Исследование формообразования кабошонов из янтаря методом горизонтальных секущих плоскостей

УДК 621.7.09

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КАБОШОНОВ ИЗ ЯНТАРЯ МЕТОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СЕКУЩИХ ПЛОСКОСТЕЙ

Б. П. Борисов, Е. А. Карасёва

SHAPING OF CABOCHONS FROM AMBER BY THE METHOD OF HORIZONTAL CUTTING PLANES

B. P. Borisov, E. A. Karasyova

Установлен основной метод обработки заготовок из янтаря. Показаны главные направления повышения эффективности шлифования янтарных изделий. Представлены известные классы янтарной продукции. Предложен метод горизонтальных секущих плоскостей для исследования процесса формообразования сложнопрофильной поверхности кабошона. Установлена взаимосвязь ее геометрии с основными формообразующими движениями станка. Разработана кинематическая структура станка с расширенными технологическими возможностями для обработки кабошонов из янтаря.

янтарь, кабошон, формообразование, метод, кинематическая структура

The main method for processing amber blanks has been established. The main directions of improving the efficiency of grinding amber products are shown. Some known classes of amber products are presented. A method of horizontal sectional planes is proposed for studying the process of forming a complex-shaped cabochon surface. Interrelation of the geometry of the complex cabochon surface with the main shape-generating movements of the machine has been established. Kinematic structure of the machine for processing cabochons from amber with advanced technological capabilities has been developed.

amber, cabochon, shaping, method, kinematic structure

ВВЕДЕНИЕ

Янтарь - окаменевшая аморфная просвечивающаяся смола древних вымерших хвойных деревьев. Цвет янтаря от ярко-желтого (янтарного) до буро-коричневого. Это мягкий камень. Его твердость по шкале Мооса равна 2-3, плотность 1-1,1г/см3. Он легко поддается обработке, плавится в пламени свечи (250-300оС) [1].

Как известно, шлифование янтарных заготовок и их элементов является единственным методом получения изделий из янтаря нужной формы по заданным габаритам. Технологические процессы шлифования составляют около 60% всей трудоемкости изготовления продукции из янтаря.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЯНТАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КЛАССЫ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЯНТАРЯ

К основным направлениям повышения эффективности шлифования янтарных изделий относятся: 1) автоматизация процесса, повышение производительности и точности шлифования; 2) разработка принципиально новых технологий и оборудо-

вания для шлифования янтаря, в том числе автоматизация процессов огранки янтарных изделий; 3) разработка технологий изготовления алмазных и алмазозаменяющих шлифовальных кругов и импортозамещения оборудования [2].

По [2] продукцию из янтаря можно разделить на два класса:

1) изделия, представляющие собой художественные произведения и произведения искусства, требующие творческого подхода к оформлению;

2) изделия, изготавливаемые массовым порядком, как самостоятельные, так и детали, являющиеся элементами янтарных изделий.

Для реализации основных направлений повышения эффективности шлифования янтарных изделий в первую очередь необходимо исследовать закономерности формообразования.

КАБОШОНЫ ИЗ ЯНТАРЯ

Кабошоны относят ко второму классу продукции из янтаря по [2], который характеризуется серийным и массовым производством. Соответственно, изделия из янтаря ежегодно миллионами штук изготавливает мировая янтарная отрасль.

Кабошон - это сложнопрофильное тело, криволинейные участки которого плавно сопрягаются друг с другом [1]. Наиболее распространены кабошоны, представляющие собой геометрическое тело, ограниченное сложнопрофильной поверхностью и плоскостью, которая служит базой при обработке заготовки и называется базовой плоскостью. Пересечением профильной поверхности и базовой плоскости получают базовое сечение, ограниченное по периметру базовым профилем, что показано на рис. 1. Из года в год изготавливать, например, круглые кабошоны диаметром 3-10 мм вручную утомительно, трудоемко и экономически неэффективно. Поэтому процессы шлифования требуют механизации и автоматизации, особенно при решении вопроса себестоимости янтарного изделия, его качества и конкурентоспособности на мировом рынке.

a h

Рис. 1. Кабошон из янтаря с базовым профилем в виде овала Fig. 1. A cabochon from amber with base profile in the form of an oval

При усовершенствовании, приводящем к автоматизации типовых технологических операций и, как следствие, повышению эффективности всего технологического процесса изготовления янтарного украшения - росту производительности труда и точности обрабатываемой янтарной заготовки и, соответственно, расширению технологических возможностей оборудования, возникает ряд проблем, обусловленных более сложной кинематикой оборудования для шлифования профильной поверхности кабошона.

