Наукові основи розроблення енергоощадної технології і засобів виготовлення розгорток картонного паковання

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.05.01 - машини і процеси поліграфічного виробництва

НАУКОВІ ОСНОВИ РОЗРОБЛЕННЯ ЕНЕРГООЩАДНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ І ЗАСОБІВ ВИГОТОВЛЕННЯ РОЗГОРТОК КАРТОННОГО ПАКОВАННЯ

РЕГЕЙ Іван Іванович

Львів - 2007

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За час активного ринкового життя в Україні паковання увійшло в побут настільки, що сьогодні фасовані та паковані в різноманітну тару продукти харчування і товари народного споживання є звичним явищем. Важливою складовою подальшого розвитку пакувальної індустрії є рівень технологій та обладнання. На сьогодні наша держава конкурентоспроможна лише в розробці та виготовленні обладнання для фасування продукції, закупорювання тари, маркування та етикетування упаковки. Обладнання для виготовлення пакувальних матеріалів та паковання в Україну в основному завозиться з інших країн. Ця обставина спонукає розвиток вітчизняного виробництва техніки для продукування тари, зокрема картонної, оскільки вона є одним з домінуючих сегментів в індустрії пакувального виробництва (з картону виготовляють більше 70% транспортного та 30% споживчого паковання).

Картонну тару переважно виготовляють методом штанцювання, яке включає висікання розгорток і бігування (перфорування) в них ліній згину. Штанцювання є енерговитратним виробництвом, залежним від імпортних поставок дорогих витратних матеріалів, необхідних для комплектування форм. Устаткування через використання принципу ножового розділення матеріалу характеризується масивною побудовою, рентабельність якого великою мірою залежить від обсягу виготовленої продукції.

Удосконаленню технологічних процесів і засобів виготовлення картонного паковання, започаткованих Робертом Гейром, їх науковому обґрунтуванню присвячені винахідницькі праці Рене Колінета, Уілляма Булмаша, Джеймса Хейфілда, Сержлі Істейта, Роя Пуга, наукові дослідження Врублєвського Б.П, Полюдова О.М., Чехмана Я.М., Угрина Я.М., Задри В.М., Банаха Ю.О., Главацького А.С., Бабяк Г.Ю., Стельмащука О.С., Манька О.В., Сторощука В.А. та ін.

Аналіз розвитку світової економіки, вплив процесів глобалізації, соціальні, політичні та демографічні зміни визначили об'єктивні напрямки розвитку сучасного паковання, основним серед яких є мінімізація матеріальних та енергоресурсів, реалізація якої вимагає проведення науково-обґрунтованих досліджень. Крім цього, в пакувальній індустрії, як і в поліграфічній промисловості, спостерігається тенденція до зниження накладів („лімітна” тенденція). З огляду на це особливого значення для виробників картонного паковання набуває необхідність частого і швидкого переналагоджування устаткування на нові типорозміри продукції.

У зв'язку з цим сформульовано актуальну науково-прикладну проблему в галузі технології пакувального виробництва і машинобудування - наукове обґрунтування раціональних параметрів технологічного процесу та механіки ножичного різання матеріалу з метою створення енергоощадного мобільного та універсалізованого устаткування для виробництва картонного паковання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до тематики академії в контексті розробленої і затвердженої Кабінетом Міністрів України „Державної програми розвитку виробництва тари і пакувальних матеріалів на період до 2000 року” та галузевої науково-технічної програми Мінпромполітики України „Створення обладнання для виробництва тари і пакувальних матеріалів”. Згідно з цією програмою одним з пріоритетних напрямків є розробка та виготовлення тари для харчової, хімічної, парфумерної та переробної галузей промисловості, сфери обслуговування.

Робота виконувалась також в рамках держбюджетних тем: № Б 103-97 „Розробка та дослідження нових енергозберігаючих технологій виготовлення картонних упаковок” (№ держєрестрації 0197U017606); № Б 103-2000 „Система автоматизованого проектування (САПР) інструментів для виготовлення картонних упаковок” (№ держєрестрації 0101U000705); № Б 103-03 „Основи теорії безвистійного способу виготовлення паковання з картону” (№ держєрестрації 0103U003597). Ступінь участі автора у виконанні держбюджетних робіт зазначена у кожному звіті.

Робота виконувалась також згідно з планами УАД, кафедри поліграфічних машин і відповідає Закону України від 11 липня 2001 року № 2623-3 „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки.”

Дисертаційна робота пов'язана з Програмою Кабінету Міністрів „Україна 2010” (проект 4 „Технологічне та технічне оновлення виробництва”).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розроблення методів і засобів енергоощадного технологічного процесу виготовлення картонного паковання, проектування раціонального інструменту для ножичного вирізування розгорток з картону та універсалізованого мобільного устаткування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз інформаційних джерел розвитку сучасних технологій та техніки з виготовлення картонного паковання, дослідити тенденції їх вдосконалення;

- дослідити методи розділення пакувального матеріалу, розробити на основі обґрунтованих переваг ножичного методу різання новий енергоощадний спосіб виготовлення розгорток з аркушевого та стрічкового матеріалу;

- проаналізувати особливості конструкції картонного паковання та уніфікувати конфігурації елементів паковання, що підлягають вирізуванню; запропонувати та обґрунтувати раціональну конструкцію інструментів для прорізування картону, вирізування ділянок різної геометричної форми;

- на основі аналітичних та експериментальних досліджень встановити раціональні технологічні параметри процесу виготовлення паковання новим способом;

- створити математичні моделі засобів, що описують процес ножичного вирізування картонних розгорток, розробити рекомендації щодо раціональних конструкцій технічних засобів різання;

- розробити теоретичні та практичні засади використання для усіх засобів різання принципу щільного контакту їх різальних крайок;

- експериментальним шляхом дослідити вплив на режими і якість вирізування та стійкість різальних засобів властивостей матеріалу, встановити відповідність результатів, отриманих експериментально і шляхом аналітичних досліджень;

- дослідити особливості процесу безупинного методу виготовлення розгорток паковання з картону, створити математичні моделі керування технологічним процесом, на основі яких обгрунтувати раціональну побудову пристроїв;

- розробити методичне і математичне забезпечення автоматизованого проектування засобів вирізування розгорток;

- виходячи з розмаїття типів і розмірів стандартного і нестандартного паковання, ощадного використання пакувального матеріалу та вибору раціонального розташування споживчого паковання у транспортній тарі, розробити метод автоматизованого раціонального розкроювання картонних аркушів;

- розробити енергоощадний метод виготовлення картонної тари за традиційною технологією.

