они уменьшают нагрев рабочей поверхности, способствуя, тем самым, резкому снижению засаливаемости режущих элементов, что очень важно при обработке деталей из резины и некоторых видов резин с повышенным содержанием каучука.

Вопросы и задания для самоконтроля

1Какие материалы относятся к вязко-пластичным?

2К какому классу органических соединений относятся полимеры и их структурные формулы?

3Что представляет собой процесс полимеризации?

4Какова структура и физические свойства пластмасс?

5Расскажите об особенностях деформации и стружкообразования при резании пластмасс.

6В чем особенности схемы ортогонального резания?

7Приведите схему равновесия составляющих сил резания.

8Приведите типовые схемы износа режущего инструмента для обработки пластмасс.

9В чем заключаются особенности процесса резания пластмасс?

10В чем основные отличия режущего инструмента для резания резины от металлорежущего?

11Приведите схему принципиально нового алмазно-шлифовального инструмента для обработки резин.

489

Глава 17 РЕЗАНИЕ КОЖИ, БУМАГИ И КАРТОНА

17.1 Резание кожи

Кожа (кутнис), являясь наружным покровом тела, выполняет много функций. Первыми и основными из них – ограничение и защита тела организма, его внутренней среды – и всех других органов от среды наружной, в которой этот организм находится [26].

Технология кожевенного производства предназначена для удаления лишних частей шкуры или подготовки сырья, для первичного приближения и последующей физико-химической обработки кожи, придания готовой коже требуемого вида, размеров и физико-механических свойств.

Взависимости от обработки натуральная кожа может быть с естественной или облагороженной лицевой поверхностью. Кожу с облагороженной лицевой поверхностью получают механическим удалением лицевого слоя и нанесением искусственной лицевой поверхности. Такого рода обработанная кожа носит названия: велюр и замша, силок [77, 91].

Вслучае обработки резанием материала – из него может выделяться влага. В ряде случаев при обработке сухого жированного полуфабриката выделяется жир, который действует подобно смазке, т. е. между полуфабрикатом и режущим органом образуется граничная смазка, изменяющая характер трения.

Вслучае трения покоя на величину коэффициента трения влияет при продолжительном контакте скорость приложения нагрузки.

Наиболее правильно определять коэффициент трения многих пар тел, измерением сил трения непосредственно на реальном объекте. Современная техника измерений располагает нужными для этой цели инструментами и приборами (тензометрами, осциллографами, пьезодатчиками и т. п.). Часто производится моделирование условий трения и определение коэффициента трения в лабораторных условиях. При этом необходимо, по возможности, со-

490

хранить: скорости скольжения реальной пары; ее удельное давление; отношение площади контакта к общей площади трения; перепад температур в поверхностном слое, определяющем среду режущей пары.

Свойства кожи зависят, в основном, от характера переплетения волокон. Различают пять классов переплетения волокон, характерных для отдельных участков кожи. На участке I класса переплетения волокон имеют максимальную плотность и прочность на истирание и разрыв, обладая наименьшей намокаемостью. Показатель свойства кожи на участках II, III, IV классов последовательно снижается. Участок кожи V класса имеет наименьшую плотность и прочность на истирание и разрыв и наибольшую намокаемость

(рисунок 17.1).

Рисунок 17.1 – Классы переплетения волокон различных участков кожи

В зависимости от свойств раскраиваемого материала, ассортимента и серийности выкраиваемых деталей используются известные способы резания – параллельное (вырубание на прессах), последовательное (осциллирующим ножом, лучом лазера, струей жидкости), параллельно-последовательное (ротационное, валковое).

Разруб материала производится резаком, на который давит ударник консольного пресса, подвижная верхняя траверса или ударник передвижной каретки. Процесс разруба материала резцом характеризуется тремя стадиями

491

взаимодействия с материалом: сжатие, резание и касание или внедрение резака в вырубочную плиту [172].

При первой стадии (сжатие настила) происходит частичное внедрение в материал лезвия резака, на кромках и гранях которого возникают следы, преимущественно направленные по нормали к линии контакта.

В начальный момент сжатия настила действуют две равные и противоположно направленные силы – сила нажатия ударника пресса Р и сила сопротивления материала сжатию Рсж.т (рисунок 17.2). При этом нож резака находится в равновесии (рисунок 17.2, а).

