Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Процессы резания механическим инструментом материалов в производстве обуви и кожгалантерейных изделий 15
1.1. Основные разновидности и особенности механического резания и режущих инструментов 15
1.2. Характеристика операций механического резания и применяемого оборудования в производстве обуви и кожгалантерейных изделий 21
1.3. Классификация процесса механического резания и его кинематика 23
1.3.1. Существующие классификации и их базовые признаки 23
1.3.2. Кинематика взаимодействия лезвий режущих инструментов с материалом при различных способах резания 27
1.3.2.1. Общий случай резания режущим инструментом с продольной и торцевой
режущими кромками 27
1.3.2.2. Кинематика скользящего резания 28
1.3.2.3. Кинематика процесса рубящего резания 30
1.3.2.4. Кинематика процесса наклонного резания 32
1.3.3. Кинематический расчет ножей с наклонной режущей кромкой 34
1.3.4. Систематизация разновидностей механического резания в производстве обуви и кожгалантерейных изделий 38
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 42
ГЛАВА 2. Исследование деформационных свойств материалов для обуви и кожгалантерейных изделий, подвергаемых обработке резанием 44
2.1. Анализ механических (реологических) моделей, описывающих деформационные свойства материалов для обуви и кожгалантерейных изделий 44
2.2. Методы исследования деформационных свойств обувных и кожгалантерейных материалов 52
2.3. Исследование деформационных свойств кожи при сжатии 60
2.4. Исследование свойств настилов обувных материалов при сжатии 69
2.5. Исследование скорости релаксации кожи и ткани при сжатии 71
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 76
ГЛАВА 3. Исследование и моделирование процесса силового взаимодействия лезвия с материалом 78
3.1. Оценка параметров силового взаимодействия 78
3.2. Обобщенная расчетная модель силового взаимодействия лезвия с материалом 90
3.3. Оценка геометрических параметров лезвия 98
3.3.1. Изнашивающее влияние на лезвие материалов и оснастки 98
3.3.2. Анализ распределения напряжений в лезвии и материале при их взаимодействии 104
3.3.3. Анализ показателей остроты лезвия. Способы их определения 106
3.3.3.1. Анализ геометрических параметров лезвия, принимаемых за показатель
притупления (остроты) режущей кромки 108
3.3.3.2. Методы измерения показателя остроты (притупления) лезвия 114
3.3.3.3. Способ измерения показателя остроты (притупления) лезвия на основе
компьютерной обработки его изображения, полученного сканированием 120
3.3. Исследование зависимости работы рубящего резания от угла заточки резака. Компьютерная программа обработки экспериментальных данных <<Л5Р/-А1ШРОКСИМАТОР» 124
3.4. Моделирование зависимости усилия рубящего резания от величины внедрения лезвия в материал. Компьютерная программа «ASPI-ИНСПЛАЙН» 129
3.5. Статистическое моделирование параметров силового взаимодействия лезвия и материала при рубящем резании. Компьютерная программа «MCG-Clicking» 136
3.6. Исследование процесса скользящего резания при раскрое материалов плоским подвижным ножом 145
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 152
ГЛАВА 4. Исследование влияния скорости резания на параметры процесса. моделирование и оптимизация технологических операций резания 155
4.1. Особенности влияния скорости резания на процесс разделения материалов для обуви и кожгалантерейных изделий 155
4.2. Исследование кинематики процесса вырубания на прессе 160
4.2.1. Исследования скоростных параметров процесса вырубания на компьютерном комплексе Researcher 160
4.2.2. Моделирование сплайнами процесса «медленного» (статического) рубящего резания (на примере операции вырубания деталей на прессе ATOMG.999SAB) 167
4.3. Аналитическое описание и моделирование процессов «медленного»
и «быстрого» резания 172
4.3.1. Оценка параметров процесса «быстрого» (динамического) резания... 174
4.3.2. Оценка влияния скорости распространения деформации в материалах с упруго-вязкими и упруго-вязко-пластическими свойствами на их взаимодействие с лезвием при резании 180
4.3.3. Применение теории механического удара к расчету взаимодействия лезвия и материала 186
4.4. Моделирование и оценка стабильности выполнения технологической операции вырубания 190
4.4.1. Методика оценки стабильности 190
4.4.2. Статистическое моделирование стабильности выполнения технологической операции вырубания (на прессе Л ТОМ G999 SAB) 192
4.5. Концепция оптимизации технологического процесса вырубания материалов на детали обуви и кожгалантерейных изделий. Компьютерная программа подготовки вырубочного производства 197
4.5.1. Выбор параметров резаков 203
4.5.2. Основные типы применяемых резаков 206
4.5.3. Применяемые вырубочные плиты и колоды 208
4.5.4. Программа технологической подготовки раскройного и вырубочного производства CPG {Cutter Profile Geometry) 214
Выводы по четвертой главе 218
Выводы по работе 221
Список литературы
- Характеристика операций механического резания и применяемого оборудования в производстве обуви и кожгалантерейных изделий
- Методы исследования деформационных свойств обувных и кожгалантерейных материалов
- Обобщенная расчетная модель силового взаимодействия лезвия с материалом
- Исследования скоростных параметров процесса вырубания на компьютерном комплексе Researcher
Введение к работе
Большой удельный вес операций с применением процесса механического резания при обработке материалов в производстве обуви и кожгалантерейных изделий и, следовательно, величина энергетических и материальных затрат на подготовку и осуществление данных операций определяют актуальность их исследования и оптимизации на основе обобщения существующих и получения новых теоретических и экспериментальных данных [1,2].
