Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии фрезерования корешков бумажных блоков, конструкций инструментов и инструментальных материалов 10
1.1 Подготовка бумажных блоков к нанесению клея при использовании бесшовных соединений 10
1.2 Механические свойства бумаги 14
1.3. Реологическая модель, характеризующая свойства бумаги при ее деформировании 23
1.4. Опытно-производственные конструкции фрез 29
1.5 Испытание альтернативных способов обработки корешков бумажных блоков 35
1.6 Выводы 38
2. Определение рациональной конструкции режущихэлементов для торцовых фрез методом кинематического анализа 40
2.1. Анализ различных вариантов фрезерования корешков бумажных блоков 40
2.2. Определение рабочих углов режущего клина торцовых фрез 44
2.3. Анализ условий резания на главной и вспомогательной режущих кромках 49
2.4. Определение критической силы Д 51
2.5 Определение усилия Pf от действия сил трения 59
2.6 Возможности обеспечения остроты лезвия 63
2.7 Схема нагружения режущих элементов усилиями резания 66
2.8. Выводы 68
3. Экспериментальное исследование процесса фрезерования бумажных блоков 69
3.1. Механизм изнашивания фрез и критерии оценки их стойкости 69
3.2. Выбор оптимальной марки твердого сплава и модернизация конструкции режущих элементов 74
3.3. Оптимальные параметры фрез и технологии фрезерования 81
3.3.1. Влияние на шероховатость исходного зазора А 83
3.3.2. Влияние па шероховатость Rz места расположения листа в обрабатываемой стопе 87
3.3.3. Влияние на шероховатость Rz частоты вращения фрезы 88
3.3.4. Влияние на шероховатость Rz подачи на зуб Sz 91
3.3.5. Влияние на шероховатость переднего угла режущих элементов 92
3.4. Выводы 94
4. Условия рациональной эксплуатации фрез 96
4.1. Заточка режущих элементов 96
4.2. Способы упрочнения режущих элементов 102
4.3 Критерии затупления режущих элементов и их контроль 112
4.4. Оперативный контроль шероховатости бумажных блоков 115
4.5 Выводы 116
Общие выводы 118
Список использованных источников 120
Приложение 127
- Реологическая модель, характеризующая свойства бумаги при ее деформировании
- Испытание альтернативных способов обработки корешков бумажных блоков
- Анализ условий резания на главной и вспомогательной режущих кромках
- Выбор оптимальной марки твердого сплава и модернизация конструкции режущих элементов
Введение к работе
В современном обществе в связи с развитием гласности и демократических принципов (свободы печати, собрания, агитации) печатная продукция выпускается в большом объеме и часть ее, которая не рассчитана на длительное пользование, изготавливается с использованием клеевых бесшовных соединений (КБС).
КБС, тем не менее, представляет довольно сложный производственный объект. Склеивание корешков требует определенной шероховатости бумаги, которая обеспечивает проникновение клея на глубину до 1...1,5 мм. Для соединения листов печатной продукции в единое целое. Важным фактором является то, что склеивание выполняется на автоматизированном оборудовании и исключает ручную корректировку качества.
Лучшим показателем шероховатости для КБС считается 200
использовании эльборовых кругов или более современных их заменителей из Sinter korund (корунда спекания) обеспечивается на надлежащем уровне. Серьезной проблемой в типографском производстве при использовании КБС являются торцовые фрезы.
Дело в том, что основной операцией для обработки корешков является торцовое фрезерование. Выбор способа объясняется тем, торцовые фрезы относительно легко оснащаются твердыми сплавами, не требуют особой точности установки, допускают увеличение диаметральных размеров, а тем самым и снижение частоты их вращения, что очень важно при высоких скоростях резания.
Бесшовные переплеты обычно имеют не более 200...400 листов, что определяет их толщину в диапазоне 20...60 мм, который может изменяться в зависимости от толщины бумаги.
Поскольку шероховатость обработанного корешка колеблется в значительных пределах на торцовых фрезах один зуб (и это ещё одно преимущество торцового фрезерования) выполняют более выступающим (на 1...1,2 мм), чем остальные, и он выполняет специальную операцию торшинирования, после которой на поверхности корешка остаются пропилы, обеспечивающие склеивание стопы.
