В одиннадцатой пятилетке предприятия швейной отрасли промышленности должны увеличить выпуск изделий на 18−20% и повысить производительность труда на 16−20%, одновременно улучшить ассортимент и качество швейных изделий /I/. Отмеченные рубежи поставлены с учетом изменений в технологии изготовления швейных изделий и оборудования, которое значительно обновлено в соответствии с техническим перевооружением швейной промышленности в 1981;1985 г. г./80/.
Анализ работы оборудования швейных фабрик, проведенный Всесоюзным научно-исследовательским институтом легкого и текстильного машиностроения /69/ показал, что увеличение скорости работы оборудования как источник повышения производительности труда в основном исчерпал себя.
К числу осваиваемых в швейной отрасли и наиболее преспек-тивных технологий, позволяющих существенно увеличить производительность труда и качество выпускаемой продукции относятся рациональные способы обработки швейных изделий — термоконтактные, ультразвуковые, токами высокой частоты и другие.
В частности, преимущества высокочастотных способов соединения при замене ниточных, особенно когда речь идет о крупносерийном производстве, не вызывают сомнения. Швейные изделия, полученные отмеченным способом, выгодно отличаются от изготовленных традиционными ниточными способами герметичностью, износостойкостью, эстетическим внешним видом.
В настоящее время в швейной отрасли высокочастотные методы получили применение при изготовлении плащей из ПВХ пленок, соединении деталей одежды из недорогих термопластичных материалов, нанесении на швейные изделия эмблем и аппликаций из ПВХ пленок, изготовлении петель одежды. Стабилизация качества сварных соединений при работе с пленочными, а также текстильными материалами из волокон полиамидной и полиэфирной группы с изотропными электрофизическими характеристиками и структурой, достигнутая в настоящее время, стала возможной благодаря работам М. И. Сухарева, Б. Е. Романова, 11.11. Ко кет кина, В. П. Полухина, И.Д.Клет-кина, А. П. Соколова, В. Т. Фаермана, В. Е. Тростянской, Ф.Л.Альтер-Песоцкого, Ф. В. Безменова, И. Г. Федоровой, М. Г. Фирсовой, Н.П.Глу-ханова, Г. В. Рубиняна, В. Б. Марголина и других.
Важно отметить, что интерес к высокочастотной сварке за последнее время возрос и не ограничивается швейной и кожгалан-терейной отраслью промышленности. Поисковые работы по замене ниточных методов высокочастотными ведутся в текстильной промышленности, например в операциях соединения ковровых материалов перед аппретированием, отделке тиснением нетканых материалов (на Клайпедском производственном объединении «Триничяй», Таллинском объединении «Мистра») — в автомобилестроении — при отделке салона автомобиля (Московский АЗЛК).
Дальнейшее расширение технологических возможностей высокочастотных методов в швейной отрасли промышленности возможно при изготовлении аппликаций на всех видах материалов, нанесении декоративных швов, приварке карманов, стежке утепленной одежды, одеял, подкладочных материалов, изготовлении одежды из дублированных материалов, имитации стеганых поверхностей при изготовлении спортивных курток и т. д.
Однако внедрение высокочастотных методов сварки в перечисленных операциях сдерживается из-за высокого процента электрических пробоев материала, дефектов соединений, нестабильной прочности сварных швов. Это объясняется прежде всего тем, что материалы, в отмеченных операциях, существенно неоднородны по структурным и электрофизическим характеристикам, а существующие режимы высокочастотной сварки, как правило, рассчитаны для материалов с однородной структурой.
Разработки передовых отечественных научных школ и отраслевых институтов, в частности, Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института легкой промышленности, Ленинградского технологического института текстильной и легкой промышленности им. С. М. Кирова, Всесоюзного научно-исследовательского института легкого и текстильного машиностроения, Всесоюзного научно-исследовательского института токов высокой частоты им. В. П. Вологдина, Московского научно-исследовательского института лубяных волокон и ряда других, опыт зарубежных исследований позволяет сделать вывод о состоянии вопроса и считать возможным выполнение отмеченных операций в ближайшем будущем.