Основополагающей в теории механического резания продолжает оставаться задача наиболее полного описания процессов взаимодействия режущих кромок (лезвий) с обрабатываемыми материалами в аналитической форме, в которую непосредственным образом входили бы показатели физико-механических свойств этих материалов и основные технологические параметры управления процессом. Аналитическое описание процесса резания обувных материалов возможно лишь при выявлении взаимосвязи между следующими группами факторов, влияющих на ход процесса и определяющих его результаты:
технологическими требованиями к процессу;
деформационно-прочностными свойствами материала;
типом и характеристиками режущего инструмента (оснастки) и оборудования;
характером и параметрами деформационно-разрушающего воздействия;
особенностями силового взаимодействия лезвия с объектом обработки.
Исследованию процесса механического резания материалов, применяемых в производстве обуви и кожгалантерейных изделий, посвящено достаточно большое количество научных работ, однако, вплоть до настоящего времени методы управления этим процессом недостаточно изучены, что негативно влияет на эксплуатацию и расчет соответствующего оборудования. По данному направлению исследований существуют лишь отдельные рекомендации, нуж-
дающиеся в уточнении, дополнении и обобщении. Актуальной также является задача определения влияния основных технологических и конструктивных параметров оснастки и оборудования на качество обработанной режущим инструментом поверхности (или поверхности реза) и стабильность выполнения технологических операций механического резания. Важной задачей остается и исследование силовых факторов процесса резания, значительно влияющих на все элементы системы «объект обработки - лезвие - оборудование - технологическая среда».
Первые работы, посвященные исследованиям механического резания и режущего инструмента, относятся к началу 19 века. В них излагались результаты изучения процесса механической обработки металлов и вопросы стойкости резцов. Работы по исследованию процесса резания неметаллических материалов появились значительно позже и были посвящены в основном обработке древесины, а позднее - и сельскохозяйственных культур [3]. В нашей стране работы по изучению процесса механического резания материалов легкой промышленности проводились, начиная с 30-40-хх годов двадцатого века, в Центральном научно-исследовательском институте кожевенно-обувной промышленности, Московском технологическом институте легкой промышленности, Ленинградском политехническом институте, а также на некоторых передовых предприятиях того времени.
В работах отмечалось, что процесс резания волокнистого материала лезвием механического инструмента можно разделить на 3 этапа. Первый этап характеризуется деформацией сжатия волокон материала в направлении внедрения лезвия и деформацией растяжения в плоскости материала. Началу второго этапа соответствует механическая деструкция («разрыв») волокон под режущей кромкой лезвия. Такое «чистое» резание при дальнейшем углублении лезвия в материал начинает сопровождаться и в конечном счете сменяется сжатием волокон гранями лезвия с их расклиниванием в плоскости материала, что соответствует третьему этапу. Основываясь на таком представлении процесса, ухудшение качества среза волокнистых материалов повышенной толщины и плотности объяснялось образованием перед лезвием опережающего разрыва,
7 распространяющегося по толщине материала. В качестве причин возникновения основных усилий сопротивления резанию назывались вытеснение и смещение участков материала под клином лезвия. Отсюда следует, что снижения величины усилий можно добиться уменьшением угла заострения режущего инструмента. Сведения о возрастании усилия резания с увеличением скорости воздействия лезвия на материал содержатся в работе И.И. Капустина [4].
Отмечалось также, что напряжения разрушения материала при так называемом статическом резании (при скрости резания, близкой к нулю) отличаются (у различных исследователей в большую или меньшую сторону) от напряжений, имеющих место при скоростных режимах резания (так называемое динамическое резание). Уже во второй половине 20 века ставилась задача определения рациональных геометрических параметров резаков для вырубочных прессов во взаимосвязи с установлением усилий резания и скорости их приложения [5]. Результатами проведенных работ являлись в основном эмпирические соотношения между некоторыми параметрами процесса резания, которые, однако, не всегда поддавались теоретическому анализу и зачастую противоречили друг другу.
Оценка усилия резания как одного из основных параметров взаимодействия лезвия с материалом и влияние на величину усилия таких факторов как свойства объекта обработки и геометрия лезвия произведена И.И. Капустиным [4]. В его работе впервые показано, что усилия, возникающие при внедрении лезвия в материал, зависят от физико-механических свойств и толщины последнего, а также от величины затупления режущей кромки, угла заточки лезвия резака и его фрикционных свойств. При увеличении величины затупления кромки лезвия от 0,1 до 0,5 мм усилия резания увеличивались в 3,5 раза, а при изменении угла заострения (заточки) с 10 до 30 - в 1,8 раза. При этом в работе указывается, что чрезмерное уменьшение данных параметров резака ведет к значительному снижению его стойкости.
