Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ 17
Теоретические предпосылки работы 17
Практические предпосылки работы 4 9
К проблеме развития технологического резания в легкой промышленности 58 ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 64 ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЕЗВИЯ И МАТЕРИАЛА 61
Общие положения 67
Моделирование деформационно-силового взаимодействия лезвия и материала 71
Особенности динамического резания лезвием материалов
с упруго-вязкими свойствами 77
Применение теории механического удара к расчету взаимодействия лезвия и материала 95
Графоаналитическая система моделирования свойств объекта обработки методом релаксационной спектрометрии 99
Исследование свойств настилов текстильных материлов
при сжатии 112
Оценка взаимосвязи процессов сжатия и релаксации материала с упруго-вязко-пластическими свойствами 112
Исследование механических характеристик настилов ткани 119
2.7. Исследование силового взаимодействия подвижного ножа
с настилом текстильных материалов 124
2.8. Обобщенная расчетная модель силового взаимодействия
лезвия с материалом 134
2.9. Оценка стабильности процесса взаимодействия инструмента и объекта обработки (технологической операции) 14 7
Метод оценки стабильности 14 7
Моделирование и оценка стабильности выполнения технологической машинной операции 14 9 ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 155 ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НОЖЕЙ
РАСКРОЙНЫХ АВТОМАТОВ 159
Принципиальные схемы и особенность конструкции автоматов для раскроя настилов материала 159
Исследование устойчивости плоских консольных раскройных ножей 167
Оценка и прогнозирование параметрической надежности раскройных ножей 178
Особенности расчета дисковых раскройных ножей 192
Версии рабочего процесса раскройных ножей с наклонной режущей кромкой 194
Оценка показателей работоспособности ножей раскройного автомата 200
Устройство для раскроя настилов полотен материала с многолезвийным ножом (по патенту РФ №20021312271, Бюл. №24 27.08.04) 223 ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 228 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТОЧЕЧНЫХ (КВАЗИТОЧЕЧНЫХ) РАСКРОЙНЫХ
НОЖЕЙ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА 231
Физико-вероятностная модель механического струнного раскройного ножа и метод расчета силы резания 231
Прогиб (изгиб) струнного раскройного ножа 247
Метод расчета предельно допустимого значения диаметров барабанов и шкивов раскройных устройств 252
Учет переменных напряжений при расчете струнных и ленточных раскройных ножей 257
Схемные решения раскройных устройств со струнным ножом 260 ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ 272 ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБКОШАТУННЫХ РАСКРОЙНЫХ НОЖЕЙ И 275
МЕХАНИЗМОВ
Статический расчет гибкошатунных раскройных ножей 275
Расчет характеристик выносливости гибкошатунных ножей раскройных машин 27 9
Исследование продольно-поперечного изгиба гибкошатунных ножей . 288 ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ 310 ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАСКРОЙНЫХ НОЖЕЙ 313
Исследование и оценка долговечности стержневых консольных ножей раскройных автоматов 313
Исследование износостойкости ножей раскройных машин 319
Особенность расчета долговечности гибкошатунных ножей 323 ВЫВОДЫ ПО ШЕСТОЙ ГЛАВЕ 325 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 327 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 338 ПРИЛОЖЕНИЯ 352
/
Введение к работе
Актуальность темы определяется объективным процессом развития теории и требованиями практики технологического резания - раскроя и обработки резанием материалов в производствах легкой промышленности. Научные изыскания и практический опыт направлены, в первую очередь, на повышение технологических возможностей, безотказности и долговечности рабочего инструмента, на повышение качества обработки и установление свойств материалов, влияющих на процесс резания.
Деформационно-силовое взаимодействие лезвия и анизотропного материала с упруго-вязкими свойствами является сложным и теоретически разработано недостаточно. Существующая теория резания лезвием как способа направленного разделения материла рассматривает этот процесс в детерминированной постановке, считая, что характеристики (параметры) процесса известны и стабильны. При этом деформационные свойства материалов принимаются, либо сводятся в частных задачах к закону Гука. Превалирует «геометрическое» представление, когда взаимодействие лезвия и материала рассматривается и иллюстрируется как взаимное внедрение (пересечение) геометрических фигур (параллелепипед - материал, клин - лезвие). Все это не позволяет адекватно отражать в проектных и поверочных расчетах объективный процесс технологического резания, определять рациональные параметры оборудования нового поколения, особенно автоматизированного (раскройные автоматы и др.).