Ситуация в настоящее время такова, что в типографиях России в основном используются импортные инструменты, поставляемые из Германии или их отечественные аналоги, значительно худшего качества.
На первый взгляд, сравнивая механические свойства металлов, как основного объекта торцового фрезерования и бумаги, можно предположить, что задача повышения стойкости не является актуальной. Практика типографского производства доказала обратное.
В бумаге даже высокого качества имеются инородные твердые включения, играющие роль своеобразного абразива. Их появление в составе бумаги связано с технологией ее изготовления, транспортировкой, переработкой и т. д. Таким образом, рассчитывая на облегчение условий резания и, соответственно, выбирая инструментальный материал и геометрию режущего клина, мы заведомо ошибаемся.
Эта задача должна рассматриваться с двух точек зрения:
- повышения стойкости инструмента, работающего на имеющемся
в типографии оборудовании;
- разработке инструмента под вновь проектируемое оборудование.
Процесс фрезерования бумаги специфичен и мало изучен. В основном,
это касается механизма износа, применения преимуществ косоугольного резания, рациональной геометрии режущего клина. Ситуация во многом объясняется тем, что традиционный взгляд на торцовое фрезерование металлов переносится на обработку бумаги. Во многом это объясняется тем, что отсутствует теоретическая модель косоугольного фрезерования бумаги, учитывающая ее особые свойства.
Общая цель работы - оснащение типографского производства современными торцевыми фрезами, обеспечивающими необходимую шероховатость и стойкость.
Детализируя общую цель работы, можно выделить следующие научные задачи, решение которых позволит решить проблему качества и производительного изготовления КБС:
проведение анализа технологии торцового фрезерования корешков бумажных блоков, конструкций инструментов и инструментальных материалов с целью нахождения наиболее рационального резания;
разработку теоретической модели торцового фрезерования с использованием косоугольного резания;
выполнение экспериментальных исследований процесса фрезерования бумажных блоков для определения механизма изнашивания и определения критерия оценки стойкости, а также для определения обеспечиваемой шероховатости;
определение рациональной геометрии режущих элементов фрез, учитывающих специфику процесса и характер износа;
выработку рекомендаций по режимам торцового фрезерования и факторам, обеспечивающим выполнение этой операции.
Качество бумаги в настоящее время определяется следующей документацией:
Бумага и картон. Термины и определения дефектов. ГОСТ 19088-89.
Определение прочности при растягивании. Часть 1. Метод нагружения с постоянной скоростью. ГОСТ ИСО 1924-1-96.
Бумага писчая. Технические условия. ГОСТ 18510-87.
Бумага и картон. Отбор проб для определения среднего качества. ГОСТ 8047-2001 (ИСО 186-94).
Эта документация используется при выполнении различных разделов настоящей работы. Однако этого объема документации недостаточно для выполнения поставленных научных задач, главным образом для оценки эффективности процесса фрезерования. Этот недостаток устраняется в результате выполнения настоящей диссертационной работы.
1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ КОРЕШКОВ
БУМАЖНЫХ БЛОКОВ, КОНСТРУКЦИЙ ИНСТРУМЕНТОВ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Реологическая модель, характеризующая свойства бумаги при ее деформировании
Ранее отмеченные свойства бумаги относятся к отдельно взятому листу, но в полиграфии обрабатываются стопы листов, и это вносит значительные изменения в поведение материала. В этом отношении обработка бумаги резанием резко отличается от обработки металлов.
Реология - наука о деформациях и текучести вещества, позволяет объяснить поведение стопы бумаги при ее механической обработке.