Об'єктом дослідження є технологія та устаткування для виготовлення розгорток картонного паковання.

Предметом дослідження є операції процесу виготовлення розгорток картонного паковання, фізичні та математичні моделі засобів, що описують ножичне різання матеріалу, безупинні методи виготовлення розгорток з картонної стрічки.

Методи дослідження. Дослідження виконані на основі раціонального поєднання теоретичних узагальнень, що ґрунтуються на використанні математичного та комп'ютерного моделювання, і експериментальних випробувань на стендах і дослідних зразках обладнання.

Автоматизоване проектування засобів вирізування виконано методом твердотільного моделювання, а для вимірювання силових параметрів процесу вирізування розгорток використано метод тензометрування. Апроксимацію отриманих експериментальних залежностей та регресійний аналіз виконано методом додавання лінії тренда в середовищі MS Excel. Параметри точності елементів картонної тари визначені за допомогою технічних засобів вимірювання, а якості зрізу картону - методом комп'ютерного експрес-аналізу.

Аналітичні дослідження проводилися на ПК з використанням графічної конструкторської системи AutoCad, математичного редактора MathСad, редакторів растрової графіки Photoshop, CorelTrace, CorelDraw та електронних таблиць Excel.

Методом порівняння результатів теоретичних і експериментальних досліджень підтверджена їх збіжність.

Експериментальні дослідження для обґрунтування рекомендацій щодо налагоджування засобів різання проводилися з використанням цифрової відеокамери, а в дослідженні стійкості різального інструмента використано метод металографії.

Науковою новизною одержаних результатів при розв'язуванні науково-прикладної проблеми - обґрунтування раціональних параметрів технологічного процесу та механіки ножичного різання матеріалу з метою створення енергоощадного мобільного та універсалізованого устаткування для виробництва споживчого картонного паковання є:

- розроблено енергоощадний технологічний процес виготовлення розгорток картонного паковання методом ножичного вирізування шляхом комбінування пластинкових інструментів з прямолінійними і криволінійними різальними крайками;

- отримані аналітичні залежності для обґрунтування раціональних параметрів конструкції та налагоджування засобів вирізування в картоні криволінійних елементів, виходячи з оцінки взаємного розташування різальних крайок інструментів в процесі різання, впливу геометрії елементів розгорток, фізико-механічних властивостей матеріалу на енергосилові параметри операції їх вирізування;

- вперше теоретично обґрунтовано та експериментально реалізовано мінімізацію силового навантаження в засобах вирізування елементів розгорток з профільованими різальними крайками;

- отримано високу якість, забезпечено потрібну точність різання матеріалу, виявлено спрощення процедури налагоджування засобів різання при щільному контакті інструментів у процесі прорізування картону та вирізування різнопрофільних ділянок в заготовках, що покладено в основу розробленого методу пружного деформування їх різальних крайок;

- розроблено метод безупинного виготовлення розгорток паковання з картонної стрічки, яка подається з рулону, без формування компенсаційної петлі, що забезпечує потрібну якість і точність вирізування розгорток, створено математичні моделі процесу, розв'язками яких є параметри технічних пристроїв для їх раціональної побудови;

- розроблено метод оптимального розкроювання картонних аркушів з метою максимального використання їх площі, метод раціонального розташування споживчого паковання у транспортній тарі на основі алгоритмів автоматизованих програм;

- теоретично обґрунтовано енергоощадний процес виготовлення розгорток паковання методом прокочування по плоских штанцювальних формах засобів створення тиску.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці енергоощадної технології, засобів різання матеріалу та мобільного універсалізованого устаткування для виготовлення картонного паковання.

Реалізовано енергоощадний технологічний процес на основі використання методу ножичного вирізування розгорток шляхом комбінування інструментів з прямолінійними і криволінійними різальними крайками, їх поетапної взаємодії та забезпечення щільного контакту крайок.

Розроблені програми автоматизованого проектування засобів виготовлення розгорток методом ножичного різання, споживчого паковання і транспортної тари, раціонального заповнення внутрішнього об'єму транспортної тари пачками та коробками, економного використання площі картонного аркуша визначеного формату для розкроювання на окремі розгортки.

Результати наукових досліджень реалізовані в дослідних зразках для виготовлення розгорток паковання з картону методом вирізування, які неодноразово експонувалися на стендах спеціалізованих міжнародних виставок „РосУпак” (м. Москва), „ПакЕкспо” (м. Київ), „Поліграфія” (м. Київ) „Світ Упаковки” (м. Львів) і відмічені дипломами.

Розроблене та випробуване устаткування впроваджене на підприємствах „Альтара” (Україна), „Мультиграф” (Росія), економічний ефект впровадження складає 734,8 тис. грн.

Крім цього, результати досліджень включені ВАТ „УНДІПП ім. Т.Шевченка” у тематику перспективного плану створення енергоощадного устаткування, використовуються у навчальному процесі для підготовки фахівців спеціальностей „Машини і технологія пакування”, „Поліграфічні машини і автоматизовані комплекси”, „Технологія розробки, оформлення та виготовлення паковання”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, які висвітлені в дисертації, отримані автором особисто.