Относительное снижение исследовательского интереса к процессам механического резания в легкой промышленности в 70-90-хх гг. двадцатого века
8 было связано с совершенствованием соответствующего оборудования и режущих инструментов, в основном зарубежного производства, позволившим значительно улучшить качество обработки материалов резанием. В частности, повышение мощности вырубочных прессов и появление полимерных вырубочных плит (колод) позволило решить задачу неполного прорубания материала (настила) и обеспечить в большинстве случаев требуемую чистоту среза за счет повышения усилия резания и частичного внедрения резака в плиту. Применение готовой предварительно обработанной импортной полосовой стали для резаков, казалось бы, сняло проблему определения рациональной геометрии их лезвий в зависимости от вида материала. Однако использование более совершенных конструкций оборудования и оснастки со временем поставило перед предприятиями новые проблемы, связанные как с выбором оптимальных для конкретных задач (определенных типов материалов) параметров режущих инструментов и оборудования из всего многообразия, представленного в настоящее время на рынке, так и с повышением надежности [6] и стабильности их функционирования при сохранении качества резания и максимальном снижении затрат на проведение технологических операций.
Таким образом, актуальность исследования определена в значительной степени тем, что для современных экономических условий характерно функционирование большого числа конкурентоспособных обувных и кожгаланте-рейных предприятий, быстро реагирующих на изменение потребительского спроса. При этом для большинства из таких предприятий в нашей стране характерным продолжает оставаться наличие «старого наследия» в виде высокой доли оборудования с большими сроками эксплуатации и отсутствием средств для обновления его парка и приобретения комплектующих высокой стоимости, недостаточно развитой ремонтной базы, отсутствия инженерных знаний.
Следовательно, оптимизация выполнения технологических операций механического резания и, в особенности, раскройных операций, составляющих среди них значительную долю, требует решения задач по обеспечению соответствующего технологического и технического уровня процесса производства и, как следствие, его стабильности. Среди путей решения данной проблемы - раз-
9 работка и внедрение рекомендаций и мероприятий, обеспечивающих требуемые условия взаимодействия в системе «материал — лезвие и оснастка — оборудование — технологическая среда».
Актуальность исследования. Большой удельный вес операций с применением механического резания в производстве обуви и кожгалантерейных изделий и, следовательно, величина затрат на подготовку и осуществление соответствующих технологических операций определяют актуальность их исследования и совершенствования на основе обобщения существующих и получения новых теоретических и экспериментальных данных.
Основополагающей в теории резания продолжает оставаться задача аналитического описания взаимодействия режущих инструментов с обрабатываемыми материалами, учитывая показатели их физико-механических свойств и основные технологические параметры управления процессом. Технология резания определяется, с одной стороны, разновидностью режущего инструмента, а с другой - видом и свойствами обрабатываемого материала, влияющими на выбор этого инструмента.
Механическое резание обусловлено сложным взаимодействием лезвия инструмента с материалом в определенной технологической среде. Анализ технологических процессов на предприятиях обувной и кожгалантерейной промышленности показал, что оборудование с механическими режущими инструментами образует устойчивую группу технических средств, с использованием которых производится раскрой материалов на детали и их обработка. Есть все основания полагать, что такое положение сохранится и в будущем. Это свидетельствует об актуальности проведения работ, направленных на совершенствование режущих инструментов и устройств технологических операций резания для расширения их технологических возможностей, повышения работоспособности, производительности труда и качества резания.
Работа выполнялась в рамках научно-технических исследований кафедры технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии по проблеме «Развитие научных основ конструирования и технологии производства швейных изделий и изделий из кожи с применением
10 информационных систем и новых материалов».
Объектом исследования является процесс механического резания материалов с упруго-вязкими свойствами, применяемых для изготовления обуви и кожгалантерейных изделий. Предметом исследования являются технологические операции с использованием вырубания деталей резаками на прессах и раскроя настилов материалов на детали подвижным плоским стержневым ножом, характеризуемые взаимодействием лезвия (режущей кромки) с объектом обработки (материалом или настилом).
