Вдосконалення технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів із полімерних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів із полімерних матеріалів

Київ - 2006

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Полімерні матеріали широко використовуються у сучасному взуттєвому виробництві при литті під тиском багатоколірних підошов та інших комбінованих виробів. При цьому досягаються високі естетичні показники взуття, але недостатньо уваги приділяється підвищенню таких його споживчих властивостей, як зносостійкість та гнучкість. Для підвищення споживчих властивостей комбінованих взуттєвих виробів необхідно забезпечити диференційоване використання в них полімерних матеріалів з різними механічними властивостями. В носковій, пучковій та набійковій частинах, які піддаються найбільш інтенсивному зношуванню, доцільно використовувати міцний і зносостійкий матеріал, в області переходу від геленкової частини до пучкової, яка піддається багаторазовому згину, - еластичний, а в геленковій частині, яка визначає формостійкість підошви, - пружний.

На механічні властивості полімерного матеріалу значно впливають параметри технологічного процесу лиття та конструкція технологічної оснастки, що до цього часу не враховувалося при виготовленні комбінованих взуттєвих виробів. У зв'язку з цим удосконалення технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів на основі диференційованого використання полімерних матеріалів з різними механічними властивостями є актуальною задачею, вирішення якої пов'язане з підвищенням споживчих властивостей взуття.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових напрямків: «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», що виконаний відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України; «Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів», що виконаний відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вдосконалення технологічного процесу виготовлення комбінованих взуттєвих виробів для підвищення їх споживчих властивостей за рахунок диференційованого використання полімерних матеріалів з різними механічними властивостями.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися такі задачі:

- розробка концепції досягнення високих споживчих властивостей литих взуттєвих виробів на основі диференційованого використання в їх окремих частинах полімерних матеріалів з різними механічними властивостями, які відповідають характеру та інтенсивності експлуатаційних навантажень;

- розробка методів математичного моделювання процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів і отримання на цій основі аналітичних залежностей для визначення технологічних параметрів, які забезпечують високі споживчі властивості виробів;

- вивчення впливу параметрів технологічного процесу лиття на міцність з'єднання частин комбінованих виробів;

- вдосконалення існуючих та розроблення принципово нових конструкцій технологічного обладнання і оснастки для лиття комбінованих взуттєвих виробів з підвищеними споживчими властивостями;

- здійснення апробації розроблених наукових положень у виробничих умовах та дослідна перевірка вдосконаленого технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів.

Об'єкт дослідження: технологічний процес лиття взуттєвих виробів із полімерних матеріалів.

Предмет дослідження: вдосконалення процесу виготовлення комбінованих взуттєвих виробів з підвищеними споживчими властивостями.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології взуттєвого виробництва, математичного моделювання, механіки рідини, теплофізики, фізики та механіки полімерних матеріалів. Експериментальні дослідження процесу лиття виробів з підвищеними споживчими властивостями виконувались на реальному технологічному обладнанні з використанням спеціально розробленої технологічної оснастки.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше встановлені закономірності технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів з підвищеними споживчими властивостями на основі диференційованого використання полімерних матеріалів, що мають різні механічні властивості.

2. Запропоновані математичні моделі процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів, які установлюють залежності механічних властивостей полімерних матеріалів від технологічних параметрів.

3. Визначені закономірності процесу з'єднання складових частин комбінованих взуттєвих виробів в прес-формі при литті полімерних матеріалів під тиском.

4. Розроблені методи проектування удосконаленого технологічного обладнання та процесу лиття для виготовлення комбінованих взуттєвих виробів, які базуються на даних математичного моделювання.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі теоретичних узагальнень, результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень запропонована науково обґрунтована технологія процесу лиття комбінованих підошов підвищеної зносостійкості та гнучкості, що пройшла успішну апробацію на ВАТ «Взутекс».

2. Впроваджена у виробництво технологічна оснастка для лиття двошарового низу взуття типу кросівок на ВАТ «Взутекс» з річним економічним ефектом 31 107 гривень.

3. Результати досліджень використовуються у навчальному процесі кафедри конструювання та технології виробів із шкіри Київського національного університету технологій та дизайну.