Актуальность исследования.
Анализ отечественной и зарубежной литературы, научно-технических отчетов по рассматриваемым вопросам показывает, что технологические параметры процесса соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, связаны с физико-электрическими и структурными характеристиками материалов более сложными функциональными связями, чем в случае соединения материалов с изотропной структурой. В то же время разработанные в настоящее время режимы соединения и технологические возможности оборудования не учитывают отмеченных особенностей. Этим, в частности, может быть объяснен высокий процент электрических пробоев (до 40%) при соединении материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ /87, 93/. В этой связи М. И. Сухарев и В. Е. Романов отмечали, что для расширения области использования высокочастотной сварки необходимо обеспечить полное отсутствие случаев пробоя, так как тканевые (как и нетканые) материалы гораздо дороже пленочных /94/.
Мало изучены возможности высокочастотной сварки при изготовлении швейных изделий технического назначения, при соединении термопластичных материалов с нетермопластичными с использованием промежуточных веществ и материалов с высоким фактором потерь, или апретирующих составов, позволяющих уменьшить диссипацию энергии в порах материала и повысить эффективность высокочастотных методов сварки. Практически полное отсутствие методик оптимизации расхода отмеченных веществ и вспомогательных материалов, критериев эффективности использования этих методов высокочастотной сварки ограничивают область ее применения в швейной отрасли.
Важно отметить, что до настоящего времени оптимальные режимы соединения отрабатываются эмпирическим экспериментальным путем. Это вызвано значительным несоответствием теоретических данных, полученных при расчете энергетических соотношений процесса, и экспериментальных, особенно в случае работы с материалами с анизотропной структурой. Перспективы роботизации швейной отрасли предъявляют повышенные требования к средствам автоматического управления технологическим процессом. До настоящего времени сварочные установки, в основном, реализуют «жесткий» прин цип управления, без обратной связи. Известные же устройства, реализующие «гибкий» принцип обратной связи получили применение лишь при работе с ограниченным классом материалов, при выполнении технологических операций на небольших площадях /43, 48, 49/.
Учитывая сказанное, при разработке новых технологических процессов очевидна необходимость комплексного подхода к решению задач.
Цель и задачи исследования
.
Учитывая актуальность поставленных вопросов для швейной отрасли промышленности, целью работы явилась разработка метода соединения деталей швейных изделий из материалов с анизотропной структурой в поле ТБЧ, обеспечивающего качественное соединение, а также разработка критериев качества технологического процесса и оптимальности метода высокочастотной сварки.
Объект исследования — технологический процесс соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТБЧ.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
— определены пути совершенствования технологии соединения деталей швейных изделий в поле ТВЧ;
— выявлены специфические особенности процесса соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ;
— произведен теоретический анализэнергетических соотношений процесса соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, выявлены оптимальные теоретические режимы соединения;
— проверены теоретические предпосылки экспериментальным моделированием режимов соединения;
— проведено математическое моделирование на ЭВМ экстремальных режимов соединения, разработан новый метод соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ;
— разработаны новые критерии качества технологического процесса и оптимальности метода высокочастотной сварки;
— разработаны методики и устройства для определения отмеченных критериев;
— произведена производственная проверка результатов исследования и определен экономический эффект от внедрения результатов работы в производство.
Методика исследований.
Методологической основой работы является марксистско-ленинская теория методов познания, а также припципы, законы и методы диалектического материализма.
На этой основе для решения поставленных задач применена комплексная методика исследований, включающая анализ достижений в исследуемой области, патентный поисктеоретический метод анализа и метод экспериментального моделирования для расчета взаимосвязи технологических параметров процесса и электрофизических характеристик соединяемых материаловметод математического моделирования экстремальных режимов соединения с использованием ЭВМметод конечных элементов для расчета энергетических соотношений процессаметод корреляционно-регрессионного анализа полученных зависимостей.