У спільних теоретичних працях [2,4,8-11,13,16-19,21,27,29,31] автору належить формулювання задач досліджень, обґрунтування методології та способу їх розв'язку, складання математичної моделі процесу штанцювання розгорток паковання комбінованим способом, створення розрахункових схем для синтезу механізму безвистійного методу виготовлення розгорток тари з картону, притискного валика пристрою для штанцювання розгорток з рухомої стрічки, виготовлення картонних розгорток паковання способом безмарзанного різання.

У прикладних дослідженнях [1,6,14] автор формував програми експериментальних випробувань, проектував і розробляв конструкторсько-технологічну документацію на виготовлення дослідних пристроїв та засобів різання, опрацьовував та обґрунтовував отримані результати.

Винахідницькі праці [34-44,46,48-54] сформовані на основі генерування автором ідей, безпосередньої участі в постановці та принциповому розв'язку задач.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи, починаючи з 1995 року, щорічно автор висвітлював в доповідях на звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Української академії друкарства, на наукових семінарах кафедри поліграфічних машин УАД.

Крім цього, автор доповідав під час проведення першої міжнародної конференції „Новітні технології пакування” (м. Львів, УАД, 2000 р.), 5-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, НУ „Львівська політехніка”, 2001 р.), міжнародної науково-технічної та методичної конференції „Механіка машин і механізмів” (м. Хмельницький, Технологічний університет Поділля, 2002 р.), Всеукраїнської наукової конференції „Новітні технології пакування” (м. Львів, НУ „Львівська політехніка”, 2002 р.), 6-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, НУ „Львівська політехніка”, 2003 р.), 4-ї міжнародної науково-практичної конференції „Квалілогія книги” в рамках 8-ї міжнародної виставки „Світ друку” (м. Львів, УАД, 2003 р.), семінару „Упаковка і її оформлення. Стан і перспективи в Україні” в рамках спеціалізованої виставки „ПоліграфПак” (м. Дніпропетровськ, експоцентр „Метеор”, 2003 р.), 5-ї міжнародної конференції „Друкотехн-2004” (м. Львів, УАД, 2004 р.), науково-практичної конференції „Новітні технології пакування” в рамках міжнародної виставки „ПакЕкспо-2005” (м. Київ, виставковий центр „ЕкспоПлаза”, 2005 р.), 7-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, НУ „Львівська політехніка”, 2005 р.), ІХ-ї міжнародної науково-технічної конференції „Графіка ХХІ століття” (м. Севастополь, національний технічний університет, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 71 наукову працю: 42 статті в наукових збірниках та журналах (з них 33 - у фахових виданнях, 15 - одноосібно), 1-у одноосібну статтю депоновано в ДНТБ України, тези 7-ми доповідей (3 - одноосібно) на конференціях різних рівнів. За темою дисертації отримано 19 патентів на винахід (з них 3 - Російської Федерації) і 2 деклараційних патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 331 с., з них: додатки - 42 с., список використаних джерел (204 найменувань) - 19 с.; робота містить 140 ілюстрацій, 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та її народногосподарське значення, сформульовано мету роботи, задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність, узагальнено результати апробації роботи, описано структуру дисертації.

У першому розділі на основі аналізу сучасного стану виробництва картонної тари встановлено, що вона займає один з домінуючих сегментів в індустрії пакувального виробництва багатьох країн світу і в нашій країні зокрема.

Проаналізовано сучасний стан технологій та засобів виготовлення картонного паковання, показано, що найпоширенішим є метод штанцювання розгорток з картону за допомогою плоскої пресової пари - штанцформи і контрштампа. Розрахунки засвідчують, що відношення технологічного зусилля виробничого преса до ваги картонної заготовки становить більше 400 тис., а його вага в 35 тис. разів більша за вагу аркуша картону, що є прикладом енергомісткої побудови технологічного устаткування. На основі аналізу наукових праць виявлені напрямки та шляхи удосконалення технології виготовлення картонного паковання, проте сучасні прогресивні зміни в розвитку пакувальної індустрії вимагають проведення науково-обґрунтованих досліджень, направлених на суттєву мінімізацію енерго- та матеріальних ресурсів.

Виходячи з окреслених потреб сформульована науково-прикладна проблема в галузі технології пакувального виробництва, окреслені мета та задачі, які підлягають вирішенню.

У другому розділі обґрунтована стратегія впровадження енергоощадного виробництва картонного паковання на основі розроблення принципово нової технології - ножичного вирізування розгорток, яке забезпечує реалізацію принципу мінімізації енергосилового навантаження засобів різання шляхом використання рухомих і нерухомих пластинкових інструментів, комбінування операцій прорізування картону з вирізуванням різнопрофільних ділянок у заготовках за умови послідовної („розтягненої” у часі) взаємодії інструментів з матеріалом, профілюванням форми і створенням щільного контакту їх різальних крайок.

Інструменти для ножичного різання картону характеризуються кутом загострення д радіусом r робочих крайок. В процесі врізання в картон на рухомий інструмент діє зусилля опору N_P, направлене вздовж нормалі до матеріалу (під кутом о до площини заготовки).

Внаслідок проникнення в товщу картону ніж переборює лінійні зусилля (зусилля, віднесені до довжини контакту різальної крайки з картоном).

Очевидно, що технологічне зусилля залежить від механічних характеристик картону та його товщини, гостроти інструменту, напрямку розташування волокон стосовно різання, вологості картону.

За результатами систематизації параметрів пристроїв за варіантами побудови (рухомі ножі - нерухомі протиножі, рухомі протиножі - нерухомі ножі) пріоритетним визнано пристрій для реалізації ножичного різання картонних заготовок КЗ за допомогою рухомого пластинкового ножа 1 та нерухомих протиножів 2 внаслідок ширших функціональних можливостей засобу різання, зручних умов експлуатації та нижчої вартості його виготовлення, ніж за варіантом пристрою з рухомою заготовкою.

