Наукові основи проектування технологічних процесів обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

УДК 678.059

Наукові основи проектування технологічних процесів обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів

05.19.06 - Технологія взуттєвих і шкіряних виробів

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Панасюк Ігор Васильович

Київ 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: Хмельницький державний університет Міністерства освіти і науки України (м. Хмельницький).

Захист відбудеться " 30 " 09 2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.102.03 в Київському національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУТД за адресою: м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий " 28 " 08 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Первая Н.В.

АНОТАЦІЯ

Панасюк І.В. Наукові основи проектування технологічних процесів обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.19.06 - технологія взуттєвих і шкіряних виробів, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2004.

Дисертація присвячена створенню науково обґрунтованих основ і уніфікованих підходів до проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки дрібних деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів в планетарно-відцентрових барабанах. Вирішення цієї важливої науково-технічної проблеми забезпечило підвищення продуктивності праці, можливості прогнозування технологічного результату на стадії проектування. На основі математичного моделювання динаміки руху і властивостей робочого середовища в барабанах з різними видами планетарного руху встановлені функціональні взаємозв'язки параметрів робочого середовища з технологічними і конструктивними параметрами устаткування. Розроблена математична модель взаємодії оброблюваної деталі з частинками наповнювача різної форми та рекомендації щодо їх технологічного використання. Створені аналітичні методи розрахунку об'єму матеріалу, що видаляється; тривалості обробки при видаленні ливників, шліфуванні і поліруванні.

Розроблені алгоритми проектування технологічних процесів обробки дрібних деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів у планетарно-відцентрових установках, відповідні програми для ПЕОМ. З використанням алгоритмів створено технологічні режими обробки та технічні завдання для проектування планетарно-відцентрових установок. Результати роботи впроваджені в промисловості.

Ключові слова: технологічний процес оздоблювально-зачищувальної обробки, деталі взуття, фурнітура, планетарно-відцентрова установка, робоче середовище, частинка середовища.

оздоблювальний взуття фурнітура

АННОТАЦИЯ

Панасюк И.В. Научные основы проектирования технологических процессов обработки деталей обуви и фурнитуры из пластмасс и металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени доктора технических наук по специальности 05.19.06 - технология обувных и кожевенных изделий, Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2004.

Диссертация посвящена созданию научных основ и унифицированных подходов к проектированию технологических процессов финишной обработки мелких деталей обуви и фурнитуры из пластмасс и металлов в планетарно-центробежных установках. Решение этой научно-технической проблемы на основе математического моделирования динамики движения и свойств рабочей среды обеспечило повышение производительности труда на отделочно-зачистных операциях. Теоретически и экспериментально подтверждена выдвинутая гипотеза о том, что, управляя силами, действующими в физическом поле взаимодействия наполнителя и обрабатываемых деталей, путем целенаправленного изменения параметров технологического процесса и оборудования можно прогнозировать конечный результат обработки на стадии проектирования. На основе анализа информации об объекте обработки определены требования к внешнему виду формованых полимерных и металлических деталей обуви и фурнитуры, допустимые в процессе отделочно-зачистной обработки дефекты их поверхности, взаимосвязь между формой детали, расположением облоя и эффективностью обработки деталей во вращающихся барабанах. Разработаны математические модели динамики движения частиц рабочей среды в барабанах с разными видами планетарного движения, позволяющие установить функциональные связи технологических и конструктивных параметров оборудования с параметрами движения рабочей среды. Доказано, что наибольшие скорости движения частиц рабочей среды обеспечиваются в установках с перпендикулярными, а наименьшие - с вертикальными осями вращения. Наибольшие силы, уплотняющие частицы среды в скользящем слое, действуют в установках с горизонтальными, наименьшие - с перпендикулярными осями. Для обработки деталей высокой прочности рекомендованы схемы с горизонтальными, с невысокой прочностью и повышенными требованиями к внешнему виду - вертикальными, для шлифования и полирования - перпендикулярными осями вращения. Экспериментальные исследования углов отрыва и скоростей движения частиц рабочей среды подтвердили корректность математических моделей, расхождение данных до 15 %. На основе аналитических и экспериментальных исследований движения рабочей среды установлено, что при степенях заполнения барабана 0,25-0,75 границы режимов движения не зависят от вида наполнителя и определяются для каскадного режима выражением , для каскадно-водопадного режима - . Удаление литников и облоя с каблуков и набоек, изготовленных из термопластических полимерных материалов, с деталей замка “молния” из цинковых сплавов целесообразно производить в каскадно-водопадном режиме, шлифование и полирование фурнитуры - в каскадном режиме. Разработана математическая модель взаимодействия обрабатываемой детали с частицами наполнителя разной формы, которая позволяет установить взаимосвязь форм наполнителя и обрабатываемых деталей с возможным числом их контактов. Доказано, что наибольшее количество контактов обеспечивает наполнитель с частицами кубической формы, который рекомендован для обработки каблуков и набоек. Для обработки фурнитуры целесообразно использование наполнителя в виде конусов, размеры которых не превышают размеров отверстий в деталях. Для удаления литников и обеспечения минимального воздействия на поверхность детали рекомендовано применения сферических частиц. Разработаны аналитические методы расчета и получены формулы для определения объема материала, удаляемого с поверхности детали при единичном контакте с частицами прямоугольной, конической, тетраэдральной и сферической формы. Составлена программа для ПЭВМ, позволяющая рассчитать интенсивность износа поверхности полимерной детали и объем удаляемого материала. Экспериментально установлено, что с увеличением угловой скорости вращения барабана частота появления частицы рабочей среды в скользящем слое возрастает, с увеличением степени заполнения барабана - уменьшается, а частота прохождения частицей всей длины слоя незначительно увеличивается. Выявленные функциональные зависимости использованы для аналитического определения продолжительности обработки деталей. Для процессов удаления литников, шлифования и полирования разработаны аналитические методы расчета продолжительности обработки деталей обуви и фурнитуры в планетарных барабанах, учитывающие свойства обрабатываемых деталей, наполнителя и технологические параметры. Экспериментальные исследования продолжительности обработки каблуков из полиэтилена и полиамида, деталей замка “молния” из цинковых сплавов подтвердили адекватность аналитических методов расчета, расхождение между ними до 19 %. На основании экспериментальных исследований свойств полимерных материалов и деталей из них в среде низких температур установлено, что для резины “стиронип”, пористого и монолитного полиуретанов, полиэтилена высокого давления, вторичного полиамида температура охлаждения, обеспечивающая удаление облоя и литников во вращающихся барабанах, составляет -43…-1130 С; энергия ударного воздействия - 510-3…3910-3Дж и зависит от материала и толщины участков, которые удаляются; продолжительность охлаждения деталей жидким азотом - 90...120 с; максимальное время обработки деталей в среде паров жидкого азота - не более 900 с. На основании результатов аналитических и экспериментальных исследований разработаны алгоритмы проектирования технологических процессов отделочно-зачистной обработки мелких деталей обуви и фурнитуры из пластмасс и металлов в планетарно-центробежных установках. Создана программа расчета параметров технологических процессов для ПЭВМ. С использованием алгоритмов и программы разработаны технические задания для проектирования конструкций планетарно-центробежных установок, технологические режимы обработки набоек из термопластического монолитного полиуретана, каблуков из полиэтилена, полиамида и резины “стиронип”, деталей замка “молния” из цинкового сплава. Результаты работы внедрены в промышленности и учебном процессе.

