CC BY
50
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 675.055.18
Процесс резания кожевенных материалов при обработке на валичных машинах
Алексей Сергеевич Кочетков, преподаватель, e-mail: alesha2701@mail.ru
Владимир Валерьевич Рашкин, аспирант, e-mail: rahkin@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены условия работы затачивающих устройств строгальных машин, обеспечивающие заданное качество обработки полуфабриката; представлены типовые схемы взаимодействия рабочих органов машины при заточке; показан характер и направление сил, действующих на ножевой вал при обработке кожи и при работе затачивающего устройства; приведены экспериментальные данные работы строгальных машин с различными винтообразными ножами.
The authors examine the dependence of the processing quality in semi-finished product on the mode of sharpening devices in the planing machines. The study shows the templates for parts interaction in the machines during the sharpening. In addition, the authors describe the nature and direction of forces acting on the cutter shaft in leather processing and in the functioning of the sharpening device. The results show the experimental data for planing machines with different helical blades.
Ключевые слова: абразивный инструмент, строгальная машина, ножевой вал, заточка, качество полуфабриката. Keywords: abrasive tool, planing roller machine, helical blade, sharpening device, quality of semi-finished product.
В машинах кожевенного производства на этапах механической обработки, в значительной степени определяющей качество готовой продукции, широко распространены машины валичного типа, в которых один или несколько валов являются рабочим органом, осуществляя обработку кожевенного материала, а другие выполняют вспомогательные функции в этом процессе. Данная технологическая операция представляет собой резание винтообразными ножами, которые закреплены на рабочем валу. Этот вал относится к основным элементам с точки зрения как технологического процесса, так и динамической нагруженности машины.
Вследствие периодической перечеканки ножей, ресурс работы которых обычно не превышает одного месяца, вал имеет значительную динамическую неуравновешенность, остающуюся достаточно высокой даже при проведении его динамической балансировки на стенде после каждой перечеканки ножей. Для ее уменьшения большое значение имеет правильная организация заточки
ножей, которая проводится либо по мере затупления режущей кромки, либо непрерывно во время выполнения операции строгания.
Строгальные машины современных моделей имеют затачивающие устройства разных конструкций с дополнительными устройствами и системами [1]. Многие модели оснащаются простейшими механическими устройствами путевого действия (кулачки, упоры, «собачки»), предназначенными для управления компенсацией износа абразивного инструмента - поперечной подачей бабки. С помощью этих устройств осуществляется подача абразивного инструмента на один ход продольного (вдоль вала) перемещения при заточке ножей. Строгальные машины, затачивающий аппарат которых имеет электрогидравлический привод (модели Я5, ЯЕ, КК, Я и др.), обладают возможностью регулирования скорости продольного перемещения шлифовальной бабки. За счет этого может быть установлен такой режим затачивания, который обеспечивает более высокое качество заточки ножей, в соответствии с их износом.
Большое влияние на качество строгания кожи оказывает режим работы затачивающего аппарата. Затачивающие аппараты практически всех моделей современных машин могут работать в любом из следующих режимов:
• постоянно (с заданной величиной поперечной подачи, абсолютно независимой от положения частей затачивающего аппарата);
• в режиме однократного действия (один двойной ход с автоматическим остановом в исходном положении);
• в режиме регулируемого затачивания ножей на холостом ходу ножевого вала.
Режим затачивания выбирается в зависимости от вида обрабатываемых кож. Некоторые затачивающие устройства строгальных машин (фирм 8уії, Аіейі и др.) снабжаются системами, позволяющими регулировать работу во временном режиме с помощью реле времени.
Используемые в затачивающих аппаратах строгальных машин абразивные инструменты не всегда удовлетворяют требованиям потребителей (не обеспечивается необходимое качество заточка режущей кромки ножей, нарушается точность геометрической формы ножевого цилиндра) [2].