Равновесное состояния ножа не нарушается при условии, когда соблюдается симметрия взаимодействия граней лезвия с материалом (рисунок 17.2, а). В этот момент на нож резака действуют силы Р1, Rсж.т, Nвс, Nсd. Разложение Nвс и Nсd на горизонтальные и вертикальные составляющие, которые в силу симметрии будут равняться друг другу соответственно. В этом случае будет:

Параллельность равновесного состояния резака зависит от высоты настила (числа слоев) и физико-механических свойств раскраиваемого материала.

При вырубке многослойных настилов пониженной жесткости деформация сжатия значительно увеличивается, что обуславливает несимметричное распределение усилий при контакте материала с лезвием, т. е. вс + сd (рисунок 17.2, в). Горизонтальные составляющие сил, действующих на грань сd, больше горизонтальной составляющей, действующей на грань вс. В результате этого получается сила Rг, образующая момент М = р – l, изгибающий нож резака.

492

Из уравнения (17.3) видно, что Rг = 0 при Rг2 + Rг3 + N5 = Rг1 + N4.

В этом случае горизонтальная сила, действуя на нож, уравновешивается, и деформации его отсутствуют.

Вторая стадия разруба настила заканчивается в момент разрушения последнего слоя и касания кромкой лезвия поверхности плиты.

Третья стадия характеризуется внедрением лезвия резака в плиту. Величина внедрения зависит от качества настройки процесса, точности его работы, разновысотности и качества изготовления резаков.

Общее усилие вырубания [77].определяется по формуле:

где σр – разрушающее контактное напряжение сжатия раскраиваемого материала;

δ – ширина кромки лезвия резака; Е – модуль упругости раскраиваемого материала;

hсж – величина внедрения лезвия в материал в момент начала его разрушения;

h – толщина материала; α – угол клина ножа;

f – коэффициент трения материала о лезвие; µ – коэффициент Пуассона материала.

Второе и третье слагаемое можно заменить поправочным коэффициентом k, значение которого k = 1,2–1,3 [77].

Форма режущей кромки лезвия является цилиндрической, что уста-

495

С учетом коэффициентов κ и выражения (17.5) формулу (17.4) можно представить в упрощенном виде:

Таким образом, усилие вырубки можно с достаточной степенью точности определить, зная периметр резака, сопротивление материала сжатию, фрикционные свойства материала и степень затупления лезвия резака.

В настоящее время используются перчаточные резаки, в которых использован клеевой метод соединения концов резанной стали.

К преимуществам клеевых соединений относятся: уменьшение массы, снижение стоимости изготовления, а также более равномерное распределение напряжения в соединенных материалах и, следовательно, повышается долговечность резаков.

Одним из наиболее распространенных операций по обработке кожи является вырубание на прессах. При вырубании на прессах в качестве основания используют вырубочные подушки из различных материалов и разных конструкций.

Подушки изготавливают из дерева, металла и пластмассы [81]. Резаки – это фасонные ножи замкнутого контура, соответствующие

размерам и конструкции вырубаемых деталей, изготавливаются из стали У7 специального профиля. Концы фасонной полосы сваривают, а место сварки тщательно заделывают. Стенки резаков с нижней стороны затачивают под определенным углом.

Резаки для вырубания деталей, например, низа обуви (рисунок 17.4) изготавливают высотой 98 и 48 мм, чтобы пальцы не попадали между обухом резака и ударником пресса. Резаки высотой 98 мм снабжают защитным козырьком, которые располагаются по периметру на расстоянии 90 мм от режущей кромки лезвия. Ширина козырька 16–20 мм, угол заострения лезвия 30–32о начинается с высоты 8–10 мм от режущей кромки.

496

вмещеное резание. Угол заострения профиля лезвия должен быть 20–23о, а угол заточки режущей кромки 30–32о.

Режущая кромка резаков должна быть затуплена на 0,2–0,3 мм. Термообработку резаков производят на высоту 5 мм от основания. Лезвие резаков затачивается только с наружной стороны, чтобы не изменялся контур вырубленной детали.

Производство искусственных кож состоит из трех этапов: подготовка волокнистой основы, пропиточных и отделочных компонентов, пропитки основы, нанесения клеевого покрытия и отделки [77].