4. Новизна отриманих результатів підтверджена двома патентами України на конструкцію прес-форми та машину для лиття комбінованих підошов із полімерних матеріалів.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі теми, постановці задач дисертаційної роботи та їх вирішенні. Автором здійснено вибір предмету досліджень, запропоновані математичні методи моделювання технологічних процесів лиття під тиском, які забезпечують підвищення споживчих властивостей комбінованих взуттєвих виробів за рахунок диференційованого використання полімерних матеріалів з різними механічними властивостями. Автору належать основні ідеї опублікованих праць, отриманих патентів, аналіз і узагальнення результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались, обговорювались і отримали позитивну оцінку на:

- міжнародній науково-практичній конференції «Якість, стандартизація, контроль: теорія і практика»;

- науково-практичній конференції «Екологічна безпека продукції і навколишнього середовища - потреба суспільства»;

- міжнародному науково-технічному семінарі «Сучасні проблеми підготовки виробництва, заготівельного виробництва, обробки і складання в машинобудуванні та приладобудуванні»;

- українсько-польській науковій конференції молодих вчених;

- науковій конференції молодих вчених та студентів КНУТД;

- ювілейній міжнародній конференції «Інноваційні технології - майбутнє України»;

- українсько-польській науковій конференції молодих вчених;

- науковій конференції молодих вчених та студентів КНУТД.

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на розширеному науковому семінарі кафедри конструювання та технології виробів із шкіри Київського національного університету технологій та дизайну.

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 15-и роботах, серед них 9 статей у фахових наукових виданнях, 4 - у збірниках наукових конференцій та семінару, 2 патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Основний текст дисертації викладено на 148 сторінках друкованого тексту, вміщує 70 рисунків, 4 таблиці. Повний обсяг дисертації складає 190 сторінок, включаючи 9 додатків.

лиття з'єднання взуттєвий полімерний

Основний зміст роботи

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

Перший розділ присвячений аналітичному огляду методів, засобів, досліджень та технологій у виробництві литого взуття. Огляд показав, що низька якість комбінованих взуттєвих виробів зумовлена відсутністю диференційованого використання в їх складових частинах, які піддаються різним за характером та інтенсивністю експлуатаційним навантаженням, полімерних матеріалів, що мають відповідні механічні властивості.

Теоретичні основи технологічного процесу лиття виробів із полімерних матеріалів закладені Лапшиним В.В., Торнером Р.В., Басовим М.І. Калінчевим Е.Л. та іншими. Дослідження процесу лиття взуттєвих виробів проводили Стронгін Б.М., Карабанов П.С., Альтзіцер В.С., та інші. Процеси з'єднання полімерних матеріалів вивчались у роботах Чалих О.Е., Малкіна О.Я., Васеніна Р.М., та інших. В результаті проведеного огляду літературних джерел виявлено, що існуючі методи математичного моделювання процесу лиття під тиском лише частково можуть бути використані для описання процесу заповнення прес-форм при виготовленні комбінованих взуттєвих виробів. Встановлено також, що сьогодні не існує єдиного модельного підходу для прогнозування механічних властивостей комбінованих виробів та міцності з'єднання їх частин.

Проведений аналіз показав, що існуючі конструкції технологічного обладнання не дозволяють цілеспрямовано впливати на механічні властивості полімерних матеріалів під час процесу лиття, і, як наслідок, не забезпечують високих споживчих властивостей комбінованих взуттєвих виробів.

Встановлено, що для підвищення споживчих властивостей комбінованих взуттєвих виробів необхідно забезпечити диференційоване використання в їх складових частинах полімерних матеріалів з відповідними механічними властивостями шляхом певного пріоритетного керування технологічними факторами та конструктивними параметрами технологічної оснастки на основі математичного моделювання процесу лиття. При цьому повинна бути забезпечена висока міцність з'єднання між собою частин комбінованих взуттєвих виробів у прес-формі.

Викладені в першому розділі результати аналітичного огляду визначили мету і задачі дослідження, що у подальшому забезпечило вдосконалення технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню процесу лиття, що дозволило встановити зв'язки між технологічними факторами, механічними властивостями полімерного матеріалу та міцністю з'єднання частин комбінованих взуттєвих виробів.

