CC BY
42
3. Отчет по теме «Создание АРМ разработчика перечня приборных технологий. Апробация АРМ и введение его в эксплуатацию» / Шифр темы: ОКР «Приоритет», ч. 3. М.: ИГУПИТ. 2009.
Поступила 25.04.20011 г.
УДК 675.055.18
АНАЛИЗ ЗАТУПЛЕНИЯ ВИНТООБРАЗНОГО НОЖА КОЖЕВЕННОЙ МАШИНЫ ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ИЗНОСЕ
Александр Васильевич Максимов, к.т.н., проф., e-mail: byttech@yandex.ru Алексей Сергеевич Кочетков, преподаватель e-mail: alesha2701@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Author considers the process of cutting leather materials, in which the effect of edges and bevels of blade for the material being processed is accompanied by transition of the last limit of elastic deformation, investigates the effect of geometrical parameters of cutting on quality of the semi-finished product; shows that the most important of these parameters is the sharpness of the cutting blades; presents different ways of measuring blade edge sharpness based on the assumption that its profile has a form that can be inscribed circle.
Рассмотрен процесс резания кожевенных материалов, при котором воздействие кромок и фасок лезвия на обрабатываемый материал сопровождается переходом последнего за предел упругих деформаций; исследовано влияние геометрических параметров резания на качество полуфабриката; показано, что наиболее важным из этих параметров является острота режущего лезвия; представлены различные способы измерения остроты кромки лезвия, базирующиеся на допущении, что ее профиль имеет форму, в которую можно вписать окружность.
Key words: contact voltage, blade cutting edge, quality semi-finished products.
Ключевые слова: контактное напряжение, режущая кромка лезвия, качество полуфабриката.
Резание кожевенных материалов при обработке на строгальных, мездрильных и других машинах подобного типа - это механический процесс, при котором схема взаимодействия рабочего инструмента и обрабатываемого материала аналогична
фрезерованию в металлообработке, где нож или зуб фрезы подходит к точке соприкосновения с обрабатываемым материалом и врезается в него. Но здесь имеются существенные различия: металл в процессе обработки зубом фрезы деформируется не по всей площади, а только в зоне контакта инструмента и детали, причем совершенно незначительно с точки зрения геометрии процесса, а кожа при ее невысокой прочности и жесткости, деформируясь, значительно меняет свои размеры под действием режущего инструмента. И процесс резания происходит в условиях существенной нестабильности механических параметров, что значительно повышает требования к режущему инструменту.
По конструктивным соображениям угол заострения ножа кожевенной машины обычно равен 90о, т.е. резание происходит практически затупленной режущей кромкой. При определенных параметрах процесса нож просто внедряется в материал, сжимая его, как показано на рис. 1, и перемещается по направлению стрелки. Таким образом осуществляется операция «разводка», когда кожа растягивается в направлении движения ножа.
При соприкосновении ножа с материалом возникают деформации, так как сам материал обладает высокой пластичностью. Лезвие ножа, контактируя с кожей, прогибает ее по своей форме. За счет высокой скорости движения ножа кожа уплотняется перед его режущей кромкой. По достижении критических величин контактных напряжений кожевенный материал разрывается и происходит отделение стружки. При этом стружка и обработанная поверхность кожи, отличающиеся высокой шероховатостью и абразивностью, подвергают износу режущую кромку. Вследствие того, что обрабатываемый полуфабрикат обладает определенными физико-механическими свойствами и имеет неодинаковую толщину, этот износ является неравномерным по длине ножа. По мере затупления кромки возрастают усилия резания, необходимые для того, чтобы контактные напряжения достигли критической величины, в результате чего снижается качество обработки кожи. Воздействие кромок и фасок режущего лезвия ножа на обрабатываемый материал при строгании сопровождается переходом последнего за предел упругих деформаций, что вызывает разрушение обрабатываемого полуфабриката.
Нож
Кожа
Поэтому такие свойства обрабатываемого материала, как упругость, вязкость и пластичность приобретают первостепенное значение при выборе параметров технологической операции.
Поскольку под упругостью обычно понимается свойство материала восстанавливать свои формы и размеры после прекращения действия внешней нагрузки, под влиянием которой они были изменены, все материалы, обрабатываемые лезвием, не могут рассматриваться как упругие. Наличие у них таких явлений, как релаксация (падение напряжения при неизменной деформации) и ползучесть (рост деформации при постоянных нагрузках) позволяет отнести эти материалы к упруговязким или вязкопластичным. Для этих материалов характерна зависимость деформации не только от площади ее распространения, но также и от скорости, с которой она развивается [1] .
