CC BY
82
---------------------------------------- © Л.П. Осипова, И.Н. Миков,
2006
УДК 622.02:621.9.01
Л.П. Осипова, И.Н. Миков
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЗАИЧНЫХ КАМЕННЫХ ПАННО
Семинар № 23
ш в роцесс изготовления мозаичных
-1-1 панно в общем случае представлен на рис. 1.
Обратимся к вырезанию фрагментов мозаики - самой трудоёмкой операции в этом процессе. Их изготовление до недавнего времени осуществлялось только вручную с использованием подрезных пил, электрических лобзиков, ручной притирки [1]. Сущность технологии ручного изготовления мозаики состоит в следующем: после ознакомления с картиной (рисунком, эскизом), которую необходимо воплотить в камне, ее разбивают на отдельные участки (элементы). Каждый участок в свою очередь разбивают на детали. Из приготовленных каменных пластин-заготовок выбирают такие, из которых мож-
но вырезать каждую деталь. Отобранные заготовки размечают, вырезают из них детали и набирают в участки. Переводят картинки на кальку и для каждого элемента рисунка делаются шаблоны, которые затем обводятся или приклеиваются к каменным пластинам. Далее эти пластины обрезаются по контуру с припуском, который впоследствии убирают при подгонке к другим фрагментам [2]. Этот кустарный метод изготовления мозаик весьма трудоёмок. На изготовление одного изделия уходят месяцы. Его цена высока, поскольку каждая работа индивидуальна.
Сделать мозаики более доступными по цене, но не уступающие по качеству авторским работам, позволяет вовлечение в процесс производства современных ком-
Рис. 1. Технологический процесс изготовления мозаичного панно
пьютерных технологий и оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ). Так процесс от выбора рисунка (картинки) до сборки можно автоматизировать, т.е. провести работы по подготовке чертежа и написанию управляющей программы (УП) (эквивалент созданию шаблонов при ручном изготовлении) в специализированной CAD-CAM системе. На станке с ЧПУ типа CNC провести вырезание фрагментов по контуру в автоматическом режиме. Отметим, что для проектирования высокохудожественных изделий в компьютерной системе желательно наличие ART модуля, позволяющего проводить редактирование эскиза, содержащего обширные библиотеки изображений и дающего возможность редактировать растровую исходную картинку [3]. Ценность подобной автоматизации заключается еще и в том, что информация об изделии (об его профиле) в виде УП (и исходного чертежа) хранится в библиотеке. В случае разрушения мозаики, она может быть восстановлена. Такой подход позволяет тиражировать панно. И быстро переходить к выпуску, как новых изделий путем модификации существующего каталога, так и изделий уже производившихся, но новых требуемых размеров.
Сборка и склейка мозаик по-прежнему осуществляется вручную. Несмотря на это автоматизация даёт сокращение времени изготовления панно и увеличение точности подгонки, лучшую стыковку элементов.
Технология автоматизированного изготовления фрагментов мозаик представлена на рис. 2.
Изготовление фрагментов по готовой УП возможно на фрезерных, гидро- и гидроабразивных станках (в основном ин-терьерные работы) и лазерных установках (для изготовления ювелирных вставок и декоративных панно малых размеров). По большей части оборудование для контурной обработки ориентировано на резание металлов и сплавов, пластических масс, стекла и керамики. Специализированное
оборудование с ЧПУ для обработки природного камня представлено на рынке в основном зарубежными фирмами:
BRETON S.p.a., Z. Bavelloni, Cielle (Италия), WATER JET SWEDEN AB (Швеция), и т.д. Хотя существуют и отечественные аналоги.
К технологическим методам изготовления мозаичных фрагментов на автоматизированном оборудовании по рис. 2 отнесём: фрезерование контура (2, 2.5D обработка); гидроабразивную резку; лазерную резку.
Рассмотрим боле подробно каждый из этих методов.
Фрезерование - обработка резанием металлических и неметаллических материалов, при котором режущий инструмент - фреза - имеет вращательное движение, а обрабатываемая заготовка - поступательное. Оно применяется для обработки плоскостей, криволинейных поверхностей деталей, резьбовых поверхностей, зубьев зубчатых и червячных колес и т.п.
В качестве рабочего инструмента используются алмазные шлифголовки различного диаметра - для вырезания сложных контуров на камне и других хрупких материалах. Так же могут быть применены концевые фрезы - твёрдосплавные и алмазные. Диаметр фрезы зависит от величины вырезаемого фрагмента и его геометрии. При составлении управляющих программ для станков с ЧПУ типа CNC такой инструмент обычно называется «цилиндрическая фреза».
Важно подобрать режим, при котором стойкость инструмента будет максимальной, а отжатие незначительно. Камень подвержен хрупкому разрушению, необходимо избегать сколов по контуру. Поскольку они влияют на качество стыковки фрагментов и соответственно внешний вид мозаики. К настоящему времени вопросы обоснования оптимальных режимов фрезерования для камня мало изучены. Имеющиеся данные носят эмпирический характер.
эскиз (растровая картинка) ► редактирование
і
векторизация и выделение отдельных контуров
1 Г
группирование контуров изготавливаемых из идентичного материала
1 г
составление УП - выбор режимных параметров, отладка, выбор постпроцессора ЧПУ данного станка
1 Г
вырезание фрагментов
и:
си X со
о. СО
о 0
со О.
