Влияние конструктивно-технологических факторов процесса фрезерования на качество обработки деталей низа обуви

Актуальность проблемы. Анализ работы предприятий по ремонту и индивидуальному пошиву обуви в России и за рубежом в условиях продолжающегося экономического кризиса показывает заметно возросшую потребность в оказании услуг населению указанными предприятиями. Прежде всего, это связано с желанием клиентов продлить срок бывшей в эксплуатации (ношенной) обуви и обеспечить при этом экономию личных финансовых ресурсов. Однако с учетом высокого уровня развития современного обувного производства и качества изготавливаемой обуви (особенно ведущих зарубежных фирм) требования клиентов к качеству ремонта обуви неизмеримо возросло. Это обстоятельство порождает для ремонтных обувных предприятий ряд проблем, главной из которых является проблема существенного повышения качества выполнения ремонтных операций, осуществляемых с помощью механического оборудования и специализированного инструмента.

Фрезерование является одним из основных процессов механической обработки деталей низа обуви. Фрезерованием удаляют излишки материала по контуру деталей и придают урезу определенную форму и гладкую поверхность. Обработку производят фрезами на машинах отечественного и зарубежного производства. Материал при фрезеровании снимается в виде стружки, изменяющей свое поперечное сечение от минимального до максимального (встречное фрезерование) или наоборот (попутное фрезерование). В результате обработки на поверхности деталей формируется определенный микрорельеф-шероховатость, обеспечивающая при выполнении дальнейших технологических операций (шлифование, полирование и др.) требуемые значения эксплуатационных характеристик обуви. Величина шероховатости и ее постоянство на любом участке обработанной поверхности являются основными критериями качества фрезерной обработки деталей низа обуви.

Однако при использовании существующих методов обработки деталей низа обуви фрезерованием добиться постоянства величины шероховатости на всей площади обрабатываемой поверхности очень сложно. Это связано со спецификой физико-механических свойств синтетических полимеров (из которых в подавляющем большинстве случае изготавливаются в настоящее время детали низа обуви), с особенностями геометрических характеристик обрабатывающего инструмента — фрез, характером их изменения в процессе работы и др. Но главной причиной, препятствующей достижению равномерной шероховатости деталей низа обуви после их обработки фрезами, является сложность формы самих деталей. Кроме того, существующие технологии не обеспечивают постоянство режимов процесса, поскольку контакт детали с инструментом поддерживается, как правило, вручную работником и, следовательно, качество обработки в этом случае зависит от его квалификации. Поэтому на практике для достижения необходимого качества обработки применяют многократное прохождение инструментом поверхностей детали. Это снижает производительность процесса и не позволяет создать высокоэффективное технологическое оборудование.

Большие возможности в повышении уровня механизации, производительности труда и улучшении качества механической обработки фрезерованием, имеет разработка и внедрение на обувных предприятиях оборудования, реализующего процесс резания так называемым «подвижным ножом».

Разрушение обувных материалов при их обработке традиционными рабочими органами (ножами, резаками, фрезами, связанным абразивом) может происходить по принципу резания «подвижным» или «неподвижным» ножом. Геометрия лезвия ножа (инструмента) при этом имеет различия. При резании «подвижным ножом», т. е. когда лезвие режущего инструмента двигается вдоль острия, появляется действительный угол резания ад, который зависит от конструктивного угла заточки инструмента ак. Этоприводит к значительному уменьшению силы резания и улучшению качества обработки. Так, если при резании «неподвижным» ножом угол резания равный углу заточки инструмента, составляет порядка 20−30°, то при резании «подвижным» ножом, например, в стационарных ленточных раскройных машинах, ад в 600.

800 раз меньше ак и может составлять 6−12″. Очевидно, что использование при фрезеровании деталей обуви принципа резания «подвижным ножом» должно обладать несомненными достоинствами по сравнению с традиционными технологиями.

Однако такой процесс и принцип резания в оборудовании для фрезерования деталей обуви до настоящего времени не реализованы, практически отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов фрезерования «подвижным ножом», отсутствуют технические решения, реализующие указанный принцип фрезерования.

