Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование резания материалов механическим инструментом с круглым сечением 8
1.1. Анализ автоматизированных устройств для раскроя материала 8
1.2. Направление и объект исследования 23
1.3. Особенности процесса резания настилов материалов с помощью точечного механического режущего инструмента (ТМРИ) 27
1.4. Способы формирования режущей кромки ТМРИ 30
Выводы 36
Глава 2. Выбор направления создания оборудования с использованием ТМРИ 37
2.1. Схемы процессов и технических средств, для раскроя с использованием различного вида ТМРИ 37
2.1.1. Жесткий стержень с различными видами режущий поверхности 38
2.1.2. Вибронож в виде натянутой абразивной струны 44
2.1.3. Замкнутая струна, движущаяся с постоянной скоростью 46
2.1.4. Натянутая струна, имеющая реверсивное движение 48
2.2. Анализ и проектирование устройств и механизмов 49
2.2.1. Анализ и проектирование устройств для координатного перемещения раскройного инструмента 49
2.2.2. Устройства и механизмы приводов раскройного инструмента 52
2.3. Анализ скоростных режимов механизмов и машин 59
Выводы 65
Глава 3. Взаимодействие тмри с раскраиваемым материалом различной структуры 66
3.1. Теоретические основы процесса резания ТМРИ с использованием ТМРИ 66
3.1.1. Взаимодействие точечного инструмента с раскраиваемым материалом различной структуры 67
3.1.2. Взаимодействие режущих элементов инструмента с микроструктурой материала 71
3.2. Кинематический анализ процесса резания ТМРИ 72
3.3. Силовой анализ взаимодействия точечного инструмента с материалом при резании 75
3.4. Вибрации точечного инструмента в зоне резания 86
3.5. Взаимосвязь параметров раскройных устройств 90
3.5.1. Вибронож в виде абразивной струны, закрепленной между двумя жесткими кронштейнами 90
3.5.2. Вибронож в виде консольного стержня 91
Выводы 94
Глава 4. Экспериментальные исследования ТМРИ 95
4.1. Описание устройства и работы экспериментальной установки для раскроя с помощью струны 95
4.2. Описание устройства и работы экспериментальной установки для раскроя с помощью стержня 99
4.3. Описание устройства и работы тензоизмерительного комплекса 101
4.3.1. Описание устройства комплекса 101
4.3.2 Методика проведения эксперимента с помощью модуля АЦП-ЦАП 16\16 «Sigma USB» 102
4.4. Результаты эксперимента по раскрою режущим инструментом в виде струны 106
4.3.1. Описание устройства комплекса 106
4.3.2. Методика проведения эксперимента с помощью модуля АЦП-ЦАП 16\16«SigmaUSB» 107
4.5. Результаты эксперимента по раскрою режущим инструментом в виде стержня 114
4.6. Анализ результатов эксперимента резания с помощью ТМРИ в виде металлической струны 121
Выводы 131
Заключение по работе 132
Список используемой литературы 134
Приложения 140
- Особенности процесса резания настилов материалов с помощью точечного механического режущего инструмента (ТМРИ)
- Анализ и проектирование устройств для координатного перемещения раскройного инструмента
- Силовой анализ взаимодействия точечного инструмента с материалом при резании
- Описание устройства и работы экспериментальной установки для раскроя с помощью стержня
Введение к работе
Цель работы: Исследования в области инновационных научно-обоснованных технических решений по созданию универсального режущего инструмента и раскройных устройств, для раскроя материалов при изготовлении потребительских товаров.
Объект исследования: Механический точечный раскройный инструмент и устройства для резания различных материалов по сложному контуру.
Актуальность работы: Определяется потребностью в совершенствовании механического раскройного инструмента, в том числе, механического, который является наиболее распространенным в устройствах и агрегатах для раскроя материалов в производстве изделий. Наряду с механическим раскройным инструментом (МРИ), имеющим в плоскости резания развитые геометрические размеры (пластинчатый, ленточный, дисковый ножи и т.д.) в различных технологических процессах применяется раскрой инструментами, не имеющими доминирующих геометрических размеров.
Применение такого инструмента значительно упрощает способ взаимного перемещения объекта обработки и инструмента при автоматизированном раскрое, в связи с исключением угловой ориентации инструмента. Таким образом, разработка такого инструмента позволит объединить преимущества механического раскроя и раскроя с использованием луча лазера, струи воды, микроплазменной струи, тока высокой частоты, ультразвука, электроискрового разряда, использование которых в технологических процессах легкой промышленности нерационально из-за высокой стоимости и низкой эффективности. В ранее опубликованных работах [1] такой инструмент назван «точечным механическим режущим инструментом» (ТМРИ). Использование ТМРИ позволит упростить конструкцию, технологическое и программное обеспечение управлением процесса, за счет уменьшения числа необходимых движений совершаемых ножом и ликвидации операции заточки. Задачи исследования.
