Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время, когда отечественная экономика все в большей степени переходит к рыночным условиям функционирования, возникает необходимость расширения производства конкурентоспособных отечественных товаров, потребительские свойства которых отвечали бы высоким современным требованиям. При этом повышение качества товаров, расширение ассортимента невозможно без совершенствования существующих технологических процессов и разработки нового оборудования и оснастки.

В настоящее время уровень производства изделий кожгалантерейной промышленности не отвечает требованиям научно-технического прогресса. Это, прежде всего, связано с недостаточной механизацией и автоматизацией технологических процессов, отсутствием гибкости в перестройке производства при частой сменяемости ассортимента, ограниченным применением широкодоступных материалов, отсутствием соответствующего оборудования для их переработки. Вместе с тем использование натуральных кож связано с большим количеством ручных операций, высокой материалоемкостью и энергоемкостью существующих процессов, ограничивает разработку и внедрение ресурсосберегающей технологии./ 1 /

Решение поставленных задач требует комплексного подхода на основе системного анализа конструктивных и эксплуатационных особенностей кожгалантерейных изделий, технического и организационного уровня их производства, научных достижений в смежных областях промышленности.

Одним из главных путей совершенствования кожгалантерейной отрасли является расширенное применение синтетических материалов.

Технико-экономические показатели изготовления деталей кожгалантерейных изделий из натуральных и искусственных кож, пленочных и текстильных материалов, в ряде случаев, не отвечает требованиям сегодняшнего дня. Это связано с дороговизной и дефицитностью натуральных кож, плохой формоустойчивостью деталей из натуральных кож и пленочных материалов, их низкой эксплуатационной надежностью. Кроме того, разнообразие технологий и применяемое оборудование без возможности перестройки рабочего цикла значительно сдерживает ассортиментные возможности производства кожгалантерейных изделий.

Изготовление цельноформованных деталей из полимерных материалов позволяет расширить ассортимент и улучшить качество таких изделий как чемоданы, дорожные и хозяйственные сумки, ученические ранцы и т.п., снизить себестоимость кожгалантерейных изделий за счет замены отдельных деталей из натуральных кож на полимерные материалы. Это позволяет сократить такие подготовительные операции, как увлажнение, проклеивание, тиснение, перфорацию, разметку и др.

Несмотря на перечисленные преимущества изготовления полимерных деталей и общей тенденции замены натуральных материалов в изделиях легкой промышленности их применение в отечественном кожгалантерейном производстве ограничено. Это сопряжено с отсутствием технологического оборудования и сложностью его проектирования, в недостаточной изученностью процессов переработки полимеров, отсутствием исследований по их эксплуатационной надежности.

Поэтому для устранения недостатков необходимо выполнить разработку технологических процессов и конструктивных параметров механизмов для формования изделий мелкой кожгалантереи с использованием отверждающего покрытия.

Основными задачами разработки явились:

выбор материалов и метода формования кожгалантерейных изделий пространственной формы;

теоретическое и экспериментальное исследование процессов формования;

разработка устройства для формования.

На сегодняшний момент кожгалантерейная отрасль легкой промышленности находится в сложных условиях. С одной стороны возрос спрос на отечественные кожгалантерейные изделия, с другой стороны существует конкуренция с импортными изделиями. Это выдвигает требования перестройки технологических процессов и модернизации существующего оборудования. Положение осложняет сложное экономическое состояние предприятий, отсутствие средств для проведения научно-исследовательских опытно-конструкторских работ для разработки и изготовления оборудования и технологической оснастки.

Одним из наиболее востребованных ассортиментов является мелкая кожгалантерея и, в частности, изделия, имеющие каркасную пространственную конфигурацию: футляры, чехлы и т.д. До настоящего времени эти изделия изготавливались либо из дорогостоящей относительно толстой натуральной кожи путем ее формования, либо из искусственной кожи со вставкой вкладышей для обеспечения каркасности. Все это с одной стороны удорожает изделие, с другой стороны ограничивает возможности моделирования и улучшения качества. Поэтому в настоящей работе приводятся результаты исследования процесса изготовления пространственных деталей кожгалантерейных изделий из материалов с отверждающим слоем. В этой связи ниже рассмотрены вопросы:

выбор объекта исследования;

анализ существующих технологий и оборудования для формования изделий пространственной конфигурации;

выбор способа формования;

разработка конструкции устройства для формования.

1. Выбор материала и метода формования деталей мелкой кожгалантереи

Кожгалантерейная промышленность обеспечивает население и народное хозяйство предметами культурно-бытового, хозяйственного, спортивного, производственного назначения.

Часть этих изделий имеют пространственную конфигурацию, которая образуется путем объемного формования кожевенных и искусственных материалов.

Совершенствование существующей и разработка новой технологии и механизмов для получения таких деталей может осуществляться на основе научно-обоснованного выбора материала и метода его переработки, а также анализа ассортимента. выпускаемых кожгалантерейных изделий.

1.1 Анализ конструкций формованных деталей мелкой кожгалантереи

Формованные детали находят применение в изделиях жесткой и полужесткой конструкции. Их форма и функциональное назначение весьма разнообразны. Такие детали могут служить в качестве основных каркасных образований или выполнять роль вспомогательных частей изделия.

В кожгалантерейных изделиях формованные детали могут быть наружными и внутренними.

К наружным каркасным деталям относятся стенки, ботаны, фальды, дно, клинчики чемоданов, портфелей типа «дипломат», сумок «пилот», различных футляров и т.п./ 1 /

Дополнительные наружные детали могут выполнять роль карманов, элементов закрывания и ношения изделия, использоваться для отделки и украшения.

Внутренние детали, например, вкладыши и ученические ранцы, тоже могут быть каркасными, служить для упрочнения изделия, придания ему формоустойчивости и жесткости.

А также, в современном кожгалантерейном производстве выпускается большое количество мелких кожгалантерейных изделий различного назначения: бумажники, портмоне, кошельки, обложки, портсигары, кобуры, очечники и т.д.

Вся совокупность мелких кожгалантерейных изделий разделена следующим образом.