Эффективность процесса резания различных материалов во многом определяется их физико-механическими свойствами, из которых основными, фундаментальными, являются упругость, вязкость и пластичность. Идеальных материалов, обладающих только одним из свойств, не существует, поэтому в реологии [42] рассматриваются моделирующие схемы как комбинация различных свойств материала. Правомерность такого подхода подтверждается наличием, например, явления релаксации (уменьшения напряжения при постоянной деформации) или ползучести (увеличение деформации при постоянной нагрузке), что, в свою очередь, позволяет рассматривать материалы как упруго-вязкие, вязкопластичные, вязкоупругие и т.п. При математическом описании фундаментальных свойств материалов в реологии упругость изображают пружиной, деформирование которой подчиняется закону Гука, а вязкость - цилиндром с вязкой жидкостью, в котором перемещение поршня подчиняется закону
Ньютона. Эти элементы можно соединить последовательно и параллельно, получая сложные схемы, различные тела (например, тело «Максвелла» при последовательном соединении и тело «Кельвина» при параллельном) [42, 43, 44]. Материал бумаги можно рассматривать как упруго-хрупкий, но при обработке не одного отдельно взятого листа, а блока, проявляются вязкие свойства. Модель упруго-вязкого тела можно представить как твердый (упругий) каркас, в промежутках которого находится жидкое или газообразное вещество. При деформации это тело создает перемещение жидкости или газа по законам газо- и гидродинамики и его деформация становится функцией нагрузки и времени ее действия. Реологическая модель такого тела и принципиальный характер изменения деформации показаны на рисунке 1.5. Такая модель предложена проф. Н.Е. Резником [42] для объяснения свойств спрессованного сена, но, по нашему мнению, она хорошо объясняет поведение под нагрузкой стопы бумаги. Модель содержит три последовательных элемента: элемент Е1 мгновенной упругости, элемент Е2 запаздывающей упругости, соединенный параллельно с элементом вязкости С,2 и элемент Сі, соединенный последовательно с первыми двумя элементами. Деформационный процесс в целях упрощения рассматривается под действием постоянного усилия Р. Под ее действием происходит быстрая деформация элемента Е] (ордината АВ графика), затем деформация происходит за счет сжатия элементов Е2, Сі и Сі (линия ВС). При снятии нагрузки элемент Е] разожмется мгновенно (участок DC графика), элемент Е2 разожмется постепенно (линия DE). Положение поршня элемента Сі зафиксирует остаточную деформацию (ордината EF). При фрезеровании бумажных корешков действует не постоянная, а переменная сила резания, но даже в этой ситуации рассмотренная модель позволяет сделать важные выводы.
Нагрузка должна нарастать постепенно, а в точке С должно происходить разрушение бумаги, и нельзя допускать разгрузки (ветвей CDE), т. к. это снизит эффективность резания. Разрушению лезвием упруго вязкого материала предшествует сжатие последнего до определенного состояния. Полная работа А, необходимая для разрушения материала может быть выражена с помощью зависимости: где Асж - работа, затраченная на сжатие бумажного блока, Арез - работа, затраченная непосредственно на резание. Работа сжатия Асж расходуется на преодоление внутреннего трения и ее можно считать «бесполезной» работой. Однако, при выполнении этой работы происходит изнашивание инструмента. Эффективность резания можно оценить коэффициентом полезной работы Кп, который всегда меньше единицы, и чем он больше, тем резание эффективней. Ранее отмечалось, что толщина ІКБСІ не превышает 40 мм, а многие издания имеют меньшую толщину. Анализ рисунка 1.5. позволяет заключить, что более высокие стопы будут обрабатываться менее эффективно, чем тонкие, поскольку работа на их сжатие будет большей. Принципиально график изменения коэффициента Кп будет изменяться следующим образом (рисунок 1.6.) Даже в диапазоне толщин 10 /гс 20 мм типография будет при прочих равных условиях использовать более эффективные процессы резания, если при одинаковой площади страниц будет выпускать продукцию с меньшей толщиной стопы he Можно априорно сделать вывод и о предпочтительном использовании высоких скоростей резания. Тенденция измерения коэффициента К„ от скорости резания V при постоянной высоте стопы he показана рисунке 1.7. Рис. 1.7. Тенденция изменения коэффициента Кп от скорости резания. Объяснение такой тенденции вызвано наличием в реологической модели (рис. 1.5) вязких элементов Сі и Сг- Эти элементы обладают инерционностью. При медленном нарастании усилия Р (т. е. малой скорости резания), они успевают срабатывать, а при быстром нарастании усилия (высокой скорости резания), эти элементы не успевают срабатывать, повышая жесткость блока, и в некоторой степени компенсируя работу сжатия. Аналогичный вывод можно сделать на основе анализа скашивающих траву агрегатов - более высокие скорости обеспечивают более качественное резание, т. к. число не скошенных элементов существенно уменьшается, а при снижении скорости резко возрастает. Априорно можно также предположить, что косоугольное резание будет наиболее эффективным.