Анализ технических средств и раскройных устройств, применяемых в производстве изделий широкого потребления и направления их совершенствования.
Разработка предложений по использованию раскройного механического инструмента круглого сечения и схем раскройных устройств.
Разработка методов расчета, определение параметров и режимов работы раскройного инструмента и устройств.
Экспериментальная проверка расчетных выводов и определение необходимых данных для разработки предложений и рекомендаций по созданию ТМРИ и раскройных устройств.
Анализ и рекомендации по способам изготовления ТМРИ.
Разработка научно - технических предложений и рекомендаций по созданию ТМРИ и раскройных устройств.
Методы исследования. В работе сочетаются теоретические и экспериментальные методы исследования. Исследования выполнены с использованием положений механики, сопротивления материалов, высшей и прикладной математики, электротехники. Для проведения экспериментальных исследований были разработаны опытные установки, оснащенные электронной измерительной аппаратурой, с использованием компьютерной техники.
Научная новизна и практичная полезность работы. Научная новизна работы заключается в разработке методов проектирования и расчета механического раскройного инструмента круглого сечения, и раскройных устройств для его применения, определении параметров и режимов работы данных устройств.
Реализация результатов работы. Использование результатов при разработке технических решений, опытных установок и их экспериментальной проверки в лабораторных условиях. Сравнение аналитических и экспериментальных результатов для дальнейших рекомендаций по созданию автоматизированных раскройных устройств, с применением механического режущего инструмента круглого сечения.
Апробация работы. Основные результаты и рекомендации диссертационной работы были обсуждены и получили положительную оценку на кафедре МАЛП МГУДТ, на 53 и 54 научно - технических конференциях студентов и молодых ученных «Молодые ученые XXI веку» (в 2001 и 2002 г.), на Пятой Международной научно-методическая конференция (Россия, Москва, 3-4 апреля 2003г.), на Международном симпозиуме «Индустрия моды» (Россия, Москва, 31 марта - 7 апреля 2007 г.), на Международной научно-технической конференции (Россия, Дивноморское, Геленджик 24-29 сентября 2007 г.)
Публикации. По теме данной работы в различных печатных изданиях опубликовано 8 статей (2 из них в журналах, рекомендованных ВАК).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах, включая 60 рисунков, 18 таблиц и 4 приложения
Особенности процесса резания настилов материалов с помощью точечного механического режущего инструмента (ТМРИ)
Одним из этапов проектирования промышленного оборудования являются теоретические исследования параметров технологического процесса. В результате этого анализа даются практические рекомендации по конструкции машины, а именно, параметры исполнительных и вспомогательных механизмов, рабочего инструмента, эксплуатационные условия проведения процесса.
В общем случае рабочий процесс обработки материалов механическим резанием заключается в динамическом взаимодействии двух тел - обрабатываемого материала и режущего инструмента. Теоретическое исследование этого взаимодействия необходимо как для общей оценки процесса резания, так и для решения частных задач практического значения. К процессу механического резания пилением текстильных и нетканых материалов, специальных тканей предъявляются следующиеосиовные требования: высокое качество и точность кроя; высокая производительность; технологичность процесса; экономичность.
Выполнение этих требований зависит от следующих факторов -свойств разрезаемого материала, вида инструмента, эксплуатационных условий проведения процесса. Оценочными показателями последних факторов являются сила резания при раскрое, качество и точность кроя.
При раскрое ТМРИ происходит массовое микрорезание предварительно уплотненного настила зернами сверхтвердого материала (зернами алмаза).
Общие законы резания применимы к процессу резания отдельным зерном [1]. При резании текстильных и им подобных материалов зерна должны быть сориентированы относительно оси инструмента (направления движения), иметь заостренные режущие кромки (Рис. 1.6). Определяющее значение имеет угол ах - угол заострения зерна и рабочий угол заострения - угол резания - а2.
Работа отдельного зерна сводится к резанию - разделению под углом а2 определенного объема (слоя) материала.
Сила резания определяет параметры раскройного инструмента, механизмов машины и служит критерием оценки самого процесса раскроя. Это усилие зависит от многих факторов, из которых, в первую очередь, необходимо учитывать скорости ассоциляции и движения ножа относительно объекта обработки, свойства и параметры раскраиваемого материала, динамические показатели процесса. Основной задачей теоретических и экспериментальных исследований в диссертации являются Рассмотрим геометрические (исходные) и кинематические (рабочие) параметры зерна.