Таким образом, повышение качества механической обработки деталей низа обуви путем использования результатов всестороннего исследования процесса фрезерования «подвижным ножом», является весьма актуальной проблемой, имеющей важное научное и практическое значение.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является повышение эффективности процесса и качества фрезерной обработки деталей низа обуви за счет применения нового способа фрезерования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• анализ используемого оборудования для проведения механической операции фрезерования деталей низа обуви с целью выявления его недостатков и возможности использования резания «подвижным ножом» для получения высококачественного среза;

• анализ процесса механической обработки фрезерованием и факторов, оказывающих влияние на разрушение деталей низа обуви фрезой;

• теоретическое исследование процесса механической обработки фрезерованием, для чего: а) проведено исследование влияния геометрических и кинематических параметров на время контакта зуба фрезы, с участком изделия различной формыб) разработана методика определения геометрических характеристик рабочего инструмента и выполнено ее аналитическое исследованиев) разработана методика расчета сил резания при фрезеровании и выполнить ее аналитическое исследованиег) выполнены аналитические исследования усилий фрезерования и разработана математическая модель энергетических затратд) разработана методология прогнозирования результатов процесса фрезерования обувных синтетических материалов в условиях низких температур, на основе которой получены аналитические зависимости для расчета оптимальных значений наиболее значимых факторов процесса фрезерования, критериев качества и максимальной производительности обработки:

• разработка методики экспериментальных исследований механической обработки деталей низа обуви фрезерованием новым способом;

• разработка рекомендаций для предприятий по ремонту обуви по внедрению нового способа фрезерования деталей низа обуви.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

• впервые выполнено комплексное теоретическое и практическое исследование проблемы повышения качества механической обработки фрезерованием деталей низа обуви, изготовленных из синтетических полимерных материалов, в условиях низких температур;

• впервые на основе нового способа механической обработки определены основные факторы процесса фрезерования деталей низа обуви;

• на основе анализа взаимодействия зубьев фрезы, совершающей наряду с вращательным осциллирующее движение вдоль своей оси, с обрабатываемым материалом разработана методика определения усилий фрезерования;

• определены оптимальные технологические режимы нового процесса для фрезерования деталей, низа обуви, позволяющего добиться, требуемой величины срезаемого слоя материала при одновременном уменьшении шероховатости обрабатываемой поверхности;

• разработана методика определения действительного радиуса резания фрезы.

Практическая ценность работы состоит в:

• установлении аналитических зависимостей микрогеометрии поверхности, получаемой в результате обработки фрезой, совершающей как вращательное, так и поступательное движение вдоль оси вращения, от основных факторов процесса механической обработки, которые рекомендованы для использования в инженерных расчетах;

• установлении теоретических зависимостей энергозатрат на фрезерование от основных режимных параметров механической обработки, которые могут быть использованы при инженерных расчетах;

• разработке методики определения действительного радиуса резания при фрезеровании деталей низа обуви в процессе механической обработки;

• определения усилий резания при фрезеровании с добавлением осциллирующего движения для получения требуемой микрогеометрии поверхности деталей низа обуви, позволяющих прогнозировать результат обработки и разработать исходные требования на оборудование для фрезерования деталей низа обуви.

Достоверность полученных результатов исследования обеспечивается:

• использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов по вопросам механической обработки натуральных кож и другим вопросам исследуемой проблемы;

• использованием современных методов исследования, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов и обработки полученных результатов, применением ПЭВМ и пакета прикладных программ в программной оболочке Windows-95.

Апробация работы и публикацииМатериалы диссертации доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях Сибирского Федерального университета (Красноярский государственный технический университет, г. Красноярск, 2006;2008 гг.), Московского государственного университета сервиса (г. Москва, 2004;2005 гг.), Московского института управления и сервиса (г. Москва, 2004;2008 гг.), Федерального государственного образовательного учреждения дополнительного профессионального образования «Государственная академия инноваций» (г. Москва, 2008 г.), Московского государственного университета дизайна и технологий (г. Москва, 2007 г.), ОАО «Рослегпром» (г. Москва, 2006, 2007 гг.).