Основные научные результаты.
1. В результате анализа технологического процесса соединения термопластичных материалов в поле ТВЧ, получены формулы (2.17.) и (2.19.), которые в отличие от известных /II, 39/ позволяют рассчитать энергетические соотношения процесса с учетом термокинетических изменений электрофизических характеристик соединяемых материалов. Полученные автором аналитические выражения подтверждены экспериментом и внедрены в производство (приложение 2).
2. На основании экспериментального исследования характеристик взаимодействия потока электромагнитной энергии с материалами с анизотропной структурой разработаны новые критерии качества технологического процесса и оптимальности метода соединения деталей швейных изделий в поле ТВЧ. Критерий качества технологического процесса, в отличие от известных /17, 43, 48/ основан на сравнений текущих значений характеристик потока электромагнитной энергии с эталонными. Критерий оптимальности метода, в отличие от известных /39, 48/ основан на чувствительности коэффициента отражения электромагнитной волны к электрическим и структурным характеристикам материалов, что позволяет обоснованно принять оптимальный метод соединения материалов в поле ТВЧ.
3. По результатам экспериментального исследования характеристик взаимодействия потока электромагнитной волны с материалами с анизотропной структурой автором получено новое уравнение энергетического баланса (4.7.), которое учитывает термокинетику процесса и характер распределения неоднородностей в структуре материала. Достоверность полученных научных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и практической апробацией (приложение 2).
Участие автора в достижении отмеченных результатов выразилось в разработке методики теоретического и экспериментального исследования взаимодействия электромагнитных волн с материалами резонаторным методом, подготовке образцов к эксперименту, проведении эксперимента с использованием аппаратуры и экспериментальной установки лаборатории электрофизических измерений ЛЭТИ им. Б. И. Ульянова (Ленина), обработке результатов измерений, подготовке материалов к открытой публикации. При исследовании взаимодействия электромагнитных волн с материалами методом открытых волнсвхдов автором разработана методика эксперимента, экспериментальная установка, подготовлены образцы, проведен эксперимент, подготовлены материалы к открытой публикации.
Основные практические результаты.
В результате аналитического и экспериментального исследования процесса высокочастотной сварки материалов с анизотропной структурой получены следующие практические результаты.
1. Автором разработана оригинальная методика эксперимента и экспериментальная установка, позволившие получить результаты, которые в отличие от известных /48, 78/ устанавливают функциональную связь между технологическими параметрами оборудования и электрофизическими характеристиками материалов (). Полученные практические результаты подтвердили вывод аналитического исследования о зависимости технологического режима высокочастотной сварки от характера измерения электрофизических и структурных характеристик материалов в процессе соединения в поле ТВЧ.
2. На основании анализа существующих методик машинного проектирования высокочастотных установок, разработанных ВНИИТВЧ, автором предложена оригинальная методика расчета оптимальных режимов соединения деталей швейных изделий из материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, которая в отличие от известных /54/ основана на анализе экстремальных режимов соединения и позволяет использовать стандартные программы.
3. В результате анализа экстремальных режимов соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, разработан новый способ соединения материалов, отличающийся от известных /100, 48/ тем, что учитывает корреляцию электрофизических, структурных характеристик соединяемых материалов и технологических параметров оборудования. Способ защищен авторским свидетельством /32/. Участие автора в достижении отмеченного результата выразилось в разработке основных отличительных признаков способа, в проведении патентных исследований, в проведении производственных испытаний способа, оформлении материалов в Госкомизобрете-ний.