Разделение материала происходит в плоскости вектора скорости $0 в которой расположен угол резания а2 Угол заточки зерна ах расположен в сечении, перпендикулярном режущей кромке а-а. Угол между этими плоскостями - Д.
При резании технических тканей механическим инструментом большое внимание уделяется вопросам его стойкости [42]. Основными путями повышения стойкости инструмента являются создание применение новых материалов для их изготовления и обеспечении оптимальных режимов резания, применение различных методов дополнительной обработки рабочих поверхностей инструмента, применение в процессе резания различных методов охлаждения и смазки.
Для увеличения стойкости инструмента, повышения качества обработки и производительности процесса раскроя применяют нетрадиционные формы режущего инструмента, способы и технологии обработки[43].
Проведенный анализ [1] показал, что основными техническими требованиями, обеспечивающими необходимые свойства инструмента, являются: минимальная площадь сечения с несколькими близкими по размеру осями симметрии и равномерным расположением на поверхности выступов зерен, что позволяет осуществлять резание в любом направлении на плоскости перпендикулярной продольной оси инструмента; рабочие выступы инструмента должны обладать высокой твердостью и острыми гранями для повышенной износостойкости, хороших режущих свойств, определяемых чистотой реза и скоростью перемещения режущего инструмента при работе.
Эксплуатационные свойства ТМРИ определяются степенью выполнения следующих основных требований: небольшая (минимально возможная) площадь поперечного сечения ножа; равномерное расположение режущих зерен на поверхности основы; возможность резания в разных направлениях в плоскости настила без поворота ножа вокруг оси; стойкость при некоторых выгибах и циклически переменных нагрузках во избежание растрескивания удерживающего слоя и осыпания зерен; упорядоченное и ориентированное расположение режущих зерен относительно оси ножа в одном режущем слое; наличие у зерен острых граней (режущих кромок).
Анализ и проектирование устройств для координатного перемещения раскройного инструмента
Применение - обеспечение поперечного перемещения раскройной головки при невысоких скоростях резания. Вращательное движение червяка, взаимодействующего с зубчатой рейкой; преобразуется в поступательное перемещение каретки. Достоинства: самотормозящая кинематическая пара, жёсткость, безинерционность передачи, точность перемещения, значительные передаваемые усилия. Недостатки: сложность компенсации размеров при износе в кинематической паре, необходимость установки приводного двигателя в объекте перемещения, сложность синхронизации движения двух параллельных передач. Винтовая передача Цилиндрическое резьбовое соединение, предназначенное для преобразования вращательного движение ходового винта, в осевое смещение жестко закрепленной специальной гайки, движущейся по направляющим в нужном направлении. Применяется для поперечного перемещения раскройной головки у некоторых раскройных автоматизированных установок. Достоинства: жесткость, безинерционность передачи, точность перемещения, самоторможение, значительные передаваемые усилия. Недостатки: сложность компенсации размеров при износе в кинематической паре, сравнительно небольшой ход передачи ( 2..2,5 м). Зубчатоременная передача Линейное перемещение одной из ветвей с помощью замкнутого зубчатого ремня обеспечивает поступательное движение по направляющим каретке перемещения, соединенной с ремнем. Возможно применение для передачи поперечного и продольного перемещения раскройной головки в конструкциях средней мощности. Достоинства: простота конструкции, значительные передаваемые скорости.
Недостатки: погрешности из-за линейных деформаций при значительной длине ремня, необходимость установки тормозного устройства. Цепная передача По принципу работы - аналогична зубчатоременной передаче. Возможно применение в качестве тяги для поперечного перемещения раскройной головки и продольного при небольшой длине раскройного стола. Достоинства: простота конструкции, значительные передаваемые скорости, практически неограниченный ход поступательно движущегося объекта. Недостатки: погрешность перемещений из-за зазоров в шарнирах при значительной длине цепи, необходимость установки тормозного устройства. В данном разделе рассматривается вопрос обеспечения линейного движения рабочей части раскройного инструмента. Совокупность раскройного инструмента, передаточных механизмов, приводного двигателя, корпусной основы и вспомогательных устройств, представляют собой приводную систему или, так называемую, раскройную (режущую) головку.