В группу искусственных кож с полифинилхлоридным покрытием (винилискожа) входят материалы для верха изделия или подкладки из кожи. Физические свойства искусственных кож: ширина, толщина (0,5–3 мм), плотность (500–1500 г/см2), паропроницаемость (колеблется от 0,0 до 10 мг/(Н·см2)) и водопоглощение. Водопоглощение характеризуют количеством влаги, которая задерживается в образце, а также гигроскопичностью и влагоотдачей диэлектрическими свойствами, тепловыми свойствами, термостатичностью, огнестойкостью. К механическим свойствам относятся: нагрузка при разрыве и удлинение при разрыве σв – 10–25 Па. Прочность связи пленочного покрытия с основой должна быть надежной.

Более 65 % обуви требует дополнительной обработки, которая выполняется фрезерованием с помощью фрез на специальных станках. При этом зуб фрезы входит в материал, деформируя его. Величина деформации зависит от упругости материала, величины радиуса заточки зуба фрезы, скорости резания и геометрии острия зуба [4, 81].

На качество фрезерования влияют следующие факторы: свойства обрабатываемого материала, геометрия фрезы, величина припуска, скорость обработки, качество заточки инструмента, износостойкость фрезы. На рисунке 17.5 приведены параметры фрезы для фрезерования кожевенных материалов, где γ = 20–40о; α = 3–20о; β – угол заострения; β΄= 90 (α+γ) при числе зубьев фрезы z = 16; α = 11о, при z = 12; α = 15о, при z = 9;

498

α = 20о. Наиболее эффективными материалами, повышающим стойкость и другие служебные свойства фрез, являются металлокерамические твердые сплавы, конструкция которых выбирается в зависимости от формы обрабатываемой детали или узла, метода крепления и свойства обрабатываемого материала. Цилиндрическая цельная фреза, изображенная на рисунке 17.6 предназначена для плоского фрезерования боковой поверхности подошвы и каблука обуви. Она состоит из корпуса и припаянными к нему твердосплавными пластинками. Корпус изготавливается из легированной стали 40Х или стали 45.

Геометрические параметры фрез для обработки кожи и резины: γ = 20о,

α = 25о, δ = 70о, β = 45о.

Рисунок 17.5 – Типовая фреза для обработки кожевенных материалов

499

Благодаря большим значениям передних и задних углов, уменьшается трение по задней и передней поверхностям зубьев, уменьшается радиус округления режущей кромки, снижается усилие резания и облегчается труд рабочего.

Сборными фрезами осуществляется одновременно фрезерование боковой поверхности подошвы, каблука и снятие фаски.

Рисунок 17.6 – Фреза цилиндрическая для обработки подошвы и каблука обуви: 1 – корпус, 2 – пластинка твердого сплава

Составные фрезы состоят из цельных фрез: цилиндрической и торцовой, служащей для обработки сложных или комбинированных поверхностей.

Помимо механизированной обработки кожи и применяемого оборудования для резки и разделения кожевенных материалов широко используются ручные режущие инструменты [6, 81].

Среди них нож закройный, нож сапожный, ножи для вырубки и просечки, прокалывания и сшивающий инструмент и т. п.

В качестве механизированных средств обработки кожи используется различное оборудование [81].

Так, в качестве оборудования для вырубки деталей из различных материалов применяют вырубные прессы применительно к вырубке деталей из жестких материалов, мягких материалов и для вырубки деталей из много-

500

слойных настилов мягких материалов. Для разрезания настилов из тканей, искусственной кожи и других материалов на части применяют электрозакройные машины. С помощью этих машин можно наряду с разрезанием настила на дорожки также вырезать круглые детали, прямолинейные фигуры или криволинейные формы с большим радиусом кривизны.

Рабочим органом этой машины является плоский нож, совершающий возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости по направляющим стойкам. Свое движение ножи получают от электродвигателя через кривошипно-шатунный механизм.

Известны машины [81], у которых основным рабочим органом является дисковый нож диаметром 120 мм, получающий вращательное движение от электродвигателя. При резании нож прижимает настил к платформе и к призматическому ножу, закрепленному на платформе. Оба ножа действуют на настил как лезвие ножниц. Машина снабжена специальным точильным приспособлением.

Частота вращения ножа – 1400 мин-1, число двойных ходов 2800 в мин, максимальная высота резания 100 и 20 мм.