Классификация кожгалантерейных изделий по принадлежности к изделиям ЛП показана на рис.1, а также в таб. 1./ 2 /

Кроме того, мелкая кожгалантерея может быть классифицирована по следующим признакам:

по методу изготовления - прошивные, клеевые, в оплетку, формованные, методом сварки ТВЧ, литьевые, клепанные, комбинированные;

по конструкции - жесткие, полужесткие и мягкие; с прокладкой и без прокладки; с подкладкой и без подкладки;

по способу изготовления - выворотные, невыворотные;

по виду обработки наружных краев - в загибку, в обрезку;

по способу закрывания - на рамочный замок, застежку-молнию, замок-задвижку, замок-защелку, замок-кнопку и др., открытые.

Изделия изготавливают из натуральной и искусственной кожи, полимерных пленок, тканей, комбинированные.

Требования, предъявляемые к изделиям, разнообразны. Размеры бумажников, обложек для паспорта, удостоверений должны соответствовать размерам вкладываемых документов. Кроме того, предъявляют повышенные требования к качеству изготовления и внешнему виду изделий: они должны отвечать функциональному назначению, быть удобными в эксплуатации, иметь презентабельный внешний вид и т.д.

Таблица 1

Классификация деталей кожгалантерейных изделий

Наименование изделия	Наименование деталей и узлов	Размеры, мм
		длина	ширина
Сумки дорожные	карманы	7…40	15…30
	ботаны	50…150	25…70
	клапаны	10…30	7…20
	днища	10…40	10…150
Сумки мужские, женские	карманы	7…20	15…20
	клапаны	10…30	7…20
	ботаны	50…150	25…70
Ученические ранцы	карманы	7…20	15…20
	ботаны	30…60	25…50
	клапаны	10…30	7…20
	днища	10…40	10…50
Футляры	для очков	20…25	8…12
	для ключей	8..15	5…10
	для ручек	15…25	3…8
Портмоне, бумажники, кошельки		10…20	10…15

Процесс изготовления изделий состоит из обработки узлов и деталей и их последующей сборки. В процессе изготовления данного ассортимента имеется много общего, хотя и имеются некоторые различия.

1.2 Выбор материала для отверждающего слоя

Из вышесказанного следует, что корпусные детали кожгалантерейных изделий изготавливают формованием из дорогостоящей натуральной кожи толщиной более 3 мм или с применением различных вставок из картона или пластика. Формование в обувной промышленности идет с применением более тонких кож, но толщина этих кож не менее 1 мм. При формовании более тонких кож, а также искусственных кож не удается достичь требуемой формоустойчивости.

Идея заключается в том, чтобы соединить кожу с подкладом с помощью склеивающего отверждающегося слоя, чтобы в процессе технологии соединить слои и придать форму изделию, а так же получить необходимые характеристики изделия.

Рассмотрим варианты склеивающих отверждающих слоев:

клей на основе растворителей (наиритовые);

клей с отверждающими компонентами (полиуретановые, эпоксидные);

термопластичный прокладочный материал.

Выделим и обозначим некоторые параметры эксплуатации клеев:

Клей на основе растворителей:

работа с клеями на основе растворителей требует в технологическом процессе время на отверждение:

а) первый этап начальное поверхностное отверждение с активным выделением растворителя;

б) второй этап более длительное время окончательного высыхания, то есть испарение растворителя из глубинных слоев клеящей массы. На этом этапе происходит сильная деформация изделия связанная с испарением растворителей;

в процессе отверждения клея необходима активная вентиляция из рабочей зоны. Иначе концентрация растворителя не дает высыхания;

клеи на растворителях чаще всего вредны экологически для операторов, ведущих технологический процесс;

при охлаждении изделия требуют дополнительных усадочных размеров на изделии;

организовать аккуратную чистую технологию процесса промазывания клеем, чтобы не измазать изделие практически не возможно и поэтому требует операции очистки изделия в процессе или после изготовления.

Клей двухкомпонентный на основе эпоксидных смол и отвердителей:

работа с такими клеями требует большое время на отверждение;

деформации при отверждении изделия достаточно ощутимы и требуют усадочных размеров на изделии;

изделия получаются недопустимо жесткие и хрупкие;

все работы необходимо проводить в специально оборудованном помещении и на специальном оборудовании;

высокая токсичность самих смол, а также их растворителей и отвердителей небезопасна для здоровья, а так же требует активной вентиляции;

размягчители для эластичности отверждающей массы со временем или упрочняют жесткость, или приводят к хрупкому разрушению.

3. Термопластичный прокладочный материал:

относительно низкая температура плавления +400 - +420 К;

высокая адгезия в вязко-текучем состоянии;

высокая формоустойчивость после стеклования;

нетоксичность

высокая прочность и эластичность при - 233 + 333 К

восстановление термопластичных свойств при повторном нагревании.

Анализ отмеченных параметров позволил выявить технологические требования к формованию изделий с термопластичным отверждающим слоем:

минимальное время формования, которое определяется в основном конструкцией формующей оснастки и способами нагрева и охлаждения заготовки;

возможность использования простых способов формования методом расплавления и отверждения;

способность лицевого покрытия к формованию в разогретом состоянии (растяжение, вытяжка, усадка);

обеспечение жесткости и эластичности изделий за счет регулирования толщины термоклея;

сохранение свойств и внешнего вида лицевого покрытия изделия:

а) лаковое покрытие кожи должно сохранять свой цвет и блеск;

б) на коже должно сохраняться тиснение;

в) структура кожи должна не нарушаться (не считая необходимого проникновения термоклея на внутренней поверхности);

должна обеспечиваться экологическая чистота технологии;

простые требования по технике безопасности;

должна обеспечиваться безопасность при работе.

