Развитие теоретических основ литьевых методов в обувном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад к диссертации по теме:

Развитие теоретических основ литьевых методов в обувном производстве

Актуальность темы

Стратегическим направлением реформирования отечественного обувного производства является вывод отрасли на мировой технологический уровень в рамках четко продуманной научно-технической программы [1]. Это предусматривает скорейшее внедрение и развитие перспективных технологий и методов, в том числе литьевого метода формования низа на обуви, отдельных ее деталей и узлов.

По заключению специалистов в области переработки полимеров литье под давлением имеет устойчивую тенденцию дальнейшего развития и расширения области применения в различных отраслях промышленности [2]. В обувном производстве литьевое формование интенсивно развивалось - в 50-90 годы и, использовав достижения метода в промышленности переработки пластмасс, приобрело специфические особенности. В настоящее время производители обуви и ее комплектующих располагают высокопроизводительным оборудованием и широким ассортиментом технологичных полимерных композиций [3,4].

Однако возможности литья под давлением используются не полностью из-за специфических проблем производства обуви. Так, особенностью обувного производства является многообразие и частая смена моделей и фасонов обуви, что требует оперативной замены парка формующей оснастки. Современные технологии позволяют в кратчайшие сроки изготавливать литьевые формы, но при этом обычно необходима экспериментальная доводка оснастки и подбор технологических режимов литья. Нередки случаи, когда отработанные режимы литьевого формования подошв или низа на обувь оказывались неприемлемыми для формования идентичных изделий, отличающихся от первых лишь отдельными элементами (конфигурацией и толщиной, декоративным оформлением, профилем рифлений ходовой части). Это свидетельствует о недостаточном знании процессов, происходящих при заполнении литьевых форм и формовании изделий.

В этой связи уместно привести замечание одного из основоположников теории процессов переработки полимеров Э. Бернхардта [5]. Он писал, что литье под давлением во многом основывалось на практическом опыте, развивалось интуитивно, скорее как искусство. Несмотря па огромные достижения в разработке теоретических основ литьевого формования за последние десятилетия, это замечание остается справедливым и в настоящее время. Добавим, что оно в большей мере относится под давлением в производстве обуви, особенностью которого является широкий и часто сменяющийся ассортимент формуемых изделий.

Естественно, что полагаться только на практический опыт и тем более интуицию - ненадежная основа организации технологического процесса литьевого формования. Обсуждаемая проблема особенно остро стоит при прямом литье низа на обувь. При формовании подошв в формах с неудачно спроектированной литниковой системой или оформляющими элементами изготовления изделий без видимых дефектов можно добиться повышением давления литья. Однако при прямом литье низа на обувь такая возможность ограничена. Это обусловлено отсутствием силового замыкания литьевой колодки с полуматрицами и невозможностью обеспечения гарантированной герметизации полости формы. Последнее приводит к выпрессовкам, что снижает эффективность высокопроизводительного литьевого метода крепления низа обуви. За последние десятилетия на основе теоретических исследований процесса разработаны методы расчета параметров литьевой оснастки и определения режимов формования [6, 7]. Тем не менее, расчетные методы базируются на значительно упрощающих реальный процесс теоретических данных и эмпирических зависимостях. Это и понятно, поскольку процесс литья определяется чрезвычайно многочисленными факторами, многие из которых, в том числе затвердевание расплава при заполнении формы, трудно поддаются математическому описанию. Поэтому расчетные результаты не гарантируют необходимую точность, вследствие чего при освоении новых форм требуется их экспериментальная доводка и корректировка параметров процесса.

В этой связи необходимо развитие теоретических положений процесса затвердевания расплавов в охлаждаемых элементах литьевых форм с целью создания надежной основы расчета оснастки и оптимизации параметров процесса.

В последние годы за счет рецептурной модификации полимерных материалов для обуви получены композиции с высокими технологическими и механическими свойствами [4]. При этом проблеме влияния условий литьевого формования и оформления литьевых изделий на их свойства уделено значительно меньшее внимание. Имеющиеся исследования в этой области [810] носят технологический характер и решают локальные задачи. Между тем, в промышленности переработки пластмасс эти вопросы исследованы достаточно всесторонне [7,11,12].