Реальные механические ( деформационные) характеристи-
б ки материалов для изделий легкой промышленности имеют определенный разброс, меняются с изменением направления и скорости резания и, по существу, являются случайными величинами. Также являются случайными величинами параметры рабочих лезвий и устройств. Таким образом, процесс взаимодействия материала и лезвия является процессом с переменными парметрами. Для количественной оценки этих параметров и операций резания в целом, наряду с общепринятыми, должны использоваться вероятностные показатели оценки и их композиции, для определения которых должны использоваться вероятностные методы и статистическое моделирование. С этой же целью необходимо более глубокое исследование деформационных свойств обрабатываемых материалов (текстиль, кожа, искусственные материалы и др.).
Изложенное определило также задачи по разработке теории «быстрого» (динамического) резания, учету ударного (квазиударного) взамиодействия лезвия и материала, моделированию и вероятностной оценке стабильности выполнения операций технологического резания.
Повышение требований к устойчивости и износостойкости ножей, которые, в первую очередь, определяют надежность устройств для технологического резания, вызвало необходимость оценки и прогнозирования параметрической надежности режущего инструмента.
Теоретический и практический интерес представляет создание механического точечного (квазиточечного) раскройного инструмента, который позволит объединить преимущества механического раскроя и раскроя с использованием лучей лазера, плазмы и струи воды высокого давления, ликвидировать операции по заточке ножей, повысить их долго-
7 вечность. Разработка таких ножей и связанных с этим теоретических вопросов особенно актуальна для раскроя материалов с большим сопротивлением резанию, включая металлизированные ткани и ткани с металлическими включениями. В частности, разработка струнных точечных режущих инструментов и использование ленточных ножей малой ширины (до б мм) сделало актуальным рассмотрение кинематики и динамики этих типов ножей.
Появление раскройных машин с гибкошатунными ножами (нож - шатун), которые непосредственно входят в структуру рабочего механизма, вызвало необходимость разработки вопросов устойчивости и выносливости таких ножей, а также статики, кинематики и динамики механизмов с гибкошатунными ножами. Эти вопросы составили новую комплексную задачу прикладной механики, решение которой является условием разработки гибкошатунных ножей и механизмов с заданным уровнем надежности.
Важным также является разработка рекомендаций по повышению износостойкости лезвий режущих инструментов.
Объектом исследования в работе являются процессы, механический инструмент и устройства для технологического резания материалов в легкой промышленности. Механический рабочий инструмент в указанных производствах является основным и его приоритет перед другими сохранится в силу его универсальности, надежности, простоты в эксплуатации, относительной дешевизны, большого диапазона и объема использования. В работе также рассматриваются деформационно-прочностные характеристики материалов для изготовления одежды, обуви и изделий технического назначения.
8 Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является развитие научных основ технологического резания и решение локальных задач для разработки общей теории резания лезвием, а также разработка методов моделирования, прогнозирования и расчета при создании средств раскроя и обработки резанием материалов в производствах изделий легкой промышленности.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
анализ состояния и определение направления развития теории технологического резания лезвием, теоретические и практические предпосылки работы;
систематизация разновидностей способов технологического резания лезвием;
выбор и совершенствование методов оценки и исследование механических (деформационно-прочностных) свойств материалов (систем материалов);
разработка и исследование моделей и аналитических зависимостей процессов взаимодействия лезвия и материала с упруго-вязкими свойствами;
разработка обобщенной модели и метода расчета усилия резнаия материалов;
разработка метода оценки стабильности выполнения операций технологического резания;
разработка вероятностных (статистических) методов оценки и исследование устойчивости, параметрической надежности и долговечности ножей раскройных автоматов;
разработка и исследование точечного (квазиточечного) механического раскройного инструмента и методов расчета и оптимизации параметров раскройных устройств;
9 разработка положений теории гибкошатунных ножей и механизмов (статический расчет, оценка выносливости, методы расчета устойчивости) и проведение исследований;
разработка новых конструкций ножей и схемных решений раскройных устройств, а также методов определения их параметров (патенты РФ).
Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решаются:
использованием теоретических положений и методов реологии;
моделированием объектов исследования;
моделированием случайных процессов методом статистических испытаний (Монте-Карло);
прогнозированием событий;
методами расчета устойчивости и колебаний упругих систем;
статистической теорией подобия усталостного разрушения;
методами кинетостатики;
методами теории упругости и пластичности;
использованием положений теории удара;
методами оценки и прогнозирования надежности технических устройств;
применением современных экспериментальных методов и средств;
обработкой и анализом данных методами математической статистики.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Научная новизна состоит в развитии теории технологического резания лезвием и научно-технических основ рас-
10 кроя и обработки резанием материалов производств легкой промышленности:
разработке вероятностной (статистической) версии механики взаимодействия лезвия и материала;
определении аналитических зависимостей и разработке физико-вероятностных (статистических) моделей для определения параметров процесса резания лезвием;
установлении возможности оценки деформационных характеристик материала как на основе процесса его нагружения, так и на основе процесса его релаксации;
разработке математического аппарата для определения усилия динамического («быстрого») резания;
аналитической оценке скорости распространения деформации в материалах изделий легкой промышленности;
разработке метода и получении показателей для оценки стабильности выполнения операций технологического резания ;
разработке комплексного метода расчета и оценки работоспособности ножей раскройных автоматов, определении их устойчивости, параметрической надежности и установлении величины ошибки кроя от износа ножа;
разработке конструкции точечного (квазиточечного) механического раскройного инструмента, предложении физико-вероятностной модели и установлении аналитических зависимостей для определения усилий резания и рациональных параметров устройств с указанным инструментом;
разработке методов статистического, кинематического и динамического расчета и расчета выносливости гибкошатун-ных раскройных ножей, что позволяет производить их комплексные проектные и поверочные расчеты;
установлении показателей и методов оценки устойчивости раскройных ножей и составлении рекомендаций по повышению их износостойкости.
Практическая значимость работы определяется расширением базы инженерных расчетов и моделей процессов резания лезвием. Разработанные модели и аналитические зависимости взаимодействия лезвия и материала, методы расчета позволяют повысить достоверность проектных и поверочных расчетов и прогнозирования надежности лезвий и устройств технологического резания. Предложенный метод оценки стабильности операций резания является осуществимым на практике в условиях производства. Реализация предложенных конструкций лезвий и схемных решений устройств для технологического резания, а также рекомендаций позволят повысить технический уровень производства изделий легкой промышленности. Использование результатов работы в учебном процессе высших учебных заведений будет способствовать повышению качества образовательного процесса.
Теоретическая значимость результатов работы. По мнению автора, для теории технологического резания лезвием наибольшее значение имеют:
систематизация способов резания лезвием и формулировка базовых понятий теории технологического резания лезвием;
версия механики процесса деформационно-силового взаимодействия лезвия и материала;
установленая возможность оценки деформационных характеристик материала как на основе процесса его нагружения, так и на основе процесса его релаксации;
предложенная модель и аналитические зависимости пара-
12 метров динамического («быстрого», скоростного) резания лезвием;
предложенные конструкция и методы расчета точечного (квазиточечного) раскройного инструмента и устройств;
разработанные вопросы статики, динамики, устойчивости и выносливости гибкошатунных раскройных ножей и механизмов;
предложенные показатели и метод оценки стабильности операций технологического резания;
разработанные новые решения конструкций и методов расчета раскройных инструментов и устройств.
Достоверность научных положений, разработанных методов, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждена согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, моделированием явлений и устройств и наблюдением за эксплуатацией машин для технологического резания в легкой промышленности.
Апробация результатов исследования. Материалы работы вошли в сообщения и получили положительное заключение на следующих научных конференциях:
1. На заседаниях научно-технического совета НИИ лег
кого машиностроения (НИИ Легмаш, г. Орел), 1977-1980 гг.
2. На научно-технической конференции в Хмельницком
технологическом институте бытового обслуживания (ХТИБО,
г. Хмельницкий), 1981 г, доклад «Автоматизация раскроя
настилов текстильных материалов с использованием механи
ческого режущего инструмента».
3. На всесоюзной научно-технической конференции «Ав
томатизация технологических процессов легкой промышленно
сти» (МТИЛП, г. Москва, 1982 г.), доклад «Разработка ав-
13 томатизированных систем для раскроя настилов в швейной промышленности».