Контактные процессы при строгании кожи определяются ее упругопластичными свойствами, а также свойствами материала, из которого изготовлен нож [2]. Поверхности трения ножа могут быть свободными от пленок химических соединений и адсорбитов, но могут быть покрыты такими пленками, что изменит условия контакта. Известно, что кожа проходит предварительно ряд химических обработок (дубление, золение, крашение и др.) и поэтому в значительной степени сохраняет в своей структуре активные химические вещества.
Из всех геометрических параметров лезвия в плоскости, перпендикулярной плоскости резания, важнейшим с точки зрения режущих свойств является острота режущего лезвия. Этот параметр оказывает наибольшее влияние на качество поверхности среза. Таким образом, требуемое усилие резания большинства упруговязких материалов определяется главным образом остротой лезвия.
Резание кожевенного материала происходит, когда контактное напряжение на режущей кромке лезвия превосходит критическую величину, зависящую от физикомеханических свойств кожи. Концентрацию напряжения на кромке лезвия можно довести до больших значений приложением относительно малых сил к ножу, но применяя при этом очень острые лезвия. Наоборот, при тупом лезвии может оказаться недостаточно внешнего усилия для создания концентрации напряжения на кромке лезвия, которое бы вызвало резание материала. Величина контактного напряжения и острота лезвия связаны следующим соотношением [3]:
Ог = к-8 -т (1)
где 8 - острота; к, т - коэффициенты, зависящие от свойств материала.
В качестве показателей режущих свойств лезвия используются такие геометрические параметры его кромки, при измерении которых принимается допущение, что ее профиль имеет форму, в которую можно вписать окружность, определяемую длиной отрезков 51,52,53,54 (рис. 2).
Л
Рис. 2. Определение критерия затупления режущей кромки ножа
Это допущение подтверждается при проведении соответствующих экспериментов, поэтому предлагается оценивать остроту лезвия по диаметру этой окружности 5Х .Кроме
того, есть рекомендации за показатель остроты лезвия принимать хорду 5 2 , стягивающую дугу в точках касания фасок лезвия с вписанной окружностью. Также остроту лезвия измеряют отрезком касательной 5 3 к вписанной окружности (перпендикулярной к биссектрисе), отсекаемым линиями продолжения фасок. Еще остроту несимметричного изношенного лезвия предлагают измерять отрезком касательной 5 4 к вписанной окружности, перпендикулярной к линии продолжения наименее изношенной фаски. Также измеряют остроту лезвия хордой 5 5 , стягивающей дугу центрального угла вписанной окружности, равного двум углам трения 2 ф.
Оценка упомянутых и других геометрических параметров профиля лезвия, принимаемых за показатель его остроты, должна, с одной стороны, характеризовать влияние параметра на процесс разрушения материала под кромкой лезвия, а с другой -учитывать возможность точного замера этого параметра.
Прежде чем дать такую оценку упомянутым выше параметрам, попытаемся определить их относительную погрешность. Для всех параметров, полученных в результате экспериментальных исследований, относительная разность измеряемых величин не превышает 30 - 35%. Можно предположить, что все они почти в равной степени объективности с точки зрения практической значимости позволяют характеризовать остроту лезвия.
Но теоретический анализ процесса показывает, что оценка остроты лезвия указанными параметрами имеет различную степень объективности. Так, параметры ё2, ё3, ё4, связанные в своих аналитических выражениях не только с радиусом г, но и углом заточки в, с увеличением последнего уменьшаются, что видно на графиках, изображенных на рис. 3:
= 2г 0081 —
83 = г
1 -
2
(90 -0)
1 - БІЙ
в
8 = 2г~гв
СОБ1
Р
Рис. 3. Характер зависимости параметров, определяющих остроту лезвия, от угла заточки: кривая 1 - ё2; кривая 2 - ё3; кривая 3 - ё4
Из вышесказанного следует, что из любых двух различных лезвий, имеющих одинаковый радиус кромки, более острым должно быть признано то, которое имеет больший угол заточки в . Это противоречит логике и не позволяет рассматривать остроту лезвия как его самостоятельный параметр, определяющий контактную поверхность кромки, на которой возникает разрушающее напряжение Gг, обуславливающее процесс резания.