На основі дослідження конструктивних особливостей і геометричних параметрів розгорток стандартного і нестандартного паковання встановлено та систематизовано типові форми ділянок картону, які необхідно вирізувати в матеріалі заготовок і видаляти для реалізації ножичного методу виготовлення тари. Аналізом конструкцій розгорток пачок і коробок виявлено різновиди форм ділянок матеріалу заготовок, які підлягають видаленню.

Для прорізування заготовок без видалення ділянок картону, вирізування прямолінійних ділянок матеріалу різноманітної конфігурації при виготовленні розгорток паковання запропоновані варіанти засобів реалізації процесу, основною частиною яких є рухомі 1 і нерухомі 2 інструменти. Рухомі інструменти закріплені на валу, що обертається, а протиножі закріплені нерухомо на корпусі пристрою. Важливими умовами забезпечення ефективного енергоощадного різання матеріалу ножичним методом є послідовне поелементне різання при обмеженому контакті різальних крайок інструментів з матеріалом та ретельне їх припасування для отримання якісної площини зрізу.

У засобах для прорізування клапанів у картонних заготовках без видалення ділянок матеріалу рухомий та нерухомий інструменти мають тільки по одній різальній крайці в площині розділення матеріалу. Рухомим інструментом є пластинковий ніж трикутної форми, у якому дві сторони загострені для вирізування у заготовках ділянок картону відповідної форми при контакті ножа з різальними крайками нерухомого протиножа.

Пропоновані альтернативні засоби для вирізування криволінійних увігнутих і опуклих елементів укомплектовані пластинковими рухомими інструментами, які можуть бути як нахиленими до осі обертання, так і розташованими відносно неї зі зміщенням різальних площин для послідовного ножичного різання матеріалу. Нерухомі протиножі виготовлені з увігнутою чи випуклою крайками для різання матеріалу вздовж криволінійного контуру.

Передумовою збереження фіксованого положення заготовки на протиножах упродовж врізання ножів в матеріал є забезпечення переважання сили тертя в парі картон - інструмент над горизонтальною складовою зусилля різання. В цьому плані важливу роль відіграє коефіцієнт тертя матеріалу заготовки по ножах, вплив якого на процедуру налагоджування засобів досліджено аналітично та експериментальним шляхом. Таким чином, важливим конструктивним параметром рухомого інструмента є початковий кут врізання його крайки в картон. Вибір раціонального кута обумовлює різання без зміщення матеріалу з поверхні протиножів з мінімальним силовим навантаженням.

За результатами експериментальних досліджень встановлено, що зі збільшенням товщини картону початковий кут врізання ножа в картон зменшується. Максимальні значення г_поч = 38° і 41° зафіксовані при різанні впоперек і вздовж волокон картонних зразків завтовшки Д = 0,3 мм, а мінімальні - г_поч = 23,5° і 25,5° - при різанні зразків завтовшки Д = 0,7 мм.

Виявлено вплив на г_поч напрямку розташування волокон в картонних зразках. Встановлено, що початковий кут врізання ножа в матеріал вздовж волокон більший від врізання впоперек, в середньому, в 1,1 разу.

У третьому розділі досліджено процес різання картону інструментом у довільному напрямку на площині для обґрунтування параметрів засобів та напрацювання рекомендацій щодо їх раціональної побудови на основі запропонованої схеми засобу.

Основні частини - рухомий ніж 1, зміщений на кут м для забезпечення ножичного різання, та нерухомий протиніж 2, різальна крайка якого, згідно конструкції елемента розгортки, розташована під кутом в₁ до осі обертання.

За умови відомого кута г врізання крайки ножа в картон, фіксований кут розташування його на валу.

Для оцінки навантаження вала, спричиненого різанням матеріалу, важливими параметрами є:

- проекція на площину заготовки лінії контакту леза ножа з картоном

- плече дії зосередженого зусилля

Встановлено, що максимальні значення відносних параметрів більші від мінімальних: плеча дії зосередженого зусилля - в 1,6 разу, довжини контакту леза ножа з картоном - в 1,8 разу, швидкості точки різання - 2,9 разу, моменту сили різання - 2,8 разу.

Отримані результати уможливлюють обґрунтування технічних рішень з вибору конструктивних параметрів засобів вирізування картонних розгорток на основі оцінки силових навантажень, кінематичних параметрів процесу різання матеріалу.

Досліджено, що зі збільшенням відносної довжини різання картону прорізним ножем збільшуються параметри: довжина лінії контакту різальної крайки ножа з картоном, плече дії зосередженого зусилля та спричинений ним момент сили різання. Збільшення відносної довжини різання матеріалу в п'ять разів спричиняє зростання більше, ніж на порядок відносного моменту сили. Почергове різання матеріалу декількома інструментами з прямими крайками спричиняє пульсуюче навантаження вала пристрою. Тому наступною задачею дослідження є розроблення методу мінімізації негативного впливу циклічної зміни моментів сили різання з піковими значеннями вкінці різання картону інструментом.

Один із шляхів мінімізації M_Pi є зменшення відносної довжини k_2i лінії контакту різальної крайки з картоном, що рекомендується забезпечувати її виготовленням за формою логарифмічної спіралі, полюс якої розташований на осі обертання ножа.

Розглянуто спрощений технологічний варіант виготовлення профілю різальної крайки інструмента заміною логарифмічної спіралі дугою кола. Задача профілювання зводиться до визначення координат x₀, y₀ центра О₂ кола радіуса R.

Як показали розрахунки, геометричні відхилення профілів від такої заміни несуттєві. У пристроях з різальною крайкою інструмента, що має форму логарифмічної спіралі, при різанні матеріалу забезпечується постійне значення кута врізання ножа в картон.