Объяснение такому предположению заключается в том, что косоугольное резание обеспечивает постепенное сжатие блока листов и не допускает мгновенного снижения нагрузки, как это имеет место у прямозубых инструментов. Разгрузочная ветвь CDEF (рис. 1.5) при косоугольном резании будет практически отсутствовать и дополнительной работы сжатия, которая снижает значение коэффициента і„, не потребуется. Можно предположить, что качественная зависимость коэффициента Кп от рабочего угла наклона лезвия Я будет иметь вид. Косвенным подтверждением такого характера функции Кп —f(X) является аналогичный вид функции, имеющий место при резании стеблей зерновых культур [42] уборочных комбайнов. В качестве промежуточного вывода отметим, что применяемые торцовые фрезы должны обеспечивать применение современных марок твердых сплавов, с целью использования высоких скоростей резания и косоугольного резания для снижения сжимающей силы. Отметим, что применение косоугольного резания в торцовых фрезах практически не встречается и эта задача имеет явную научную новизну. В начале выполнения настоящей работы в типографиях «Приазовский рабочий» (г. Мариуполь, Украина) и ОАО Коммунар (г. Тула, Россия) было решено использовать обычные торцовые твердосплавные фрезы, предназначенные для обработки металла и единственным отличием, связанным с обработкой КБС, была специальная (более качественная) заточка твердосплавных пластин. В качестве технического предложения были спроектированы и изготовлены два типа сборных фрез. В первой конструкции (рис. 1.9) ножи 2 установлены на корпусе фрезы 1 и крепятся к нему болтами 4. Заготовками режущих элементов ножей 2 служат стандартные четырёхгранные пластины по ГОСТу 19904-80 с высотой 21,27 мм, выполненные из твердого сплава ВК8. Пластины заточены по задней поверхности под углом (2=20 и для увеличения износостойкости покрыты нитридом титана. При такой доработке пластины приобретают характер неперетачиваемых. Таким образом, в данной конструкции реализована возможность использования серийно изготавливаемых сменных неперетачиваемых пластин и увеличенной длины рабочего участка режущей кромки. Регулировка торцового биения обеспечивается тем, что фреза по отверстию 09ОН6 устанавливается на фрезерный станок с вертикальным шпинделем и крепиться к нему на фланец с помощью отвертки четырьмя винтами. Такая установка обеспечивает наименьшее торцовое и радиальное биение и рекомендуется для крепления торцовых фрез больших диаметров установке на пиноль фрезерных станков с вертикальным шпинделем.
Испытание альтернативных способов обработки корешков бумажных блоков
Не получив ожидаемой эффективности процесса фрезерования, были проведены поисковые эксперименты альтернативных способов обработки КБС. Для проведения экспериментальных работ на базе универсального токарного станка мод. 1К62 была смонтирована специальная установка, (рис. 1.11) состоящая из опорной плиты, прижимной планки с болтами и фрезерного инструмента. Опорная плита установлена на салазках суппорта па месте снятой резцедержавки. Корпус однозубной фрезы закреплён на шпинделе стакана в кулачковом патроне и имеет посадочные места под закрепление ножей различной конструкции. Обрабатываемый бумажный блок укладывается на опорную плиту и закрепляется на ней прижимной планкой и болтами. Для обеспечения точности установки бумажного блока торцевые поверхности плиты планки профрезерованы в сборке. Настройка в осевом относительно фрезы направлении осуществляется с помощью продольного перемещения каретки станка с салазками суппорта, а рабочая подача - за счёт поперечного провода станка при ступенчатом регулировании частоты вращения шпинделя до 3000 мин"1. Максимальный диаметр инструмента - 240 мм, диапазон подач - 0,1...4,0 мм/зуб, глубина резания не ограничена, толщина бумажного блока - до 70 мм. Была исследована принципиальная возможность использования для обработки корешков бумажных блоков следующих методов: а) обработка иглофрезами.
