Обручальное кольцо - технология и качество

Иосиф Шумахер – президент фирмы Schumacher Maschinenbau & Handels OHG (Германия),

Алексей Срыбник – инж. к.т.н.


Пожилые люди помнят, как в бывшем Союзе покупали обручальные кольца. Брали что давали, по размеру. Производителей было мало. На крупных предприятиях довольно строго контролировали качество. В 90-х годах прошлого столетия в серийном производстве крупных заводов привилась классическая технология полоса - шайба - раскатка.

А сегодня …

Звонит руководитель ювелирного предприятия, просит помочь. Трещат кольца при растяжке на ригеле. Оказывается, кольца литые. В помощи вежливо отказываем, случай безнадёжный. К трещинам приводит крупнозернистая литая структура, неизбежные литейные дефекты в сочетании с литейными напряжениями. Да и не лежит душа вмешиваться в примитивную технологию, в производство обручальных колец сомнительного качества. Если приглядеться, литое кольцо, имеет следы глубокой ручной полировки в виде неровной поверхности, недостаточно нарядный блеск. Да и в «эксплуатации» оно нестойко – быстро теряет блеск, при ударе может треснуть, легко царапается и пр.

Другой случай. Довольно часто просят подобрать цвет припоя, чтобы скрыть место пайки кольца. Задача трудная, особенно для красного золота наиболее популярного в России. Паяное обручальное кольцо – продукт дешёвой и доступной почти для любой ювелирной фирмы технологии. Но шов, да ещё заметный … (Кстати, примета «непрочного союза»).

А вот, ещё вариант: не литые, не паяные, а как положено – цельные, холоднокатаные, но для тоненьких пальчиков кольца почему-то толстые, а для крупных пальцев – тонкие и неприятно острые по краям. В данном случае производитель не приобрёл полный комплект дорогого инструмента, упростил технологию, а, может быть, не знает, как сделать кольца гармоничными и удобными.

Стоит ли придираться к качеству обручального кольца? Вполне обыденная вещь. Но это не так. Обручальное кольцо играет свою важную роль в нашей жизни.

Попытаемся сформулировать требования к кольцу с потребительской стороны:

1. Кольцо должно нравиться. Самое простое кольцо, должно украшать, привлекать внимание изяществом формы, блеском. Например, красивым может быть массивное и широкое кольцо или наоборот лёгкое и узкое, из жёлтого, розового, белого, разноцветного золота, с «алмазной гранью», со вставками и пр.;

2. Кольцо не должно сжимать палец, должно сидеть удобно, надёжно и вместе с тем, легко сниматься даже вечером, когда палец толще;

3. Кольцо должно долго сохранять привлекательность и быстро восстанавливаться лёгкой полировкой или промывкой.

Проще говоря, кольцо должно быть гармоничным, эргономичным, износостойким.

А теперь представим, что есть толковый предприниматель, который хочет обрадовать потребителя, (заодно получить хорошую прибыль - этот товар хорошо продаётся всегда!) и готов вложить в производство соответствующие средства. (Нам знакомы такие предприниматели.)

Какую технологию выбрать?

Не будем рассматривать упомянутые технологии литья и пайки проволоки – они не способны выполнить поставленные условия. Уберём также из нашего поля зрения отличное кольцо, полученное токарной обработкой цельного деформированного слитка. Слишком дорого в производстве и на прилавке.

Остаются три основных варианта технологии:

1. Условно назовём первый технологический процесс «Полоса-раскатка».
Его основные этапы: → литьё заготовки в виде полосы → прокатка полосы на заданную толщину → термообработка полосы → вырубка шайбывыворот шайбы в кольцевую заготовку → формование наружного радиуса → раскатка в размер → калиброваниетокарная подрезка торцов, фасок → шлифованиеполирование кольца.

2. Второй процесс - «Труба-раскатка»:
литьё заготовки в виде трубы → волочение трубы на заданный размер → термообработка трубы → отрезка кольцевой заготовки → формование наружного радиуса → раскатка в размер кольца → калиброваниетокарная подрезка торцов, фасок → шлифованиеполирование кольца.

3. Третий процесс - «Труба-резание»:
литьё заготовки в виде трубы → волочение трубы в размер кольца → термообработка трубыотрезка заготовки кольца → токарная обработка кольца → полирование кольца.

Чтобы выбрать выгодный вариант, необходимо сравнить технологии по основным показателям. Справедливо сравнивать три виртуальных участка производства колец одинаковой номенклатуры и равной производительности.

Условимся, что в месяц нужно производить 15 кг колец в лигатурной массе или при средней массе кольца 2,5 г – 6000 шт. Это гладкие кольца от 14 до 24 размера толщиной от 1 до 2 мм с шагом по толщине 0,25 мм.(1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0). Кольца имеют ширину от 2 до 6мм с шагом 1мм. (2, 3, 4, 5). Кольца имеют наружный радиус. Если наименование кольца (артикул) характеризовать толщиной и шириной, легко подсчитать общее количество наименований: 5х4=20, в каждом наименовании 21 размер.