4. На экспериментальной установке лаборатории электрофизических измерений ЛЭТИ автором установлен частотный диапазон длин волн, в котором чувствительность потока мощности электромагнитной энергии к электрофизическим и структурным характеристикам материалов наибольшая (диапазон сантиметровых и миллиметровых длин волн). Это позволило разработать экспресс-метод для определения характера распределения неоднородностей в структуре материала, отличающийся от известных /39, 100/ высокой чувствительностью не только к физикоэлектрическим характеристикам материалов, но и к оптическим. Автором разработана методика, проведен эксперимент, обработаны экспериментальные данные методами математической статистики, разработан экспресс-метод определения характера распределения неоднородностей в структуре материала.
5. Разработана методика определения оптимального расхода веществ с высоким фактором электрических потерь (используемых в случае соединения материалов с низкими электрическими характеристиками), внедренная в производство на Клайпедской фабрике хлопчатобумажных тканей «Гульбе». Отмеченная методика позволила разработать оригинальный сспособ соединения материалов с высокими электрическими характеристиками и значительной пористостью (размер пор > 50 мкм), которая в отличие от известных /59,60, 61/ позволяет использовать вещества с низким фатором потерь (изменяющими структуру пористости материала и степень диссипации электрического поля), что позволяет эффективнее использовать естественные электрофизическими характеристики соединяемых материалов. Для достижения отмеченного результата автором разработана оригинальная методика эксперимента и экспериментальная установка для исследования электрофизических и структурных характеристик материалов методом открытых волноводов, созданы модели материалов с заданным характером распределения неоднородностей.
6. Автором разработано оригинальное устройство автоматического управления процессом высокочастотной сварки, отличающееся от известных /16, 62/ тем, что позволяет осуществить контроль за состоянием структуры материала в зоне соединения, при этом реализован принцип гибкой обратной связи. Устройство защищено авторским свидетельством /33/, испытано в условиях производства, принято к внедрению Вильнюсской кожевенно-галантерейной фабрикой (приложение 2). В процессе работы над устройством автором разработан способ автоматического управления процессом высокочастотной сварки, отличающийся от известных тем, что позволяет использовать высокочастотный генератор в двух режимах — сварки и контроля. Способ защищен авторским свидетельством /89/.
Апробация работы.
Результаты работы доложены и одобрены на республиканской конференции «Механизация и автоматизация управления и производственных процессов». Каунас, ИЛИ, 1981, на республиканской конференции «Развитие технических наук в республике и перспективы использования их результатов», Каунас, К1Ш, 1982. В полном объеме диссертация доложена с положительной оценкой на совместном заседании кафедр автоматизации химико-технологических процессов и технологии одежды НТШИ1 в декабре 1983 г., на заседании кафедры технологии швейных изделий Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института легкой промышленности в апреле 1984 года.
По результатам работы опубликовано шесть статей, защищено три авторских свидетельства, опубликованы тезисы трех республиканских конференций.
5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.
1. На основании анализа отечественной и патентной литературы определены основные направления совершенствования технологии соединения деталей швейных изделий в поле ТВЧ. Впервые проведена классификация технологических методов соединения деталей швейных изделий в поле ТВЧ, которая в отличие от известных /80, 100/ основана на технологических особенностях оборудования и процесса высокочастотной сварки материалов.
2. В результате теоретического анализа факторов, влияющих на качество технологического процесса сварки деталей швейных изделий из материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, сделана предпосылка о существовании корреляции между характеристиками сжимаемости волокон в массе, воздухоудерживающими свойствами волокон и показателями качества технологического процесса.
3. Проведено аналитическое исследование термокинетики процесса соединения материалов в поле ТВЧ, позволившее получить уравнения (2.17.) и (2.19.), для определения удельной мощности, выделяющейся в материале, с учетом изменения электрических характеристик материалов. Теоретически доказана необходимость.
разделения процесса соединения на стадии, с понижением напряженности электрического поля в заключительной стадии процесса /88/.
4. Впервые разработаны оригинальная установка и методика, позволившие установить функциональные зависимости между электрическими характеристиками материалов и технологическим режимом работы оборудования, в частности, величиной удельного давления электрода на материал /85/. Экспериментально подтверждена теоретическая предпосылка о существовании корреляции между сжимаемостью, воздухоудерживающими характеристиками волокон в массе и показателями качества технологического процесса.