Ключевые слова: технологический процесс отделочно-зачистной обработки, детали обуви, фурнитура, планетарно-центробежная установка, рабочая среда, частица среды.

ABSTRACT

Panasjuk I.V. Scientific bases of designing of technological processes of processing of footwear details and accessories from polymeric materials and metals. - Manuscript.

The dissertation is submitted for scientific degree of the doctor of technical sciences in speciality 05.19.06 - technology of shoe and leather products, Kiev National University of Technologies and Design, Kiev, 2004.

The thesis is devoted to the creation of scientific bases and general ways of designing of technological processes for finishing processing of small footwear details and accessories in planetary drums. The solution of this scientific and technical problem is essential for the purpose of increase of labor productivity on these operations and forecasting of technological result at the design stage. The mathematical models of movement dynamics of working medium particles in various kinds of planetary drums are developed. On the basis of models formulas for definition of speed of particles movement in a drum and working forces are received. Interactions of a processable detail with particles of various forms in a working medium are determined. Recommendations for application of special working medium in technological processes are stated. The quantity of a material, which leaves from a detail at finishing processing in a planetary drum, is defined. Analytical methods for calculation of finishing processing duration are received for removal pouring gate from polymeric details and for grinding and polishing in centrifugal installations. Algorithms for designing of technological processes and equipment, computer program for calculation of technological parameters are developed and used for finishing processing of footwear details and accessories in planetary drums.

Key words: technological process of finishing processing, footwear details, accessories, centrifugal installation, working medium, particle of medium.

ВСТУП

Актуальність теми. Створення сучасних високоефективних технологічних процесів є необхідною умовою прогресивного розвитку легкої промисловості України. Конкурентноздатність продукції значною мірою залежить від впровадження науково обґрунтованих технологій на всіх етапах виробництва, в тому числі для виконання фінішної обробки деталей після формоутворення.

У взуттєвих і фурнітурних виробництвах широко застосовуються невеликі типові деталі, які виготовляються методами формування у прес-форми з термопластичних полімерів (каблуки, набійки, задники) і цинкових сплавів (фурнітура, деталі замка “блискавка”), а також різанням з термореактивних пластмас (фурнітура). Усі ці деталі після формоутворення потребують проведення дуже трудомісткої подальшої обробки, пов'язаної з видаленням ливників, облою, шліфуванням і поліруванням поверхні. Оздоблювально-зачищувальні операції іноді обумовлюють до 80 % трудомісткості виготовлення, найчастіше виконуються ручним способом або засобами малої механізації. Галтувальні барабани, які застосовуються для полірування фурнітури з термореактивних пластмас, мають низьку продуктивність. Вважається перспективним використання набагато більш продуктивного планетарно-відцентрового устаткування зі складним обертанням робочої ємкості.

Незважаючи на численні дослідження руху робочого середовища в планетарних барабанах і накопичений досвід обробки формованих деталей в умовах промислового виробництва, до теперішнього часу не створені загальні підходи та рекомендації щодо проектування технологічних процесів зачищувальної обробки таких деталей в планетарно-відцентрових установках, відсутні можливості прогнозувати технологічний результат на стадії проектування. Тому розробка науково обґрунтованих технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури в ємкостях зі складним рухом, визначення уніфікованих вимог для проектування таких процесів з прогнозованим технологічним результатом є актуальною проблемою для подальшого розвитку виробництва в багатьох галузях промисловості України. Вирішення цієї проблеми дозволить суттєво підвищити продуктивність праці на оздоблювальних операціях при виготовленні дрібних деталей низу взуття та фурнітури з пластмас і металів, скоротити кількість необхідних доводочних випробувань устаткування для одержання раціональних технологічних і конструктивних параметрів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з науковими напрямками: “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, держбюджетна тема 6.19 ДБ №0100U003055, 2000-2002 рр. відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України; “Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів”, держбюджетна тема № Н/н 2 1999-2002 рр. відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка наукових основ і уніфікованих підходів до проектування технологічних процесів фінішної обробки дрібних деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів в планетарно-відцентрових установках, забезпечення можливостей прогнозування технологічного результату на стадії проектування на основі математичного моделювання динаміки руху і властивостей робочого середовища, спрямовані на підвищення продуктивності праці і економічної ефективності виробництва.