со
с;
X
СО
2
2 СО СО
I со
О О- СС о. ю со о со 0 о. сс
|_ о. ■=£ и со
Рис. 2. Автоматизированная технология изготовления фрагментов мозаичных панно
Для контурного резания используют вертикально-фрезерные станки. Минимум для этой операции необходимо 2 координаты. Тогда для начала фрезерования необходимо сделать техническое отверстие. Часто по задумке автора мозаики, фон инкрустируется фрагментами меньшей толщины, т.е. резание контура изображения происходит не насквозь. Тогда нужен 3-координатный станок. Если панно содержит полуобъёмные фрагменты, то количество координат увеличивают до 3.
Гидроабразивная резка - резка струей воды высокого давления с добавкой мелкого абразивного порошка. Процесс разрезания происходит в результате эрозионного воздействия на материал высокоскоростного потока твёрдых частиц. От-
деление частиц разрезаемого камня состоит из комбинированного действия механизмов резки, хрупкого разрушения, усталости и плавления. Скорость процесса эрозии зависит от кинетической энергии частиц, механических свойств разрезаемого материала, угла атаки, формы частиц.
Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления. Рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно выполнять технологическое отверстие, небольшие сила реакции температура в зоне резания исключают изме-
нения физико-механи-ческих свойств обрабатываемого материала (прижогов). Стало возможным получение очень тонких (до 0.3 мм) элементов конструкций из камня. Связано это с тем, что усилия резания при обработке и резке камня абразивно-жидкостными струями очень малы.
Технологии гидроабразивной резки позволяют получить резы толщиной 0,6 до 1,2 мм [5], однако они не перпендикулярны к поверхности. Это проявляется тем сильнее, чем толще разрезаемый материал. Поэтому могут возникнуть проблемы при стыковке фрагментов, приводящие к увеличению швов и необходимости дополнительной доводки.
Абразивно-жидкостная струя - это значительно более экономичный, в сравнении с традиционным режущим инструментом, элемент технологического процесса.
Лазерная резка - используется термическое действие света, вызываемое его поглощением в обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяют оптические системы. Лазер обладает локальностью воздействия излучения, обусловленной возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения). Он даёт бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело). Воздействие излучения кратковременно, что обеспечивает малую зону термического влияния.
Для резки хрупких материалов (стекло, керамика) методом управляемого термического раскалывания применяют лазеры на углекислом газе. При локальном нагреве материала по траектории движения луча создаются термические напряжения, превышающие пре-дел прочности материала. Возникающая трещина развивается вслед за лучом, траектория которого мо-
жет иметь сложную форму. Скорость резки достигает нескольких м/мин. Управляемое термическое раскалывание применяется при резке стеклянных трубок в производстве электровакуумных приборов, керамических подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла [6].
Данная технология (газолазерная резка) позволяет получить тонкие резы 0,3—1 мм, однако за чёт неоднородной кристаллической структуры луч в камне может отклониться от заданной траектории, что приведет к браку.
Нужно помнить, что при механической резке хрупкий материал может растрескаться от приложенной нагрузки, при лазерной резке — от резкого перепада температур.
Каждый из вышеописанных способов вырезания фрагментов панно из камня имеет свои особенности, достоинства и недостатки.
Фрезерное и гидроабразивное оборудование помимо вырезания контуров позволяет проводить 3-хкоординатную обработку и векторную гравировку. Эти возможности важны при изготовлении по-луобъемных фрагментов мозаики декорированием гравированием. Используя в художественных панно из камня совмещение техник плоской мозаики, инкрустации, резьбы и гравирования, мы можем получить изделия высокого художественного уровня. Их производство может быть как единичным, так и серийным (изготовление мозаик, являющихся элементами модульных систем облицовки). В процессе фрезерования усилие резания значительно, поэтому узкие участки фрагментов могут треснуть в процессе обработки, привести к браку. Гидроабразивная технология
справляется с этой проблемой.
Фрезерные, гидрорезные и лазерные установки подходят для контурного резания материалов. Выбор того или иного оборудования зависит от требований к
внешнему виду мозаики, её размеров и рованных изображений. наличия барельефных фрагментов, грави-
1. Синкенкес Дж. Руководство по обработке драгоценных и поделочных камней, М.изд-во «Мир», 1998.
2. Белицкая Э.И. Художественная обработка цветного камня, М., Легкая и пищевая промышленность, 1983.
3. Павлов Ю.А. Компьютерные системы проектирования и подготовки производства промышленных изделий из камня: учеб. пособ. для студ. спец. 11200. В 3-х частях. Ч.1: Научные основы, методы и средства разработки программных приложений. - М.: МГГУ, 2002.-108 с.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Справочник технолога-машинострои-
теля . В 2-х т. Т. 1/ под редакцией А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-ое изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1985. 656 с., ил.
5. Булавкин А.А., Семёшин Н.М., Шеметов М.Г. Технологические комплексы на базе гидроагрегата УСВД- 3500 для контурной резки камня www.laser.ru/tsoft/gidro_cut.htm.
6. Стельмах М.Ф., Чельный А.А. Лазерная технология. Большая советская энциклопедия. http://slovari.yandex.ru/ (www.rubricon.com).
— Коротко об авторах
Осипова Л. П. - аспирантка,
Миков И.Н. - доктор технических наук, доцент,
кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор
Название работы
Специальность Ученая степень
ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. А.А. СКОЧИНСКОГО
ТИТОВ Обоснование и выбор критериев оценки 05.05.06 к.т.н.
Сергей параметров угледобывающих комплек-
Владимирович сов с целью повышения эффективности
их применения