Раціональним технічним рішенням для мінімізації стрімкого наростання навантаження вала, нівелювання моменту сили різання є застосування прорізного інструмента, сформованого з окремих різальних ділянок. Схема такого різального засобу зображена на рис.10. Особливістю конструкції рухомого інструмента 1 є закріплення різальних ділянок 1_а, 1_б, 1_в під різними кутами г₁, г₂, г₃ до площини заготовки. Умовою проектування такого інструмента є рівність моментів сили різання кожним лезом.

Реалізація наведеної методики для розрахунку геометричних параметрів інструмента з різальними ділянками та комплектування ним пристрою створює умови надійної роботи і ефективної експлуатації засобів вирізування картонних розгорток.

Важливою задачею для забезпечення належних технологічних умов різання картону інструментами, які переміщаються через товщу матеріалу заготовки, є визначення раціональної ширини щілини l_П.

Так, для = 10 мінімальний розмір щілини l_П = 4,3 мм, а для = 70 l_П = 9,2 мм. Результати оптимізації параметра щілини протиножів є невід'ємною складовою раціонального налагоджування засобів вирізування розгорток картонного паковання.

У четвертому розділі теоретично обґрунтовані умови реалізації ножичного вирізування різнопрофільних ділянок в картонних заготовках. Пропоновані пластинкові засоби для вирізування увігнутих елементів розгорток можуть бути зафіксованими на ножетримачі з кутовим зміщенням, або з лінійним відносно осі його обертання для забезпечення ножичного різання.

Для обґрунтування вибору раціонального варіанту фіксування пластинкових інструментів в засобах різання увігнутих елементів картонних розгорток використано метод порівняння величини і характеру силового навантаження приводу, якості різання матеріалу. За отриманими аналітичними залежностями розраховані відносні моменти сили різання картону інструментами, розташованими на ножетримачі за різними варіантами для забезпечення ножичного різання матеріалу. На основі отриманих значень побудовано графіки залежностей М_рі від ц.

Як видно з графіків, різання картону інструментом, встановленим на ножетримачі з кутовим зміщенням, супроводжується незначним зростанням моменту сили різання (М_рі = 1,82) на початку та вкінці різання. Різання картонної заготовки ножем з лінійним зміщенням леза відносно осі його обертання характеризується піковим зростання моменту сили наприкінці різання до значення М_рі = 32,9, що у 18 разів перевищує максимальне значення моменту за першим варіантом фіксування рухомого інструмента на ножетримачі.

Отримані результати обґрунтовують доцільну побудову конструкції пристрою для вирізування криволінійних увігнутих елементів розгортки за першим варіантом, в якому ножичне різання картону забезпечується кутовим зміщенням інструмента на ножетримачі.

За розрахованими відносними моментами сили різання картону інструментами, закріпленими на ножетримачі за різними варіантами (з кутовим і лінійним зміщенням для забезпечення ножичного різання картону) побудовано графіки залежностей М_рі від ц.

Як видно з графіків, вирізування опуклого заокругленого контуру в заготовці інструментом, розташованим під кутом до осі обертання, характеризується стрімким зростанням моменту сили різання на початку і вкінці різання (пікові значення сягають М_рі = 22,7), що є причиною ударного навантаження вала пристрою технологічними зусиллями.

Для варіанту засобу вирізування з лінійним зміщенням інструмента відносно осі обертання ножетримача характерне збільшення моменту сили різання до значення М_рі = 14,2, що в 1,6 разу менше за пікове значення, виявлене за варіантом засобу із кутовим розташуванням ножа. Крім цього, зміна М_рі є плавною, а вкінці різання заокругленого контуру розгортки момент сили різання зменшується до значення М_рі = 6,5. Отримані результати дослідження підтверджують доцільну побудову конструкції вирізувального пристрою за другим варіантом.

Обґрунтований вибір варіанту встановлення інструментів на ножетримачах є базою для наступних досліджень, пов'язаних з вирішенням задачі забезпечення щільного контакту різальних крайок інструментів, оскільки зміщення пластинкових інструментів призводить до появи зазору між ними, який негативно впливає на якість та точність різання картону, стабільне навантаження приводу і режим функціонуваня пристрою.

Для мінімізації негативного впливу зазору у площині різання між крайками рухомого і нерухомого інструментів засобу вирізування прямолінійних ділянок в картоні розроблено метод забезпечення їх постійного щільного контакту, який передбачає попереднє налагоджування протиножа, залежно від k₃, встановленням його різальної крайки під кутом до напрямку різання.

Конструкцією протиножа передбачено використання підпружиненої різальної пластини, яка забезпечує вибирання зазору внаслідок деформування при контакті з різальною крайкою рухомого ножа і, як наслідок, реалізується умова якісного різання картону.

В засобах вирізування увігнутих елементів картонних розгорток фіксування рухомого інструмента на ножетримачі з кутовим зміщенням призводить до незначного спотворення правильної геометричної форми його різального леза в площині протиножа. Різниця розмірів між профілями компенсується щільним контактом різальних крайок інструментів внаслідок комплектування засобу різання „плаваючим„ протиножем, який, шляхом попереднього налагоджування, забезпечує врізання рухомого ножа в картон за умови відсутності контакту з його крайкою. Подальше різання матеріалу відбувається упродовж його появи та плавного пружного зміщення протиножа, яке зникає в момент виходу різальних лез з контакту.

За результатами дослідження встановлено, що для ефективного функціонування пристрою максимальне зміщення „плаваючого„ протиножа є доцільним в межах товщини картону.

Для мінімізації негативного впливу зазору на процес різання опуклих елементів в картонних розгортках пропонується рухомий інструмент, крім лінійного зміщення відносно осі обертання, фіксувати на ножетримачі під кутом.

Запропоновані методи налагоджування засобів різання різнопрофільних елементів в картонних розгортках сприяють спрощенню процедури його виконання, створюють умови якісного різання матеріалу.