Відповідно до поставленої мети сформульовані завдання:

узагальнити закономірності технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки дрібних деталей взуття та фурнітури, вироблених з пластмас і металів методами формування та різання, визначити вихідні вимоги до їх обробки;

вивчити фізико-механічні властивості матеріалів деталей взуття та фурнітури, необхідні для проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки в планетарних барабанах;

розробити математичні моделі динаміки руху робочого середовища в ємкостях, що здійснюють різні види планетарно-відцентрового руху, визначити швидкості відносного руху оброблюваних деталей, діючі на них сили і на цих засадах розробити рекомендації щодо технологічного використання різних варіантів руху барабанів;

визначити вплив форми і розмірів оброблюваних деталей та наповнювача на кількість їх контактів, розробити математичну модель взаємодії оброблюваної деталі з частинками наповнювача та рекомендації щодо технологічного використання частинок різної форми;

визначити експериментально частоту взаємодії частинок робочого середовища в ковзному шарі масиву робочого середовища, її залежність від параметрів установки і наповнювача;

створити методи розрахунку об'єму матеріалу, що видаляється з поверхні деталі при одиничному контакті з частинкою наповнювача;

розробити методи розрахунку тривалості оздоблювально-зачищувальної обробки деталей в планетарних барабанах на основі встановлених взаємозв'язків між властивостями оброблюваних деталей, наповнювача, параметрами технологічних процесів та устаткування;

провести експериментальну перевірку адекватності розроблених математичних моделей і методів розрахунку;

розробити уніфіковані вимоги і підходи до проектування технологічних процесів та устаткування, які забезпечать ефективну обробку полімерних і металевих деталей взуття та фурнітури з прогнозованим технологічним результатом.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси оздоблювально-зачищувальної обробки типових деталей легкої промисловості з пластмас і металів робочим середовищем в ємкостях, що здійснюють складний рух.

Предмет дослідження: наукові основи проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів у планетарно-відцентрових установках із прогнозуванням кінцевого результату.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології взуттєвого та галантерейного виробництв, теорії математичного моделювання, теоретичної механіки, векторної алгебри, стереометрії, фізики і механіки полімерних матеріалів, адгезійно-деформаційної теорії тертя. Експериментальні дослідження обробки деталей з цинкового сплаву та полімерних матеріалів проведені на спеціально розробленій експериментальній планетарно-відцентровій установці з використанням фото- та відеозйомки, методів математичного планування експерименту. Аналіз експериментальних даних здійснено за допомогою методів математичної статистики. Дослідження властивостей полімерних матеріалів виконані на створеній експериментальній установці з дотриманням вимог відповідних стандартів.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше створені науково обґрунтовані теоретичні основи проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів на основі математичного моделювання динаміки руху і властивостей робочого середовища в планетарно-відцентрових установках, що забезпечило вирішення значної прикладної проблеми легкої промисловості, підвищення продуктивності праці на обробних операціях і скорочення кількості доводочних випробувань устаткування для отримання раціональних технологічних і конструктивних параметрів.

Вперше показано, що на основі розкриття механізмів контактної взаємодії наповнювача та оброблюваних деталей в планетарно-відцентрових установках шляхом цілеспрямованої зміни параметрів технологічного процесу та устаткування можна прогнозувати кінцевий результат фінішної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів.

Вперше, на основі аналітичних і експериментальних досліджень розроблено уніфіковані підходи до визначення параметрів технологічних процесів та устаткування для фінішної обробки в планетарно-відцентрових барабанах, що забезпечують єдину методологію проектування технологічних процесів обробки широкого асортименту формованих деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів.

Створені нові математичні моделі динаміки руху частинок робочого середовища і масиву середовища в цілому, що дозволяють враховувати при проектуванні взаємозв'язок між параметрами технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки та планетарно-відцентрових установок, фізико-механічними характеристиками оброблюваних деталей та наповнювача і технологічним результатом обробки.

Вперше розроблені математичні моделі взаємодії оброблюваних деталей з наповнювачем для різних форм поверхні деталі та наповнювача, що дозволяють аналітично обґрунтувати вибір форми наповнювача для конкретних технологічних задач фінішної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів.

Вперше розроблені аналітичні методи розрахунку об'єму матеріалу, що видаляється з поверхні деталі при одиничному контакті з частинкою наповнювача, і визначення інтенсивності зносу поверхні полімерних деталей фурнітури при шліфуванні та поліруванні.

Вперше розроблено метод розрахунку тривалості технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів на стадії їх проектування на основі визначення кількості матеріалу, що видаляється з поверхні деталі під час обробки в планетарному барабані.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень розроблені науково обґрунтовані алгоритми проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки дрібних деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів у планетарно-відцентрових установках з можливістю прогнозування технологічного результату. Створено програму для ПЕОМ, яка дозволяє розрахувати параметри технологічних процесів.

Розроблено практичні рекомендації щодо вибору конструктивної схеми планетарно-відцентрової установки, визначення діапазону технологічних параметрів, які забезпечують певний режим руху робочого середовища в барабані, використання наповнювача з частинками певної форми і розмірів в залежності від технологічних завдань обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів.

На основі розробленого методу визначення інтенсивності зносу поверхні полімерних деталей фурнітури в процесі фінішної обробки і розрахунку об'єму матеріалу, що видаляється, створена програма для ПЕОМ.