(В нашем анализе не рассматриваем кольцо «комфорт», изготовление которого возможно по технологии «Труба-резание». «Комфорт» имеет внутреннюю поверхность выпуклую в сторону пальца. Оно особенно эргономично: площадь контакта с пальцем в 1,5… 2,0 меньше, чем обычного кольца. Кольцо «комфорт» легче обычного, что немаловажно для сбыта.) Рассмотрим оборудование трёх участков.

Плавка, непрерывное литьё

Не будем подробно останавливаться на оборудовании для литья заготовок в виде полосы или трубы. Для трёх технологий это одинаковый стандартный набор: машина непрерывного литья индукционная с гранулятором для подготовки шихты, машина плавильная индукционная для сплавления обратимых отходов, установка замкнутой системы охлаждения индукционных машин. Комплект этого оборудования займёт площадь 15 м2. (Здесь и далее указанные площади включают необходимое рабочее пространство, нормативные проходы и расстояния от стен.)

Деформация. Термообработка


Далее в трёх технологиях «толстая» литая заготовка (например, полоса толщиной 5 мм или труба толщиной 3 мм) проходит важный этап деформационного упрочнения, который включает деформацию и термообработку.

На этом этапе достигается, примерно, 50-процентная степень деформации. Формируется сначала волокнистая, а затем, при последующем отжиге – рекристаллизации, мелкозернистая структура сплава. Здесь «закладывается фундамент» высоких показателей качества будущего кольца: упруго - пластические свойства, обрабатываемость, чистота поверхности, отражательная способность, отсутствие напряжений и дефектов.

Но, если цели трёх технологий одинаковы, то оборудование существенно отличается: для «Полосы» прокатный станок, а для «Трубы» волочильный станок с набором инструмента - фильер и ригелей. Комплект инструмента к волочильному станку будет состоять, примерно, из 30 шт фильер и 20 шт ригелей.

Вальцы займут площадь 6 м2. Волочильный станок с инструментами, столиком подачи заготовки - 12 м2 (пятно 6х2).

Печь отжига на трёх участках поставим одинаковую. Это камерная садочная печь сопротивления с восстановительной или защитной атмосферой, с возможностью охлаждения заготовки в воде. Занимаемая площадь 8 м2 (пятно 4х2).

Получение кольцевой заготовки - следующий этап изготовления кольца


Если исходная заготовка - труба, то понятно, что её отрезок и будет заготовкой кольца. Если исходная заготовка - полоса, то для того, чтобы получить кольцевую заготовку, из неё надо вырубить шайбу, а шайбу «вывернуть» в цилиндр.

Для «Полосы» коэффициент использования металла (КИМ) при вырубке шайбы из полосы находится в пределах 25 - 30%; для «Трубы» КИМ при пилении трубы 80 - 85%. Коэффициент использования металла в данном случае – отношение массы кольцевых заготовок к массе исходной заготовки в виде полосы или трубы. При вырубке шайбы образуются кусковые отходы в виде высечки и выштамповки, при пилении трубы – опилки. Кусковые отходы, опилки переплавляются и используются в качестве оборотных отходов, обновляемых через аффинаж раз в месяц.

Существенна разница в наборе оборудования и инструмента.

Для «Трубы» нужен отрезной станок (в нашем случае с ручным управлением) с дисковой фрезой (толщина 0,6 мм). Отрезной станок займёт не более 2 м2.

Для «Полосы» потребуется минимум 2 пресса, с набором вырубных и гибочных штампов. В нашем случае вырубных штампов, ≈60шт; гибочных ≈80шт. Прессовое оборудование со стеллажом для инструмента займёт площадь 10 м2.

Оформление профиля и размера кольца


На этом этапе изготовления кольца технологии «Полоса-раскатка» и «Труба-раскатка» не отличаются по операциям и оборудованию. Сначала, в штампе оформляется профиль кольца, затем раскаткой размер. Используется прессовое оборудование предыдущего этапа, а также раскатной станок и калибровочный пресс. Прессы оснащаются соответствующей штамповой оснасткой в количестве 20 шт, раскатной станок комплектуется роликами в количестве 15 шт, калибровочный – набором калибров – 21 шт. Раскатанные кольца нуждаются в подрезке торцов и кромок (снятие фасок) на токарном станке.