Вирішено задачу про теплопровідність розплаву в процесі заповнення прес-форми та отриманий вираз для визначення температури фронту потоку в місці з'єднання частин комбінованого виробу:

,

де - температура фронту потоку в місці з'єднання, К; при одночасному литті частин і для першої частини при пошаровому литті; для другої частини при пошаровому литті; a - коефіцієнт температуропровідності розплаву, м²с; - температура розплаву на вході в прес-форму, К; - температура стінок прес-форми, К.

Втрати тиску на течію розплаву в прес-формі визначались шляхом вирішення системи рівнянь:

Тут P - тиск, Па; - напруження зсуву, Па; n - індекс течії розплаву; b - реологічний параметр розплаву, К^-1; - коефіцієнт консистенції, Пасⁿ; - значення при температурі , Пасⁿ.

У результаті вирішення системи рівнянь отриманий вираз, який дозволяє визначити втрати тиску під час течії розплаву в прес-формі в процесі її заповнення:

,

де - втрати тиску, Па.

В результаті математичного моделювання процесу підживлення прес-форми розплавом був отриманий вираз для визначення тиску в оформлюючій порожнині:

,

де - тиск в оформлюючій порожнині, Па;

; ;

- тиск лиття, Па; - ефективна в'язкість розплаву, Пас; - радіус ливникового каналу, м; - довжина ливникового каналу, м; - час підживлення, с; - об'єм прес-форми, м³; П - параметр, що враховує сили міжмолекулярної взаємодії, Па; - параметр, що враховує об'єм, зайнятий макромолекулами, м³; M - молярна маса, кгс; - концентрація полімерного матеріалу на границі контакту частин комбінованого виробу; - допоміжна змінна, м.

Запропонована дифузійна модель дозволяє визначити міцність з'єднання частин комбінованого взуттєвого виробу як:

,

де - міцність з'єднання частин, Па; K - стала, Па; l - найбільша глибина проникнення полімерного матеріалу однієї частини в другу, м; - розподіл концентрації полімерного матеріалу однієї з частин в другій по координаті х для розрахункового часу дифузії.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням впливу технологічних факторів процесу лиття та конструктивних параметрів технологічної оснастки на споживчі властивості та міцність з'єднання частин комбінованих виробів із полімерних матеріалів.

Зразки для проведення досліджень виготовлялись за допомогою експериментальної установки, яка дозволяє змінювати в широких межах основні технологічні параметри процесу лиття - тиск та температуру розплаву. Установка складається з литтєвого преса марки МЛВ-32 та спеціально розроблених прес-форм, які дозволяють змінювати напрямок течії та температуру розплаву в оформлюючій порожнині.

Диференційоване використання полімерних матеріалів з різними механічними властивостями здійснювалось за рахунок цілеспрямованого керування течією розплаву під час заповнення прес-форми при литті частин комбінованих взуттєвих виробів.

Для визначення впливу напрямку заповнення прес-форми розплавом полімерного матеріалу на споживчі властивості комбінованих взуттєвих виробів були проведені експериментальні дослідження опору стиранню та гнучкості вилитих двошарових зразків.

На рис. 2 представлена величина втрати товщини зразків в міліметрах після 100 обертів абразивного диска машини для випробувань на стирання. Як видно з діаграми, напрямок заповнення прес-форми суттєво впливає на процес зношування. Зразок, при литті нижнього шару якого заповнення прес-форми відбувається в напрямку ковзання, виявився найбільш зносостійким. Похибка визначення втрати товщини зразків не перевищувала 5%.

На рис. 3 показані зусилля, необхідні для згину зразків в залежності від напрямку заповнення прес-форми. Встановлено, що найменшу гнучкість має зразок, при литті якого заповнення прес-форми відбувається вздовж напрямку згину в обох шарах. Найбільш гнучкий - зразок, при литті якого заповнення прес-форми відбувається перпендикулярно до напрямку згину. Похибка визначення гнучкості зразків не перевищувала 5%.

Дослідження, проведені з використанням растрового електронного мікроскопа JSM-840 фірми JEOL, підтвердили гіпотезу про наявність дифузійного шару в області границі контакту частин комбінованого виробу, ширина якого збільшується з підвищенням температури прес-форми та розплаву полімерного матеріалу.