Физико-механические свойства термопластичных прокладочных материалов приведены в таб. 2./ 3 /

Таблица 2

Физико-механические свойства термопластичных прокладочных материалов

Наименование мат-ла	Плотность, кг/м3	Разрушающие напряжения, Мпа	Относит. удлин. при разрыве, %	Модуль упругости при растяжении, Мпа	Теплостойкость , не более, К	Морозостойкость, не менее, К
		При растяжении	При сжатии	При изгибе
1. ПВХ непластифицированный	1400	45-75	60-90	70-120	10-50	4000	343	265
2. ПВХ пластифицированный	1300-1400	5-25	6-10	-	200-400	7-10	343	248
3. ПЭВД	918-930	10-17	-	12-17	500	600-220	353	203
4. ПЭНД	949-955	22-30	-	20-35	300-800	570	373	203
5. Полипропилен	900-910	25-40	60-70	90-120	200-800	-	413	258
6. Сополимер этилена с пропиленом	430-945	22-30	-	-	600-900	300	373	153
7. Полистирол	1050-1070	22-45	80-120	60-100	1-45	2900	353	-
8. АВС-пластики	1020-1050	35-68	-	30-100	12-35	-	383	-
9. Полиамиды	1100-1150	40-80	60-110	50-100	70-350	1200	393	228
10. Термо-эластопласты	920-980	10-27	-	-	600-1000	-	333	238
11. Полиуре-таны	980-1200	6-50	-	-	400-700	-	363	243

Сравнительный экономический анализ возможных к применению в качестве отверждающего слоя термопластичных полимерных материалов показал, что наиболее дешевым и удовлетворяющим вышеперечисленным требованиям является полиэтилен высокого давления.

1.3 Разработка технологии формования деталей мелкой кожгалантереи

Технология изготовления изделий с термопластичным отверждающим слоем представлена на рис. 2 и содержит следующие операции:

1. Соединение термопласта с кожей под давлением с одновременным расплавлением термопласта.

2. Раскрой деталей из кожи (с нанесенным термопластом) и подкладочной ткани.

3. Сшивание чехла из кожи и внутреннего чехла из подкладочной ткани лицевой стороной вовнутрь.

4. Выворотка заготовки верха.

5. Собрать изделие. В кожаный чехол вложить чехол из подкладочной ткани. Вывернуть край кожаного чехла вовнутрь изделия и прострочить по краю.

6. Установка заготовки изделия на форму (пуансон).

7. Установка обжимного устройства (матрицу с пневмокамерой) на заготовку.

8. Нагрев термоформы до температуры плавления и выше для расплавления термоклея, выдержать время для его абсорбции в материалы (теплопередачей).

9. Охлаждение формы ниже температуры отверждения (теплопередачей).

10. Съем обжимного устройства.

11. Съем изделия.

Операции 1-5 выполняются в соответствии с аппаратным обеспечением технологических процессов существующего производства и в данной работе не рассматриваются. Далее рассмотрена только технология формования на проектируемом устройстве.

В технологии изготовления для нагрева формы можно использовать:

электрический нагрев (283 - 1283 К);

нагрев формы горячим паром (при температуре выше 383 К);

нагрев формы горячим воздухом (283 - 683 К);

Электрический нагрев имеет следующие достоинства и недостатки:

Электрический нагрев предполагает встройку теплоэлектрических нагревателей в форму.

Достоинства - это самый эффективный нагрев, т.к. минимум переходных сред для тепловых процессов (максимальный коэффициент теплопередачи);

Недостатки - резко усложняет форму, следовательно в несколько раз увеличивает теплоемкость формы, что потребует больше энергетических затрат на разогрев и охлаждение формы и во много раз увеличивает время на переходные тепловые процессы.

Нагрев паром имеет следующие достоинства и недостатки:

Достоинства - теплопередающая среда «пар» более энергоемка, чем воздух, хотя и меньше, чем вода;

Недостатки:

необходим парогенератор;

система нагрева по герметичным трубам усложнит установку;

возможно образование конденсата на более низкотемпературных поверхностях и образование капель и потеков воды на установке.

Нагрев горячим воздухом имеет следующие достоинства и недостатки

Достоинства:

форма остается минимальной по теплоемкости, а, следовательно, более производительной;

теплоемкость воздуха меньше теплоемкости формы, а, следовательно, не влияет на временной тепловой процесс;

возможность регулировать температуру воздуха в достаточном для нас диапазоне (283 - 683 К);

простой способ нагрева воздуха с помощью ТЭНов (теплоэлектрических нагревателей);

простота включения, отключения подачи воздуха, переключения воздуховодов на охлаждение;

не опасна утечка воздуха из системы нагрева-охлаждения;

окончательное охлаждение воздухом из помещения с температурой +293 +313 К;

Недостатки - низкая теплоемкость термопередающей среды (может быть компенсирована повышением скорости потока воздуха).

Таким образом, проанализировав различные методы нагрева, выявили наиболее рациональный способ нагрева - нагрев формы горячим воздухом.

В результате анализа возможных методов нагрева формы горячим воздухом были разработаны следующие схемы технологического процесса.

Установка для изготовления единичного изделия представлена на рис 3а. При такой технологии формования придется каждый раз попеременно нагревать и охлаждать форму до определенной температуры, что требует больших затрат энергии и не обеспечивает достаточную производительность. Отсюда вытекает идея нагрева формы теплопередачей от уже нагретой формы. Схема процесса на технологической линии представлена на рис. 3б.

Технология изготовления может незначительно меняться в зависимости от формы детали или изделия, удобства сборки и технологичности.

Особенностью предполагаемой технологии и конструкции устройства для формования изделий из материалов с отверждающим покрытием является их энергетическая экономичность. Разработка технологии и конструкции устройства для формования предшествовали расчеты теплообменных процессов. Главным параметром обеспечивающим выбранный технологический процесса является показатель кратности времени нагрева и охлаждения обрабатываемой заготовки. От данного параметра зависит продолжительность технологического цикла и позиционность машины.

Рассмотрим нагрева тела (Рис 4а).

Зададимся следующими обозначениями:

ТС - температура среды (ТС = const);

ТТ - температура тела.

Количество теплоты, необходимое для нагрева данного тела, пропорционально его массе и изменению температуры.

, (1.1)

где Q - количество тепла, с - удельная теплоемкость тела, m - масса тела, ?ТТ - изменение температуры, происходящее в результате подвода к телу количества тепла Q.

Схемы технологических процессов нагрева формы



а - изготовление единичного изделия, б - технологическая линия

Рис. 3.