З використанням розроблених технологічних режимів оздоблювально-зачищувальної обробки удосконалено технологічні процеси виготовлення набойок з термопластичного монолітного поліуретану і каблуків з поліетилену, обробки деталей замка “блискавка” з цинкового сплаву. Розроблені технологічні режими обробки каблуків з поліаміду та гуми “стіроніп”.

Розроблено технічні завдання для проектування конструкцій планетарно-відцентрових установок з раціональними параметрами для обробки набойок і каблуків з полімерних матеріалів, деталей з цинкових сплавів.

Впроваджено у виробництво технологічний процес обробки литих деталей замка “блискавка” на Баришевському ДП “БАРС” КПКП “Блискавка” з економічним ефектом 3096 грн. на одну установку на рік. З використанням методів розрахунку технологічних і конструктивних параметрів удосконалено технологічні процеси та устаткування для фінішної обробки литих деталей з пластмас на Коростишевському заводі “Електроприлад” з економічним ефектом 2350 грн. на одну установку на рік, в кооперативі “Пласт” з економічним ефектом 1560 грн. на одну установку на рік, на взуттєвому підприємстві КВТВП “Київ”.

Результати дисертації прийняті до впровадження Асоціацією шкіряно-взуттєвих підприємств України.

Практична цінність отриманих результатів підтверджена 2 авторськими свідоцтвами.

Результати дисертації використовуються в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі теми дисертації, предмету і методів дослідження, постановці та вирішенні основних теоретичних і експериментальних завдань. Автором створено новий напрямок у теорії проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури в планетарно-відцентрових установках з можливістю прогнозування технологічного результату; розроблені принципи та методологія узагальненого підходу до проектування технологічних процесів та устаткування для фінішної обробки типових деталей взуття та фурнітури; розроблені математичні моделі динаміки руху та взаємодії частинок сипкого середовища в ємкості, що здійснює складний рух; розроблені аналітичні методи визначення інтенсивності зносу деталей і тривалості обробки в технологічному середовищі. Самостійно виконані розробка і виготовлення оригінальних лабораторних установок, експериментальні дослідження, статистична обробка даних, аналіз і узагальнення результатів роботи. Здобувачу належать основні ідеї опублікованих робіт, авторських свідоцтв. Автором особисто створені спеціальні програми для ПЕОМ, які дозволяють розраховувати параметри технологічного процесу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались на ювілейній XLII науковій конференції професорсько-викладацького складу, присвяченій 60-річчю заснування Київського технологічного інституту легкої промисловості (м. Київ, 1990 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки” (м. Хмельницький, ХТІ, 1993 р.); наукових конференціях молодих вчених і студентів Державної академії легкої промисловості України (м. Київ, ДАЛПУ, 1993, 1994, 1998, 1999 р.р.); ювілейній науковій конференції професорсько-викладацького складу, присвяченій 65-річчю заснування ДАЛПУ (м. Київ, ДАЛПУ, 1995 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні технології життєзабезпечення людини” (м. Кам'янець-Подільський, 1998 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Новітні технології в легкій промисловості та сервісі” (м. Хмельницький, 1999 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології та машини” (м. Хмельницький, 1999 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології підготовки фахівців з інженерних спеціальностей” (м. Київ, 2000 р.); ІІІ комплексі наукових заходів держав СНД “Вибротехнология - 2001” ім. Ф.Д. Овчаренко (м. Одеса, 2001 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2002 р.); ХІІ міжнародній науковій школі “Вибротехнология - 2002” з механічної обробки дисперсних (сипучих) матеріалів і середовищ (м. Одеса, 2002 р.); ХІІІ міжнародній науковій школі “Вибротехнология - 2003” з механічної обробки дисперсних (сипучих) матеріалів і середовищ (м. Одеса, 2003 р.).

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на науковому семінарі кафедри електромеханічних систем КНУТД (м. Київ, 2003 р.); науковому семінарі кафедри конструювання та технології виробів із шкіри КНУТД (м. Київ, 2004 р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 32 роботах, в тому числі у монографії, 24 статтях у спеціальних виданнях, 2 авторських свідоцтвах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основна частина дисертації представлена на 277 сторінках машинописного тексту, містить 98 малюнків, 6 таблиць, список використаних джерел з 204 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 403 сторінки, включаючи 9 додатків.

1. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета та основні завдання досліджень, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

Перший розділ присвячено огляду та детальному аналізу методів, засобів та досліджень оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури технологічним середовищем в обертових ємкостях. Показано, що дрібні деталі легкої промисловості, виготовлені методами формування у прес-форми або різанням з пластмас і металів, потребують проведення трудомістких оздоблювальних операцій: видалення ливників і облою, шліфування, полірування. Одним з найбільш продуктивних методів механізації цих операцій вважають обробку в обертових ємкостях, які здійснюють складний, планетарний рух. Під час руху в таких ємкостях деталі піддаються оздоблювально-зачищувальній обробці завдяки безперервній їх взаємодії в ковзному шарі з частинками наповнювача та між собою. Відомо три режими руху сипкого матеріалу в обертовому горизонтальному або планетарному барабані: каскадний, водоспадний і мішаний каскадно-водоспадний. Попередніми дослідженнями встановлено, що для зачищувальної обробки оптимальним є каскадний режим, можливе також застосування каскадно-водоспадного режиму руху.