Для вырезания деталей из тканей, искусственной кожи и других материалов, предварительно разрезанные на отдельные части, применяют раскройные машины, основным рабочим органом которых является бесконечный ленточный клиновидный нож, движущийся в вертикальной плоскости.

Для обрезки хромовых кож существуют обрезные машины, применение которых не приводит к большому повышению производительности по сравнению с ручным. Рабочим органом этой машины служит дисковый нож, насаженный на горизонтальный вал.

Диаметр ножа 80–110 мм, толщина 0,75–1,5 мм, угол заострения

β = 45°. Передвигая кожу по столу, рабочий подводит ее под нож. Распиливание (деление) кожи является одной из важнейших в эко-

номическом отношении операций кожевенного производства. От правиль-

501

ного ее выполнения в значительной степени зависит работоспособность производств [81].

Назначение операции – снятие избыточной (для данного вида изделия) толщины дермы в виде свилка, использование которого позволяет увеличить выпуск кожевенных товаров. Одновременно происходит выравнивание кожи по толщине.

Сущность операции распиливания на двоильно-ленточных машинах, состоит в распиливании полуфабриката бесконечным ленточным ножом (скользящее или пилящее резание), при этом полуфабрикат надвигается на лезвие ножа, движущимся в направлении, перпендикулярном направлению подачи (рисунок 17.7).

Наиболее часто строгание хромовых кож осуществляют после дубления. Сущность строгания заключается в сострагивании избыточной толщины кожи быстровращающимся ножевым валом, представляющим собой двухстороннюю фрезу. Строгание ведется на параллельных ходах, при этом происходит не обдирание, а срезание стружки.

Рисунок17.7 – Схемаработыдвоильно-ленточноймашины(а) исечениеленточногоножа(б): 1 – обрабатываемый материал; 2 – прижим; 3 – опора; 4 – ленточный нож; 5 – приводной

шкив(барабан); в– ширинаножа; δ – толщинаножа; h1 иh2 – шириназаточкипередней изаднейповерхностиножа

502

17.2 Резание бумаги и картона

Картон и бумага – листовые материалы, состоящие из волокон, связанных силами поверхностного сцепления. Картон отличается от бумаги большей толщиной и поверхностной плотностью (более 250 г/м2). Для его изготовления используют древесную целлюлозу и древесную муку, кожевенные волокна, бумажную макулатуру, волокна хлопка, пеньки, джута [83, 84].

Для изготовления высококачественных видов картона и бумаги применяют синтетические и натуральные (шерсть) и минеральные (асбест, стекло) волокна.

В качестве вещества, проклеивающего волокнистую массу, используют латекс натурального и синтетического каучуков, поливинила, ацетатную эмульсию, битумно-канифольную суспензию.

Производство картона состоит из предварительной обработки сырья, размола сырья, проклеивания волокон нагретой массы, отлива, прессования.

Из показателей химического состава для картонов и бумаги нормируется только влажность. Из показателей физико-механических свойств картонов нормируется толщина, плотность, промокаемость, набухание, гигроскопичность, влагостойкость, предел прочности при растяжении и удлинение при разрыве, жесткость и истираемость во влажном состоянии.

Придание бумаге различных свойств достигается выбором сырья, способа проклеивания и характером отделки.

Ассортимент бумаги разнообразный и требования к различным видам ее различен. Основные из них: плотность, г/см3 – 0,4–1,35; сопротивление излому, тысяч двойных перегибов – 0,015–20, нагрузка при разрыве, Н – 0,5–20; сопротивление раздиру, Н – 0,1–3.

Бумага бывает: газетная, шпульная, обложечная, форзацная, оберточная. Продольное резание бумаги методом давления [83, 84] на продольнорезательных станках, бобинорезных и саморезных первой ступени, произво-

503

дится, в основном, резательными аппаратами, работающими по принципу ножниц, а в ряде зарубежных стран – по методу давления [131].

На рисунке 17.8 приведены оба метода резания бумаги.

Процесс резания ножом по методу ножниц (рисунок 17.8, а) заключается в резании полотна бумаги двумя круглыми ножами, из которых верхний повернут на некоторый угол α, а режущие кромки ножа взаимно перекрыты.

При резании по методу давления (рисунок 17.8, б) полотно бумаги проходит между гладильным валом или роликом и круглым ножом.