Такое положение дел отчасти обусловлено все еще распространенным мнением, что процесс литья можно считать удовлетворительным, если изделия легко формуются, имеют хороший внешний вид и обеспечивают достаточную прочность клеевого (или литьевого) крепления. Некоторые исследователи и, особенно, практики считают, что для пластифицированных подошвенных композиций определяющим фактором свойств изделий является рецептурный, а условия литья оказывают на них несущественное влияние.

Однако более глубокий анализ процесса литьевого формования свидетельствует о том, что эффективность метода можно существенно повысить не только за счет рецептурных приемов. Параллельным направлением совершенствования процесса является всесторонний анализ и оптимизация условий литьевого формования, принимая в качестве критерия не только формуемость композиций, внешний вид изделий, но и их механические и функциональные характеристики.

Для формованных подошв важнейшей проблемой является повышение адгезионной способности поверхности их клеевого крепления. Исследования условий литья пластмассовых изделий [7,13,14], а также механизма формирования поверхности полимерных материалов [15] указывают на возможности повышения адгезионной способности формованных подошв путем регулирования параметров литьевого формования.

Таким образом, всесторонний анализ условий литьевого формования - важный и пока не реализованный резерв оптимизации свойств деталей обуви и повышения адгезионной способности поверхности изделий.

До сих пор неопределенной остается возможность вторичного использования подошвенных композиций. Между тем в других отраслях промышленности, использующих полимерные материалы, этой проблеме, имеющей не только экономическое, но и важное экологическое значение, посвящены многочисленные работы [16].Применение литьевых методов крепления низа внесло в технологию обуви разнообразные новации и оригинальные решения. Однако внедрение многих технологических новинок тормозится из-за отсутствия научной базы обеспечения прочности литьевых соединений обувных материалов. Если проблеме прочности клеевого крепления посвящено большое количество фундаментальных исследований [17-25], то литьевым соединениям уделено значительно меньшее внимание. Отчасти это обусловлено сходством процессов клеевого и литьевого креплений. Поэтому в практике прямого литья руководствуются теоретическими положениями и рекомендациями, разработанными для клеевого крепления. Однако процессы формирования адгезионной связи при клеевом и литьевом креплениях различаются, и многие рекомендации обеспечения прочности склеивания неприемлемы для литьевых соединений.

В обуви литьевых методов крепления применяют разнообразные системы материалов верха и низа. При этом расширение ассортимента материалов верха сдерживается отсутствием систематизированных данных об их способности образовывать прочные адгезионные соединения при прямом литье. Имеющиеся данные о специфической адгезии при склеивании материалов [17,20,26] не могут однозначно ее характеризовать в литьевых соединениях.

Исходя из сущности процесса прямого литья, очевидно, что прочность литьевого крепления существенно зависит от механической составляющей адгезии. Для выявления механизма этой составляющей необходимы теоретические представления о процессе диффундирования полимерных расплавов в волокнистую структуру материалов верха. Применительно к прямому литью отсутствуют теоретические положения об этом процессе, а представления о механической адгезионной связи основаны на визуальных наблюдениях и эмпирических данных.

Надежное прогнозирование прочности литьевых соединений немыслимо без математических моделей, характеризующих адгезионную связь в функции основных параметров процесса прямого литья и свойств соединяемых материалов. Построение теоретической модели на сегодняшнем этапе развития теорий адгезии, естественно, невозможно; эта проблема остается пока нерешенной и для клеевых соединений. Однако подобные задачи успешно решаются с применением экспериментально-статистических методов [17,19,25], которые целесообразно использовать и для разработки моделей прочности литьевых соединений.