Деякі теоретичні аспекти проектування технологічних процесів та обладнання для обробки деталей в обертових ємкостях розробляли Ходоров Е.І., Канторович З.Б., Андрєєв С.В., Сланевський А.В. та ін. Рух сипкого середовища у планетарних барабанах досліджували Бушуєв Л.П., Мнджоян К.А., Бабічев А.П., Зверовщіков В.З., Matsunaga M. та ін. Більшість з них раціональні значення параметрів процесу обробки визначали експериментально на наявному устаткуванні. Існуючі дані розрізнені, а іноді суперечливі, здебільшого враховувались кінематичні та динамічні характеристики. Час обробки визначали тільки експериментально для конкретних установок. Спроби аналітичного визначення часу обробки здійснені для окремих випадків. Все це ускладнює проектування технологічних процесів і нового устаткування з прогнозованим часом обробки. Ці передумови визначили мету і завдання дослідження, спрямовані на подальшу розробку основ проектування технологічних процесів оздоблювально-зачищувальної обробки деталей взуття та фурнітури з пластмас і металів, отриманих різними методами формування, а також на створення можливостей прогнозувати кінцеві результати обробки та їх відповідність вихідним вимогам з використанням новітніх, зокрема інформаційних, технологій.

Другий розділ присвячено визначенню вимог до деталей взуття та фурнітури, що обробляються в обертових ємкостях, і дослідженню деяких фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів, з яких вироблені ці деталі. Визначено, що фурнітура повинна відповідати естетичним та ергономічним вимогам. Допоміжні та декоративні деталі взуття, що знаходяться на зовнішній поверхні виробів, мають бути привабливими на вигляд і задовільно міцними. Деталі низу повинні мати високі характеристики міцності та точність розмірів, задовільний зовнішній вигляд, відповідати ергономічним вимогам. На базі досвіду промисловості визначені припустимі в процесі оздоблювально-зачищувальної обробки дефекти поверхонь деталей. Таких дефектів встановлено більше двадцяти.

Сформульовано вимоги до технологічності конструкцій формованих з полімерів деталей взуття та фурнітури. Установлено взаємозв'язок між формою деталей, відлитих з пластмас і металів, розташуванням облою, випресовок і можливістю ефективної фінішної обробки таких деталей в обертових барабанах. Експериментально визначено, що конфігурація ливникової системи суттєво впливає на час зачищувальної обробки деталей технологічним середовищем. При наявності у виливків розгалуженої ливникової системи і малій масі деталей для підвищення ефективності зачищення рекомендується використовувати наповнювач масою (5...15)10-3 кг, об'єм наповнювача в барабані - 10...30 %.

Розроблена класифікація полімерних деталей взуття та фурнітури, оброблюваних у планетарно-відцентрових установках, за характеристиками міцності полімерів при ударі, за масою деталі, габаритами і формою, що дозволило уніфікувати технологічні процеси обробки різних деталей, які належать до однакових груп класифікації.

Деталі з еластичних полімерів піддаються ефективній обробці технологічним середовищем тільки в охолодженому стані. Проведено експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей еластичних полімерних матеріалів у середовищі низьких температур, визначені необхідні вихідні умови розробки технологічних процесів і проектування устаткування для видалення облою, ливників і грату з литих деталей в обертових барабанах. Досліджено шість полімерів, які широко застосовуються для виробництва деталей взуття: гума “стіроніп” ОСТ 17-226-73; пористий поліуретан; монолітний поліуретан; термопластичний монолітний поліуретан; 50 % суміш первинного і вторинного поліетилену високого тиску ТУ 6-05-1853-78; поліамід вторинний ТУ 6-13-88. Встановлено, що температура крихкості досліджених матеріалів складає -43...-1130 С і обумовлює оптимальний температурний режим обробки деталей, виготовлених з цих полімерних матеріалів. Енергія ударного впливу на облой, яка забезпечує його видалення, становить від 510-3 до 3910-3 Дж, залежить від матеріалу і товщини ділянок, що видаляються (рис. 1).

Третій розділ присвячено аналітичному дослідженню динаміки руху робочого середовища в обертових ємкостях. Розроблені математичні моделі, які дозволяють встановити взаємозв'язок кінематичних і динамічних параметрів руху частинок з технологічними і конструктивними параметрами планетарно-відцентрових барабанів, а також визначити межі режимів руху робочого середовища.

Створено узагальнену математичну модель динаміки елементарної частинки робочого середовища в ємкості довільної форми, що здійснює складний рух. Розглянуто випадок відносного руху частинки М по внутрішній поверхні ємкості довільної форми з твірною A в системі координат X101Y1Z1. Ємкість обертається навколо осі OZ і здійснює складний рух відносно нерухомої системи координат X303Y3Z3 (рис. 2). Прийнято припущення, що частинка середовища - матеріальна точка масою m.

Диференціальне рівняння абсолютного руху частинки у векторній формі:

, (1)

де - абсолютне прискорення частинки в системі координат X303Y3Z3;

- сила ваги частинки M; - нормальна реакція поверхні ємкості;

- сила тертя, що перешкоджає руху частинки по поверхні ємкості.

З урахуванням того, що , рівняння (1) перетворено у рівняння відносного руху частинки:

, (2)

де - переносна сила інерції; - коріолісова сила інерції;

- відносне прискорення частинки М; - переносне прискорення;

- коріолісове прискорення.

Загальне розв'язання рівняння (2) одержати аналітичним шляхом важко. Тому розглянуті окремі випадки руху частинки робочого середовища у внутрішньому об'ємі планетарного барабана: 1) барабан обертається навколо горизонтальних осей - власної та водила; 2) барабан обертається навколо вертикальних осей - власної та водила; 3) вісь обертання барабана горизонтальна, а водила - вертикальна. Розроблено математичні моделі відносного руху частинки середовища, які дозволяють розраховувати такі основні динамічні та кінематичні параметри, як кут відриву від стінки обертового барабана, відносна швидкість руху в ковзному шарі та сили, що діють на частинку.