Жидкие или газообразные тела, вступающие в контакт с твердым телом, находящимся при другой температуре, либо отдают ему тепло, либо получают тепло от него. Такое явление называют теплоотдачей и описывают уравнением

, (1.2)

где Q - количество тепла, проходящее через границу сред, б - коэффициент теплоотдачи, А - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, Дt - продолжительность процесса теплоотдачи, ДТ - разность температур поверхности твердого тела и окружающей среды.

Так как в обоих уравнениях Q - это равное количество тепла, то мы можем приравнять правые части уравнений (1.1) и (1.2),

. (1.3)

Запишем это уравнение в дифференциальном виде:

. (1.4)

Преобразуем это уравнение:

. (1.5)

Решив это дифференциальное уравнение получим:

, (1.6)

постоянную k определяем из граничных условий TT = 0 и t = 0

0 = TC + k ; k = -TC

отсюда получим

 (1.7)

Примем , где ф - временнбя постоянная, характерная для каждого вещества, тогда

. (1.8)

На рис. 4б представлен график этого уравнения

Рассмотрим процесс теплопередачи от одного тела к другому через воздушную среду.(Рис. 4в)

В нашем случае предположим, что нагретый воздух хорошо перемешан и его температура одинакова во всех точках, а вся разница температур лежит на границе сред. Начальное значение температуры среды ТС равно среднему значению между Т1 и Т2.

Так как есть две границы, следовательно, есть два процесса:

(1.9)

Так как теплопотери не учитываются, следует, что Q1 = Q2, ДT1 = ДT2 и ДT1 + ДT2 = ДT

В процессе теплообмена первое тело охлаждается, второе тело нагревается. Так как тела одинаковы, m1 = m2 и теплопотери отсутствуют, то насколько нагрелось второе тело, настолько остыло первое.

Процесс изменения температур описывается уравнением

, (1.10)

,

. (1.11)

Среднее значение между текущими величинами ТТ1 и ТТ2 не меняется

. (1.12)

а, следовательно, ТС величина постоянная и энергетических затрат на изменение температуры среды не требуется.

Так как ТС величина постоянная, то для описания процесса теплообмена двух форм можно использовать уравнение (1.12).

На рис.4г представлен совмещенный график нагрева и охлаждения для обоих тел.

Тепловой процесс охлаждения первого тела описывается уравнением

(1.13)

Тепловой процесс нагрева второго тела описывается уравнением

(1.14)

Разница температуры между телами описывается уравнением



(1.15)

То есть происходит выравнивание температур.

Все тепловые процессы можно привести к экспоненциальному процессу.

Основной характеристикой этого процесса является временнбя постоянная ф. Ниже приведен ее расчет.

Примем массу формы с учетом массы изделия mф = 0.1 кг.

По справочнику / 4 / выбираем коэффициент теплопередачи при системе «воздух - гладкая поверхность» б = 5,6 + 4v*, где v* - скорость. Примем

Процессы теплопередачи

Рис. 4

скорость равной v* = 0,5 м/с. б = 7,6 Вт/Н2·К. Площадь теплопередачи А = 0,02 м2.

Теплоемкость железа с = 0,46 кДж/кг·К.

Отсюда:

При рассмотрении данного процесса взяты следующие допущения:

не рассмотрены процессы внутри тел;

принято отсутствие теплопотерь из системы;

теплоемкость передающей среды из-за ее малой величины не учитывалась;

температура внутри передающей среды равномерна.

Для того чтобы определить количество позиций в процессе необходимо задаться температурой нагрева формы за время одного цикла t и разницей температур форм после процесса теплоотдачи ДT. На рис. 5 представлен векторно-графический способ определения рационального количества позиций в процессе.

На рис. 6 представлена диаграмма теплового процесса формования одной позиции на технологической линии за все время рабочего цикла.

Процесс нагрева и охлаждения показан на рис. 7. При разных температурах нагрева энергопотери определяются только последним циклом.

Энергопотери на последней ступени охлаждения в технологической линии определяются уравнением:

(1.16)

Векторно-графический метод выбора рационального количества позиций

Рис. 5

Процесс нагрева и охлаждения различных по длительности и максимальной температуре нагрева процессов

Рис. 7

Энергопотери в единичном производстве определяются уравнением:

(1.17)

Энергозатраты определяются энергопотерями, потому что, сколько энергии выделяется при охлаждении, столько энергии необходимо затратить на нагрев.

Сравним энергопотери QЕ.И. и QТ.Л.

Таким образом, технологическая линия в 4 раза менее энергозатратна.

1.4 Тематический поиск по источникам патентной и научно-технической информации

В ходе патентного исследования было просмотрено и изучено около 20 документов и среди них: авторские свидетельства, патенты, выложенные заявки и другая научно-техническая литература и документация. Те из них, в которых заложены наиболее соответствующие направлению исследования технологии и технические решения были отобраны для дальнейшего более глубокого изучения и анализа.

Анализ показал, что в качестве аналогов разработанному устройству можно выбрать следующие устройства.

Формование механическим обжимом на пуансоне. (Авторское свидетельство СССР № 825460, кл. В 68 F 1/00, 30 апреля 1981г.)(Рис. 7)

Устройство содержит парные пуансоны 1 с упорами 2 и парные матрицы, каждая из которых содержит верхний прижим 3 и боковые прижимы 4, соединенные шарнирами 5. Боковые прижимы 4 подпружинены пружинами 6 и имеют рычаги 7.

Матрицы смонтированы на винтовом прессе, содержащем винт 8 и электродвигатель 9.

Для сушки деталей в отверстиях пуансонов установлены электронагревательные элементы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении матрицы подняты. Увлажненную заготовку детали укладывают на нагретые пуансоны 1 между боковыми ограничителями 2, при этом пуансоны слегка обтягивают заготовкой.

Включают электродвигатель 9 винтового пресса, матрицы опускаются. Боковые прижимы 4, касаясь рычагами 7 упоров 2, поворачиваются, огибая закругленные края пуансонов, вытягивая заготовку и придавая ей форму. При этом выступы матрицы вдавливаются в заготовку, образуя линии для шва на формуемой детали.