Препятствиями для более широкого применения прямого литья являются: невысокая формоустойчивость обуви параллельных способов формования заготовок верха на литьевых колодках; трудности взъерошивания контура заготовок верха, одетых на литьевую колодку; образование выирессовок вследствие колебания толщины пакета материалов верха; невысокая прочность литьевого крепления к некоторым рыхлым материалам верха. Хотя и очевидна целесообразность производства обуви шнуровой затяжки литьевого метода крепления низа, до сих пор отсутствуют эффективные способы шнуровой затяжки на литьевых колодках.

Эти обстоятельства требуют разработки новых технологий и способов литьевого крепления низа, устраняющих отмеченные недостатки метода и повышающих его эффективность.

На основании изложенного вытекает необходимость и актуальность углубления и развития теоретических основ метода литья под давлением в производстве обуви, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью работы является совершенствование технологий литьевого формования в производстве обуви на базе развития теоретических основ метода.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: обоснование моделей течения затвердевающих полимерных жидкостей в каналах литьевой оснастки; теоретическое исследование процесса затвердевания полимерных расплавов в элементах формующего инструмента и выявление взаимосвязи основных параметров заполнения литьевых форм; совершенствование метода расчета элементов формующего инструмента и параметров литьевого формования; методологические аспекты анализа и оптимизации свойств формованных деталей обуви; разработка путей повышения адгезионной способности поверхностей литьевых деталей обуви; исследование свойств многократно переработанных подошвенных композиций; выявление механизма формирования литьевых соединений обувных материалов; создание математических моделей прогнозирования прочности литьевого крепления низа обуви; разработка основных направлений совершенствования технологий литьевого формования в производстве обуви.

Методология и методы исследования

Методология исследований базируется на теоретических основах переработки полимеров, современных теоретических представлениях об явлении адгезии, научных основах формирования поверхности полимерных материалов, теории « теплопроводности, методах математической физики, элементах теории вероятностей и математической статистики, математических методах планирования и анализа эксперимента.

Исследования физико-механических свойств литьевых изделий и прочности литьевых соединении проводили разрушающими методами в соответствии с нормативно-технической документацией. Для микроскопического анализа объектов исследования применялась оптическая и электронная микроскопия с использованием лабораторной базы института химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Объекты исследований: процесс затвердевания полимерных расплавов при заполнении литьевых форм, элементы формующего инструмента и параметры литьевого формования, формованные детали обуви, технологические отходы подошвенных композиций, литьевые соединения обувных материалов, технологии литьевого формования в производстве обуви. Научная новизна работы заключается в следующих положениях, которые выносятся на защиту: теоретических моделях затвердевания полимерных жидкостей в литьевой оснастке, устанавливающих взаимосвязь основных факторов процесса; закономерностях предельного времени течения затвердевающих жидкостей; методологии анализа и оптимизации свойств формованных деталей обуви; теоретическом обосновании путей повышения адгезионной способности поверхности деталей низа обуви на стадии их литьевого формования; теоретических представлениях о процессе формирования литьевых соединений обувных материалов; математических моделях прогнозирования прочности литьевого крепления низа обуви; обосновании основных направлений совершенствования технологий литьевого формования в производстве обуви.

Достоверность научных положений работы подтверждается сопоставлением теоретических результатов с известными, которые получили всеобщее признание, экспериментальными исследованиями, эффективностью внедренных в производство технологий, разработанных на основе теоретических обобщений диссертации.

Практическое значение работы

На основе научных результатов работы решен комплекс проблем прикладного характера, что позволило устранить большинство принципиальных недостатков литья под давлением в производстве обуви и повысить эффективность метода. Основными практическими результатами работы являются следующие: номограммный метод расчета параметров оснастки и режимов литьевого формования деталей обуви; методы оптимизации свойств формованных деталей обуви на основе предъявляемых к ним и к обуви в целом требований; способы повышения адгезионной способности поверхности литьевых подошв в зоне их клеевого крепления к верху обуви; рекомендации по использованию вторичных подошвенных композиций при литьевом формовании подошв и прямом литье низа на обувь; способы и устройства для повышения прочности литьевого крепления пористого низа к обуви; способы предотвращения выпрессовок при одновременном повышении прочности литьевого крепления низа к обуви из кож с лицевым покрытием; технология прямого литья низа на обувь из материалов верха, не обеспечивающих достаточную прочность литьевого крепления; способы повышения формоустойчивости обуви литьевых методов крепления низа.