Вэтом случае всю работу резания выполняет режущий нож, который позволяет в определенной степени контролировать их взаимное положение. Добиться точности, не выходящей за пределы 0,03–0,05 мм, очень трудно, а сохранить указанные пределы в течение длительного периода переточки невозможно.

При соблюдении всех правил эксплуатации, наличия высокого качества ножей и хорошего состояния режущих аппаратов биение ножей в лучшем случае не превышает 0,15–0,2 мм, но качество обреза будет оставаться хорошим благодаря самозатачиванию ножей. Этот процесс получил широкое распространение в случае резания по методу ножниц.

Вфизической сущности указанного процесса имеются явления отрицательного характера. К ним относится значительная деформация кромок полотна бумаги в процессе резания (рисунок 17.8, а). Даже при идеальном положении ножей, исключающем биение, кромка отгибается и несколько перемещается по горизонтали вследствие разворота верхнего ножа на определенный угол.

Биение ножей резко усиливает деформацию, что ведет к интенсивному пылеобразованию и разрыхлению кромок бумаги.

504

жинного или пневматического устройства, прижимающего нож к поверхности втулки.

Угол верхнего ножа с помощью хомута крепится на траверсе станка, что позволяет перемещать узел в нужное положение, при изменении форматов разделительной бумаги (рисунок 17.9).

Угол заострения ножа β = 35–45°, нагрузка 30 Н, твердость HRC 56– 62. Оптимальная твердость HRC 58–60, свыше HRC 60 – кромка выкрашивается, ниже HRC 56 – кромка сминается.

Материал ножа – сталь Х12М, У10А, твердость HRC 58–60, угол 42° (для стали Х12М).

Рисунок 17.9 – Резательный аппарат по методу давления:

1 – втулка; 2 – ножи; 3 – пружинное или пневматическое устройство для прижима ножа к поверхности втулки; 4 – хомут, крепления ножа, насаженного на опорную траверсу

Схемы основных видов резания бумаги и изменения геометрии рабочей кромки ножа приведены на рисунке 17.10.

На стопорезке величина угла заострения ножа β = 20°, толщина стопки – 120–150 мм, а в сжатом состоянии бумага выступает в роли труднообрабатываемого материала.

Для обычной заточки отношение среднеарифметической высоты неровности лезвия ножа и шероховатости граней соотносятся как 5:12, что говорит об их определенной зависимости [83, 84].

506

На рисунке 17.11 приведена схема размещения зоны измененной структуры после заточки ножей продольно-резательных станков.

Рисунок 17.10 – Схемы основных видов резания бумаги и изменения геометрии рабочей кромки ножа в процессе эксплуатации:

а – продольное разрезание по принципу ножниц; б – продольное резание по методу давления; в – поперечное резание на саморезке; д – поперечное резание на стопорезке; 1 – нижний чашечный нож; 2 – верхний тарельчатый нож; 3 – картон, бумага;

А, В – положение вершины режущей кромки ножа при установке последней на станке; А и В – положение вершины в процессе работы; 4 – нож; 5 – опорные втулки; r – радиус округления режущей кромки верхнего ножа в процессе работы; 6 – подвижной нож стопорезки; 7 – неподвижный нож стопорезки; 8 – нож стопорезки; Р – усилие резания [131]

507

Часть 5 ОСОБЕННОСТИ АБРАЗИВНО-АЛМАЗНОГО РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Абразивно-алмазное резание используется в качестве чистовых и окончательных методов обработки. Существенное отличие шлифования от процесса резания:

-беспорядочное расположение зерен в шлифовальном круге;

-прерывистая режущая кромка;

-разновысотность режущих зерен;

-зависимость между толщиной и шириной среза снимаемой стружки;

-неправильная и разнообразная геометрическая форма зерен, наличие скругленных вершин – отрицательные передние углы резания;

-особые свойства: твердость, термоустойчивость, острота, хрупкость;

-высокие окружные скорости микрорезания и малые глубины резания;

-динамическое воздействие каждого последующего зерна на обрабатываемую поверхность, повышающие мгновенные температуры микрорезания – тепловые явления и силы трения.

Различают резание связанным (шлифование) и свободным (чистовая обработка) абразивом [1, 95, 105, 106, 120, 195].

509