Недостатки:

неравномерность обжатия на всех участках формы, отсюда плохое качество изделия;

сложность механики пуансона

Пневмовакуумное формование.( Авторское свидетельство СССР № 639204, кл. В 29 С 17/04, 15 марта 1982г.) (Рис.8)

Устройство имеет пневматическую камеру 1 с перфорированной прижимной плитой 2, размещенный внутри камеры электронагреватель 3, матрицу 4 с отверстиями 5 для вакуумирования или подачи сжатого воздуха

Устройство снабжено линией 6 для подачи сжатого воздуха в пневматическую камеру и линией 7 для подачи сжатого воздуха в матрицу. Все линии сжатого воздуха снабжены пневморегулирующей аппаратурой. В пневматической камере установлен кран 8 для сброса воздуха из полости матрицы.

Для вакуумирования матрицы последняя снабжена линией 9.

Устройство работает следующим образом.

Термопластичный лист 10 укладывают на матрицу 4 и пневматическую камеру 1 электротельфером опускают до полного смыкания с матрицей, зажимая лист. Затем устройство плотно запирают. Далее включают электронагреватели 3 и подают сжатый воздух по линии 6 в пневматическую камеру 1, который нагревается электронагревателями. Термопластичный лист 10 нагревается плитой 2.

После окончания нагрева листа осуществляют формование изделия сжатым воздухом по линии 6 и вакуумированием по матрицы 4 по линии 7. По окончании формования электронагреватели отключают и подают для охлаждения изделия холодный воздух. После охлаждения изделия его выталкивают из матрицы сжатым воздухом по линии 7.

Анализ работы позволил выявить следующие недостатки:

происходит утончение материала и вследствие неравномерности структуры материала - его разрыв

остаточная (релаксация) усадка материала, которая нарушает линейные размеры изделия после формования

Пневмоформование.( Авторское свидетельство СССР № 288401, кл. В 29 С 17/04, 8 сентября 1981г.) (Рис. 9)

Устройство имеет пуансон 1, на котором осуществляют выкладку пакета слоев, прижимную матрицу 2 и пневмокамеру 3.

Устройство работает следующим образом: на пуансон 1 осуществляют выкладку пакета слоев заготовки 4, которую собирают предварительно на том оборудовании, которое имеется. Затем поджимают матрицей 2 с образованием боковых клиновидных зазоров, в которых находятся полости пневмокамеры 3. Для лучшего обжатия создают давление в пневмокамере 3 и выдерживают время технологического процесса. По прошествии времени в матрицу 2 подводят хладагент. После этого матрицу отводят, а заготовку снимают с пуансона.

Анализ работы позволил выявить следующие недостатки:

большая энергозатратность

неточное формообразование в связи с образованием клиновидных зазоров между матрицей и пуансоном

Анализ существующих конструкций устройств для формования полых деталей пространственной конфигурации из композиционных материалов показал, что имеющиеся недостатки в конструкциях данных устройств и их целевое назначение не позволяет применить перечисленные устройства для изготовления деталей и узлов кожгалантерейных изделий. Поэтому ниже рассматриваются вопросы разработки конструкции устройства для формования кожгалантерейных изделий с термопластичным отверждающим слоем.

2. Техническое задание

1) Наименование разработки: устройство для формования кожгалантерейных изделий;

2) Область применения: легкая промышленность;

3) Основание разработки: задание на дипломный проект;

4) Цель и назначение разработки: исследование возможности получения изделий мелкой кожгалантереи с использование термопластичного отверждающего слоя и разработка устройства для формования таких изделий;

5) Технические требования:

производительность машины - 80 изделий в смену;

метод обработки - последовательно-параллельный метод с использованием многопозиционного стола;

количество обслуживающего персонала - 1 чел.;

величина и скорость перемещения обрабатываемого изделия - поворот на 45о со скоростью 0.46 с -1;

мощность и тип привода - электродвигатель мощностью 10 Вт и ременная передача для поворота стола; пневмоцилиндры для подъема и опускания стола; пневматическая система для формования; электродвигатель мощностью 6 Вт для вентиляционной системы;

6) Специальные требования:

толщина подклада - до 2 мм;

толщина отверждающего слоя - до 2 мм;

толщина лицевой детали: натуральная кожа - до 2.5 мм;

искусственная кожа - до 3.5 мм

3. Исследование процесса формования деталей из материалов с отверждающим покрытием

Для выбора технологического режима формования изделий из полимерного материала с отверждающим слоем необходимо проведение исследований процесса, которые позволили бы определить температурный диапазон высокоэластического состояния полимера и температурно-временные режимы формования. Исходными данными для этих расчетов являются сведения о реологических параметрах материала (температура плавления, температуропроводность).

3.1 Теоретическое исследование температурно-временных зависимостей термоформования

Формование полимерных деталей кожгалантерейных изделий является многофакторным процессом, в котором совокупность свойств изготавливаемого изделия, а именно: форма, размеры, качество поверхности, физико-механические свойства; и производительность труда на операции связаны с условиями взаимодействия полимерной массы с оснасткой и установленными режимами сварки / 5 / В формализованном виде такую зависимость можно представить в следующем виде:

Y=F ( TH, tH, х ) , (3.1)

где Y- функция, характеризующая качество получаемой детали; Тн - температура нагревателя; tн - продолжительность нагрева; х - толщина прогреваемого слоя полимера.

Среди факторов, наиболее значимо влияющих на процесс формования, является температура нагревателя. Размягчение материала в зоне контакта будет происходить лишь тогда, когда температура в зоне разогрева достигнет значений, превышающих нижнюю границу температуры текучести. Такое состояние наступает не сразу, а постепенно - по мере передачи теплоты за счет теплопроводности с поверхности, контактирующей с нагревателем.