Использовалась описанная выше установка на токарном станке. В качестве инструмента применялась торцовая иглофреза диаметром 100 мм со стальными иглами из проволоки диаметром мм и вылетом из торца корпуса 20 мм. Обработка проводилась на различных режимах - частоте вращения иглофрезы (1000...3000 мин 1) и подачей (0,1...0,5 мм/об). Эксперименты показали, что снятие припуска происходит нормально, шероховатость может быть удовлетворительной, но наблюдаются прижоги на обработанной поверхности, что недопустимо. б) обработка заторможенными и самовращающимися круглыми резцами. Резцы изготавливались из быстрорежущей стали Р18 в виде конических дисков диаметром 30 и 50 мм, имеющих плоскую поверхность, обращенную к обработанной поверхности на бумажном блоке, и коническую поверхность, взаимодействующую с припуском. Угол заострения принимался равным 10. Через центральное отверстие резцы закреплялись на осях в корпусе фрезы. Для заторможенных, не вращающихся вокруг своих осей резцов, оси вращения фрезы и резца принимались параллельными. Для самовращающихся резцов оси скрещивались под углом 5. Режим резания варьировался в пределах: /7=1000...3000 мин"1, Sz—0,1...0,5 мм/об. Проведённые эксперименты положительных результатов не дали: на выходе резца происходит интенсивный отжим слоев бумаги и их недорез. в) на заключительном этапе экспериментов была проверена возможность обработки КБС абразивным кругом. Эксперименты проводились на универсально-заточном станке ЗВ642 при зажиме обрабатываемого блока в специальном приспособлении. Использовался отрезной круг Д230x3,2x22 14А50НС ТЗБУ ТУ2-036-799-79 с частотой вращения 4500 мин"1 и ручной подачей. Метод использовать нельзя, так как низка производительность и прижигается обработанная поверхность. Таким образом, фрезерование корешков с использованием торцевых фрез является наиболее рациональным, и дальнейшие исследования были направлены на модернизацию конструкции фрезы и параметров её режущей части, поскольку даже неудачные конструкции фрез (рис. 1.9, 1.10) обеспечивали более хорошие результаты.
Стало очевидным, что режущие элементы фрез нуждаются в особой геометрии, учитывающей свойства бумаги. 1. Механические свойства бумаги обеспечивают износоустойчивость и долговечность печатной продукции, и они должны учитываться в разработке процессов Фрезерования КБС. 2. Наиболее адекватно деформационные и прочностные характеристики бумаги объясняются реологической моделью, в соответствии с которой эффективность процесса ее резания определяется: - использованием высоких скоростей главного движения; - применением инструментов, обеспечивающих косоугольное резание и минимальные усилия предварительного сжатия стопы бумаги. 3. Торцовые фрезы традиционных конструкций не приспособлены для фрезерования корешков бумажных блоков и требуется разработка специальной геометрии режущего клина зубьев, учитывающая рекомендации реологической модели.
Анализ условий резания на главной и вспомогательной режущих кромках
Наибольшее представление о работе главной режущей кромки дает проекция/"(рис. 2.3).
Очевидно, что фрезерование бумаги и металла имеет существенное различие. Часть этих различий объясняется реологической моделью, другие различия состоят в том, что вдоль главной и вспомогательной режущих кромок имеет место проскальзывание, определяемое коэффициентами Кг и Кв. Оба коэффициента характеризуют проскальзывание режущих кромок, т.е. оценивают эффективность косоугольного резания.
На главной режущий кромке при =40; (9=45; //=45; коэффициент #/=0,837, а на вспомогательной режущей кромке при #=40 мм, а i?„=150 мм, коэффициент #6=0,266.
Важным выводом из этих расчетов является то, что на главной режущей кромке К происходит интенсивное косоугольное резание, и оно так же имеет место на вспомогательной режущей кромке.