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КАБОШОНОВ ИЗ ЯНТАРЯ

Как известно, первоначальная база любого станка выражается кинематической схемой, или кинематикой станка. Назначением такого станка является создание относительных движений режущего инструмента и заготовки, необходимых для получения в процессе резания заданных поверхностей. В связи с этим после выбора метода формообразования янтарного кабошона в первую очередь надо определить и исследовать упомянутый процесс при обработке профильной поверхности, установив взаимосвязи геометрии профиля кабошона с основными формообразующими движениями с целью разработки кинематики относительных движений режущего инструмента и заготовки для получения в процессе резания заданных поверхностей. Следовательно, при конструировании, дальнейшей пуско-наладке и эксплуатации необходимо, прежде всего, разработать основную кинематическую структуру станка для обработки кабошонов из янтаря и собрать по ней действующий его макет, детально изучить процесс формообразования профильной поверхности, в данном случае - кабошона с базовым профилем в виде овала (рис. 1).

В нашем исследовании поверхность кабошонов формируется по методу касания, который заключается в том, что переменная образующая линия получается в результате касания заготовкой торца алмазного абразивного круга, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Формообразование янтарного кабошона по методу касания: В1 - вращение алмазного абразивного круга Fig. 2. Shaping of cabochons from amber by the method of tangency: В1 - rotation of the diamond abrasive wheel

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КАБОШОНОВ ИЗ ЯНТАРЯ МЕТОДОМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СЕКУЩИХ ПЛОСКОСТЕЙ При обработке янтарного кабошона по методу касания целесообразно исследовать процесс формообразования выпуклой профильной поверхности с помощью метода горизонтальных секущих плоскостей. При этом устанавливаются взаимосвязи геометрии профиля кабошона с основными формообразующими движениями с целью разработки кинематики относительных движений режущего инструмента и заготовки, необходимых для получения в процессе резания задан-

B1

Э

ных поверхностей. В качестве объекта анализа используем наиболее массово тиражируемый янтарный кабошон с базовым профилем «овал», состоящий из плавно сопрягаемых участков различной кривизны. При рассечении профильной поверхности горизонтальными плоскостями получают горизонтальные профильные сечения, ограниченные соответствующими профильными линиями, начиная с базового профиля, что показано на рис. 3.

ось Ьершина направляющая

базового сечения линии I,'переменная образующая/

Рис. 3. Исследование формообразования янтарного кабошона методом

горизонтальных секущих плоскостей Fig. 3. Research of the amber cabochons shaping by the method of horizontal

cutting planes

Согласно каркасно-кинематической теории формообразования поверхностей деталей при обработке их на станках получаемая профильная поверхность кабошона может быть представлена как след, оставляемый в пространстве при движении одной производящей линии (образующей) по другой производящей линии (направляющей) [3, 4].

В ряде случаев для одной и той же поверхности образующая и направляющая линии могут меняться местами, причем каждая из них может иметь либо постоянную геометрическую форму, либо переменную форму с изменяемыми геометрическими параметрами по мере перемещения одной линии другой.