Взаимодействие всех указанных элементов обеспечивает движение инструмента по заданному контуру. Для различных схем раскроя движение ТМРИ может быть поступательным и возвратно-поступательным [56]. Приводная система должна удовлетворять следующим требованиям обеспечивающим: - быстрое включение и остановку движения; - точность и жесткость оси резания; - регулирование скорости движения в зависимости от условий технологического процесса; - низкую уровень вибраций; - питание от распространенных источников энергии; - удобную смену изношенного раскройного инструмента; - экономный расход потребляемой энергии; - безопасность эксплуатации для обслуживающего персонала. В качестве приводного двигателя рекомендуется использовать электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением и короткозамкнутые электродвигатели переменного тока. Регулирование скорости движения раскройного инструмента может осуществляться редуктором, фрикционной электромагнитной муфтой, а также за счет изменения тока возбуждения в случае применения электродвигателя постоянного тока и частотным регулированием питания при использовании электродвигателя переменного тока. Далее предлагаются структурные схемы раскройных головок для различных схем раскроя, рассмотренных выше в предыдущем разделе.
Раскройный инструмент в виде стержня совершает возвратно-поступательное движение, частоту его движения можно варьировать, амплитуда постоянна и составляет для различных технологических условий 15-40 мм. Стержень закрепляется в патроне консольно. Раскройная головка должна также обеспечивать дополнительное вертикальное перемещение инструмента при входе и выходе в настил. На основе анализа патентной литературы, конструкций промышленного оборудования предлагаются следующие наиболее эффективные схемы раскройных устройств: а) традиционная схема на основе и кривошипно-ползунного механизма с электроприводом, б) схема раскройной головки на основе электрических машин возвратно-поступательного движения. В традиционной схеме кривошип получает вращение непосредственно от вала электродвигателя (передвижные раскройные машины) или через зубчатоременную передачу (режущая головка автоматизированных раскройных агрегатов).
Силовой анализ взаимодействия точечного инструмента с материалом при резании
Рабочий процесс обработки материалов резанием заключается в динамическом взаимодействии двух тел - обрабатываемого материала и режущего инструмента. В процессе резания точечным механически раскройным инструментом осуществляется процесс массового микрорезания абразивными зернами, спонтанно расположенными на поверхности инструмента и являющимися фактически микролезвиями. Усилие резания является важнейшим показателем, определяющим параметры ножа, и служит критерием оценки самого процесса резания. Предлагаемые в технической литературе по данной тематике способы теоретического расчета усилия резания подходят для данного случая. В разделе даны основные этапы расчета усилия резания ТМРИ, с учетом сил, действующих на отдельное зерно. Результирующая сила в этом случае является совокупностью сил, действующих на все микролезвия, контактирующие с материалом. Однако хаотичность расположения режущих зерен на поверхности реального абразивного инструмента и реальное силовое взаимодействие многолезвийного режущего инструмента с настилом требует сложного физико-механического описания и математического анализа.
В работе приведен расчет горизонтальных и вертикальной сил резания, построенный на основе макрофизического взаимодействия материала и рабочей поверхности ножа. Данные расчета применимы при следующих условиях: рабочая поверхность ножа имеет однородную структуру и точную цилиндрическую форму; режущие свойства каждой из точек рабочей части инструмента одинаковы.
Предположение допускается на основании скоростного режима процесса Инструмент имеет рабочую поверхность в форме цилиндра, с сечение малого диаметра. При резании настила материала на режущий инструмент действуют силы указанные на рис. 3.5:
Fxy - сила, которую необходимо приложить к инструменту по нормали к его оси для резания материала ножом скоростью S- и скоростью подачи &ху (горизонтальная составляющая силы резания, усилие резания); Fz — сила, перемещающая нож вдоль его оси (по нормали к поверхности материала) со скоростью &, в процессе резания (вертикальная составляющая силы резания, нормальная сила); N— суммарная сила сопротивления резанию, действующая противоположно направлению F . Величина N зависитот толщины и физико - меанических свойств материала; FTp— суммарная сила трения между ножом и материалом, действующая в плоскости резани [62].
Для расчета примем, что в данный момент времени рассекается настил толщиной dh в точках Оа, Ор (рис. 3.6), в результате чего происходит контакт зерен поверхности ножа с точками настила (микрочастицами).
При этом в точках контакта инструмента и материала возникают следующие силы: Na, Np - силы реакции точек материала на инструмент, направленные перпендикулярно образующей поверхности цилиндра; F , F p - силы трения, возникающие при движении, направленные перпендикулярно нормали и к плоскости резания по касательной к точке полуэллипса. где (і - условный коэффициент трения (коэффициент сцепления). Коэффициент ц зависит от следующих факторов - свойств режущей поверхности инструмента, технологических свойств материала, динамичности процесса резания и относительной скорости движения между микрозернами ножа и взаимодействующими с ними частицами материала [62]. где 77j - коэффициент, характеризующий режущие свойства раскройного инструмента, г/2 — коэффициент, учитывают свойства материала, щ — коэффициент динамичности процесса (влияние вибрации, скоростного и силового режима резания, типа движения инструмента).