У п'ятому розділі сформульовано мету та задачі експериментальних досліджень, описано матеріальну базу та програму їх проведення, викладено результати. В експериментальній частині за мету було поставлено вирішення ряду важливих прикладних задач: обґрунтування вибору кута загострення різальних лез інструментів; визначення силових параметрів різання картону прорізним однолезовим інструментом, прорізним ножем, укомплектованим окремими прямолінійними різальними ділянками, відрізним інструментом з прямолінійною різальним лезом, відрізними ножами з випуклою та увігнутою різальною крайками; дослідження та порівняння силових параметрів різання залежно від напрямку розташування волокон в досліджуваному картоні; оцінка якості виготовлення елементів картонних розгорток ножичним вирізуванням і методом штанцювання; визначення лінійних зусиль різання інструментами різного типу; дослідження стійкості інструменту з підпружиненою різальною пластиною.

Виявлено вплив гостроти різальної крайки рухомого прорізного інструмента, що контактує з підпружиненою різальною пластиною протиножа, на зусилля різання картонних зразків. Дослідження засвідчили відносно незмінні значення зусилля різання F_p картону інструментами з кутами загострення різальної крайки в межах д_н = 55° - 75°. Про це засвідчують дані, згідно з якими зусилля різання найтовстішого картонного зразка впоперек волокон для меншого і більшого значення кута загострення ножа становлять, відповідно, 18,4 Н і 19,1 Н, а вздовж волокон - 16,3 Н і 16,9 Н. Відносно незмінне значення F_p при різанні картону інструментами з кутами загострення вказаного проміжку обґрунтовують доцільність використання засобів різання з такими геометричними параметрами.

За результатами значень моментів сили різання, отриманих експериментальним шляхом, розраховано середні значення лінійних зусиль різання картонних зразків різної товщини. Найменші значення лінійних зусиль отримано для картону завтовшки ? = 0,37 мм. Так, при різанні вздовж волокон q_р = 4,9 H/мм, а впоперек - q_р = 7,2 H/мм. Збільшення товщини картонних зразків супроводжується зростанням лінійних зусиль різання досліджуваного матеріалу. Так, відношення становить 2,1 при різанні картону вздовж і 1,8 впоперек волокон.

Отримані експериментальним шляхом дані уможливлюють їх апроксимацію та виконання регресійного аналізу, що графічно відображає тенденцію і уможливлює прогнозування їх подальшої зміни.

За результатами регресійного аналізу отримані поліноміальні коефіцієнти апроксимованих залежностей досліджуваних параметрів.

Виконані експериментальні дослідження різання картону прорізним інструментом, що складається з окремих різальних ділянок, підтвердили відповідності їх результатів аналітичним обґрунтуванням щодо незмінності моменту сили різання упродовж його кутового переміщення.

Експериментальними дослідженнями різання картону відрізним інструментом виявлено вплив на момент різання товщини Д картону, кута м зміщення пластинчастого інструмента на ножетримачі відносно осі його обертання та напрямку розташування волокон досліджуваного матеріалу стосовно напрямку різання.

Виявлено, що зміна в 1,7 разу в сторону збільшення товщини картону з ? = 0,37 мм призводить до аналогічної зміни в 2,2 разу моменту різання картону вздовж волокон стосовно М_р = 1,47 Нм для м = 10° і в 1,9 разу стосовно М_р = 2,06 Нм у випадку різання впоперек волокон.

За результатами аналізу отриманих значень встановлено, що для кута м = 10° фіксування інструмента на ножетримачі, товщин картону ? = 0,37 і 0,64 мм моменти М_р = 1,47 і 3,29 Нм при різанні зразків вздовж і М_р = 2,06 і 3,87 Нм впоперек волокон. Фіксування відрізного інструмента під кутом 20° відносно осі його обертання спричинює зменшення моменту різання в 1,9 разу стосовно м = 10°.

Різання відрізним інструментом картонних зразків впоперек волокон пов'язане з прикладанням більшого моменту, ніж при різанні вздовж волокон. Для параметра картону ? = 0,37 мм і кутового зміщення м = 10° інструмента на ножетримачі зміна напрямку розташування волокон з поздовжнього на поперечне (стосовно напрямку різання) пов'язана зі збільшенням моменту сили різання в 1,4 разу, а для ? = 0,64 мм - в 1,2 разу.

Встановлені аналітичні залежності для розрахунку моментів сили різання картону відрізним інструментом та отримані експериментальним шляхом дані уможливили оцінку лінійних зусиль різання картонних зразків. Підтверджена закономірність збільшення лінійних зусиль різання відрізним інструментом зі збільшенням товщини картону. Так, найменше значення q_p= 8,5 H/мм зафіксовано при різанні вздовж волокон картону завтовшки ? = 0,37 мм, а найбільше - q_p= 13,34 H/мм - при різанні картону завтовшки ? = 0,64 мм впоперек волокон.

Експериментальними дослідженнями різання зразків підтверджено працездатність розробленого методу різання картону пластинчастими інструментами з криволінійними різальними крайками з використанням щільного контакту лез для забезпечення високої якості площини зрізу та потрібної геометричної точності елементів розгорток.

Для усіх товщин досліджуваного картону процес різання інструментом з опуклою різальною крайкою супроводжується плавним зменшенням моменту сили різання до мінімального значення у положенні рухомого інструмента, що відповідає половині його робочого кута повороту. Подальше зміщення ножа спричинює зростання моменту сили різання. Такий характер зміни М_р був передбачений аналітичними дослідженнями, згідно з якими стверджувалося, що крива моменту сили різання картону є симетричною відносно значення половини робочого кута повороту ножа. Встановлено, що для картону завтовшки Д = 0,3 мм і 0,7 мм врізання інструменту в матеріал з поздовжнім розташуванням волокон супроводжується моментом М_р = 1,63 Нм і 3,9 Нм, а з поперечним - М_р = 2,02 Нм і 4,53 Нм. Дещо більші значення M_p (на 7-10 %) в момент часу завершення різання, ніж на початку, пов'язані з додатковим притиском рухомого різального леза до нерухомого пружним елементом для створення натягу в зоні різання.