Целью исследования является повышение качества выполнения технологических операций механического резания за счет совершенствования процессов взаимодействия режущих инструментов с материалами на основе разработки аналитического описания процессов и создания программного обеспечения. Для реализации цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
изучен и обобщен имеющийся научный опыт по тематике исследования, выявлены качественные и количественные характеристики процесса механического резания, обусловливающие его разновидности и результаты, предложена классификация разновидностей механического резания;
произведен анализ физической сущности и основных закономерностей механического резания с позиций оценки особенностей кинематики и силового взаимодействия в системе «материал - лезвие - оборудование»;
проведены эмпирические исследования деформационных свойств материалов и процессов их взаимодействия с режущими инструментами с последующим анализом данных, их статистической и графоаналитической обработкой;
получены расчетные аналитические выражения и математические модели для определения кинематических и силовых показателей процесса резания обувных и кожгалантерейных материалов с учетом особенностей их свойств при различных параметрах взаимодействия в системе «материал - лезвие -оборудование»;
разработано программное обеспечение графоаналитической и стати-
стической обработки данных, моделирования процесса резания и определения рациональных параметров режущих инструментов;
разработаны методики: определения деформационных свойств материалов при сжатии методом релаксационной спектрометрии, расчета кинематических параметров процесса взаимодействия с материалом ножей раскройных автоматов с наклонной режущей кромкой, компьютерной оценки геометрических параметров лезвий режущих инструментов и оценки их износа, моделирования процесса взаимодействия лезвия и материала;
разработаны и апробированы метод и компьютеризированный комплекс исследования кинематики процесса вырубания деталей на прессах;
обобщены результаты исследований и сформулированы научно-практические основы исследования и моделирования процессов взаимодействия лезвия с объектом обработки, разработаны рекомендации по их аналитическому описанию и совершенствованию.
Методы исследования. Исследование базируется на комплексном подходе к изучению механического резания с использованием: положений теории резания и основ реологии; существующих и новых методик эмпирических исследований, в том числе релаксационной спектрометрии, полуцикловых испытаний материалов на разрушение рубящим и скользящим резанием, сжатием и растяжением, одноцикловых испытаний на сжатие и др.; численных методов графоаналитической обработки данных на ЭВМ; методов математического моделирования и математической статистики; разделов технологии и материаловедения изделий из кожи, а также синтеза технологических решений, направленных на совершенствование исследуемых операций.
Технические средства решения задач. Для решения поставленных задач использованы следующие технические средства:
ЭВМ и исследовательское периферийное оборудование (оптический датчик, микроскоп, сканер);
установка «Relax»;
копер для исследования процесса рубящего резания;
стенд для исследования процесса резания плоским подвижным ножом;
технологическое оборудование ЗАО МОФ «Парижская коммуна» (вы-рубочный пресс ATOMG999 SAB).
Научная новизна работы заключается в:
получении новых экспериментальных данных о деформации материалов и их систем при сжатии и скорости распространении в них деформации;
разработке обобщенной классификации разновидностей механического резания на основе особенностей кинематики взаимодействия режущего инструмента и материала;
предложенной методике расчета параметров взаимодействия ножей с наклонной режущей кромкой с раскраиваемым материалом;
получении аналитических зависимостей работы рубящего резания от величины угла заострения лезвия и горизонтальной составляющей силы резания от амплитуды, частоты колебаний подвижного ножа, а также скорости раскроя;
разработке методики аналитического описания зависимости силы рубящего резания от величины проникновения лезвия в материал;
разработке методики статистического моделирования силовых параметров процесса рубящего резания;
разработке методик применения стандартных периферийных компьютерных устройств для исследования геометрических параметров лезвий режущих инструментов, а также кинематики процесса взаимодействия резака с материалом и оснасткой при вырубании;
получении аналитического описания процесса силового взаимодействия лезвий резаков различных профилей с материалом (настилом);
разработке модели скорости распространения деформации в материале при воздействии на него лезвия с различной скоростью.
Практическую значимость исследования составляют: полученные данные по оценке кинематики и силового взаимодействия режущих инструментов с материалом, разработанные методики проведения исследований и обработки
13 экспериментальных данных, оценки геометрических параметров лезвий, их износа и показателей стабильности выполнения операций, которые необходимы для совершенствования оборудования и оснастки и проектирования нового оборудования, технологических и машинных рабочих процессов; разработанная компьютеризированная система Researcher, позволяющая исследовать кинематические параметры процесса вырубания в производственных условиях; разработанная программа CPG, позволяющая сократить временные затраты на технологическую подготовку вырубочного и раскройного производства.
Результаты работы и их реализация. Исследования проведены в лабораториях кафедры технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии, на ЗАО МОФ «Парижская коммуна». В работе даны новые научно-практические сведения о процессе и технологических операциях механического резания, включающие прошедшие статистическую обработку эмпирические данные, предложенные расчеты и разработанные модели, а также созданное программное обеспечение:
программный комплекс аппроксимации, интерполяции и статистической обработки эмпирических данных («ASPI», разработан при участии И.Р. Татарчука);
программу статистического моделирования параметров процесса механического резания («MCG-Clicking»);
компьютеризированную систему исследования кинематических параметров процесса вырубания («Researcher», разработана совместно с И.Р. Татарчуком);
программу рационального выбора геометрических параметров резаков (CPG).
Полученные результаты внедрены на ЗАО МОФ «Парижская коммуна» и в учебный процесс на кафедре «Технология изделий из кожи» Московского государственного университета дизайна и технологии.