Прийняті такі припущення: ємкість заповнена робочим середовищем на 50 % внутрішнього об'єму; напрям обертання барабана та водила - зустрічний; сила тертя відповідає закону Кулона.

Кут відриву або (рис. 3) є необхідним параметром для подальшого визначення швидкості руху частинок середовища та діючих сил. Розглянуто частинку М у момент її відриву від стінки барабана і переходу в ковзний шар (реакція стінки дорівнює нулю).

На частинку діють сили інерції - переносна Fe, відносна Fr , коріолісова Fк, а також сили ваги Р і тертя Fтр . Формули для розрахунку кутів відриву одержано, виходячи з того, що сума проекцій сил на вісь 0х1 дорівнює нулю.

Для наведених вище варіантів обертання барабана вирази подібні, що дозволяє запропонувати узагальнене рівняння:

, (3)

де f - коефіцієнт внутрішнього тертя робочого середовища; 1, 2 - кутові швидкості барабана та водила; r, R - радіуси барабана та водила; - відстань від центра обертання водила до точки М; - кут відриву частинки.

Для випадку 1 - = 0...2; А=1; В= 1;

; ;

для випадку 2 - А=0; В= 1;

; ;

для випадку 3 - = ; А=1; В= 0; ; =0.

Відносна швидкість частинок робочого середовища в ковзному шарі обумовлена дією прикладених до них сил (рис. 4).

В результаті розв'язання диференціальних рівнянь руху частинки М1 в ковзному шарі одержано формули для визначення відносної швидкості її руху для різних варіантів обертання барабана:

1) якщо барабан обертається навколо горизонтальних осей, власної та водила,

; (4)

2) якщо барабан обертається навколо вертикальних осей, власної та водила,

; (5)

3) якщо вісь обертання барабана горизонтальна, а водила - вертикальна,

. (6)

Формули (4), (5), (6) описують функціональний зв'язок швидкості руху частинок з технологічними (кутовими швидкостями барабана та водила) та конструктивними (радіусами барабана та водила) параметрами планетарно-відцентрових установок. Аналіз формул показує, що при однакових параметрах установок і властивостях робочого середовища, найбільші швидкості відносного руху частинок спостерігаються, якщо вісь обертання барабана горизонтальна, а водила - вертикальна (рис. 5). В цьому випадку при передаточному відношенні 1/2 = 1,8 швидкість досягає 7 м/с. При обертанні барабана навколо горизонтальних осей швидкості руху частинок дещо менші, близько 3 м/с. В установках з вертикальними осями обертання швидкість найменша, не перевищує 2,5 м/с.

Ефективність і характер обробки деталей взуття та фурнітури в планетарних барабанах визначається не тільки швидкістю відносного руху елементів робочого середовища, але й їх силовою взаємодією. Сили інерції, що діють на масив рухомого середовища, ущільнюють або розпушують його. Розглянуто дві частинки (рис. 4): М1 рухається в ковзному шарі, М2 знаходиться на внутрішній поверхні барабана. Для них записані суми проекцій сил на вісі О1Х1 і О1У1. Для зачищувальної обробки визначальними є сили, що діють по осі О1У1 і ущільнюють робоче середовище в ковзному шарі. З використанням одержаних формул для проекцій сил побудовано графічні залежності (рис. 6). Найбільші значення сил, що ущільнюють робоче середовище в ковзному шарі, досягаються в установках з горизонтальними осями обертання, дещо менші значення - в установках з вертикальними осями, найменша силова взаємодія - при перпендикулярних осях обертання.

Таким чином, для видалення облою, ливників з деталей високої міцності та з невисокими вимогами до зовнішнього вигляду рекомендується застосовувати установки з горизонтальними осями обертання. Для обробки деталей невисокої міцності та з підвищеними вимогами до зовнішнього вигляду доцільно використовувати установки з вертикальними осями обертання. Для шліфування та полірування раціонально застосовувати установки з взаємно перпендикулярними осями обертання.

З метою виявлення аналогії між рухом робочого середовища в звичайному горизонтальному обертовому та в планетарному барабанах, а також визначення меж технологічних режимів руху розроблено математичну модель руху масиву робочого середовища в цілому та частинок середовища в зоні підйому з використанням рівнянь механіки суцільного середовища. Застосовані рівняння динаміки суцільного середовища в напругах з урахуванням того, що стискаючі напруги позитивні. Рівняння перетворено для випадків, що розглядаються. Введені безрозмірні величини для горизонтального барабана , , , , ; для планетарного барабана , , , , , де m - щільність робочого середовища, уx, уy - нормальні компоненти напруги, фxy - дотичні компоненти напруги, (щ1 + щ2) - абсолютна кутова швидкість обертання планетарного барабана.

В результаті одержано безрозмірний вид рівнянь стану основного масиву сипкого матеріалу в обертовому горизонтальному барабані та в планетарному барабані:

(7)

де Fr - число Фруда (фактор поділу), для горизонтального барабана Fr = щ12 r / g; для планетарного барабана

;

- кут природного укосу робочого середовища.

З повної аналогії рівняння (7) для розглянутих випадків випливає, що при рівності ступенів заповнення та коефіцієнтів тертя частинок о поверхню барабанів напружений стан і границя основного масиву будь-якого сипкого матеріалу в горизонтальному барабані визначається числом Fr, а в планетарному барабані - числом Frn. Якщо ці числа збігаються, рух основного масиву сипкого матеріалу в горизонтальних і планетарних барабанах буде аналогічним і, за інших рівних умов, співпадуть режими руху робочого середовища.