В гипотезе разрушения материала при резании от смятия его кромкой лезвия дается не вполне обоснованное предположение, что разрушение разрезаемого материала ножами происходит из-за сжатия его лезвием до давления, равного временному сопротивлению материала. Экспериментально же установлено, что напряжения сжатия, вызывающие разрушения упруговязких материалов, значительно ниже напряжений, возникающих на кромке ножа. Таким образом, разрушение материала под кромкой лезвия происходит не вследствие его обычного сжатия, а вследствие упруговязкого обтекания им кромок лезвия, за счет чего возникает неодинаковое изнашивание по задней и передней поверхностям кромки лезвия.
Применение величины 82 = 2гБт р в качестве оценки остроты лезвия также
неприемлемо ввиду того, что коэффициент, а следовательно, и угол трения вследствие анизотропного строения материала в процессе внедрения в него лезвия не остаются постоянными. Из вышеизложенного следует, что оценка остроты лезвия посредством радиуса г или диаметра 81 = 2г окружности, вписанной в контур его кромки,
представляется наиболее правомерной и практически приемлемой, что, как выше сказано, согласуется с результатами опытных исследований.
Экспериментальные замеры производились непосредственно с образцов, либо со свинцовых слепков на большом инструментальном микроскопе при увеличении в 60 раз. Шероховатость задней и передней поверхностей измерялась на профиллографе-профилометре ПП-2016.
Твердость и микротвердость образцов ножей измерялись соответственно на приборах Роквелла и ШТ-3. Для измерения толщины полуфабриката применялись толщиномеры типа ТР с ценой деления 0,1 и 0,01 мм (для измерения глубины и площади лестницы на толщиномер устанавливается пятка прямоугольного сечения с площадью поверхности контакта с кожей 75 мм2 ) и металлическая линейка с ценой деления 0,1 мм. Измерение износа режущих кромок ножей производилось методом слепков по методике, разработанной применительно к ножам с различным износом по задней и передней поверхностям. Ножи затачивались до достижения заданной остроты, и в двух сечениях с симметрично-расположенных ножей снимались свинцовые слепки. Замерялась высота ножей над поверхностью цилиндра ножевого вала. Предварительно отбиралась партия кожевенного полуфабриката (в проводимом эксперименте - бычина) и измерялась толщина каждой кожи в четырех наиболее характерных точках. Очередные снятия слепков производились в отмеченных точках после обработки каждой пятой кожи. После обработки кожи для определения корреляционной зависимости между остротой режущей
кромки и толщиной обработанной кожи определялась ее толщина в тех же точках, что и до строгания.
Изменение величины износа в зависимости от времени обработки кожи аппроксимируется функциями а = 0,289 +0,084т и Ь = 1,825а, где а - износ по задней поверхности; Ь - износ по передней поверхности; т - машинное время обработки (при обработке одной кожит = 4...6с). Для определения характера кривой износа режущей кромки по слепкам с двух наиболее изношенных ножей произведено сопоставление износа по передней и задней поверхностям (табл. 1).
Таблица 1. Экспериментальные значения износа, мм, по задней и передней поверхностям ножей в двух симметрично расположенных точках
Нож 1 Нож 2
№ Износ по задней Износ по передней Износ по задней Износ по передней
поверхности поверхности поверхности поверхности
1 0,02 0,02 0,02 0,03
2 0,03 0,03 0,04 0,08
3 0,04 0,07 0,06 0,11
4 0,05 0,10 0,102 0,13
5 0,07 0,15 0,104 0,13
6 0,11 0,15 0,108 0,15
7 0,16 0,20 0,11 0,18
8 0,16 0,25 0,13 0,23
9 0,20 0,35 0,17 0,29
10 0,30 0,39 0,20 0,34
11 0,015 0,015 0,01 0,01
12 0,03 0,04 0,03 0,05
13 0,03 0,05 0,042 0,07
14 0,04 0,07 0,047 0,104
15 0,05 0,09 0,049 0,109
16 0,06 0,10 0,06 0,12
17 0,08 0,14 0,063 0,15
18 0,11 0,16 0,11 0,27
19 0,12 0,20 0,13 0,31
20 0,15 0,30 0,20 0,37
Схему износа строгального ножа (рис. 4) можно представить с использованием вышеизложенной методики, где к3 - высота затупления (износ) режущей кромки;
г - радиус затупления режущей кромки; хо, у0 - координаты центра радиуса затупления кривизны режущей кромки; А - точка пересечения передней и задней поверхностей ножа при радиусе затупления г, равном нулю; а - угол, определяющий величину наклона касательной кривой, описывающей поверхность изнашивания, к оси абсцисс.
Рис. 4. Схема износа строгального ножа в плоскости, нормальной режущей
кромке
Запишем уравнение нормали к кривой поверхности изнашивания, проходящей через точку А:
У - У0 =- * (х - х0).