Апробация. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедры ТИК МГУДТ, Всероссийской отраслевой
14 научно-практической конференции «Пути повышения конкурентоспособности товаров легкой промышленности и совершенствования процессов их производства» (Москва, ВВЦ, 22 сентября 2004 г.). Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре технологии изделий из кожи МГУДТ: под грифом УМО опубликован учебник «Технологические процессы производства изделий легкой промышленности. Часть I. (В.Ф.Абрамов, В.В.Костылева, Е.В.Литвин, В.Н.Соколов, И.В.Соколов, И.Р.Татарчук, В.А.Фукин; под ред. В.А.Фукина. -М.: «КноРус», 2003), рекомендованный УМО Легпром для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 55.39.00 -«Технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности».
Публикации. Теоретические предпосылки исследований и их результаты отражены в семнадцати печатных работах. Основные положения проведенных исследований опубликованы в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и по работе в целом, списка использованной литературы, приложений. Объем диссертации составляет 231 страницу, включая 90 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 104 библиографических наименований.
Характеристика операций механического резания и применяемого оборудования в производстве обуви и кожгалантерейных изделий
В обувном и кожевенно-галантерейном производстве можно выделить две основные группы технологических операций с использованием механического резания — операции раскроя различных материалов на детали, и операции обработки деталей и узлов (двоение — выравнивание по толщине, спускание краев, шлифование, взъерошивание) [2].
Раскрой материалов на детали обуви и кожгалантерейных изделий осуществляется преимущественно на электрогидравлических прессах. Режущим инструментом являются резаки, которые наряду с вырубочными плитами или колодами относятся к технологической оснастке раскройного или вырубочного производства. При вырубании резаками материал (настил материала) располагается на вырубочной плите из металла или полимерной колоде, на материал помещается резак (резаки). Местное разделениие материала по контуру лезвия происходит при опускании ударника пресса на резак с необходимым усилием для полного (или частичного) проникновения его лезвия сквозь материал (настил), и последующего некоторого внедрения лезвия в вырубочную плиту (или без него).
Для вырубания деталей небольшого периметра из кожи (преимущественно деталей верха обуви, однако на практике - деталей из различных материалов) используются пресса с консольно закрепленным поворотным ударником, считающиеся наиболее универсальными. На российских обувных и кожгалантерейных предприятиях широкое распространение получили отечественные консольные пресса типа ПВГ-8-2-0, ПКП-10-1, ПКП-16-1 с усилием вырубания соответственно 80, 100 и 160 кН, пресса фирмы АТОМ (Италия) моделей G 999 SAB, S 108-125 и серии SE с усилием вырубания от 80 до 250 кН, а также оборудование фирмы Schon (Германия) серии 8 различных модификаций с усилием вырубания от 80 до 220 кН.
Для вырубания деталей верха обуви и деталей кожгалантерейных изделий из рулонных материалов и их настилов, а также деталей низа обуви обычно используются пресса с траверсным ударником, позволяющие развивать значительно большие усилия по сравнению с консольными. Траверса может осуществлять только рабочее движение вырубания — в этом случае раскройная плита (колода) может иметь перемещение в рабочую зону и из нее - либо дополнительное движение в зону раскроя и из нее (так называемая отводная траверса). В нашей стране траверсные пресса получили наибольшее распространение на предприятиях по выпуску кожгалантерейных изделий, а также комплектующих для обуви, что связано с необходимостью раскроя многослойных настилов ИК, СК резаками больших периметров или материалов низа обуви повышенной толщины и плотности, требующих развития траверсой значительного (до 1000 кН и более) усилия. Среди эксплуатируемого оборудования данного типа значительную долю составляют отечественные пресса типа ПТО-100 (для кожга-лантерейной промышленности, с подвижной траверсой и усилием вырубания 1000 кН), ПВГ-18-1-0 и ПВГ-18-1600 (для вырубания деталей низа), пресса фирмы Schon моделей 2050, 2085, серии 6000 (с усилием вырубания свыше 1000 кН). Для раскроя рулонных материалов на детали небольшого периметра в обувной промышленности все более широко используются траверсные пресса с подвижной кареткой, перемещающейся вдоль траверсы (поперек подачи материала), позволяющие при приблизительно одинаковом с консольными прессами усилии вырубания - от 160 до 250 кН - увеличить производительность труда, показатели использования материала и качество кроя (за счет исключения прогиба траверсы). Преимуществом прессов данного типа (в частности, серии SP 588 и HSP 588 фирмы АТОМ) также являются меньшие, в сравнении с траверсными прессами, габариты, позволяющие сокращать производственные площади.
Существующие конструкции прессов-автоматов (типа Schon серии 2071) для программного раскроя искусственных листовых и рулонных материалов не нашли широкого применения в обувной и кожгалантерейной промышленности, так как для достижения требуемых сроков окупаемости данного оборудования, оснастки и программного обеспечения необходимо осуществлять раскрой больших партий однотипных деталей, что в условиях быстро сменяющегося ассортимента и небольшого объема производственных партий не представляется возможным и нерентабельно.