Дослідженнями встановлено, що процес різання картону відрізним інструментом з увігнутою різальною крайкою супроводжується двома максимальними значеннями моменту різання: на початку та наприкінці різання. Такий характер процесу був описаний аналітично: перше значення М_р викликане зростанням дуги контакту різальної крайки інструмента з картоном, друге значення, дещо менше за перше, викликане максимальним віддаленням двох ділянок контакту різальних крайок з картоном. На момент сили різання картону впливають, крім його товщини, напрямок розташування волокон стосовно осі обертання інструмента. При різанні картонних зразків завтовшки ?=0,3 мм вздовж волокон зафіксовано максимальні значення М_р = 3,99 Нм і 1,39 Нм, а завтовшки ? = 0,7 мм - М_р = 5,87 Нм і 2,03 Нм. При різанні картонних заготовок впоперек волокон моменти сили різання є більшими в 1,2 разу за аналогічні параметри вздовж волокон. Проте, наприкінці різання напрямок розташування різальних крайок стосовно напрямку волокон змінюється. Як результат - М_р у цьому випадку є меншими в 1,2 рази.

Організація виробництва картонної тари способом вирізування пов'язана з вирішенням питання стійкості різальних інструментів для забезпечення якісної обробки матеріалу різанням протягом тривалого часу їх експлуатації. Виходячи з існуючої практики виробництва картонної тари, для експериментальних досліджень різальні пластини засобу різання були виготовлені зі сталі 60 Г (ГОСТ 14959 - 79), одна з яких була загартована до твердості 60 одиниць HRC, а друга - без термічної обробки. Оскільки експериментом передбачалося виконання великої кількості різів, експериментальний стенд був укомплектований механізмом автоматичної покрокової подачі стрічки у зону різання. Записи моментів сили різання проводили після встановлення в експериментальному стенді неприробленого прорізного інструменту та після виконання n = 15, 50 і 100 тисяч разів. За результатами розшифрованих значень моментів різання та розрахованих значень лінійних зусиль побудовано графіки залежності q_р = f (n) для поздовжнього та поперечного напрямків розташування волокон у картоні стосовно напрямку різання. Збільшення числа разів до зачення n = 50 тис. призводить до зменшення q_р в середньому в 1,3 разу для перерахованих вище товщин картону при різанні його впоперек та в 1,4 разу вздовж волокон.

Зменшення лінійних зусиль від збільшення числа різів пов'язане з виникненням явища так званого „самозагострювання„ протиножа, викликаного особливістю його геометрії та протіканням пластичної деформації різальної крайки пластини внаслідок щільного контакту лез, яка сприяє формуванню додаткової мікрорізальної крайки.

Для оцінки якості контуру картонних зразків, отриманого ножичним різанням, використано метод комп'ютерного експрес-аналізу якості різання за встановленими критеріями, який запропоновано для широкого використання у виробничих умовах з огляду на його оперативність та доступність. Оцінювали якість зрізу картонного зразка з вирізаним увігнутим криволінійним контуром з огляду на наявність ділянок матеріалу різного розташування волокон щодо напрямку різання.

За результатами комп'ютерного експрес-аналізу якості різання виявлено та розраховано для п'яти ділянок зразка середні значення нерівностей, які становлять менше 0,02 мм, що відповідає високій якості (12-10 балів) різання картону.

Отримана якість зрізу матеріалу пов'язана зі створенням щільного контакту різальних крайок, який забезпечує ефективне руйнування волокон картону в площині щільного притиску лез інструментів.

Шостий розділ присвячений теоретичним засадам розроблення технологічного процесу виготовлення розгорток картонного паковання безупинним методом. За умови використання традиційних засобів виготовлення тари з картонної стрічки обов'язковою процедурою їх функціонування є формування компенсаційної петлі, оскільки виготовлення розгорток реалізується під час зупинки ділянки матеріалу в технологічній зоні. Така операція є вимушеною і її реалізація, як свідчить практика, супроводжується негативними наслідками, пов'язаними з порушенням точності співпадання задрукованого поля картонної стрічки відносно контуру розгорток внаслідок раптового заповільнення та розгону ділянки картонної стрічки, трудомісткістю процедури переналагоджування устаткування на інший тип та формат розгорток.

Розроблення методу безупинного виготовлення розгорток тари з картону за енергоощадною технологією пов'язане з вирішенням протиріччя між безперервною подачею картонного матеріалу, зупинкою ділянки стрічки в зоні їх виготовлення і забезпеченням належної якості розгорток, а його реалізація забезпечує спрощення технологічного процесу, здешевлення засобів, ефективну побудову устаткування нового покоління.

Запропоновано використання каретки з вирізувальними інструментами, яка переміщується в площині картонної стрічки, виконує зворотно-поступальний рух, а під час виготовлення розгорток - має однакову швидкість зі стрічкою. Для мінімізації впливу інерційного навантаження на стабільну роботу пристрою передбачено механізм пружинного амортизатора, який, за умови рівномірного руху каретки 1, забезпечує незмінну довжину пружини 2 вертикальним переміщенням опори А за допомогою кулачків 4 і повзуна 5. У момент сповільнення (розгону) каретки рух опори припиняється, що спричинює розтяг (стиск) пружини і розвантаження механізму від дії сил інерції.

Вирішена задача створення компактного пристрою для виготовлення розгорток паковання з картонної стрічки, який укомплектований інтегрованим приводом горизонтального переміщення каретки і обертового руху інструментів, встановлених на ній, для ножичного вирізування розгорток під час руху стрічки матеріалу. У крайніх положеннях інерційні навантаження, спричинені рухомими масами каретки, зрівноважуються пружинними амортизаторами.