Таким образом, согласно рис. 3 профильную поверхность кабошона можно рассматривать как совокупность профильных линий в горизонтальных сечениях, отстоящих друг от друга на бесконечно малом расстоянии. Каждое такое сечение, начиная с базового, ограничено своей профильной линией и имеет центр тяжести на пересечении большой (продольной) и малой (поперечной) осей. Площадь и габаритные размеры горизонтальных профильных сечений закономерно уменьшаются по мере приближения секущих плоскостей к вершине профильной поверхности. За ось кабошона принимаем вертикальную прямую, перпендикулярную базовой плоскости и проходящую через центр тяжести базового профильного сечения. При рассечении профильной поверхности вертикальной плоскостью, проходящей через ось кабошона и продольную максимальную по длине ось базового

профиля, получают профиль кабошона в мидельном сечении. Для кабошонов с овальным базовым профилем профиль в мидельном сечении чаще всего представляет собой плавное сочетание двух или трех дуг с различными радиусами. В целом профильная поверхность таких кабошонов носит куполообразный характер, причем вершина «купола» может как совпадать, так и не совпадать с осью кабошона.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КАБОШОНОВ ИЗ ЯНТАРЯ С КИНЕМАТИКОЙ ШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА

Как было отмечено ранее, при конструировании, пуско-наладке и эксплуатации станка для обработки кабошонов из янтаря необходимо, прежде всего, разработать его основную кинематическую структуру, после чего собрать по ней действующий его макет. Затем детально исследовать на вышеупомянутом станке процесс формообразования сложнопрофильной поверхности, в данном случае -кабошона с базовым профилем в виде овала, методом горизонтальных секущих плоскостей.

Оказалось, что для реализации процесса шлифования сложнопрофильной поверхности янтарного кабошона [5, 6] надо совершить шесть формообразующих движений. Вследствие необходимости осуществления большого количества таких движений выполнение требования особо точного изготовления кабошонов и шаров из янтаря становится проблематичным [7]. Как отмечено в [2], килограмм шаров диаметром 12 мм, изготовляемых с допуском 0,02 мм, на мировом рынке стоит на 6000-7000 руб. дороже килограмма таких же шаров, но выполненных с допуском 0,2 мм. Такие же требования предъявляются и к точности изготовления кабошонов. Основная проблема ювелиров заключается в том, что (касты), т. е. оправки для кабошонов, могут изготавливаться одной фирмой (даже в другой стране), а кабошоны - другой. Тем не менее кабошон должен войти в каст без повреждений: с одной стороны, без зазоров, чтобы избежать его болтанки в оправе, а с другой - без превышения допуска на его изготовление, в противном случае он может не войти в «каст». Попытки втиснуть его в «каст» чаще всего заканчиваются поломкой кабошона или его раскалыванием, поскольку янтарь - весьма хрупкий материал. Таким образом, вопрос точности изготовления янтарных кабошонов, которые являются элементами янтарных украшений, чрезвычайно важен. Формирование выпуклой поверхности кабошона по методу касания и исследование процесса формообразования его профильной поверхности методом горизонтальных секущих плоскостей дают все необходимые данные для разработки универсальной кинематической схемы станка с расширенными технологическими возможностями для обработки кабошонов из янтаря.

Сложность процесса шлифования профильной поверхности кабошона заключается в большом количестве необходимых формообразующих движений и, естественно, более многообразной кинематике автоматизированной новой техники.

Таким образом, кинематика процесса формообразования и, соответственно, кинематика будущего станка для обработки янтарного кабошона жестко связаны с геометрией профиля кабошона и главными формообразующими движениями. Чем длиннее кинематическая связь от двигателя до заготовки, тем больше формообра-

зующих движений, чем сложнее профиль янтарного кабошона, тем больше требований к этим движениям.

Не удивителен тот факт, что за всю историю янтарной отрасли так и не было создано ни одного станка-автомата для обработки кабошонов и гранения янтарных изделий. Как показывает практика, имеются погрешности угла поворота изделия относительно шлифовального круга при шлифовании, например граней, что существенно снижает потребительскую и эстетическую ценность граненого янтарного изделия. Такие погрешности возникают именно за счет ручной обработки и низкой степени жесткости шарнирно-рычажной кинематики. Еще хуже обстоит дело при сложнофасонной огранке янтарных изделий [8, 9], для реализации которой требуется выполнить пять движений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, можно сделать вывод, что модернизация процессов шлифования приведет к повышению эффективности янтарной отрасли в целом, так как именно эти процессы занимают до 90% всей трудоемкости производства любых изделий из янтаря.