Реализация результатов работы. Научные положения работы применимы как для решения общих проблем совершенствования процессов литьевого формования, так и частных задач технологического характера. К ним относятся: номограммный метод расчета элементов оснастки; метод оптимизации свойств формованных подошв; повышение адгезионной способности поверхности формованных деталей низа; рекомендации по использованию технологических отходов подошвенных композиций; расчетные методы прогнозирования прочности литьевого крепления низа обуви; способы предотвращения выпрессовок и повышения прочности литьевого крепления; решение проблемы обеспечения прочности крепления пористого низа обуви; технология прямого литья низа на обувь, предусматривающая двукратное нанесение клеевого слоя и его термоактивацию перед приливанием низа; технология производства обуви шнуровой затяжки литьевого метода крепления низа.

Практическая значимость работы подтверждена применением разработанных технологий, способов и устройств при литьевом формовании подошв из термоэластопластов на ЗАО СОК «Вестфалика» и при прямом литье низа на обувь на ЗАО «Коре» (г. Новосибирск). Суммарный годовой экономический эффект реализованных разработок составил 1 млн. 76 тыс. рублей, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Помимо решения отдельных задач результаты работы определяют перспективные направления совершенствования литьевых методов в производстве обуви и с этих позиций являются методологической базой развития литьевого формования в отрасли.

Теоретические положения и прикладные разработки широко используются в учебном процессе, в частности, в лекционных курсах «Технология изделий из кожи», «Основы переработки полимерных материалов»; «Технологические процессы производства изделий из кожи», в курсовом и дипломном проектировании по специальности 281100 «Технология изделий из кожи», составляют основу авторского курса лекций «Полимеры в изделиях из кожи». Личный вклад автора состоит в постановке и обосновании проблемы, разработке идей работы, проведении теоретических исследований, постановке экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении, организации внедрения на предприятиях прикладных разработок. Автору принадлежат основные идеи работ, опубликованных в соавторстве, и теоретическое обобщение их результатов.

Апробация работы и публикации

Основные положения, идеи и результаты работы доложены и получили положительную оценку на внутривузовских, региональных, всероссийских и международных конференциях, семинарах и симпозиумах в 1991-2003 годах. Основные положения диссертации опубликованы в 64 научных работах, среди которых монография, учебное пособие и 8 авторских свидетельств и патентов. обувь производство литье адгезионный выпрессовка

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников и приложения. Диссертация изложена на 290 страницах основного текста, включающего 115 рисунков и 22 таблицы. Библиографический список содержит 224 источника.

Выводы по главе:

1. Определены и систематизированы факторы образования выпрессовок при прямом литье низа на обувь, выявлены условия их появления. Установлена эмпирическая зависимость условий образования выпрессовок от режимов прямого литья, являющаяся инструментом для их предотвращения технологическими приемами.

2. Разработаны и апробированы в производственных условиях способы предотвращения выпрессовок при одновременном повышении на 18-20% прочности литьевого крепления низа к обуви из кож с лицевым покрытием. Предлагаемые способы, защищенные патентами РФ, исключают образование выпрессовок независимо от колебаний толщины пакета материалов верха обуви, что позволяет применять повышенные температуру литья и давление формования для увеличения прочности литьевого крепления низа.

3. Предложен и апробирован способ производства обуви литьевого метода крепления низа, повышающий формоустойчивость обуви за счет дополнительного этапа формования заготовки верха на литьевой колодке при смыкании полости формы.

4. На основе выявленных особенностей формирования адгезионного контакта литьевых соединений решена проблема обеспечения прочности литьевого крепления пористого низа обуви. Разработан способ прямого литья пористых подошвенных композиций, заключающийся в обеспечении свободного удаления воздуха и порообразующих газов из полости формы, которые препятствуют формированию прочного адгезионного контакта скрепляемых материалов. Установлено, что прочность литьевого крепления пористых композиций по предложенному способу в сравнении с действующей технологией повышается на 11-22%.