Операции двоения (выравнивания по толщине) осуществляются на деталях из кожи. Для двоения деталей верха обуви используются машины с ленточными ножами, а для деталей низа - машины с неподвижным плоским пластинчатым ножом, установленным в плоскости подачи материала.
Спускание (утонение) краев на машинах с чашеобразным вращающимся ножом относится к операциям предварительной обработки деталей и производится с целью придания краям профиля определенного вида и толщины. Современное оборудование с компьютерным управлением позволяет получать все необходимые профили спускаемых краев деталей из различных материалов, изменяя кинематические параметры процесса резания.
Взъерошивание (шкурение) производится с целью подготовки поверхности затяжной кромки или деталей низа к нанесению клея. Для взъерошивания используются вращающиеся металические щетки и различный абразивный инструмент.
Шлифование деталей обуви производят с целью выранивания их поверхности, а также подготовки к выполнению отделочных операций. Шлифование производится с использованием абразивного инструмента с мелким зерном.
Методы исследования деформационных свойств обувных и кожгалантерейных материалов
Физико-механические свойства материалов, подвергаемых механическому резанию при производстве обувных и кожгалантерейных изделий, до последнего времени изучались с ориентацией на традиционно установившуюся практику исследования общих свойств материалов [16, 32]. Основные принципы подобной практики заимствованы из таких научных дисциплин, как общее материаловедение и сопротивление материалов. Из этих же дисциплин, кроме методологии, была перенесена и номенклатура исследуемых свойств, в составе которой чаще всего находятся: сопротивление условно упругих материалов разрыву, сжатию, изгибу. Поэтому данные, полученные в результате изучения этих свойств, и напрямую используемые в теории механического резания, отнюдь не всегда удовлетворяют ее задачам, так как требуют учета специфики процесса резания. Кроме того, общепринятые методы исследований не всегда находятся в соответствии с явлениями, имеющими место при механическом резании.
Изменения, происходящие в обувных и кожгалантерейных материалах при их обработке, отражаются прежде всего на подвижности структурных элементов и деформационных свойствах материалов. При резании эти материалы подвергаются различного рода деформациям, достижение критической величины которых характеризуется началом процесса разделения структурных элементов материала по линии реза. Таким образом, первый этап процесса резания характеризуется физико-механическими показателями перехода структуры материала из состояния равновесия в «возбужденное» состояние, а второй - показателями деструкции структурных элементов и их восстановления.
В имеющихся работах по материаловедению и исследованиям деформационных процессов в материалах легкой промышленности, в том числе и при резании, широко представлены данные их деформационных характеристик при растяжении. Исследований же поведения материалов при сжатии было прове 53 дено крайне недостаточно. В то же время именно деформация сжатия в некоторых видах механического резания (в т. ч. при вырубании) является главной [2]. В связи с этим несомненный интерес представляет рассмотрение сжатия как основной деформации при данной разновидности резания.
Деформация сжатия возникает в материале при действии сил, направленных перпендикулярно его плоскости [33]. Основными характеристиками свойств материалов при поперечном сжатии являются: сила - Р, напряжение - а, абсолютная деформация Ah пробы (рис. 2.4): Схема деформирования пробы материала при сжатии В том случае, если при испытании пробы материала о а , определяются дополнительные показатели свойств материалов при сжатии: єпол - полная деформация пробы материала при сжатии при данной нагрузке (напряжении): остаточная деформация, %: є0 =100(А-Л2)/А, где h - толщина пробы материала до испытания; hi - толщина пробы материала после сжатия и отдыха (рис. 2.4); полная деформация, %: єпол=100(/г-/23)//2, где h - толщина пробы материала до испытания, /i3 - толщина пробы при действии заданной нагрузки Р(ст) (рис. 2.4); Материалы, применяемые при производстве изделий легкой промышленности, имеют релаксационный характер поведения при действии внешней силы. В общем случае релаксационными называются протекающие во времени процессы перехода материала (системы материалов) из неравновесного состояния в равновесное [33]. Для качественной и количественной оценки изменений, происходящих в материале при осуществлении на него механического воздействия и после его прекращения, проводят одноцикловые испытания. В этом отношении наибольший интерес для проводимого нами исследования представляет использование метода оценки деформационных свойств материалов на основе компьютерного анализа процесса их нагружения и релаксации [34; 35; 36]. В МГУДТ разработана компьютерная установка «RELAX» (рис. 2.5), реализующая метод релаксационной спектрометрии на практике [37].
Общий вид компьютерного комплекса «RELAX»
Метод релаксационной спектрометрии позволяет выделить три компоненты деформации и рассчитать шесть показателей, наиболее полно описывающих упругие, вязкие и пластические свойства образца материала или системы материалов. Эти данные в целом наиболее полно характеризуют их деформационное поведение, отражают подвижность разнообразных элементов его внутренней макро- и микроструктуры.