Анализ литературных источников показал, что проблеме совершенствования процессов шлифования янтаря при изготовлении янтарных изделий не уделялось никакого внимания [10, 11]. Исследование формообразования кабошонов из янтаря методом горизонтальных секущих плоскостей дает возможность реализовать основные направления повышения эффективности их шлифования: повышение точности, возможность автоматизации процесса шлифования кабошонов из янтаря, снижение себестоимости янтарных изделий, разработка принципиально новых технологий и оборудования для шлифования кабошонов из янтаря.

Применение двух методов, а именно: метода формообразования по касанию для формирования профиля янтарного кабошона и метода горизонтальных секущих плоскостей для исследования этого профиля, позволяет достичь цели работы - расширить технологические возможности станка для шлифования кабошонов, повысить его универсальность и точность.

Таким образом, в статье определен основной процесс получения янтарных изделий нужной формы по заданным габаритам - это процесс шлифования янтарной заготовки. Показаны главные направления повышения эффективности шлифования и основные классы изделий из янтаря. Для исследования формообразования сложнопрофильной поверхности кабошона предложен метод горизонтальных секущих плоскостей. Разработана кинематическая структура станка, которая позволяет реализовать на нем патентуемый способ обработки кабошонов из янтаря [6].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Телесов, М. С. Изготовление и ремонт ювелирных изделий / М. С. Телесов, А. В. Ветров. - Москва: Легпромбытиздат, 1986. - 192 с.

2. Тилипалов, В. Н. Шлифование янтаря: исследования, технологии, оборудование / В. Н. Тилипалов, В. А. Макарский. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО КГТУ, 2008. - 273 с.

3. Дружинский, И. А. Сложные поверхности / И. А. Дружинский. - Ленинград: Машиностроение, 1985. - 264 с.

4. Федотенок, А. А. Кинематическая структура металлорежущих станков /

A. А. Федотенок. - Москва: Машиностроение, 1970. - 408 с.

5. Карасева, Е. А. Кинематическая структура специализированных станков для обработки кабошонов из янтаря / Е. А. Карасёва, Б. П. Борисов // Вестник молодежной науки. - 2016. - № 4 (6). - С. 1-5.

6. Борисов, Б. П. Способ формообразования кабошонов со сложно-профильной поверхностью из полудрагоценных камней и устройство для его осуществления // Б. П. Борисов, Е. А. Карасёва // Заявка на патент № 2018129816 от 15.08.2018.

7. Макарский, В. А. Шлифование прецизионных янтарных шаров /

B. А. Макарский, В. Н. Тилипалов // Сборник научных трудов ВАМЕ: материалы. -Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО КГТУ, 2007. - С. 88 - 92.

8. Тилипалов, В. Н. Формирование сложно-фасонного профиля поверхностей янтарных изделий / В. Н. Тилипалов, В. А. Макарский // БАЛТТЕХМАШ-2006: междунар. науч.-техн. конф.: материалы. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО КГТУ, 2006. - С. 136 -142.

9. Тилипалов, В. Н. Анализ кинематики механизмов привода полуавтомата фигурной огранки янтарных изделий / В. Н. Тилипалов, А. В. Курнев // БАЛТТЕХМАШ-2006: междунар. науч.-техн. конф.: материалы. - Калининград: ФГОУ ВПО КГТУ, 2006. - С. 152 - 155.

10. Тилипалов, В. Н. Принципы высокопроизводительной обработки янтарных изделий при сверлении / В. Н. Тилипалов, Р. О. Яксон, И. В. Вуккерт // Сборник научных трудов ВАМЕ: материалы. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО КГТУ, 2006. - С. 8 - 10.

11. Тилипалов, В. Н. Повышение эффективности технологических процессов янтарного производства конструкторско-технологическими методами / В. Н. Тилипалов // Вестник Балтийского научного центра РАЕН. - Вып. № 10. -2005. - С. 46 - 49.