При використанні в зрівноважувальному пристрої батареї пружин двобічної дії за результатами розв'язування диференціального рівняння отримано кінематичні параметри каретки a_k= 0,5[1-cos(рk)], b_k= 0,5р•sin(рk), c_k= 0,5р²Ч Чcos(рk).

Метод безупинного виготовлення розгорток з картонної стрічки розвинений в пристрої з нерухомою кареткою, в якому вирізувальні інструменти зафіксовані на двох паралельних валах. Узгодження лінійних швидкостей матеріалу і контакту різальних крайок забезпечується комплектування пристрою рухомими інструментами з гвинтовими лезами і нерухомими протиножами, різальні крайки яких розташовані під кутом до напрямку руху картонної стрічки. Розроблено методику профілювання різальних крайок інструментів, виходячи з геометричних розмірів елементів розгорток.

Ефективну реалізацію ножичного методу виготовлення розгорток паковання з рухомої картонної стрічки без формування компенсаційної петлі обґрунтовано в розробленому пристрої, в якому протиножі закріплені на циліндрі, що обертається, а рухомі ножі укомплектовані роликами, які контактують з нерухомими кулачками для кутового переміщення і забезпечення послідовного різання стрічкового матеріалу. Результатом розроблення такого пристрою є прогнозоване підвищення продуктивності внаслідок вирізування розгорток під час руху стрічки, розширення технологічних можливостей за рахунок виконання інструментами хитального руху, чим створюються передумови вирізування розгорток широкого діапазону типів. Крім цього, пристрій може бути вбудований в технологічну лінію, укомплектовану бігувальними та друкарськими секціями, пристроями оздоблення віддрукованого матеріалу, фальцювання і склеювання розгорток.

Для оперативної підготовки виробництва картонного паковання розроблена комплексна система автоматизованого проектування, яка включає конструювання розгорток, пошук оптимального розташування їх на заданому форматі для мінімізації відходів матеріалу, проектування вузла вирізування розгорток пластинковими інструментами.

Розроблене програмне забезпечення на основі тривимірного твердотільного моделювання дозволяє в автоматизованому режимі будувати необхідні проекції, розрізи окремих деталей і, як кінцевий продукт, отримувати робочі креслення деталей засобів різання згідно вимог ЄСКД. Комп'ютерний варіант тривимірної моделі засобу вирізування клейового клапана зображена на рис.21.

Сьомий розділ містить наукові обґрунтування впровадження енергоощадного виробництва картонного паковання за традиційною технологією на основі використання ножового методу розділення матеріалу, реалізацією принципів мінімізації енергосилового навантаження засобів штанцювання картону і раціонального розкроювання аркушів заготовок.

При великому розмаїтті типів і розмірів стандартного і нестандартного паковання, широких діапазонів форматів устаткування вирішення задачі оптимального розкроювання картонних аркушів суттєво впливає на ефективність використання матеріалу та собівартість виготовлення тари. Вирішенню окресленої задачі сприяє розроблена система автоматизованого проектування (САПР) розгорток і їх оптимального розташування на заданому форматі, яка побудована на основі потужної графічної конструкторської системи AutoCad. Проектування споживчого паковання починається з вибору виду продукції, далі система у новому діалоговому вікні пропонує вибрати тип розгортки, після чого в автоматичному режимі будує креслення розгортки тари. У випадку виконання завдання з проектування штанцювальної форми система проводить оптимізацію розташування розгорток на заданому форматі картонного аркуша розміром А Ч Б за умови мінімальних відходів матеріалу. В процесі оптимізації система розглядає можливі варіанти їх розташування вздовж або впоперек формату, перевіряє можливість розташування розгорток з врахуванням використання „кишень” в конструкціях самих розгорток і залишкового місця кожного з боків різних форматів.

Важливою задачею пакувального виробництва є забезпечення ефективного використання внутрішнього об'єму транспортної тари, яка є складною, трудомісткою і тривалою в часі. Споживче паковання з трьома габаритними розмірами b (ширина), l (довжина) і h (висота) на площині можна розмістити за 6-ма варіантами. В автоматизованому режимі розглядаються усі можливі варіанти заповнення транспортної тари з внутрішніми розмірами L, B і H. Результатом пошуку є варіант укладання споживчого паковання, який забезпечує максимальне заповнення внутрішнього об'єму тари.

Ефективним методом реалізації енергоощадного виробництва картонного паковання за існуючою технологією є впровадження прокочування по штанцювальних формах засобів створення тиску, що відкриває нові можливості зі створення сучасної технології, мобільного устаткування для роботи в автоматичному режимі за умови комплектування його пристроями для подавання картонних заготовок чи стрічки і виведення відштанцьованих аркушів.

Перевагами побудови запропонованих пристроїв за схемами із циліндричними та конічними засобами створення тиску в зоні штанцювання є простота конструкції, обмежений їх контакт з формою, що проявляється у відносно невеликих технологічних навантаженнях, низькій металомісткості, зручності переналагоджування на інший формат картонних заготовок, можливості автоматизації процесу.

Для безупинного виготовлення розгорток картонного паковання штанцюванням з рухомого матеріалу, що подається з рулону, розроблено енергоощадний метод прокочування натискного валика по плоских формах, закріплених на багатогранній призмі.

Умовно кут повороту однієї грані призми поділено на три фази: перша та третя визначаються кутом ₀, а друга - - 2₀.

Розрахунки засвідчили, що кінематичні параметри прокочування валиком межі кутових фаз грані призми характеризуються піковими значеннями. Так, від'ємні піки відносного кутового прискорення коромисла е_i = - 11,57 виявлено для пристрою, в якому на призмі закріплено 10 штанцювальних форм, та е_i = - 3,80 для призми, основою якої є квадрат. Додатні піки відносного кутового прискорення коромисла для призми із максимальним та мінімальним числом граней становлять, відповідно, е_i = 1,25 та е_i = 1,07.

...