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 181 страницу, включая 25 рисунков и 8 таблиц, состоит из введения, четырех глав, общих выводов по диссертации, списка литературы из 115 наименований, трех приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Анализ существующих технологических процессов и оборудования для механической обработки деталей низа обуви фрезерованием показал, что современные машины не позволяют получить требуемую шероховатость за один проход рабочим органом поверхности детали, из-за чего возникает необходимость операции шлифования. Увеличение скорости вращения фрезы с целью получения необходимой шероховатости приводит к повышению энергозатрат и нагреву инструмента до такой температуры, что процесс резания материала переходит в процесс горения, и говорить о качестве обработки становится бессмысленным. Поэтому комплекс операций по фрезерованию и отделке уреза подошв и боковой поверхности каблуков возможно уменьшить за счет повышения качества самого фрезерования и уменьшения энергопотребления за счет сокращения операции шлифования, т. е. номенклатуры оборудования.

2. Анализ современных конструкторско-технологических разработок в области механической обработки деталей низа обуви показал, что операции резания материалов описываются общепринятой теорией клина. 'Поэтому очевидна необходимость создания новой теории, описывающей процесс фрезерования фрезой, совершающей вращательное движение с добавлением осциллирующего движения вдоль оси вращения. Такая теория совмещала бы в себе элементы теории резания подвижным и неподвижным ножом. Используемая теория резания позволяет определить мощность и усилия<�резания, но разница между теоретически прогнозируемыми усилиями и реальными велика. Вероятно, недостаток этих расчетов заключается в том, что в них не учитывается действительный радиус закругления-режущей кромки ножа. В. данной научно-исследовательской работе этот недостаток ликвидирован.

3-. Установлено, что все силы сопротивления резанию по традиционному варианту остаются постоянными, т.к. они не зависят от отношения линейных скоростей. По предложенному варианту все усилия с увеличением отношения скоростей уменьшаются. Это объясняется уменьшением действительного радиуса контактирования, от которого зависит усилие F2, действующее за зуб фрезы. В исследуемом диапазоне сила 02 уменьшается от 96,7 до 74,6 Н, усилие Р2 — от 5,04 до 6,4Н, результирующая сила резания Fpe32 — от 98,0 до 75,2 Н. Отношение результирующих сил резания Fpe3. i и Fpe3o увеличивается от 1,13 до 1,3 раза. При ранее рекомендуемом отношении скоростей z = 2. Усилие резания в модернизированном варианте меньше усилия в базовом варианте в 1,13. 1,3 раза при постоянных остальных параметрах, значения которых приведены в программе исследований.

4. Исследование влияния факторов процесса фрезерования на качество обработки показало, что: а) с увеличением диаметра фрезы время ее контакта с обрабатываемым участком детали обуви уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра фрезы при постоянных прочих параметрах, не только увеличивается путь зуба в обрабатываемом материале, но и возрастает его линейная скорость. При увеличении диаметра фрезы увеличивается производительность обработки материала, но и при одной и той же подаче материала, а также улучшается качество обработки изделияб) с увеличением частоты вращения фрезы время контакта зуба фрезы с обрабатываемым материалом уменьшается. Наиболее интенсивное уменьшение времени контакта наблюдается при частоте вращения п =6000−8000 мин" 1. Уменьшение времени контакта объясняется увеличением линейной скорости зуба фрезы при прочих постоянных параметрах.

5. Выполненные исследования показали, что с увеличением исходного угла заточки зуба фрезы действительный угол резания возрастает, а действительный радиус контактирования’уменьшается. Поэтому для улучшения-качества обработки исходный угол заточки зуба фрезы при постоянном радиусе заточки, необходимо увеличивать, т.к. действительный радиус контактирования зуба фрезы при этом уменьшается и увеличивается прочность зуба. Уменьшение действительного радиуса контактирования приводит к снижению усилия резания и энергетических затрат.

6. Выполненные исследования впервые позволили установить влияние износа зуба фрезы на его радиус закругления. Получено выражение для определения его величины.

R = (*шн sin р/2 + r (l — sin |3/2)) / (1 — sin 0/2).

7. Разработана методика позволяющая определять не только усилия фрезерования при заданных геометрических и режимных параметрах и прогнозировать ожидаемые результаты процесса фрезерования.

8. Разработана методика определения мощности при фрезеровании участков различной формы деталей низа обуви, позволяющая определить расходуемую мощность при различных значениях конструктивно-технологических факторов процесса фрезерования, а также прогнозировать расход мощности при конструировании новых установок для фрезерования деталей низа обуви.