Обычно траверса, на которой крепятся направляющие затачивающего аппарата, выполнена в виде полой чугунной балки достаточно большой жесткости. При установке подвижных опор ножевого вала траверса прикрепляется к этим опорам, фиксируя их. Тогда затачивающая система становится единым жестким замкнутым конструктивным узлом, обеспечивающим высокое качество затачивания. При неподвижной установке опор ножевого вала траверса тоже устанавливается неподвижно, но часто она не имеет фиксированной связи с этими опорами, отчего нарушается точность и жесткость узла, что предопределяет возникновение дополнительных погрешностей при затачивании.
На рис. 1. изображены схемы типовых компоновок затачивающих систем современных строгальных машин, где ножевой вал 1 взаимодействует с полуфабрикатом 2, который раскладывается на подающем (прижимном) валу 4 и принудительно перемещается, сохраняя заданный (регулируемый) зазор между ножевым и прижимным валами. Этот зазор и определяет глубину резания или, другими словами, толщину полуфабриката после строгания. Абразивный инструмент 3 контактиру-
ет с ножевым валом в зависимости от степени износа последнего. Подающий вал принудительно прижимается к ножевому валу после укладывания на нем полуфабриката. В отдельных конструктивных схемах предусмотрен дополнительный вал 5, который вращается вместе с подающим валом. Снятие кожи с ножевого вала в некоторых машинах осуществляется с помощью отбойника или специального устройства 6, отделяющего полуфабрикат в случае его налипания на вал. В некоторых машинах, особенно предназначаемых для обработки шкур большого развеса, предусматриваются дополнительные направляющие 7. В широкопроходных строгальных машинах для увеличения жесткости вала предусмотрена подпорка 8. Иногда устанавливается защитный кожух 9, улучшающий условия работы на машине.
Варианты конструкций, изображенные на рис. 1, а и 1, б, различаются формой вращающегося отбойника 6, который снимает кожу в случае ее налипания на ножевой вал. Вариант, показанный на рис. 1, в, характеризуется наличием неподвижного отбойника, который представляет собой пластину (нож), регулируемую по высоте, чем достигается изменение зазора между отбойником и ножевым валом при износе ножей. С этой целью в варианте, представленном на рис. 1, г, предусматривается возможность поворота отбойника. Узкопроходные машины (рис. 1, д) необходимости установки отбойника не предусматривают, так как полуфабрикат небольших размеров обычно не подвержен налипанию на ножевой вал.
На схемах широкопроходных машин (см. рис.1, а - г) видно, что ось абразивного диска расположена ниже оси ножевого вала; ось прижимного (подающего) вала при этом имеет различное положение по высоте. Расположение оси абразивного круга определяет компоновку механизмов привода данной системы, конструктивное решение компоновки звеньев затачивающей системы и направления действия сил, возникающих при строгании и оказывающих изгибающее действие на ножевой вал. Это вызывает статическое и динамическое нагружение, которое оказывает негативное воздействие на работу машины, создавая повышенный уровень вибраций и шума.
В конструкциях затачивающих систем современных широкопроходных строгальных машин предусматривается возможность их работы как
Рис. 1. Схемы типовых компоновок затачивающих систем современных строгальных машин: а; б; в; г - широкопроходные модели; д - узкопроходная модель
при строгании кожи, так и на холостом ходу. В этом случае влияние прогиба ножевого вала при его затачивании должно быть минимальным. Характер и направление сил, действующих на ножевой вал при обработке кожи, известны, а соотношение между их составляющими были определены экспериментально.
Чтобы представить реальную картину силового нагружения в кинематической схеме стро-
гальной машины, покажем схему действия сил на элементы системы, которая выглядит следующим образом (рис. 2). При замыкании валов машины в процессе заточки обе составляющие силы резания (нормальная Рп и касательная Рк) будут отжимать и изгибать ножевой вал I в направлении их равнодействующей Р. Таким образом, теоретически ножевой вал будет изгибаться в плоскости 1 - 1; тогда для того, чтобы влияние этого прогиба в мо-
Рис. 2. Схема действия сил элементов затачивающей системы (кожа не показана, машина замкнута): I - ножевой вал; II -прижимной вал; III - абразивный круг
мент затачивания сказывалось минимально, ось абразивного круга О3 должна лежать в плоскости
2 - 2, расположенной нормально к плоскости 1 - 1. Положение оси прижимного вала II может меняться по направлениям x и у, при этом будет изменяться угол а между горизонтальной плоскостью и плоскостью 4 - 4, соединяющей оси симметрии прижимного и ножевого валов, а также между плоскостями, перпендикулярными им. С изменением угла а изменяется и направление действия силы Р, и положение плоскости 1 - 1. В случае изменения угла а положение центра абразивного круга III также должно быть изменено.