На основі аналітичних та експериментальних досліджень руху робочого середовища в горизонтальних і планетарних барабанах установлено, що при ступенях заповнення И = 0,25 - 0,75 межі режимів руху не залежать від виду наповнювача і визначаються в діапазоні:

для каскадного режиму ;

для каскадно-водоспадного режиму ;

для водоспадного режиму .

Видалення ливників, грату, облою з каблуків і набойок, відлитих з поліетилену, поліаміду, полістиролу та поліуретану, необхідно виконувати в каскадно-водоспадному режимі. Для видалення ливників з цинкових деталей замка “блискавка” доцільно використовувати каскадно-водоспадний режим, а шліфування та полірування поверхні цих деталей та фурнітури, виробленої з термореактивних пластмас, слід проводити в каскадному режимі.

Четвертий розділ присвячено аналітичному дослідженню впливу форми частинок робочого середовища на кількість їх контактів з поверхнею оброблюваної деталі під час руху в обертовому барабані.

Оброблювані деталі, що рухаються в робочому середовищі, оточені частинками наповнювача, співударяються з ними. Для прогнозування процесу об'ємної обробки визначено максимальну кількість частинок наповнювача, які можуть одночасно контактувати з поверхнею деталі. Виходячи з того, що частинки наповнювача вкривають всю її поверхню, максимальна кількість контактів буде визначатись питомим показником - щільністю розташування частинок наповнювача на поверхні деталі укл:

, (8)

де Nч - максимальна кількість частинок, що одночасно контактують з деталлю;

Sд - площа поверхні деталі.

Кількість контактів залежить від форми та розмірів частинок наповнювача, а також від форми оброблюваної поверхні. Розглянуто елементарні випадки: частинки сферичні та у вигляді тетраедрів, оброблювана поверхня - сферична, циліндрична, плоска. Частинки контактують з поверхнею деталі тільки певним боком.

Щільність розташування сферичних частинок радіусом rч на сферичній поверхні деталі радіусом Rд складає:



. (9)

Щільність розташування сферичних частинок на плоскій поверхні становить:

. (10)

Якщо сферичні частинки контактують з циліндричною поверхнею радіусом Rд ,

. (11)

У випадку, коли тетраедральні частинки стикаються зі сферичною поверхнею деталі точкою перетину медіан грані, щільність їх розташування визначається за формулою:

, (12)

де b - довжина ребра тетраедра.

Щільність розташування тетраедральних частинок на плоскості складає:

, (13)

де Sгр.Т - площа грані тетраедра з ребром b.

Для визначення кількості контактів тетраедральних частинок з циліндричною поверхнею деталі отримано вираз:

. (14)

В загальному випадку кількість зіткнень залежить від щільності розташування частинок, а також від того, яким боком частинка контактує з деталлю. Зроблено припущення, що відносна частота контактів частинки з деталлю дорівнює відношенню площі поверхні, якою частинка контактує з деталлю, до повної площі поверхні частинки. З урахуванням цього припущення визначено щільність розташування частинок для загального випадку:

, (15)

де Si - площа поверхні, якою частинка контактує з деталлю; S - повна площа поверхні частинки; уклi - щільність розташування частинок при їх контакті з деталлю i-ю поверхнею.

Формулу (15) перетворено для окремих випадків. Для циліндричних частинок діаметром d і довжиною l, а також для конічних частинок з довжиною твірної l і діаметром основи d одержано вираз:

, (16)

де X=l/d; - щільність розташування торцями (основою); - щільність розташування боковою поверхнею.

Якщо частинки мають форму правильної тригранної призми, формулу можна записати:

, (17)

де X - співвідношення між висотою призми Н і стороною основи b.

Для прямокутних частинок з квадратними торцями формула має вид:

, (18)

де X - співвідношення висоти частинки і сторони торця.

Для сферичних частинок , тому для загального випадку можна використати формули (9) і (10).

Підставлення виразів (9) - (14) дозволило перетворити рівняння (15) - (18) з урахуванням того, що частинки контактують з поверхнями різної форми. Формули для визначення щільності розташування частинок одержані для загальних випадків контакту з плоскою, циліндричною та сферичною поверхнями. При цьому розглянуто сферичні, циліндричні, конічні, кубічні, прямокутні, тетраедральні та призматичні частинки.

Проведено співставлення частоти взаємодії з поверхнею деталі частинок різної форми, які мали однакову масу. Базовою обрано частинку сферичної форми з діаметром, що дорівнює одиниці, та визначено геометричні розміри частинок різної форми (циліндр, конус, куб, тетраедр, тригранна призма) за умови однаковості їх об'ємів. Щільність розташування розраховано для кожної форми частинок за формулами (15) - (18) і віднесено до сферичної частинки. В результаті одержано такі відносні значення щільності розташування: сфера - 1; циліндр - 1,160 при d = H і 1,105 при d = 0,5 H; конус - 0,904 при d = H і 0,860 при d = 0,5 H; куб - 1,273; тетраедр - 0,706; тригранна призма - 0,942 при b = H і 0,841 при b = 0,5 H. Відносні значення щільності розташування залишаються постійними при будь-яких взаємних змінах розмірів частинок.

Таким чином, наповнювач з частинками кубічної форми забезпечує найбільшу кількість контактів і рекомендується для обробки деталей без отворів (каблуків, набойок). Наповнювач у вигляді конусів, розміри яких не перевищують розмірів отворів у деталях, доцільно використовувати для обробки фурнітури. За необхідності видалення ливників і забезпечення мінімального впливу на необроблювані поверхні слід застосовувати сферичні частинки.