9. Установлено, что температура является фактором интенсификации процесса фрезерования полимерных деталей. Экспериментально подтверждена взаимосвязь температуры поверхности обрабатываемого материала с частотой его нагружения и разрушающими контактными напряжениями в материале. Показано, что с изменением температуры и частоты нагружения механизм изнашивания поверхности материала деталей низа обуви изменяется от усталостного к хрупкому. Подтверждена целесообразность использова-" ния низких температур при фрезеровании полимерных деталей для формирования равномерной шероховатости поверхности.

10. Исследование процесса фрезерования деталей низа обуви с применением осциллирующего движения фрезы и низкотемпературного охлаждения обрабатываемой поверхности позволило выявить шесть наиболее значимых факторов процесса: скорость резаниявремя обработкискорость осевого перемещения фрезыугол заточки фрезыдиаметр фрезытемпература охлаждения поверхности образца.

11. Предложена методология, позволяющая прогнозировать результаты фрезерования деталей обуви, изготовленных из любых синтетических обувных материалов. Сущность методологии состоит в выявлении общих закономерностей поведения обувных полимеров как определенного класса материалов и изменения их термодинамических характеристик в условиях ударного нагружения и низких температуроценки вероятности хрупкого разрушения материала в процессе ударно-абразивной обработкиопределении с помощью соответствующих методик численных значений факторов процесса фрезерования, а также условий достижения показателей его эффективности, обеспечивающих требуемые качество и производительность обработки.

12. В соответствии с предложенной методологией прогнозирования обобщены известные экспериментальные данные по ударному сжатию ряда полимеров, используемых в различных отраслях промышленности, в том числе на обувных ремонтных предприятиях, и определена единая ударная адиабата для этих материаловкроме того с учетом теоретической модели твердого тела в приближении Дебая и ударной адиабаты выведены обобщенные уравнения состояния, выражение для внутренней энергии и ряд других термодинамических соотношений для твердых (стеклообразных) полимеров, позволяющие представить физическую природу процессов, происходящих в таких полимерах в условиях ударного нагружения, и эффективно управлять этими процессами в случае фрезерной обработки.

13. На основе трёх физико-статистических моделей, адекватных реальному процессу хрупкого разрушения обувных синтетических полимеров в условиях фрезерования и низких температур, с помощью статистических методов получены аналитические выражения для функций распределения хрупкой прочности стеклообразных полимеров, позволяющие прогнозировать поведение обрабатываемых материалов при фрезерной обработке и ее эффективность. Показано, что в большинстве случаев разрушения хрупких полимерных материалов наилучшее представление результатов испытаний и наиболее надёжную основу для экстраполяции дают асимптотическое распределение наименьших значений и нормальное распределение, связанные с моделями: наислабейшего звена и произвольно расположенного пучка, в сочетании с гриффитсовской концепцией неустойчивости трещины.

14. Предложена методика расчета глубины охлаждения обрабатываемых деталей, позволяющая определить такие условия охлаждения полимерного материала при фрезеровании, при которых волны напряжений, вызываемые ударами зубьев фрезы, не разрушат внутреннюю структуру материала, а процесс обработки деталей будет производительным и экономичным.

15. Установлена зависимость температуры механического стеклования полимерного материала, как критерия хрупкого разрушения полимера при фрезеровании, от частоты нагружения, позволяющая при известном значении частоты рассчитывать такую температуру охлаждения, при которой материал переходит в стеклообразное состояние и при фрезеровании реализуется процесс хрупкого разрушения материала.

16. Предложена методика расчета глубины удаляемого слоя материала при фрезеровании, позволяющая назначать такие режимы фрезерования, которые обеспечивали бы требуемые эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей.

17. Проведены многофакторные эксперименты по определению оптимальных режимов фрезерования деталей низа обуви и составлены адекватные исследуемому процессу математические модели, описывающие зависимость шероховатости поверхности от основных факторов процесса для ряда синтетических обувных материалов, которые могут быть использованы в инженерных расчетах.

18. Апробация результатов исследований в производственных условиях показала, что обработанные новым методом фрезерования изделия отличаются высоким качеством подготовки поверхности, равномерностью обработки по всей площади, а использование низкотемпературного охлаждения деталей перед фрезерованием способствует интенсификации технологических процессов ремонта обуви. Обработка поверхности деталей низа новым методом уменьшение шероховатости обработанных поверхностей деталей низа, обуви в среднем в 3' раза по сравнению с нормируемой величиной, а продолжительность обработки снижается до 5 раз.