При этом должны сохраняться соотношения OO2 = (R + r )sina,
O3O4 = (R1 + R )sin[90 - (а + в)],
где в - угол между плоскостью 2 - 2, проходящей через оси ножевого и заточного валов, и плоскостью
3 - 3, которая перпендикулярна плоскости 4 - 4.
Для каждой конкретной модели машины величина OO2 или пределы ее изменения известны, тогда будет известна и величина угла а (или пределы его изменения):
OO2
sin а =----—. (2)
r + R
При этом, если Pn/Pk ~ 1,1, можно принять в* 45°.
Тогда величину O3O4, определяющую положение центра абразивного круга, можно найти из выражения
O3O4 = (Ri + R) sin (45° - а). (3)
(1)
Рис. 3. Приведенная схема действия сил элементов затачивающей системы: I - ножевой вал; II - прижимной вал; III -абразивный круг
Исходя из этого следует, что в конструкции затачивающей системы необходимо предусмотреть возможность одновременного изменения положения центра абразивного круга III и прижимного вала II, т. е. конструктивно объединить обрабатывающую и затачивающую системы. Поместим схему расположения элементов технологических систем строгальной машины в систему прямоугольных координат таким образом, чтобы проекция оси ножевого вала О1 совместилась с началом координат (рис. 3).
Из возможных вариантов компоновок конструкции затачивающей системы самым оптимальным является вариант, при котором координаты оси прижимного вала О2 определяются величиной (Я1 + Л2), тогда ось абразивного круга О3 должна располагаться так, чтобы угол у отклонения плоскости 2 - 2 был равен 45° - а, т. е. координаты О3, определяемые величиной (Я1 + Л3), находились на плоскости 2 - 2 - «линии подачи» абразивного круга. Изменение координат положения оси прижимного вала влечет за собой автоматическое изменение координат оси абразивного круга. Причиной этого может быть, например, износ элементов системы (стачивание ножей, износ абразивного диска).
Из вышесказанного следует, что для оптимальной компоновки конструкции затачивающей системы важнейшее значение имеет положение оси О3 абразивного диска, зависящее от положения (координат) О2 прижимного вала и определяемое углом у. При этом важно, какая из технологических схем принята в машине - с подвижным или неподвижным креплением ножевого вала.
При неподвижном креплении ножевого вала, в соответствии с условиями работы, ось ножевого вала О1 имеет неизменное положение (см. рис. 3). Диаметр ножевого вала (2^1) вследствие износа (стачивания) ножей постоянно (или периодически, по мере заточки) уменьшается от максимального значения до минимального. Изменение положения теоретической оси прижимного вала О2 ограничено пределами регулирования межосевого расстояния О1 - О2 в ходе изменения диаметра ножевого вала в результате стачивания. Это регулирование (изменение положения координат оси О2) может производиться в направлении 1 - 1 или иной траектории, параметры которой определяются конструкцией звеньев механизма замыкания машины.
В затачивающей системе «абразивный диск -ножевой вал» уменьшения диаметра 2*3 и 2Я1 должны компенсироваться смещением теоретической оси О3 по линии 2 - 2 или по любой другой траектории, что, помимо перемещения О3, всегда повлечет за собой изменение состояния, т.е.
у= 45° - а.
Таким образом, изменение положения координатной оси прижимного вала О2 определяется величиной уменьшения диаметра ножевого вала за счет стачивания ножей по линии 1 - 1. При этом справедливо выражение
2Л1г -2*3,.
^01
2
(4)
условий, так как перемещение оси абразивного диска не связано с изменением координат О2.
При подвижной установке опор ножевого вала О1 смещение его оси вызывает изменение угла а, т. е. нарушение начальных условий. При этом ось абразивного круга также смещается (затачивающий аппарат, траверса и ножевой вал смонтированы на общих опорах).
