудование для его проведения, прошедшие производственные испытания и внедрённые на ОАО «Костромской ювелирный завод».

Апробация работы.

По материалам диссертации сделаны доклады на:

— 4-том Междунар. Симпозиуме ювелиров «Традиции, инновации и перспективы современного ювелирного производства», 4—9 июля 2005, г. С. Петербург;

— 5-том Междунар. научно-производственном семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении», ноябрь 2005, г. Иваново;

— 9-той Всероссийской НТК «Современная электротехнология в промышленности России», ТГУ, июнь 2006, г. Тула;

— 5-том Междунар. Симпозиуме ювелиров «Дизайн, передовые технологии и маркетинг — составляющие успеха современного ювелирного производства», 3—7 июля 2006, г. С.-Петербург;

— на МНТК «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленности региона (Лён-2006) — октябрь 2006, г. Кострома;

— 6-том Междунар. Симпозиуме ювелиров «Дизайн, передовые технологии и маркетинг — составляющие успеха современного ювелирного производства», 11−14 июня 2007, г. С.-Петербург;

— на Первой МНПК вузов России «Развитие современного искусства: Наука и образование в области ювелирной промышленности», г. С. Петербург, СПГУТиД, апрель 2007 г.;

— на 2-ой МНТК «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». Кострома: КГУ им. Н.А. НекрасоваМосква: ИЦ МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, октябрь 2007 г.;

— 7-том Междунар. Симпозиуме ювелиров «Дизайн, передовые технологии и маркетинг — составляющие успеха современного ювелирного производства», 16−19 июня 2008, г. С.-Петербург;

— на МНТК «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленности региона (Лён-2008) — октябрь 2008, г. Кострома;

— на Междунар. конференции «Ювелирная индустрия: Дизайн. Технологии. Образование. JUNWEX-2009», 4−8 февраля 2009 г., г. С.-Петербург.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 23 печатных работы, в том числе Патент РФ на способ обработки отливок из сплавов на основе золота, 5 статей в научных журналах, содержащихся в перечне ВАК РФ, 4 статьи в журналах различного уровня, 3 главы из научной монографии,.

9 текстов и тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях. 3 работы выполнены лично автором, остальные в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, изложенных на 161 странице машинописного текста, содержит 59 рисунков,.

5.4. Выводы.

1. На основании проведённых исследований разработан способ электрохимического полирования поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 на промежуточных и заключительных этапах обработки, защищённый Патентом РФ, технологические рекомендации по его проведению и оборудование для реализации, прошедшие производственные испытания и внедрённые на ОАО «Костромской ювелирный завод».

2. Разработаны последовательности операций обработки заготовок и изделий с различными особенностями поверхности с использованием ЭХП и ЭХГ импульсными токами, позволяющие повысить качество обработки, снизить затраты ручного труда и безвозвратные потери драгоценного металла.

Заключительные выводы.

1. Ювелирный дизайн зависит от состояния, развития и новых достижений ювелирных технологий. Не учёт дизайнером связи между свойствами используемых материалов, формой, фактурой поверхности и особенностями технологии изготовления изделий приводит либо к полной невозможности практического воплощения художественного замысла, либо к воплощению его с большим перерасходом материальных и финансовых средств.

2. Ручной метод сглаживания микронеровностей поверхности сложно-профилированных изделий трудоёмок и дорогостоящ, а механизированные требуют учёта многих технологических факторов, не обеспечивая необходимого качества поверхности в труднодоступных для абразива местах.

3. Электрохимическое полирование (ЭХП) является альтернативным ручному и механизированному методом обработки сложнопрофилированной поверхности изделий из ювелирных сплавов золота. Однако использование для ЭХП постоянного тока делает метод низкоэффективным и не позволяет применять его в качестве финишного. Применение импульсных токов — наиболее перспективное направление его улучшения. Однако промышленное внедрение ЭХП импульсными токами требует дополнительных исследований его технологических особенностей, а именно, динамики сглаживания микронеровностей поверхности заготовок при различных исходных её состояниях в условиях предварительной и финишной обработки.

4. Экспериментально показана высокая эффективность ЭХП импульсными токами при обработке сложнопрофилированных поверхностей заготовок ювелирных изделий, как на заключительных, так и на промежуточных этапах. Биполярный режим ЭХП эффективнее униполярного (быстрее сглаживаются микронеровности и меньше относительный съём металла). Отражательная способность поверхности после ЭХП при условии, что высота микронеровностей составляет Rz = 0,01 х Ю-6 м, выше, чем у поверхности, отполированной механическим способом, за счёт большей равномерности оставшихся микронеровностей по высоте.

5. Определена оптимальная продолжительность финишной ЭХП униполярными импульсами тока (через 40−50 с обработки снижение величины Rz прекращается, она стабилизируется при продолжающемся съёме металла), выше которой происходит нежелательное удаление драгоценного металла без улучшения качества поверхности.

6. ЭХП можно использовать в качестве промежуточной операции после литья по выплавляемым моделям и штамповки (при обеспечении высокого качества отливок и поверхности) с последующим приданием глянца другими методами. При этом в результате ЭХП придаётся достаточная отражательная способность труднодоступным для абразива местам на поверхности изделий.

7. ЭХП можно применять в качестве финишной операции при изготовлении изделий при обеспечении следующих условий:

— после литья и предварительной механической обработки перед ЭХП микрошероховатость поверхности не должна превышать Rz = 0,3×1 ОТ6 м для обеспечения микрошероховатости Rz = 0,01×10−6 м после ЭХП;

— качество литья должно обеспечивать отсутствие большого количества пор в приповерхностных слоях и на поверхности;

— продолжительность финишного ЭХП не должно превышать 20−40 с, чтобы не ухудшилось качество поверхности из-за вскрытия участков, «замазанных» металлом на более ранних операциях.

8. Установлена и экспериментально подтверждена оптимальная последовательность технологических операций обработки при производстве изделий различной профилированности поверхности.

9. Разработаны критерии систематизации ювелирных изделий с различной сложнопрофилированностью поверхности по эффективности применения различных способов её полирования, что расширяет возможности их художественного проектирования.

10. На основании проведённых исследований разработан способ ЭХП поверхности изделий из сплава ЗлСрМ 58,5−8 на промежуточных и заключительных этапах обработки, защищённый Патентом РФ, технологические рекомендации и оборудование для его проведения, прошедшие производственные испытания и внедрённые на ОАО «Костромской ювелирный завод».