Ш(а )
Если координаты точки А будут у = 0, х = а,
1 / ч
то уп =----------(а - хп).
Уо tg(а~ Г 0
Точка В лежит на пересечении кривой изнашивания и нормали к этой кривой. Поэтому Уо = ахО + /ЗХо, а тангенс угла наклона равен производной этой функции в точке х0, у0:
tgа' = 2 ах0 + в.
Тогда а х02 + в х02 =----1----(а -х0).
2ах0 + в
Окончательно получаем кубическое уравнение:
2а2х3 + 3а/3х1 + (1 + 01')х0 - а = 0, где 2а = 0,15; в = -0,77; атах =17.
Отсюда находим радиус затупления режущей кромки хо и износ кз\
х
г =-
И3 =
Бт(а) г
, 1 1 - соБ(а )
- г = г (-------------1) = г-
со8(а) чсоБ(а) ' соБ(а)
Чтобы определить зависимости износа режущей кромки ножа от времени, необходимо определить коэффициенты в уравнении параболы в каждую единицу времени. При системе технического кодирования параметров процесса изнашивания в течение времени обработки кожи между перезаточками ножей кривые, описывающие изношенную поверхность, практически эквидистантны, поэтому коэффициенты должны удовлетворять следующему соотношению:
а2 = а1
где в = У = 1,825а!; в2 = У2 = 1,82а2. откуда
1,825а1 = а1а12 + в1а1;
I в 2
1,825а2 = а1 — а2 + в2 а2
^ Vв2 „
Здесь индексы при коэффициентах, равные двум, показывают, что уравнение описывает кривую изнашивания в момент времени, хронологически следующий за моментом времени с индексами, равными единице.
Решая эту систему уравнений, приходим к следующему: в = 0,77а,
в23 + 3,56в22 + 3,1684в2 - 0,017325а* = 0, где а2 = (0,2890 + 0,0844) т.
Последними уравнениями полностью определяются радиус затупления и износ режущей кромки ножа, как функций времени. Значения величин углов а' наклона касательной к горизонтали аппроксимируются выражением а' = 0,93 + 0,0025т - 0,2 • 10- Т +0,5 • 10- Т.
Тогда расчетный износ ножа по задней поверхности в зависимости от величины износа кт, задается уравнением
Бт(а~ )
а = кт _ .
1 - С0Б(а )
В работе [3] сила резания определяется как Р = mg082к, т.е. зависит только от
начальной глубины резания к и не зависит от ее изменения в процессе обработки, что противоречит экспериментальным данным. Там же сила резания определяется как Р = Ь(Р0 + кк), т.е. зависит от изменения глубины резания, но не зависит от изменения геометрических параметров ножа. Влияние радиуса затупления равномерно изнашивающегося лезвия на усилие резания изучено в работе [4], где с учетом известных положений из теории резания получено выражение, связывающее усилие резания и радиус затупления степенной зависимостью:
Р = Р0 + сгп,
где с и п - коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого материала.
Данное выражение не позволяет учитывать радиус затупления ножа, изнашивающегося по задней и передней поверхностям с разной интенсивностью, что снижает точность оценки усилия резания и не позволяет учитывать физико-механические и микрогеометрические свойства ножа.
Рассмотрим зону контакта ножа, перемещающегося со скоростью а, с обрабатываемым материалом (рис. 5). Длина контакта для случая неизношенного ножа равна £ (подаче на ножа). По мере изнашивания ножа длина его контакта увеличивается на некоторую величину £1, так как для процесса резания требуется большая степень
деформирования материала. Эта величина определяется интегралом £1 = [ '-Л + у12ёа [1],
V 0
где функция у описывает кривую изнашивания ножа в каждый момент времени: у' = ах2 + /Зх.
Рис. 5. Схема контакта ножа с обрабатываемым материалом Характер износа экспериментальных ножей, изготовленных из стали 08кп и упрочненных детонационным напылением, несколько иной за счет наличия резко различных по твердости двух слоев (измерения проводились после обработки каждой 10-й кожи). Причем 1-й слой - толщиной не более 0,2 мм. Это приводит к образованию зоны интенсивного износа непосредственно за твердым слоем, где еще велики нормальные давления на нож со стороны обрабатываемого кожевенного материала после обработки 45...50 кож. Затем процесс стабилизируется и износ по задней поверхности и радиус затупления остаются постоянными на протяжении обработки 25.30 кож. Изнашивается же участок вблизи границы раздела более твердого и более мягкого материалов. Изменение величины износа по задней поверхности с течением времени описывается в виде:
a = 0,289 • 0,084т при 0 <т<т,
a = const при т < т < Tj,
a = 0,289 + 0,084т при Tj <т <тк,
где тк - время окончания процесса обработки кожи ; т <т <Tj - промежуток времени, в
течение которого радиус затупления ножа не меняется.