Раскатной станок, калибровочный пресс, токарный станок займут площадь около 15 м2. Третья технология «Труба-резание» в корне отличается от первых двух, в первую очередь, в последовательности операций: сначала формируется размер, а затем профиль. Размер кольца с припусками на механическую обработку уже получен на волочильном станке. На данном этапе на 2-х специальных токарных станках, оснащённых алмазными резцами, обрабатываются внутренняя, наружная, боковые поверхности и кромки. После алмазного резца кольцо практически готово и требует только лёгкой полировки. Комплект резцов состоит из 5 наименований. Средняя стойкость резца – 6 месяцев. Требуются также 2 комплекта зажимных цанг по 37 шт комплект. Токарные станки займут площадь около 10 м2.

На этой операции технологии «Труба-резание» происходит съём стружки и КИМ, естественно, снижается до 45 - 75%. Минимальный КИМ – 50% для тонкого кольца с наружным радиусом; максимальный – 75% для толстых цилиндрических колец без радиуса. Стружка переплавляется и используется в производстве в качестве оборотных отходов.

Финишная обработка колец

Для технологий «Полоса-раскатка» и «Труба-раскатка» потребуются операции шлифование и полирование. Для ручных операций потребуются два шлифовально-полировальных станка, которые займут площадь 6 м2.

Для технологии «Труба-резание» потребуется один полировальный станок на площади 3 м2.

Основные показатели трёх технологий сведём в таблицу 1 и проанализируем.

Таблица 1

Технология КИМ, % Оборудование, ед. Штамп + ролик + калибр, шт. Фильера + ригель + пила + цанги + алм. резец, шт. Площадь, м2 Рабочие, чел.
«Полоса-раскатка»20…2512160+40+210+0+0+2+2607
«Труба-раскатка»80…851120+40+2112+4+1+2+2586
«Труба-резание»45…7590+0+030+20+1+74+5504

Самым низким показателем коэффициента использования металла отличается технология «Полоса-раскатка». КИМ 20…25% означает, что для производства 15 кг колец в месяц необходимо:

  1. Отлить 60…75 кг полосы;

  2. Держать в обороте 35…44 кг золота;;

  3. Расходовать повышенное количество изнашиваемых деталей и материалов;

  4. Использовать в шихте 75…80% оборотных отходов.

Самый высокий КИМ – у технологии «Труба-раскатка». Для производства 15 кг колец по этой технологии потребуется:

  1. Отлить 17…19 кг трубы;

  2. Держать в обороте 10…11 кг золота;

  3. Экономно расходовать детали и материалы;

  4. Использовать в шихте 15…20% оборотных отходов.

Технология «Труба-резание» имеет средние показатели КИМ: в 2 раза выше «Полосы», но ниже «Труба-раскатка».

Однако, по количеству оборудования, производственной площади, количеству занятых рабочих технология «Труба-резание» имеет несомненное преимущество в сравнении с двумя другими. Кроме того, как уже было отмечено, важным преимуществом технологии «Труба-резание» является возможность производить кольца класса «комфорт».

Остановимся подробнее на технологии «Труба-резание».

Работа начинается с расчётов технологических параметров на основании производственного задания, например, задания приведённого в начале статьи.

Главной характеристикой кольца является его толщина. В зависимости от толщины кольца выбираются размеры литой трубы с таким расчётом, чтобы в процессе волочения перед отрезкой заданного максимального размера кольца набрать деформацию около 50%.

Для колец каждой заданной толщины составляется своё производственное задание, которое включает:

  • заданные значения ширины колец для каждого размера кольца, мм;

  • заданное количество колец данного размера и ширины, шт.;

  • коэффициент формы кольца, изменяющийся от 0,7 до 1,0 (0,7 –кольцо с внутренним и наружным радиусами; 1,0 – кольцо прямоугольного сечения).

Припуски на токарную обработку назначаются эмпирически и составляют от 0,05 до 0,15мм. Наибольший припуск задаётся на внутренний размер кольца с учётом некоторой разностенности литой трубы и того обстоятельства, что базой при токарной обработке является наружная поверхность.

Авторами разработана специальная программа по технологии «Труба-резание» в виде таблицы. Для того, чтобы произвести все расчёты по определённому заказу, достаточно заполнить раздел таблицы «Производственное задание», чтобы на выходе получить:

  • КИМ (коэффициент использования металла – отношение массы готовых колец к массе трубы), %;

  • длину литой трубы, мм;

  • массу литой трубы, г;

  • массу кольца расчётную, г;

  • программу, г (суммарную массу колец);

  • шаги волочения, Ø ригеля/Ø фильеры;

  • указание по термообработке трубы на определённом шаге волочения;

  • длину трубы на каждом шаге волочения, мм;

  • толщину трубы на каждом шаге волочения, мм;

  • степень деформации, трубы на каждом шаге волочения, %;

  • припуск снаружи кольца при токарной обработке;

  • радиус дуги внутренней поверхности кольца при токарной обработке, мм;

  • радиус дуги наружной поверхности кольца при токарной обработке, мм;

  • массу стружки при токарной обработке, г;

  • массу опилок при резке трубы, г.