Из рассмотренных схем компоновок конструкций существующих машин (см. рис. 2) видно, что они не отвечают требованиям начальных условий, а это приводит к снижению точности формы ножевого вала при его затачивании.
Рассмотрим влияние конструктивных и технологических параметров затачивающего устройства строгальной машины на производительность строгания (рис. 4). Дело в том, что при уменьшении количества обработанных кож между заточками требуется дополнительное время на проведение этой операции, что, естественно, снижает производительность машины. В свою очередь, качество строгания, определяемое толщиной готовой продукции Т, требует соответствующего проведения операций заточки, т. е. дополнительных затрат времени.
где с>01 - величина компенсации износа ножей.
В системе «абразивный диск - ножевой вал» износ диска и ножей должны компенсироваться изменением координаты О3 на величину Д03 по линии 2 - 2:
Д03 = / (Д2*1, Д2*2). (5)
Установим следующие условия регулирования рабочего зазора: ножевой вал крепится на подвижных опорах, координаты О1 могут изменяться с целью компенсации износа ножей. Теоретическая ось прижимного вала занимает только одно неизменное рабочее положение при замкнутой схеме машины.
Рассмотрим компоновку элементов систем машины в реальных конструкциях. При неподвижной установке опор ножевого вала смещение оси прижимного вала производится по линии 1 - 1 (см. рис. 3), что приводит к нарушению начальных
Рис. 4. Сравнительные характеристики качества кож при обработке серийными и экспериментальными ножами: 1 - серийные ножи; 2 - экспериментальные ножи
Наибольшее влияние на производительность машины оказывает скорость подачи кожи, максимальное значение которой ограничено предельной скоростью вращения подающего вала. Это напрямую не связано с процессом затачивания ножей, а связано с промежутком времени, в течение которо-
го нож сохраняет режущую способность до затупления, успевая обработать Л-е число единиц кож. После того, как отклонение толщины обработанной кожи выходит за пределы номинального поля (заштрихованная область), требуется очередная заточка ножей. Степень затупления ножа удается определить только после обработки нескольких единиц полуфабриката, поскольку имеет место достаточно большой разброс в значениях параметров каждой единицы полуфабриката, который объясняется существенным различием площадных характеристик кожи, неодинаковой влажностью и т.п. Поэтому отследить степень затупления режущей кромки ножей по измерениям одной единицы продукции объективно невозможно.
Машинное время, затраченное на перезаточку ножа (т. е. приведения его в работоспособное состояние), зависит от числа проходов шлифовальной бабки, типа машины (ширины рабочего прохода), скорости перемещения шлифовальной бабки (продольной подачи), обеспечивающей результат затачивания. Для серийных ножей перезаточка требуется после обработки примерно 50 единиц полуфабриката, для упрочненных - после 100 единиц. При обработке более сложного вида полуфабриката эти показатели могут снижаться примерно в два раза (шкуры крупного развеса: яловка, бычина и т. п.).
Следует отметить, что каждая перезаточка, проводимая на холостом режиме работы машины, требует не только определенных затрат времени, но и интенсифицирует износ ножей, так как именно этот процесс и определяет их стойкость как режущего инструмента.
Приведенные расчетные модели могут использоваться для прогнозирования технико-экономических показателей выпускаемой и разрабатываемой продукции [3], что, с одной стороны, является необходимым начальным этапом разработки отраслевых или межотраслевых комплексных программ по созданию и внедрению новой продукции, а с другой -информационной и методической основой для разработки прогрессивных стандартов.
ЛИТЕРАТУРА
1. 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.
2. Рашкин В. В., Иванов В. А. Анализ параметров заточных систем строгальных машин для обработки кожевенных материалов // Электротехнические и информационные комплексы и системы (на примере строгальных машин). 2010. Т. 6. № 1. С. 45 - 49.
3. Рашкин В. В., Сумзина Л. В., Пономарева Ю. Н. Использование нейронных сетей при моделировании процессов (на примере строгальных машин) // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т. 6. № 1. С. 50 - 54.
Поступила 21.04.2010 г.