На рисунках 2.4. и 2.5. показаны изменения коэффициентов Кг и Кв в зависимости от влияющих величин.
Анализ рисунков 2.4. и 2.5. показывает, что вариант, при котором (9=40; у/=40; /г=45 можно признать наиболее рациональным, поскольку, снижая угол в, мы ослабляем тело как державки, так и, особенно, пластинки, снижая ее прочность. Влияние угла /л менее существенно, но его уменьшение кроме того, что отрицательно сказывается на эффекте проскальзывания, тоже снижает прочность пластины. На коэффициент Ке существенно влияет величина смещения Н (рис.2.1), но ее увеличение затрудняет компановку сборной торцовой фрезы, и поэтому угол ср =45 следует также признать рациональным. В области вершины пластины (рис. 2.2) прочность лезвия явно снижается и необходимо доказать ее работоспособность. Под критической силой далее будем понимать усилие, при котором сжатие блока листов бумаги заканчивается и намечается отрыв отдельных листов, т.е. отделение припуска. Для пояснений составим (рис. 2.6) расчетную схему процесса торцового фрезерования. Режущий элемент (РЭ) внедряется в блок бумаги и при этом он по нормали ON сжимает листы блока. В момент, когда нормаль ON достигает угла pf, начинается разрыв листа, показанного сплошным черным цветом, далее следующего за ним и т.д.
Выбор оптимальной марки твердого сплава и модернизация конструкции режущих элементов
В настоящее время инструментальная промышленность выпускает новые марки твердых сплавов, отличающиеся повышенной износостойкостью. Для оценки их работоспособности и возможности использования при фрезеровании бумаги были изготовлены ножи с напайными твердосплавными пластинами, имеющие конструктивные и геометрические параметры, аналогичные применяемым в производстве. Последние были приняты за эталон для сравнения (как отмечалось ранее, химанализ показал наличие в твердом сплаве этих ножей 12% кобальта). Испытывались твердые сплавы стандартных марок ВК6, ВК8, Т15К6, Р20, ВК10ХОМ, МС32, ножи затачивались в соответствии с требованиями рис.2.2. Обрабатывался бумажный блок длиной 210 мм, толщиной ксж =42 мм с частотой вращения фрезы 1500 мин"1 и продольной подачей 0,5 мм/зуб (фреза однозубая). Исходная толщина блока в свободном состоянии составляла h=47 мм.
После каждого прохода на инструментальном микроскопе наблюдался износ. Установлено, что вершина резцов, заточенных доостра, подвергается сколу, площадка которого на передней поверхности может характеризоваться параметрами у/ и р (рисунок 3.3.). Резцы различных марок твердых сплавов подвергались испытаниям по следующей схеме. Каждый из сплавов испытывался на десяти блоках. В таблицу 3.1. заносились средние значения у/ и р. Пустые клетки свидетельствуют о том, что на данном проходе измерения не выполнялись или же выкрашивание привело к неработоспособности лезвия. В таблице 3.1. представлены величины параметров у/ и р для различных марок твердого сплава и в зависимости от числа проходов при обработке. Из таблицы следует, что скол вершины органически присущ любому твердому сплаву. Это подтверждает сделанные ранее прогнозы о слабой прочности вершины. Наименьшие сколы наблюдаются на твердых сплавах МС321 и ВК, 10ХОМ. Последний сплав имеет добавки хрома в связке и мелкозернистую структуру, повышающую, как правило, износостойкость. Из промышленно выпускаемых сплавов можно также рекомендовать сплав МС321, предназначенный для обработки пластмасс, резины, дерева и позволяющей получить острую режущую кромку. Избежать скола вершины можно и за счет ее упрочнения путем уменьшения заднего угла или за счет введения дополнительной переходной режущей кромки. Эта возможность использована нами при модернизации конструкции режущих элементов. Предложено два варианта упрочнения вершины режущих элементов. По первому варианту (рис. 3.4.) заточка режущих элементов повторяет геометрию, образующуюся при скалывании вершин, с тем отличием, что на Рис. 3.4. Изменение геометрии режущих элементов (Вариант № 1) вспомогательной кромке образован задний угол сх1= 15.