Функциональная временная зависимость износа необходима для дальнейшего расчета взаимного влияния износа режущей кромки ножа и показателей качества обрабатываемой кожи. Поэтому при использовании системы компьютерного управления строгальной или другой валичной кожевенной машиной возможно автоматическое включение заточной системы машины на основании реализации полученных уравнений. В зависимости от вида обрабатываемого полуфабриката и его физико-механических
свойств, а также задаваемых режимов технологической операции в эти уравнения вводятся соответствующие коэффициенты, что позволяет автоматически управлять работой заточной системы. За счет этого снижаются простои машины на проведение дополнительных замеров обработанного полуфабриката и гарантируется стабильно высокое качество готовой продукции.
В работе [5] отмечается, что в качестве дополнительной меры для снижения сопротивления резанию ножи устанавливаются не перпендикулярно к поверхности вала, а под некоторым углом, в результате чего уменьшается угол резания. Это позволяет улучшить условия резания, что благоприятно сказывается на качестве обработки кожи и уменьшении затрачиваемой мощности при резании.
Таким образом, показано, что для использования автоматизированной системы включения заточного механизма требуется учитывать условия резания кожевенных материалов, при которых воздействие кромок и фасок лезвия на обрабатываемый материал сопровождается переходом последнего за предел упругих деформаций. Поэтому в расчетные формулы должны входить физико-механические характеристики обрабатываемого полуфабриката: упругость, вязкость и
пластичность обрабатываемого материала. Среди геометрических параметров резания наиболее важным является острота режущего лезвия. Измерения кромки лезвия предпочтительнее проводить исходя из условия, что ее профиль имеет форму, в которую можно вписать окружность.
Литература
1. Афанасьев В.В., Иванов В.А., Шуметов В.Г. Моделирование долговечности ножей строгальных машин, эксплуатирующихся в бытовом обслуживании // Наука и образование. Новые технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып.2. М.: МГУДТ. 2002. С. 3 - 14.
2. Афанасьев В.В., Иванова Е.В., Морозов Р.В., Дьяченко С.А. Нейросетевые модели в управлении производительностью оборудования // Наука и образование. Новые технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып.2. М.: МГУДТ, 2004. С.35 - 40.
3. Захаров Л.Г., Шуметов В.Г., Иванов Э.А., Парамонов В.С. Влияние параметров стойкости спиральных ножей и режимов их заточки на производительность строгальных машин // Вопросы проектирования и разработки оборудования для легкой промышленности. М.: ВНИИЛтекмаш. 1984. С.138 - 143.
4. Иванов В.А., Рашкин В.В. Некоторые вопросы теории заточки ножей строгальных машин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т.6. №1. С. 41 - 44.
5. Иванов В.А., Рашкин В.В. Анализ параметров заточных систем строгальных машин для обработки кожевенных материалов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т.6. №1. С. 45 - 49.
Поступила 27.04.2011 г.
УДК 629.7.036
ВЗАИМОСВЯЗЬ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ИЗДЕЛИЙ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф., каф. «Двигатели летательных
аппаратов и теплотехника», e-mail: dc2mati@yandex.ru
Алексей Юрьевич Анисимов, аспирант, e-mail: dedau@yahoo.com
Михаил Сергеевич Кормашов, аспирант, e-mail: kormashov-mihail@,rambler.ru
ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени
К.Э. Циолковского, Москва
Authors consider automated information support system and application of functional cost analysis for complex technical systems; analyze the factors affecting the structure, content of processes and subsystems of automation of technological design, taking into account interrelation of design process and product life cycle management; present approaches to automating the design process and production related to the modification of products and improving production systems.
Рассмотрены автоматизированные системы информационной поддержки и область применения функционально-стоимостного анализа для сложных технических систем; проанализированы факторы, влияющие на структуру и содержание технологических процессов и подсистем автоматизации технологического проектирования, учитывающие взаимосвязь процесса проектирования и управления жизненным циклом изделия; представлены подходы к автоматизации процессов проектирования и производства, связанные с модификациями изделий и совершенствованием производственной системы.
Key words: functional cost analysis, automated system, life cycle, methodological unity.