5. На базе стандартного оборудования разработана оригинальная методика и экспериментальная установка для определения показателя дефектности соединения материалов в поле ТВЧ. Это позволило установить зависимость дефектов соединений от величины удельного давления электрода на материал, сделать вывод о том, что оптимальное давление, с точки зрения прочностных характеристик, может явиться причиной высокого показателя дефектности соединений. Анализ полученных зависимостей, выполненный с использованием метода конечных элементов посредством математического моделирования экстремальных режимов соединения на ЭВМ позволил научно объяснить преобладающий механизм образования дефектов соединения. Установлено, что при минимальных давлениях неоднородность электрического поля в материалах с анизотропной структурой в среднем в 2,19 раза выше, чем при максимальных, при минимальном давлении преобладает механизм электрического пробоя материалов, при максимальном — термической деструкции. Экспериментально подтверждена теоретическая предпосылка о необходимости разделения процесса соединения на стадии.
6. По результатам анализа математической модели экстремальных режимов сварки материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ, разработан новый метод соединения материалов в поле ТВЧ, защищенный авторским свидетельством /32/ отличающийся тем, что режим соединения учитывает закономерность изменения электрических и структурных характеристик материалов.
7. На основании экспериментального исследования характеристик взаимодействия потока электромагнитной энергии с материалами с анизотропной структурой разработаны новые критерии качества технологического процесса и оптимальности метода высокочастотной сварки. Разработан экспресс-метод определения этих критериев. Критерий качества технологического процесса в отличие от известных /17, 43, 48/ основан на сравнении текущих значений характеристик потока электромагнитной энергии с эталонными. Критерий оптимальности метода, в отличие от известных /39, 48/ основан на чувствительности коэффициента отражения электромагнитной волны к электрическим и структурным характеристикам материалов, что позволяет обоснованно принять оптимальный метод соединения материалов в поле ТВЧ.
8. По результатам экспериментального исследования характеристик взаимодействия потока электромагнитной энергии с материалами с анизотропной структурой получено новое уравнение энергетического баланса (4.7.), которое учитывает термокинетику процесса и характер рапределения неоднородностей в структуре материала. Это позволило разработать и внедрить на Московском АЗЛК методику расчета энергетических соотношений процесса соединения материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ (приложение 2).
9. Экспериментальная установка для исследования характеристик взаимодействия потока электромагнитной энергии с материалами с анизотропной структурой реализована в устройстве автоматического управления процессом сварки материалов в поле ТВЧ, которое испытано в условиях производства, защищено авторским свидетельством/33/, принято к внедрению на Вильнюсской кожевенно-га-лантерейной фабрике (приложение 2).
На Клайпедской фабрике хлопчатобумажных тканей внедрена методика оптимизации расхода апретирующих покрытий, наносимых на материалы с высокой пористостью, перед сваркой в поле ТВЧ, при этом с помощью критерия оптимальности метода «¡-^установлен оптимальный расход апрета. Экономический эффект от внедрения опытной партии материалов с оптимизированным расходом апрета составил 1200 рублей.
На Московском автомобильном заводе им. Ленинского Комсомола (АЗЛК) в швейном цехе отделки салона автомобиля внедрена теоретическая методика расчета энергетических соотношений процесса соединения деталей швейных изделий технического назначения из материалов с анизотропной структурой в поле ТВЧ. Принят к внедрению в 1984 году разработанный способ соединения (а.с. 950 831) (основаниеОРГТЕХПРОМПЛАН АЗЛК), ожидаемый экономический эффект от внедрения способа, полученный за счет снижения пробоев материалов с 10% до 1% (с учетом случайных дефектов), обоснованный результатами производственных испытаний, составит 140 тыс. руб. в год.