Для перевірки адекватності запропонованих математичних моделей реальним процесам, що протікають при виготовленні комбінованих взуттєвих виробів, була визначена залежність відносної міцності з'єднання частин комбінованого виробу на прикладі полістиролу від температури розплаву.

В результаті проведених досліджень було отримане рівняння регресії, яке описує залежність відносної міцності з'єднання частин комбінованого виробу з ПС від температури розплаву , °С:

, 180 °С240 °С.

З представлених результатів видно, що залежності, розраховані з використанням аналітичного виразу та рівняння регресії задовільно узгоджуються.

Для визначення умов досягнення максимальної міцності з'єднання частин комбінованого виробу у випадку пошарового лиття попередньо вилита частина зразка перед упорскуванням розплаву для другої частини нагрівалась до максимальної температури, при якій зберігалася її форма, що складала для термоеластопласту - 80±2 °С, полівінілхлориду - 120±2 °С, поліетилену низького тиску - 110±2 °С.

В результаті проведених досліджень отримані рівняння регресії, які описують залежності міцності з'єднання частин комбінованого виробу , МПа, від температури розплаву Т, °С:

для ТЕП , 180 °С220 °С;

для ПВХ , 160 °С200 °С;

для ПЕНТ , 240 °С280 °С.

Графічні залежності, побудовані за рівняннями -, наведені на рис. 6, з яких випливає, що максимальне значення міцності з'єднання частин комбінованого виробу досягається при температурі розплаву ТЕП - 200-205 °С, ПВХ - 190-195 °С, ПЕНТ - 260-265 °С. При подальшому підвищенні температури розплаву спостерігається зменшення міцності з'єднання частин виробу внаслідок термодеструкції полімерного матеріалу.

Четвертий розділ присвячений розробці рекомендацій по вдосконаленню технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів.

Рекомендації по диференційованому використанню полімерних матеріалів з різними механічними властивостями були розроблені за допомогою комп'ютерного моделювання процесу лиття, при здійсненні якого швидкості та напрямки течії розплаву в прес-формі визначались за допомогою системи рівнянь:

Тут ; P - тиск, Па; - густина розплаву, кгс; u, v - проекції швидкості течії розплаву на взаємноперпендикулярні осі x та y в площині оформлюючої порожнини, м/с.

На основі комп'ютерного моделювання процесу лиття запропоновані найбільш раціональні конструктивні параметри прес-форми для пошарового лиття, заповнення якої при литті нижнього шару підошви відбувається в напрямку ковзання під час носіння, що відповідає найвищій зносостійкості, а верхнього - перпендикулярно до напрямку згину в пучковій частині, що відповідає найвищій гнучкості взуття.

Для лиття під тиском підошов з ПВХ різної рецептури з умовною міцністю 10 МПа та 7 МПа рекомендовані місця розташування впускних отворів, які забезпечують отримання комбінованої підошви, що складається із зносостійких частин, розташованих в набійковій, пучковій та носковій зонах, і гнучкої частини, що займає решту об'єму.

Для забезпечення найбільш раціональної температури розплаву в місці з'єднання частин комбінованого виробу запропонований вираз:

.

У випадку, коли початкова температура розплаву обмежена, найбільш раціональна його температура в місці з'єднання забезпечується за рахунок встановлення об'ємної витрати, значення якої розраховується за виразом:

.

Запропоноване співвідношення для визначення тиску лиття з метою забезпечення заданого значення об'ємної витрати розплаву:

,

де , - коефіцієнти гідравлічного опору сопла литтєвого пристрою і ливникового каналу відповідно, м^-3n.

Якщо об'ємна витрата литтєвої машини менша, ніж розрахована за формулою, задана температура розплаву в місцях з'єднання частин забезпечується виконанням впускних отворів на відстані один від одного, що дорівнює подвоєній довжині течії розплаву, яка визначається з виразу:

.

Запропоновані співвідношення для визначення радіуса та довжини ливникового каналу, а також часу підживлення прес-форми розплавом полімерного матеріалу для забезпечення заданого тиску в оформлюючій порожнині:

;

;

.