Коэффициенты для каждого типа инструмента и материала находятся экспериментально. Рассмотрим систему сил, возникающих при резании материала толщиной dh (рис. 3.6):
В связи с этим результирующая сила F = Fxy + F z резко меняет свое направление и при достаточно больших значениях к она направлена почти перпендикулярно подаче материала. Это обстоятельство создает весьма благоприятные условия для резания материалов малой жесткости, какими и являются материалы швейного и обувных производств. Благодаря указанной направленности силы и резкому снижению горизонтальных усилий, по сравнению с резанием, в ноже отпадает необходимость в жесткой фиксации материала и устраняется возможность его отклонения при подаче материала на режущий инструмент или, наоборот, инструмента на разрезаемый материал.
При раскрое виброножом с различными типами приводных механизмов Qz = Дф), =const=C значения горизонтальной и вертикальной силы резания будут следующими:
При возвратно-поступательном движении ножа с приводом от кривошипно-ползунного механизма
Описание устройства и работы экспериментальной установки для раскроя с помощью стержня
Для проведения экспериментальных работ по резанию виброножом в виде консольного стержня спроектирована и изготовлена раскройная установка (рис. 4.3).
Кинематическая схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.4. Каретка 5 имеет возможность перемещаться по продольным направляющим 7. Передача движения от тягового устройства (ТУ) 2 осуществляется посредством вспомогательных блоков и тросика 3, один конец которого закреплен на тяговом ролике ТУ, другой на тензопластине 1. На раме каретки 5 закреплены приводной электродвигатель 8 и раскройная головка. Рабочее возвратно-поступательное движение виброножу 14 в виде консольного абразивного стержня диаметром 2 мм обеспечивается кривошипно-ползунным механизмом (9,10,2). Привод раскройной установки осуществляется асинхронным двигателем 8 приведенным в однофазный режим работы. Вращение от вала электродвигателя передается главному валу клиноременной передачей 6, 11, 13. Изменение скорости вращения вала 9 осуществляется посредством изменением передаточного отношения клиноременной передачи 11 за счет смены её элементов (ведущий и ведомый шкивы, клиновой ремень). Данная схема позволяет задавать требуемые режимы работы раскройного ножа (частота движения п = 30-120 Гц, средняя линейная скорость движения ножа SD = 1,5-8,0 м/с).
Раскраиваемый материал 15 закрепляется фиксирующим устройством 16. Максимальный рабочий ход каретки составляет 0,4 м. Скорость подачи инструмента обеспечивается режимом работы ТУ (Sr = 0.5,1.0,1.25, 2.5, 5, 12.5,25,50, 125, 250 мм/с).
Предусматривается повторение каждого эксперимента не менее 10 раз, в результате после математической обработки результатов эксперимента получаем среднее значение измеряемых параметров.
Для измерения усилия резания используется мехатронный тензоизмерительный комплекс на базе модуля АЦП-ЦАП 16\16 «SigmaUSB», с помощью которого механические параметры процесса раскроя преобразуются в электрические сигналы [65,66].
Под воздействием усилия, создаваемого сопротивлением настила материала и хода каретки, тензопластина прогибается. При этом величина деформации, фиксируемая тензометрическими датчиками R1 и R2, которые установлены на рабочих поверхностях пластины, определяет это усилие.
Предварительно проведена первичная тарировка преобразователя, которая сводится к построению статической характеристики, . т. е. зависимости деформации тензопластины от силы тяжести, изменяемой при подвешивании грузиков определенной массы. Также проведена проверка соотношения колебаний внешней частоты /в и собственной частоты колебаний преобразователя/І, которое должно удовлетворять ограничению fc (4 - 5)/e. Для измерения частоты виброперемещений инструмента на валу электродвигателя устанавливается датчик измерения угловой скорости, показания импульсного датчика фиксируется регистрирующим прибором.
На данном этапе проектирования оборудования исследование параметров работы раскройной установки сводится к определению оптимального режима резания при раскрое различных материалов. Наиболее важным измеряемым параметром будет сила сопротивления резанию. Для измерения этого параметра разработан тензоизмерительный комплекс (рис. 4.5).
Тензоизмерительный комплекс состоит из следующих основных элементов: блока питания 1, тензодатчика 2, модуля АЦП-ЦАП 16\16 «SigmaUSB» 3, персонального компьютера 4, программного обеспечения и устройства вывода информации на печать 5 [67].