Итак, вначале на Машине непрерывного литья, рис.1, отливают трубу из выбранного сплава: красного, белого, жёлтого золота, сплава серебра. Авторы статьи рекомендуют внимательно подходить к выбору состава сплавов, которые должны сочетать хорошие литейные свойства и деформационную способность. Для упрощения задачи для любого цвета сплава золота, а также для сплава серебра предлагаем готовые лигатуры.

Далее литую трубу готовят к волочению – с помощью ручного пресса закрепляют на конце ригеля. Ригель (сердечник) – стальная штанга с закалённым на глубину 2мм слоем с твёрдостью HRC 60…66к Гс/мм2, с полированной поверхностью. Длина ригеля, примерно, 1500 мм, диаметр первого ригеля соответствует максимальному размеру кольца с учётом припуска на токарную обработку. Ригель с двух концов имеет резьбовые шпильки диаметром 8…10 мм.

На станке волочильном, рис.2, трубу на ригеле несколько раз пропускают через фильеры (волоки). Фильеры также изготовлены из специальной износостойкой стали, имеют сложную классическую геометрию (4 зоны). После каждого шага волочения устанавливают фильеру меньшего диаметра, соответственно, уменьшается наружный диаметр трубы и, примерно, на 10 шаге, когда степень деформации достигает 50…70% и толщина трубы соответствует заданной толщине кольца с учётом припусков на токарную обработку, процесс волочения останавливают.

Трубу снимают с ригеля и отжигают в камерной печи с защитной или восстановительной атмосферой, рис. 3.

Рекристаллизационный отжиг – важнейший этап изготовления колец. В результате отжига необходимо получить мелкозернистую структуру сплава, восстановить его пластичность после волочения.

Вначале структура красного золота в литой трубе характеризуется довольно крупным зерном, рис.4, твёрдость HV на уровне 160…180 кгс/мм², относительное удлинение δ = 4…6 %.

После волочения с 50…70% деформацией структура волокнистая, рис.5, HV 270, δ не более 2%.

После отжига структура должна быть мелкозернистой, твёрдость на уровне 150HV, относительное удлинение 10…15%, рис 6.

Слишком низкая температура отжига сохраняет волокнистую структуру, высокую твёрдость и низкую пластичность. В этом случае дальнейшее волочение приводит к трещинам. Слишком высокая температура отжига приводит к росту зерна, пониженной пластичности и также трещинам. Температура, длительность отжига должны быть оптимальны для данного сплава, степень деформации перед отжигом не должна быть менее 50%.

После термообработки на машине, рис. 7, от трубы нужно отрезать заготовки для колец с максимальным заданным размером (например, 24), с заданной шириной (любой) и в заданном количестве и отдать заготовки в работу токарям.

Остаток трубы, прошедшую термическую обработку и восстановившую свою деформационную способность, закрепляют на следующем по размеру ригеле и за 1 шаг волочения получают трубу для размера кольца 23,5. От трубы отрезают нужное количество заготовок заданной ширины 23,5 размера и так далее с каждым шагом волочения получают необходимое количество кольцевых заготовок заданной ширины от 23,5 до 14 размера.

Отрезанные кольцевые заготовки обрабатывают алмазными резцами на 2-х токарных станках, имеющих пневматические цанговые зажимы, рис. 8: на первом станке обрабатывают внутреннюю поверхность на втором – наружную и боковые поверхности. Время обработки одного кольца при самом трудоёмком профиле (наружный и внутренний радиусы), около 2 минут.

Кольцо почти готово. «Почти», потому, что на поверхности кольца при увеличении можно разглядеть неглубокие борозды от резца и риски от цанги зажимной внутренней. Эти возможные дефекты легко снимаются на небольшом настольном станке с помощью мягкого полировального инструмента.

Осталось собрать опилки, стружку, переплавить их в слитки и пустить в оборот.

Если принято решение организовать производство по описанной технологии, Вам необходимо иметь:

  1. Производственные площади не менее 50 м2. (Возможно одно помещение с лёгкой перегородкой, отделяющей пилу и токарные станки);

  2. Электроэнергию 50 кВт, 380В;

  3. Сжатый воздух давлением 7…8 атм;

Стоимость стандартного набора оборудования для технологии «Труба-резание» с запасом расходных материалов на 1 год, включая пусконаладочные работы, обучение персонала, технологическое программное обеспечение – около € 200.000.

Созданное производство, можно развить: добавление фрезерного станка даёт возможность освоить производство обручальных колец с «алмазной гранью». Если к Машине непрерывного литья приобрести недорогой набор приспособлений для диффузионной пайки колец, появляется возможность производить кольца из разноцветного золота.

Авторы готовы помочь Вам организовать производство высококачественных обручальных колец. Удачи!



Цианакрилатные клеи Определение поверхности ювелирных изделий