4. На научно-технической конференции в Санкт-
Петербургском государственном университете технологии и
дизайна (СПГУДТ, г. Санкт-Петербург, 15 - 17 апреля 1998
г.), доклад «Разработка точечных рабочих инструментов и
устройств для раскроя материалов».
На международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» (МГУДТ, г. Москва, 19 - 21 апреля 2000 г, по результатам пяти докладов по вопросам совершенствования раскройного инструмента и устройств.
На международной научно-практической конференции (МГУС, г. Москва, 12 - 14 октября 2002 г.), доклад «Новое направление в разработке режущего инструмента к раскройным машинам».
Материалы и результаты работы неоднократно представлялись на кафедре МАЛП МГУДТ и в отчетах по научно-исследовательским работам (важнейшая тематика).
Результаты работы используются в лекционном курсе, лабораторном практикуме, в курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов на кафедре «Машины и аппараты легкой промышленности» МГУДТ. Материалы работы вошли в учебные пособия: «Процессы, инструмент и устройства резания в производстве одежды, обуви, кожи и меха» -«КноРус», М., 2002 г. (гриф Министерства образования РФ), «Технологические процессы производства изделий легкой промышленности» - «КноРус», М., 2003 г. (гриф УМОлегпром), «Стратегия и тактика инвариантного конструирования, моделирования и опртимизации технических систем»
14 - «КноРус», М., 2002 г.
Личный вклад автора состоит в:
выдвижении и теоретической разработке идей по тематике работы;
выдвижении и разработке версии механики процесса взаимодействия лезвия и обрабатываемого материала, определившей развитие теории технологического резания;
определении и формулировке проблемы и задач исследования, разработке методов их комплексного решения;
непосредственном участии в разработке новых рабочих инструментов и устройств и методов их проектного расчета (патенты РФ);
непосредственном участии и обобщении ранее выполненных и опубликованных в соавторстве работ.
Автор Защищает:
систематизацию способов резания лезвием, формулировке, процесса и параметров резания лезвием, обобщенную аналитическую зависимость для определения угла резания;
версию теории технологического резания лезвием на основе вероятностного (статистического) представления мехе-ники процесса его деформационно-силового взаимодействия с обрабатываемым материалом;
результаты углубленного исследования механических (деформационных) характеристик настилов материала с упруго-вязкими свойствами, возможность оценки упругой составляющей деформационно-силового взаимодействия лезвия и материала как на основе процесса нагружения при сжатии, так и на основе процесса релаксации, оценку влияния на процесс взаимодействия скорости распространения деформации в материале;
статистическую модель силового взаимодействия лезвия и материала (настила материала) и методику ее определения;
результаты исследования и обобщенную расчетную модель и метод определения усилия резания лезвием;
модель деформационно-силового взамиодействия лезвия и материала иметод расчета усилия резания при динамическом (скоростном)резании;
метод оценки стабильности выполнения операций технологического резания;
версии процесса работы, методы вероятностной оценки устойчивости, параметрической надежности и долговечности лезвий для технологического резания;
разработку, результаты исследования и методы расчета и оптимизации параметров точечного (квазиточечного) механического раскройного инструмента и устройств для материалов с большим сопротивлением резанию;
положения теории и результаты исследования гибкоша-тунных раскройных ножей и механизмов, комплексную оценку работоспособности гибкошатунных раскройных ножей (выносливость, устойчивость, долговечность);
схемные решения, рекомендации по реализации и методы определения значений параметров технических средств для технологического резания (защищенные патентами РФ).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 33 работах, в том числе монографии «Технология и моделирование процессов резания в швейном и обувном производстве» («КноРус», М., 2003 г., 383 с), трех патентах РФ, восьми авторских свидетельствах, семнадцати статьях, из которых 19 - в изданиях, включенных в список ВАК РФ
16 для публикации результатов диссертации. Кроме того, опубликовано восемь тезисов докладов по результатам работы на научных конференция. Результаты работы также нашли отражение в четырех учебных пособиях с грифом Министерства образования РФ и УМОлегпром.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Изложена на 351 странице, включая 121 рисунок, 28 таблиц. Приложения представлены на 39 страницах.