П'ятий розділ присвячений створенню математичних моделей для визначення об'єму матеріалу, що видаляється з поверхні оброблюваної деталі при одиничному контакті з частинкою наповнювача. На основі двох побудованих моделей розроблені аналітичні методи розрахунку, які доцільно використовувати при проектуванні технологічних процесів шліфування та полірування фурнітури.

Перша модель розглядає видалення матеріалу на макрорівні за рахунок занурення в поверхню деталі частинки певної геометрії. Зроблені припущення, що поверхня деталі пружно-пластична, по ній ударяє частинка наповнювача масою m, що рухається зі швидкістю 0 під кутом до вертикалі. При зануренні у поверхню деталі на частинку в проекціях на вертикальну вісь OY, перпендикулярну поверхні деталі, діють сила пружності і сила опору, зумовлена порушенням структури матеріалу. Під час виходу з матеріалу під дією сили пружності, сила опору по осі 0Y вже не діє. У проекціях на горизонтальну вісь 0X, розташовану паралельно поверхні деталі, на частинку діє сила опору, зумовлена порушенням структури матеріалу, а пружні сили незначні і ними нехтуємо.

Записано диференціальні рівняння руху частинки під час її занурення в деталь і виходу на поверхню, в результаті їх розв'язання одержано вирази, що описують рух частинки наповнювача при її контакті з поверхнею оброблюваної деталі:

при 0 < t < tвх ; (19)

при tвх < t < tвых .

де ; ; - час занурення частинки;

- час виходу частинки; - загальний час контакту частинки з деталлю.

Максимальна глибина занурення частинки складає:

. (20)

Максимальний шлях xmax , що проходить частинка у контакті з деталлю, визначається за формулою (19) при t=tk.

Об'єм матеріалу, що видаляється частинкою залежить від форми частинки. У випадку занурення в матеріал частинки конічної або тетраедральної форми вершиною на глибину y, об'єм, який вона видаляє при проходженні відстані x, становить:

, (21)

де - кут конусності вершини частинки; ; ;

.

Визначено об'єм матеріалу, що видаляється при зануренні частинки прямокутної форми. В даному випадку об'єм розраховується за формулою:



, (22)

де b - ширина частинки, що занурюється; .

Друга модель взаємодії частинки з деталлю розглядає видалення матеріалу як фрикційний знос за рахунок взаємодії мікронерівностей. Після співставлення існуючих теорій тертя з точки зору можливості їх застосування до полімерних матеріалів, для поточних розрахунків обрана адгезійно-деформаційна теорія.

Розглянуто випадок взаємодії абсолютно твердої шорсткої поверхні частинки з деформованим рівним тілом, знос якого визначався. Вважали, що знос спричинений втомою матеріалу, швидкість ковзання змінює температуру, яка в свою чергу впливає на фізико-механічні показники матеріалу.

Процеси окислення та деструкції не враховували. Згідно з обраною теорією доцільно розрахувати безрозмірний параметр - інтенсивність зносу. Розглянуто основні види зносу, що відповідають різним видам порушення фрикційного зв`язку - при пружному, пластичному контакті та мікрорізанні.

Інтенсивність зносу при пружному контакті значною мірою залежить від модуля пружності, коефіцієнта Пуасона, межі міцності, радіуса мікронерівності; при пластичному контакті - визначається твердістю матеріалу за Бринелєм; при мікрорізанні - залежить від гостроти мікронерівностей поверхні.

В залежності від фізико-механічних властивостей матеріалів пари тертя та зовнішніх умов має місце певний вид зносу. Визначені відповідні формули для розрахунку інтенсивності зносу.

Об'єм матеріалу, видаленого при одиничному контакті деталі з частинкою, в даному випадку розраховували за формулою:

V = In L Aa, (23)

де In - лінійна інтенсивність зносу поверхні деталі при контакті з частинкою;

L - довжина зони контакту; Aa - фактична площа контакту частинки з деталлю.

Для розрахунку інтенсивності зносу поверхні полімерних деталей та об'єму видаленого матеріалу на основі визначення виду контакту абразивної частинки з деталлю розроблено математичну програму в середовищі MathCad. Зіставлення отриманих результатів з даними експериментальних досліджень та інших авторів продемонструвало її адекватність та ефективність. Результати розрахунків свідчать, що при використанні абразивного наповнювача сферичної форми найкращий ефект шліфування фурнітури з полімерних матеріалів досягається, якщо діаметр частинок наповнювача - 4...6 мм. Шорсткість поверхні частинки робочого середовища істотно впливає на інтенсивність зносу поверхні деталі, тому при високих класах чистоти поверхні частинки відбувається пружний контакт, що забезпечує високу якість, але й більшу тривалість обробки. При збільшенні шорсткості поверхні частинки реалізується пластичний контакт або мікрорізання, що створює умови, достатні для чорнової обробки.

Шостий розділ присвячений аналітичному та експериментальному дослідженню параметрів інтенсивності руху робочого середовища в обертових барабанах, розробці аналітичних методів визначення тривалості оздоблювально-зачищувальних операцій.

Необхідною умовою ефективної та рівномірної обробки всіх поверхонь полімерних деталей взуття та фурнітури в планетарних барабанах є інтенсивне перемішування робочого середовища. За результатами аналітичних досліджень встановлено, що перемішуюча здатність планетарного барабана залежить від ступеня заповнення робочим середовищем, співвідношення кутових швидкостей обертання барабана та водила і не залежить від радіуса барабана. При підвищенні кутової швидкості обертання барабана перемішуюча здатність зростає, зі збільшенням завантаження барабана цей параметр зменшується. Якщо завантаження барабана перевищує 50 % його об'єму, обробка стає неефективною, тому що зменшуються перемішуюча здатність і довжина ковзного шару робочого середовища, що істотно обмежує зону активної обробки деталей.