5. Разработан способ повышения прочности литьевого крепления низа обуви к материалам верха, имеющим низкую адгезионную способность. Способ заключается в двукратном нанесении клея на материалы верха в регламентированных темпом работы литьевых агрегатов временных рамках с возможностью интенсифицированной сушки клеевого слоя и его термоактивации перед приливанием низа.

Для реализации способа разработан технологический процесс работы многопозиционных литьевых агрегатов. Апробация предложенного способа показала возможность повышения прочности литьевого крепления на 27-167% в зависимости от материала верха.

6. Показаны пути совершенствования технологии прямого литья низа на обувь шнуровой затяжки и предложен способ ее реализации на современных литьевых агрегатах. Способ значительно облегчает процесс шнуровой затяжки, не требует специального оборудования и имеет широкие возможности регулирования усилия формования, что повышает формоустойчивость обуви и расширяет ассортимент материалов верха.

На предприятиях отрасли внедрены технологии: прямого литья низа обуви из кож с лицевым покрытием; обеспечения высокой прочности литьевого крепления пористого низа; предотвращения выпрессовок; повышения прочности литьевых соединений материалов верха низкой адгезионной способности.

Заключение

К настоящему времени литье под давлением в производстве обуви располагает современным техническим оснащением и широким ассортиментом полимерных композиций. Успехи метода в отрасли достигнуты, в основном, благодаря теоретическим основам переработки полимеров и научным положениям процесса склеивания. При этом очевидно, что развитие литьевого формования и реализация его потенциальных возможностей сдерживается отсутствием научной базы, учитывающей специфику обуви, технологию ее изготовления и особенности кожевенно-обувных материалов.

Цель, поставленная в настоящей работе, предопределила рассмотрение разнотипных, на первый взгляд, проблем. Однако это оказалось необходимым для создания научных основ развития литьевого формования и устранения принципиальных недостатков метода в обувном производстве.

При решении поставленных задач в работе получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Обоснованы и введены в рассмотрение модели течения затвердевающих полимерных жидкостей в каналах литьевой оснастки. Показано, что известные режимы течения с постоянной объемной скоростью и при постоянном давлении на входе в канал представляют собой крайние случаи реального течения. Предложенные модели квалифицированны в работе, как промежуточные режимы, которые в большей степени соответствуют реальному течению жидкостей в условиях их затвердевания.

2. Поставлена и решена теоретическая задача процесса затвердевания полимерных жидкостей в плоскощелевом и круглом каналах с учетом нестационарности процесса, конвективной теплопередачи из-за вынужденного течения, теплопроводности через стенки каналов, диссипативного разогрева в потоке и индекса течения жидкости. Отличие полученных результатов от известных состоит, во-первых, в выявлении основополагающих факторов процесса затвердевания (обобщенные параметры охлаждения жидкости и конвективной теплопередачи) и получении качественной картины влияния на исследуемый процесс диссипативного фактора и индекса течения. Во-вторых, в установленных закономерностях затвердевания жидкости при течении в известных крайних и предложенных в работе промежуточных режимах.

3. Установлены закономерности предельного времени течения затвердевающих жидкостей и определены условия их полного затвердевания при течении в различных режимах. Для движущихся жидкостей такая задача решена впервые, а выявленные закономерности представляют не только общетеоретический интерес, но и имеют прикладное значение для многих отраслей техники.

4. Выполнена программа экспериментальной оценки полученных теоретических результатов. Эта оценка показала, во-первых, удовлетворительную для подобных задач сходимость теоретических и экспериментальных данных, и, во-вторых, большее соответствие реальному процессу теоретических результатов для предложенных в работе промежуточных моделей течения.