С использованием комплекса «RELAX» нами проведены исследования по оценке деформационных свойств обувных материалов и их настилов при сжатии. Установка состоит из персонального компьютера, электромеханического прибора-датчика и электронного блока преобразования сигнала (рис. 2.6). Ис 55 пытываемыи на установке материал зажимается по кольцевому контуру и нагружается по центру индентором - легким стержнем с наконечником, который может свободно перемещаться в вертикальном направлении [36].
Обобщенная расчетная модель силового взаимодействия лезвия с материалом
Согласно [54], существенным технологическим свойством материала является его способность при резании изнашивать лезвия режущих инструментов. Эта способность в общем случае определяется физико-механическими свойствами материала. В обувном и кожевенно-галантерейном производстве при раскрое материалов на прессах важной задачей является повышение надежности резаков. При этом процесс износа лезвий должен рассматриваться с точки зрения физико-механических свойств вырубаемого материала во взаимосвязи с реологическими (упруговязкими, диссипативными) свойствами вырубной осна 99 стки [6], т.е. вырубочных плит или колод. В ходе эксплуатации необходимо осуществлять контроль технического состояния резака. Резак не должен быть деформирован [6].
Износ, вызванный деформацией и деструкцией участков кромки лезвия при взаимодействии лезвия резака с материалом и затем с плитой (колодой), приводит к снижению режущей способности лезвия, так как характеризуется расширением кромки (увеличением показателя затупления кромки 8). Следствием этого является увеличение усилия резания для одного и того же материала, а также ухудшение качества срезов деталей из-за неполного перерезания структурных элементов материала (в особенности кожи, ткани, ИК). В производственных условиях это требует от оператора пресса изменения регулировки нижнего хода ударника для увеличения величины проникновения лезвия резака в колоду, что повышает нагрузку на оборудование и способствует еще более быстрому износу как самого резака, так и вырубочной колоды.
Данные, характеризующие влияние материала и/или оснастки на износ лезвия и изменение его режущей способности, могут быть использованы при разработке лезвий и оснастки (в частности, резаков и вырубочных плит или колод) и материалов для их изготовления. В качестве параметра объективной оценки изнашивающих свойств материалов может быть использован коэффициент изнашивающего действия [54] - отношение количества эталонного материала ?э к количеству исследуемого 2и\ т.е.:
В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, чем больше при прочих равных условиях величина 5 притупления лезвия после известного времени взаимодействия с определенным материалом и/или оснасткой, тем выше коэффициент 4 изнашивающего воздействия последних.
Для практического определения Ъ, можно пользоваться зависимостью [14, 54]: 100 5= (О п+ f50U J где 5Д - действительная острота (величина притупления) лезвия, взаимодействовавшего с эталонным материалом; 5 д — величина притупления после взаимодействия с исследуемым материалом; So - начальная величина притупления перед обработкой эталонного материала; 8 о - начальная величина притупления лезвия перед обработкой исследуемого материала, при проведении исследований желательно, чтобы 80 = 8 о; п - коэффициент, характеризующий нарастание усилия резания при увеличении притупления лезвия, п = ;0,5 « 1,0; 2-т т - показатель уравнения связи усилия резания Ррез и притупления 8: / =5". рез
Для наиболее эффективного экспериментального определения изнашивающего воздействия материалов и оснастки на лезвия режущих инструментов необходимо, чтобы взаимодействие материала и оснастки с лезвием осуществлялось многократно.
Усилие резания Ррез, приложенное к кромке лезвия, может составлять значительную долю общего усилия Ркр, приходящегося на резак при внедрении в материал, и может определяться как произведение площади притупления всей кромки FKp (мм2) на разрушающее контактное напряжение ор (Н/мм2), определяемое эмпирически [14]: р =F а =8А/а , рез кр р р где 8 - ширина притупления кромки лезвия, определяемая методами, которые будут рассмотрены ниже (п. 3.2.1); 101 A/ - общая длина кромки лезвия, взаимодействующей с материалом (для резаков - ножей замкнутого контура - периметр резака); Gp = F1 = 5АҐ СТр = кЪ"" ПРИ Ркр Я Ррез кр где А;- коэффициент; т - показатель степени, определяемый эмпирически. В процессе резания Ррез преодолевает результирующую сумму направленных на кромку элементарных реактивных сил Ер,-, которые лежат в плоскости резания. Сумму сил можно разложить на нормальные и тангенциальные составляющие рп и pt\
Таким образом, при внедрении лезвия в материал нормальные и тангенциальные составляющие усилия Ррез создают сложное растягивающее воздействие и определение зависимости усилия резания под кромкой от величины ее притупления (или остроты) является важной теоретической задачей.
И.П. Капустиным [4] установлен линейный вид аналитической зависимости РрЄз =.Д5) при условии равномерного распределения давления материала на кромку, основываясь на положении о геометрическом подобии между лезвиями с различным притуплением. Однако в некоторых случаях наблюдались и существенные отклонения от линейной зависимости.