REFERENCES

1. Telesov M. S., Vetrov A.V. Izgotovlenie i remontyuvelirnyh izdelij [Manufacture and repair of jewelry]. Moscow, Legprombytizdat, 1986, 192 p.

2. Tilipalov V. N., Makarskij V. A. Shlifovanie yantarya: issledovaniya, tekhnologii, oborudovanie [Amber grinding: research, technology, equipment]. Kaliningrad, FGOU VPO KGTU, 2008, 273 p.

3. Druzhinskij I. A. Slozhnye poverhnosti [Difficult surfaces]. Leningrad, Mashi-nostroenie, 1985, 264 p.

4. Fedotenok A. A. Kinematicheskaya struktura metallorezhushchih stankov [Kinematic structure of metal-cutting machines]. Moscow, Mashinostroenie, 1970, 408 p.

5. Karaseva E. A., Borisov B. P. Kinematicheskaya struktura specializirovannyh stankov dlya obrabotki kaboshonov iz yantarya [Kinematic structure of specialized machines for processing cabochons from amber]. Vestnik molodezhnoy nauki, 2016, no. 4 (6), pp. 1-5.

6. Borisov B. P., Karasyova E. A. Sposob formoobrazovaniya kaboshonov so slozhno-profil'noj poverhnost'yu iz poludragocennyh kamnej i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya [Method of forming cabochons with a complex-shaped surface of semi-precious stones and a device for its implementation]. Zayavka na patent, 2018, no. 2018129816 ot 15.08.2018.

7. Makarskij V. A., Tilipalov V. N. Shlifovanie precinzionnyh yantarnyh sharov [Grinding of fine-line amber balls]. Sb. Nauchn. trudov VAME: materialy, Kaliningrad, FGOU VPO KGTU, 2007, pp. 88-92.

8. Tilipalov V. N., Makarskij V. A. Formirovanie slozhno-fasonnogo profilya poverhnostej yantarnyh izdelij [Formation of a complex profile of the surfaces of amber products]. Mezhdunar. nauchn.-tekhn. konf. «BALTTEKHMASH-2006»: materialy. Kaliningrad, FGOU VPO KGTU, 2006, pp. 136-142.

9. Tilipalov V. N., Kurnev A. V. Analiz kinematiki mekhanizmov privoda polu-avtomata figurnoj ogranki yantarnyh izdelij [Analysis of the kinematics of the drive mechanisms of a semi-automatic machine for shaped-cut amber products]. Mezhdunar. nauchn.-tekhn. konf. «BALTTEKHMASH-2006»: materialy. Kaliningrad, FGOU VPO KGTU,, 2006, pp. 152-155.

10. Tilipalov V. N., Yakson R. O., Vukkert I. V. Principy vysokoproizvoditel'noj obrabotki yantarnyh izdelij pri sverlenii [Principles of highperformance processing of amber products when drilling]. Sb. nauchn. trudov VAME, Kaliningrad, FGOU VPO KGTU,, 2006, pp. 8-10.

11. Tilipalov V. N. Povyshenie ehffektivnosti tekhnologicheskih processov yantarnogo proizvodstva konstruktorsko-tekhnologicheskimi metodami [Improving the efficiency of technological processes of amber production by design-technological methods]. VestnikBaltijskogo nauchnogo centra RAEN, 2005, no. 10, pp. 46-49.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Борисов Борис Петрович - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук; доцент кафедры «Автоматизированное машиностроение»; E-mail: b.borisov@klgtu.ru

Borisov Boris Petrovich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering; Associate Professor of the Department of Automated Machine Engineering;

E-mail: b.borisov@klgtu.ru

Карасёва Екатерина Александровна - Калининградский государственный

технический университет; аспирант кафедры «Автоматизированное машиностроение»; E-mail: ekaterinakaraseva39@gmail.com

Karasyova Ekaterina Alexandrovna - Kaliningrad State Technical University; postgraduate student of the Department of Automated Machine Engineering;

E-mail: ekaterinakaraseva39@gmail .com