Исследование технологических операций механического резания в производстве обуви и кожгалантерейных изделий

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 процессудеформационно-прочностными свойствами материалатипом и характеристиками режущего инструмента (оснастки) и оборудованияхарактером и параметрами деформационно-разрушающего воздействияособенностями 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, нуждающиеся 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, 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 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 — разработка 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 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 — лезвиеоборудование»;

— разработано программное обеспечение графоаналитической и статистической 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 реологиисуществующих 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 ЭВМметодов математического моделирования и математической статистикиразделов 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 ATOM G999 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 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 процессовразработанная компьютеризированная система Researcher, позволяющая исследовать кинематические параметры процесса вырубания в производственных условияхразработанная 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. Татар-чуком);

— 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 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. Фукинпод 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.

14.Результаты работы имеют экономический эффект, выражающийся в увеличении долговечности режущих инструментов и оснастки, снижении временных затрат на технологическую подготовку производства.