Исследования скоростных параметров процесса вырубания на компьютерном комплексе Researcher
Нами исследована кинематика реальной раскройной системы «пресс-резак-материал-вырубочная колода», при этом количественная оценка механического взаимодействия элементов производилась со стороны процесса рабочего перемещения консоли пресса. Исследование предусматривало решение следующих задач: определение кинематического характера процесса перемещения консоли пресса при вырубании деталей; получение параметрического описания зависимости скорости перемещения консоли во времени до взаимодействия с резаком, во время непосредственно процесса рубящего резания и после него.
Для решения вышеизложенных задач исследования использован разработанный нами комплекс Researcher (рис. 4.1), включающий ЭВМ, периферийное оборудование и программу Researcher.
Комплекс позволяет получить объективную оценку взаимодействия обрабатываемых материалов и их систем с ИРО оборудования в реальных производственных условиях с применением общедоступной компьютерной техники, без специализированных устройств {hardware), за исключением крепежных приспособлений для оптического датчика, используемого в манипуляторах «Optical Mouse». Необходимо лишь дополнительное программное обеспечение, требующее минимальных затрат системных ресурсов.
Принципиальная схема механического (машинного) узла компьютеризированной установки Researcher: 1 -консоль пресса; 2 - станина; 3 - вырубочная плита; 4 -материал; 5-резак; 6 -планка; 7-оптический датчик; 8- штатив; 9 -компьютер
Обобщенную схему установки Researcher можно представить в виде двух блоков (узлов) - механического, включающего систему взаимодействующих ИРО пресса (в нашем случае ATOM G.999 SAB (Италия)), и компьютерного, состоящего из портативного компьютера, оптического датчика и предустановленной программы Researcher.
Ниже приводятся минимальные конфигурационные требования для портативного варианта комплекса Researcher. ноутбук на базе Pentium 100 MHz; графический дисплей 11,3" с минимальным разрешением 800x600; не менее 10 МБ свободного места на диске; CD-ROM 6х и более; возможность подключения манипулятора «Optical Mouse».
Исследование кинематических параметров пресса проводились в производственных условиях на ЗАО МОФ «Парижская коммуна» с применением ноутбука Toshiba Satellite 205 CDS и оптическим датчиком манипулятора Genius M/N: Net scroll + Eye PS/2.
Принцип работы программно-аппаратного комплекса заключается в том, что на исполнительные рабочие органы (ИРО) прикрепляется датчик, фиксирующий перемещение ИРО при воздействии на объект обработки. Координаты перемещения ИРО по одной из осей передаются в ЭВМ с учетом временного фактора. В простейшем случае можно использовать непосредственно оптический манипулятор, закрепленный на ИРО, обеспечивая при этом его контакт с некоторой ровной поверхностью (коэффициент трения по которой ничтожно мал) (рис. 4.1). Автор выражает благодарность И.Р. Татарчуку за помощь при разработке использованной нами программы «Researcher», которая реализует возможности манипулятора «Optical Mouse», трансформируя реальное перемещение манипулятора (до 20 мм) в его перемещение в аналоговом окне программы.
Работа примененного в комплексе датчика основана на оптической технологии фиксации перемещения, разработанной компанией Agilent Technologies и представленной в конце 1999 года, которая предполагает использование миниатюрной камеры с частотой захвата изображения не менее 1,5 кГц.
Устройства снятия координат, построенные по данной технологии, способны работать практически с любой поверхностью, и имеют красный светоиз-лучающий диод (LED) (рис. 4.2), свет которого, отражаясь от поверхности, принимается металло-кислым полупроводниковым датчиком изображения (CMOS - электронно-оптический датчик), преобразующим свет в электроны.
Датчик CMOS передает каждое изображение (образ) цифровому процессору обработки сигнала (DSP). Последний работает с частотой 18 MIPS (миллион операций в секунду) и способен обрабатывать изменение характера текущего изображения в сравнении с предыдущим.
Определяя изменения в деталях последовательности изображений, DSP определяет величину перемещения и посылает соответствующие координаты ЭВМ. С использованием полученных координат операционная система компьютера обеспечивает перемещение курсора на графическом дисплее монитора.
Программа, входящая в состав комплекса Researcher, предназначена для исследования перемещения во времени исполнительных рабочих органов машины, в различных плоскостях и направлениях, т.е. их кинематики. Ниже дается описание особенностей интерфейсного решения программы Researcher и порядок работы в программе.
Ввиду нетрадиционного применения датчика оптического манипулятора (и связанной с этим возможной его недоступности) программа Researcher сочетает визуальную наглядность и максимальное использование стандартной клавиатуры ЭВМ. Вся последовательность действий наглядно демонстрируется виртуальными элементами управления: кнопками, панелью инструментов, надписями, но при этом активация каждого из них может осуществляться посредством как самого манипулятора, так и клавиатуры - с использованием так называемых «горячих клавиш» - «НОТKEYS» - F1-F12 и др.