5. На основе теоретических данных о процессе затвердевания полимерных жидкостей разработан монограммный метод расчета параметров оснастки и режимов литьевого формования. Номограммы наглядно иллюстрируют взаимосвязь исходных для расчета и искомых параметров, значительно облегчают необходимые расчеты и повышают их точность.

6. Установлены закономерности влияния режимов литьевого формования и геометрических параметров деталей низа на механические свойства изделий и их анизотропию. Полученные данные являются методической базой для оптимизации свойств формованных деталей обуви и проектирования элементов оснастки.

7. Установлено влияние структуры поверхностного слоя в формованных подошвах на прочность их клеевого крепления к верху обуви. Показано, что формирование структуры поверхностного слоя и дефектных поверхностных образований определяется режимами литьевого формования. Установлена возможность повышения прочности клеевого крепления подошв на 11-23% за счет целенаправленного регулирования режимов литья под давлением. Предложен способ повышения адгезионной способности подошв из термоэластопластов путем создания при литьевом формовании рельефной поверхности в зоне крепления к верху обуви.

8. Изучены закономерности изменения свойств подошвенных композиций в процессе многократной переработки. Установлено, что существенно ухудшаются показатели свойств изделий из вторичных композиций лишь при многоцикловых испытаниях образцов. Однако такие важные показатели, как прочность литьевого и клеевого крепления, повышаются вплоть до трех-пятикратной переработки. Показано, что при соответствующей гомогенизации вторичных композиций с исходным сырьем смеси могут использоваться для формования ответственных деталей низа обуви.

9. Систематизированы факторы прочности литьевых соединений обувных материалов и определены регулируемые и флуктуационные (нерегулируемые) параметры формирования адгезионной связи. Проведен вероятностный анализ ослабления прочности литьевого крепления, обусловленной флуктуационными параметрами процесса литья низа на обувь.

10. Установлено, что особенностью гетерогенной системы литьевых соединений является проникновение расплава подошвенных композиций в волокнистую структуру материалов верха с образованием механической адгезионной связи. Разработана математическая модель диффундирования подошвенного полимера в поверхностную структуру верха при прямом литье низа на обувь, установлена качественная картина процесса и параметры, определяющие глубину проникновения. Изучен характер адгезионного контакта в литьевых соединениях различных систем обувных материалов и определены параметры механической адгезии.

11. Разработаны математические модели прогнозирования прочности литьевых соединений обувных материалов. Установлены закономерности влияния на прочность литьевого крепления наиболее значимых факторов - температуры литья, давления формования, структуры материалов верха и низа обуви. Предложенные математические модели расширяют теоретические представления о процессе формирования литьевых соединений и позволяют прогнозировать прочность литьевого крепления низа к верху обуви.

12. Определены приоритетные направления совершенствования технологий прямого литья низа обуви, устраняющие основные недостатки метода и повышающие его эффективность. Разработаны новые технологии, способы и устройства, которые успешно апробированы в производственных условиях. На предприятиях отрасли внедрены: технология изготовления обуви из кож с лицевым покрытием строчечно-литьевого метода крепления низа; способы предотвращения выпрессовок; технология повышения прочности литьевого крепления пористого низа обуви и материалов верха низкой адгезионной способности. Годовой экономический эффект внедренных разработок составил 1 млн. 76 тыс. рублей.

При разработке прикладных задач совершенствования технологий прямого литья низа на обувь получено 8 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Теоретические результаты работы имеют не только отраслевое значение. Анализ процесса затвердевания жидкостей, текущих в охлаждаемых каналах, имеет общетеоретическое значение, а его результаты представляют интерес для криогенной техники, транспортировки текучих систем, различных методов переработки полимеров. Номограммный метод расчета элементов литьевой оснастки и режимов формования, подход к оптимизации свойств литьевых изделий и повышению адгезионной способности их поверхности применимы для совершенствования процесса литьевого формования изделий различного назначения. Однако основные теоретические положения, идеи и прикладные разработки направлены на развитие метода литьевого формования при производстве деталей обуви и совершенствование технологий прямого литья низа на обувь.

Размещено на Allbest.ru