На основі отриманих результатів досліджень визначені найбільш раціональні значення технологічних параметрів процесу пошарового лиття комбінованих виробів із різних полімерних матеріалів.

Таблиця 1. Найбільш раціональні технологічні параметри процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів

П'ятий розділ присвячений практичному використанню отриманих результатів досліджень.

Впроваджений у виробництво на ВАТ «Взутекс» технологічний процес і виготовлена технологічна оснастка для виготовлення взуття типу кросівок з текстильним верхом та двошаровою підошвою підвищеної зносостійкості та гнучкості строчково-литтєвого методу кріплення.

Для отримання підошов підвищеної зносостійкості та гнучкості запропонована прес-форма, до якої одночасно упорскуються дві полімерні композиції з різними властивостями: носкова, набійкова та пучкова зони виготовляються зі зносостійкого матеріалу, а решта підошви - з еластичного.

В результаті проведених досліджень отримані комбіновані взуттєві вироби зі споживчими властивостями, підвищеними за рахунок керування технологічними факторами процесу лиття під тиском та конструктивними параметрами технологічної оснастки. На рис. 11 зображений один із таких виробів - комбінована підошва, отримана одночасним литтям полімерних матеріалів на основі ПВХ з різними механічними властивостями.

Розташування впускних ливникових каналів для зносостійкого матеріалу в носковій, пучковій та набійковій зонах прес-форми, а для еластичного матеріалу - в зонах переходу від носкової зони до пучкової і від пучкової зони до геленкової забезпечує задану конфігурацію частин комбінованої підошви, що відповідає характеру та інтенсивності експлуатаційних навантажень.

Використання в носковій, пучковій та набійковій зонах зносостійкого матеріалу, а в зоні переходу від геленкової зони до пучкової - еластичного матеріалу сприяє підвищенню таких важливих споживчих властивостей комбінованої підошви, як зносостійкість та гнучкість.

Висновки

1. Аналітичний огляд існуючих методів і засобів у виробництві комбінованих взуттєвих виробів встановив, що при литті полімерних матеріалів під тиском досягаються високі естетичні показники взуття, але недостатньо уваги приділяється підвищенню його споживчих властивостей - зносостійкості та гнучкості

2. Визначено закономірності технологічного процесу лиття комбінованих взуттєвих виробів із полімерних матеріалів, який забезпечує підвищення споживчих властивостей взуття на основі диференційованого використання полімерних матеріалів, що мають різні механічні властивості.

3. Розроблено математичні моделі процесів заповнення оформлюючих порожнин при виготовленні комбінованих виробів із полімерних матеріалів, які дозволяють встановити залежності умов формування частин в прес-формі та їх механічних властивостей від технологічних параметрів процесу лиття під тиском.

4. Розроблена математична модель процесу дифузії полімеру в області контакту фронтів розплаву та отримані аналітичні співвідношення, що встановлюють залежності міцності з'єднання частин комбінованих взуттєвих виробів від технологічних параметрів.

5. Установлено, що забезпечення течії розплаву в напрямку згину та ковзання при литті нижньої частини підошви збільшує її зносостійкість в 1,5 - 1,8 разів у порівнянні з мінімально можливою. У той самий час, забезпечення течії розплаву при литті верхньої частини в напрямку, перпендикулярному до напрямку згину, призводить до підвищення гнучкості комбінованої підошви в 1,3 - 1,6 разів у порівнянні з мінімально можливою.

6. Установлено, що максимальна міцність з'єднання частин комбінованих виробів при їх литті відповідає температурі попередньо вилитої частини з ТЕП - 80±2 °С, ПВХ - 110±2 °С, ПЕНТ - 120±2 °С і температурі розплаву, що упорскується в прес-форму, для ТЕП - 200-205 °С, ПВХ - 190-195 °С, ПЕНТ - 260-265 °С.

7. Запропоновані конструкції технологічного обладнання і оснастки для лиття комбінованих виробів з підвищеними споживчими властивостями та міцністю з'єднання частин.

8. Результати роботи впроваджено у виробництво на ВАТ «Взутекс» з економічним ефектом 31 107 гривень/рік і навчальний процес кафедри конструювання та технології виробів із шкіри Київського національного університету технологій та дизайну.

Размещено на Allbest.ru