Выбор температуры формования полимерного отверждающего слоя осуществляется из условий агрегатного состояния термопластичного материала в процессе его нагревания. Характеристика фазовых переходов показана на рис. 11. Анализ приведенной диаграммы показывает, что получение заданных деформаций, необходимых для придания изделию требуемой формы возможно в диапазоне температур от ТС до ТТ , соответствующих фазе высокоэластичного состояния. Такой диапазон ограничен температурами текучести полимера (ТТ) и температурой стеклования (ТС). В данной связи температура нагревателя (Т1)выбирается близкой к значению Т1 = ТТ, что для ПЭВД составляет 433 К. Установлено, что полимерная заготовка может достаточно интенсивно изменять форму и размеры если она прогрета до высокоэластического состояния на глубину более ѕ толщины ее стенки, при этом, в оставшейся, наиболее удаленной от нагревателя, части заготовки температура полимера может сохранятся равной Т0 = ТС, что соответствует 393 К.

В данной дипломной работе расчет показателей температурно-временных зависимостей производится с учетом того, что нагреватель должен иметь постоянную температуру разогрева, то есть на границе контакта нагреватель - полимер, будет происходить скачкообразное изменение температуры.

При этом необходимо учитывать, что между нагревателями и полимерным отверждающим слоем имеется подклад из ткани, имеющий температуропроводность, условно обозначаемую как 1.

Установлено / 5 /, что процесс разогрева полимерного отверждающего слоя до состояния высокоэластического состояния может описываться параболическим уравнением одномерной теплопроводности

 (3.2)

где - общий коэффициент температуропроводности; - градиент температур по оси Х (см. рис. 12); Т0- температура полимера в начальный момент времени; Т1- температура нагревателя.

Характеристика фазовых переходов

Т - температура; - деформация; I - твердое состояние; II - высокоэластичное состояние; III - состояние текучести; ТС - температура стеклования; Т - температура текучести; ТД - температура деструкции

Рис. 11

Использование уравнения (3.2) возможно при следующих допущениях:

- обогреваемый пуансон обладает высокой теплопроводностью и ввиду малости стенок мгновенно передает тепло к пакету формуемых деталей;

- подклад и полимерный слой представляют собой единое тело, обладающее теплопроводностью = 1 · 2 (где 1 - температуропроводность подклада, 2 - температуропроводность полимерного слоя).

Таким образом, начальные и граничные условия решения уравнения (3.2) следующие

Т(х, 0) =Т0; Т(, t) =Т0; Т(0, t) =Т1 , (3.3)

Расчетная схема процесса разогрева заготовки представлена на рис. 12. С учетом начальных и граничных условий уравнение (3.2) может быть решено следующим образом

erf () (3.4)

где erf ()- оператор разложения функции в степенной ряд;

где - безразмерная переменная, ;

где - общий коэффициент температуропроводности.

Величина 2 определяется по / 3 / и составляет 1,62 · 10-7 м2/с.

Расчетная схема плавления

1 - твердая фаза; 2 - расплав; 3 - поверхность раздела фаз; 4 - нагреватель; 5 - подклад; - глубина проникновения тепла; 1 - толщина подклада; Т1 - температура нагревателя; Т0 - начальная температура материала

Рис. 12

Величина 1 находилась экспериментально. / 6 / Для определения температуропроводности подклада, в качестве испытуемого материала использовался бархат синтетический.

В качестве допущения в исследовании был принят стационарный тепловой режим, при котором распределение температур в теле не меняется во времени, т.е. температура в различных точках тела является только функцией координат. Для определения коэффициента температуропроводности при стационарном тепловом режиме можно применять установку, схема которой представлена на рис. 13.

Образцы 2 в виде двух пластин с плоским нагревателем 1 между ними помещаются в кожух. Для уменьшения потерь тепла через боковую поверхность нагревателя имеется специальное охранное кольцо 3. Пространство между аппаратурой и кожухом заполнено теплоизоляционным материалом. С поверхности образцов, не прилегающей к нагревателю, тепло отводится при помощи охлаждающих пластин 4. По разности температур между внутренними и наружными поверхностями образцов, определяемой в стационарном режиме, удельному тепловому потоку, рассчитанному по мощности нагревателя и площади пластин, можно определить коэффициент температуропроводности

где - удельный тепловой поток, рассчитываемый по мощности нагревателя Q и площади пластины S; d - толщина образцов; Т - установившейся перепад температур на толщине пластин.

Результаты вычислений температурно-временных параметров формования полимерной заготовки приведены в приложении.

Схема экспериментальной установки

Рис. 14

Схема установки для определения температуропроводности

1 - нагреватель; 2 - образцы; 3 - охранное кольцо; 4 - охлаждающие пластины

Рис 13

3.2 Экспериментальное исследование режимов термоформования

Задачей экспериментального исследования является установление адекватности расчетных соотношений температурно-временных зависимостей реальному процессу термоформования полимерных материалов./ 7 /

Экспериментальному исследованию предшествовали теоретические расчеты температурно-временных зависимостей на основе математического описания процесса формования листовых термопластов. Для проверки полученных значений температуры и времени формования, была разработана и собрана экспериментальная установка, схема и фотография которой представлены на рис. 14 и 15.

В качестве формуемого материала 1 был использован ПЭНД толщиной Д = 10 . 10-4 м. Температура плавления ПЭНД составляет 403 К. Нагревательным элементом служил нагреватель 3. Его нагрев производился через трансформатор 6.

В процессе эксперимента были использованы две термопары. При помощи первой термопары были измерены показания температуры нагрева нагревателя 3. Вторая термопара была помещена между нагреваемыми деталями и при ее помощи была измерена температура, на которую проплавляется верхняя деталь. Сигналы с термопары поступают на усилитель, а затем на регистрирующий прибор.

По полученным значениям был построен тарировочный график, представленный на рис. 16. Уравнение кривых нагрева и остывания получено

в виде:

y=15x+30

где y - температура, на которую происходит нагрев термопары,

x - показания миливольтметра.

Методика эксперимента

Для проведения эксперимента была установлена температура нагревательного элемента 4330К, которая соответствует верхней границе температуры плавления полиэтилена низкого давления. Эта температура контролируется с помощью термопары и фиксируется на регистрирующем приборе с помощью вышеописанной лабораторной установки. Величина проникновения тепла регистрировалась на глубине, равной толщине верхней формуемой детали (Д = 10 . 10-4м). На этой глубине была установлена термопара.

В результате эксперимента были получены следующие температурно-временные показатели, значения которых представлены в таблице 4.

Таблица 4

Экспериментальные показатели

ВРЕМЯ, с	ПОКАЗАНИЯ РЕГИСТРИРУЮЩЕГО ПРИБОРА, мВ	ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА, 0К
0,5	5.2	373
1	6.6	403
1,5	8.4	433

Анализ графика показал, что разогрев на глубину = 0,002 м, достаточную для формования заготовки, осуществляется за 1.5 с. Что удовлетворяет требованиям технологического процесса.

4. Разработка конструкции устройства для формования

деталь кожгалантерейный формование конструкция

Принимая во внимание оригинальность разрабатываемого устройства имеется необходимость при проектировании его конструкции значительное внимание уделить разработке пневматической и электрической схем, а также решению вопросов, связанных с конструированием станка в целом и его узлов в отдельности.

4.1 Разработка пневматической и электрической схем

4.1.1 Описание элетросхемы

Электорсхема предназначена для управления поворотом стола, движением подвижной рамы, пневмосистемой и вентиляционной системой. Электросхема реализует алгоритм работы станка, обеспечивая технологические стадии обработки изделий, а так же необходимые технологические выдержки времени на различных этапах алгоритма работы станка.

Алгоритм работы станка:

- нажать кнопку ПУСК на необходимое время;

- прижимная рама опускается вниз;

- происходит поворот стола на одну позицию;

- прижимная рама прижимается вверх к поворотному столу;

- необходимое время проходит теплообмен между формами, нагрев формы, формование обжатием изделия и охлаждение формы на последней ступени;

- замена формы с готовым изделием на подготовленный комплект для формования

Технологические ступени обработки изделия:

- установка комплекта (пуансон и заготовка);

- 1-ая, 2-ая, 3-я ступени нагрева теплообменом, формование обжимом;

- нагрев окончательный для склеивания составных частей и окончательного формообразования;

- 1-ая, 2-ая, 3-я ступени охлаждения теплообменом с менее нагретыми формами, формование обжимом;

- охлаждение на последней ступени;

- снятие формы с готовым изделием

Теплообмен, нагрев, охлаждение форм происходит потоками воздуха, циркулирующего в соответствующих системах вентиляционного теплообмена

Технологические выдержки времени на разных этапах работы:

- выдержка времени на останов стола после поворота;

- время на охлаждение на последней ступени перед снятием формы со стола;

- время на теплообмен;

- время на останов вентиляторов после отключения теплообмена.

Состав электросхемы

Электрическая схема станка состоит из вводного устройства, силовых элементов схемы и управляющей части схемы, показанных на рис. 17 и 18.

Поворот стола осуществляется электродвигателем М1 с редуктором. Работу системы вентиляции и циркуляции воздуха обеспечивают электровентиляторы с трехфазными асинхронными двигателями М2…М6.

Все электродвигатели имеют тепловую защиту от перегрузок и обрыва одной питающей фазы с помощью тепловых реле КТ1…КТ6.

С целью сокращения технологического времени останова вентиляторов и обеспечение точности позиционирования после поворота стола в электросхеме предусмотрен динамический останов асинхронных двигателей постоянным током от выпрямителя схемы активного торможения. Аппараты пуска, останова и защиты электродвигателей включены в силовую электропанель. (см. рис. 17)

Вводной силовой автоматический выключатель, элементы индикации: «Сеть», «Цикл нагрева», «Конец цикла» и элементы релейной автоматики организующие этапы работы станка расположены в пульте управления. (см. рис.18)

Четыре датчика: датчик верхнего положения стола (SQ3), датчик нижнего положения стола (SQ2), Датчик поворота стола (SQ1), Датчик температуры нагрева формующей оснастки (ДТ) расположенные в соответствующих местах станка.

Работа устройства в соответствии с электросхемой

Алгоритм работы схемы релейной автоматики, определен этапами работы станка и показан на диаграмме цикла формования рис. 19.

При включении питания выключателем QF1 горят индикаторы Л1 «Сеть» и Л3 «Конец цикла охлаждения». Датчик поворота (SQ1) и датчик нижнего положения (SQ2) находятся в отключенном состоянии, датчик верхнего положения (SQ3) - замкнут. Прижимная рама вверху, прижата к столу. Нажатие кнопки SB1 «ПУСК» с ручной выдержкой до момента поворота стола приводит к срабатыванию реле КV7 и движению рамы вниз. При срабатывании контактов датчика нижнего положения, удерживая кнопку «ПУСК», срабатывает реле КV6 и начинается поворот стола. Одновременно запускается таймер Н1,который блокирует своими контактами кнопку SB1.2. «ПУСК» по цепи питания реле КV7 «Движение вниз». В момент начала поворота стола срабатывает датчик поворота стола (SQ3) и блокирует кнопку SB1.1. «ПУСК» по цепи питания реле КV6 «Поворот стола». Таким образом кнопку SB1 «ПУСК» можно отпустить и этап поворота продолжается до момента отключения (SQ1), реле КV6 и пускателя КV1. Сформированная команда В (см. рис. 17) с помощью нормально замкнутого контакта реле КV6 и замкнутые контакты реле времени Н1 включают реле КV2 цепи постоянного тока обеспечивающее останов двигателя М1 «Поворот стола». Время воздействия по команде В, необходимое для полного останова двигателя, короткое, с целью снижения энергозатрат схемы. Происходит активный останов двигателя поворота через нормально замкнутые контакты пускателя КV1.

С задержкой времени, необходимой на останов двигателя поворота стола, реле времени Н1 снимает команду движения вниз через цепь питания реле КV7 и начинается движение рамы вверх.

При достижении рамой верхнего положения и срабатывания датчика верхнего положения (SQ3), включаются: реле времени Н4 на охлаждение, Н3 - на цикл теплообмена и нагрева и Н2 блокировки команды «ПУСК» и выдержки времени для останова вентиляторов после цикла теплообмена.

Нагрев изделия и его формование на последней ступени нагрева происходит разогретым воздухом, циркулирующим в замкнутой системе вентиляции, включаемой командой теплообмена от реле КV9. Температура воздуха контролируется в воздушном канале датчиком температуры ДТ и регулируется электронным терморегулятором А1, который подключает теплоэлектронагреватель (ТЭН), расположенный в воздушном канале и выполненный в виде открытой спирали, для снижения времени тепловой постоянной и максимального быстродействии системы нагрева. Температура воздуха задается и может корректироваться в процессе отработки технологии. Цепь питания ТЭНа защищена автоматическим выключателем QF4.

Реле Н4 подает питание на реле КV10, которое включает вентилятор охлаждения и управления электроклапаном пневмосистемы чехлов обжатия для формования изделия.

Реле времени Н2 и Н3 через реле КV8 и КV9 и соответствующие их контакты формируют короткую команду В (выдержка), подающую постоянный ток в цепи питания двигателей вентиляторов обеспечивая их активный останов.

Время на охлаждение формируется меньше времени на теплообмен на величину времени, необходимого на замену формы. По окончании времени охлаждения срабатывает сигнализация конца этапа охлаждения и снимается воздушное давление из чехла обжатия.

После окончания времени «Конец цикла», определяемом реле Н2 возможно прохождение команды «ПУСК» и очередной цикл теплообмена.

Характерные особенности электросхемы

Использование электрических устройств задания времени позволит отрабатывать технологический цикл на начальном этапе и корректировать уже отработанную технологию при изменении параметров составных частей изделия: толщины, качества материала.

Активный останов двигателей вентилятора и поворота стола обеспечивает сокращение времени самовыбега (особенно у вентиляторов), а следовательно технологического времени определенных этапов и потерь горячего воздуха в вентиляционных каналах теплообмена.

Использование одного датчика положения, а не восьми по каждой позиции стола и технологических ступеней обеспечит простоту регулировки и точность позиционирования стола.

Использование в качестве ТЭНа открытой спирали, и точечного датчика температуры в канале нагрева воздуха позволяет получить максимальное быстродействие с минимальными величинами перерегулирования по температуре в переходных процессах включения и выключения нагревателя.

Благодаря системе терморегулировки в канале нагрева можно за один цикл поворота стола с формами и надетыми на них чехлами обжатия, но без изделия ввести в тепловой режим станок, то есть подготовить его к работе.

4.1.2 Описание пневмосхемы

Пневмосхема разрабатываемого устройства показана на рис.20. В соответствии с пневмосхемой обеспечивается подача воздуха под давлением и сброс его в атмосферу для обеспечения технологического процесса обжатия изделия при формовании в нагретом состоянии.

Пневмосхема обеспечивает механическое перемещение подвижной прижимной рамы для подключения вентиляционной системы к формам поворотного стола.

Пневмосхема содержит следующие элементы: 1 - запорный кран, 2 - манометр, 3 - фильтр-влагоотделитель, 4, 7 - дроссель; 5 -аккумулятор; 6 - маслораспылитель, 8, 9 - 2-х позиционный распределитель, 10,11 - редукционный пневматический клапан, 12 - обжимные формы, 13 - скользящее пневмосоединение, 14 - пневмоцилиндры, 15 - гибкие шланги, 16 - полый вал.

Работа устройства, в соответствии с разработанной пневмосхемой, осуществляется следующим образом. Воздух из входной сети через запорный кран 1 поступает в систему и через влагоотделитель 3 и регулятор давления 10 поступает с систему управления пневмоцилиндрами и систему пневмообжатия. Регулятор давления 10 обеспечивает давление для пневмоцилиндров, сглаживает все пульсации давления входной сети и имеет производительность немного большую среднего расхода воздуха всей системы.

Прижимная рама перемещается в осевом направлении с помощью четырех пневмоцилиндров в нижнее положение, освобождая стол для поворота. Пневиоцилиндры расположены в крайних угловых точках прижимной рамы по периметру разъемных соединений вентиляционной системы, что обеспечивает равномерное усилие прижатия втулок воздуховодов к поворотному столу, без консольных нагрузок на раму. Свободное шарнирное соединение пневмоцилиндров в крайних точках к подвижной раме и несущей раме исключают перекосы и заклинивания при движении рамы По команде ЭМ1 на электромагнит 2-х позиционного распределителя 8 перемещения вниз, воздух через распределитель 8 и дроссель 7 подается в пневмоцилиндры 14, которые отжимают пружины прижатия и опускают раму. При отключении команды ЭМ1 срабатывает пружина распределителя 8 и подача воздуха от питающей сети прерывается, а воздух из пневмоцилиндров выходит в атмосферу через дроссель 7, что обеспечивает плавный подъем прижимной рамы, и смыкания ее с поворотным столом. Для стабильной работы пневмоцилиндров в воздушные линии пневмоцилиндров установлен маслораспылитель 6.

Подача воздуха в чехлы обжатия осуществляется через гибкие шланги 15, полый вал 16 поворотного стола и скользящее пневмосоединение 13 на валу, через дроссель 4 и распределитель 9 по команде ЭМ2 на электромагнит распределителя 9 формования. Чтобы исключить ударные нагрузки чехлов обжатия воздухом, установлен дроссель 4. Регулятор давления 11 обеспечивает снижение давления из подготовленной питающей сети до необходимого уровня. Так как система пневмообжатия имеет известный и достаточный объем, то для снижения установочного параметра по производительности регуляторов давления 10, 11 установлен аккумулятор 5, обеспечивающий объем воздуха в систему обжатия с допустимым снижением давления. Объем аккумулятора соответствует выбранному объему системы обжатия с учетом допустимого снижения давления. Пропускная способность (производительность) регуляторов давления при выбранной повторяемости циклов обжатия определяется только объемом воздуха и частотой циклов. При отсутствии аккумулятора производительность определялась бы объемом воздуха и временем заполнения системы при допустимом снижении, что составляет в 100 и более раз большую величину.

4.1.3 Описание вентиляционной системы

Вентиляционная система обеспечивает теплообмен на трех технологических ступенях между горячими и менее горячими формами посредством циркуляции воздуха, а также нагрев воздуха в замкнутом канале от ТЭНа циркуляцией воздуха и охлаждение формы с помощью вентиляции атмосферным воздухом.