НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ІВАНКО

Андрій Іванович

УДК 686.12.056

МЕХАНІКА ПРОЦЕСУ ОБРІЗУВАННЯ

КНИЖКОВо-ЖУРНАЛЬНИХ БЛОКІВ

ДИСКОВИМИ НОЖАМИ

З ПЛАНЕТАРНИМ ПРИВОДОМ

05.05.01 – машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Видавничо-поліграфічному інституті Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” та Українській академії друкарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Полюдов Олександр Миколайович,

Українська академія друкарства,

професор кафедри поліграфічних машин.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Гавенко Світлана Федорівна,

Українська академія друкарства,

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри технології

друкованих видань і пакувань

доктор технічних наук, професор

Гавва Олександр Миколайович,

Національний університет харчових технологій,

Міністерства освіти і науки України

професор кафедри технічної механіки

і пакувальної техніки

Захист відбудеться 15 листопада 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.10 у Видавничо-поліграфічному інституті Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 02025, м. Київ, вул. Володимирська, 7 корпус № 25, ауд. №10.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 10 жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ковальов В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних потокових лініях по виготовленню книжково-журнальних блоків для підвищення продуктивності вводять дві-три паралельно встановлені триножові машини, в яких блоки обрізуються не поштучно, а пачками. Однак обрізування на одноножевих машинах в лініях пов’язано із значними технологічними і динамічними навантаженнями, що обмежує швидкісні можливості потокових ліній.

Відомі способи безупинного обрізування книжково-журнальних блоків такі, як різання багатолезовим інструментом або плоскими ножами з вібраційним рухом. Однак при обробці великих форматів блоків пристрої на основі цих способів мають значні габарити і енергоємні. Використання дискових ножів обмежено товщиною блоків до 8 мм.

Науково-прикладним завданням даної роботи є аналіз і синтез механічних і технологічних параметрів способу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом та розробки рекомендацій для проектування різальних секцій потокових ліній. Задача дослідження є актуальною проблемою, що передбачає підвищення продуктивності і скорочення енерговитрат.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконується в рамках договору (держбюджетна тема №2753) Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” з Міністерством науки і освіти України (2004-06рр.). В цій роботі автор є виконавцем розділів по розробці механіки процесу обрізування книжково-журнальних блоків.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення нового способу і пристрою для обрізування книжково-журнальних блоків з трьох боків (або зрізування корінцевих фальців) на основі дискових ножів з планетарним приводом, який дозволить досягти високої якості зрізаної поверхні, зменшити енергоємність приводу та поліпшити умови праці.

Для досягнення вказаної мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі: 1) провести аналіз існуючих способів, устаткування та наукових праць у галузі різання книжково-журнальних блоків; 2) теоретично встановити можливість безупинного обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами, що здійснюють складний обертовий рух одночасно навколо своєї осі та осі центру обертання водил (планетарний привод); 3) виявити вплив кінематичних, геометричних, швидкісних параметрів на процес обрізування; 4) визначити технологічні параметри процесу обрізування, оцінити їх вплив на енергосилові параметри приводу дискових ножів і засобів транспортування; 5) розробити методику та прилади для вимірювання досліджуваних параметрів процесу обрізування, визначити технологічно-необхідні межі вхідних факторів при досліджені; 6) дослідити енергосилові і якісні параметри процесу обрізування експериментальним шляхом та визначити їх оптимальні співвідношення; 7) дослідити стійкість різального інструмента; 8) розробити рекомендації для здійснення способу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом.

Об’єктом досліджень є безупинні способи обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами.

Предметом досліджень є механіка процесу безупинного обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом.

Методи дослідження. У дослідженнях процесу обрізування запропонованим способом використано елементи математичного комп’ютерного моделювання. Експериментальні дослідження проводились на дослідному стенді. Вимірювання силових параметрів процесу обрізування здійснювались за допомогою тензометричної апаратури. Оцінювання якості обрізування книжкового блока проводилось візуальним та вимірним методами.

Розрахунки, теоретичні дослідження проводились за допомогою математичного редактора Mathcad та вбудованої у систему проектування AutoCAD мови Visual LISP. Обробка результатів експериментальних досліджень проводились з використанням електронних таблиць Microsoft Excel.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено доцільність використання планетарного привода у модулі для безупинного обрізування книжково-журнальних блоків дисковими різальними інструментами;

- визначені оптимальні, з огляду на силові та якісні показники, технологічні режими процесу безупинного обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами;

- науково обґрунтовано визначення енергосилових параметрів процесу обрізування;

- розширені наукові засади по визначенню геометричних, кінематичних та динамічних характеристик процесу обрізування.

Практичне значення одержаних результатів:

- застосування пристрою з дисковими ножами дозволяє знизити сили різання, зусилля транспортування блоків із забезпеченням необхідної якості та точності обрізування;

- розроблена методика проектування модулів пристрою обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом передана ВАТ „Київполіграфмаш” для впровадження у виробництво;

- методика та результати досліджень впроваджені у навчальному процесі в УАД і НТУУ „КПІ”.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї та наукові дослідження отримані та розроблені автором самостійно. Із шести публікацій у співавторстві здобувачеві належать:

· [3] – теоретичні дослідження, складання програм;

· [5, 10] – участь у розробленні, складанні формули винаходу та проведенні попередньої експериментальної перевірки способу підготовки книжкового блока до незшивного клейового скріплення (НКС);

· [7] – участь у розробці методики досліджень, проведення експериментальних досліджень;

· [9] – проведення експериментальних досліджень та обробка результатів;

· [12] – участь у розробленні програми автоматизованого моделювання процесу обрізування блоків.

У особистих та публікаціях у співавторстві автором запропоновані наукові основи та розробки методики теоретичних розрахунків параметрів способу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами, що мають планетарний привод та проведений аналіз експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи щорічно доповідалися автором на міжнародних науково-технічних конференціях студентів і аспірантів „Друкарство молоде” (Київ, ВПІ НТУУ „КПІ”, 2002, 2004-2007 рр.), звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, наукових працівників і аспірантів (Львів, УАД, 2003-2007 рр.), наукових семінарах кафедри поліграфічних машин УАД, І-й Міжнародній конференції “Технологія і техніка друкарства. Друк-2004” (м. Київ, 2004 р.), науково-практичному семінарі „Упровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу. Особливості підготовки фахівця на основі професійних САПР – SolidWorks” НГУ (м. Дніпропетровськ, 2005 р), міжкафедральному науковому семінарі ВПІ НТУУ „КПІ” (м. Київ, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць: 7 статей в наукових фахових збірниках та журналах (3 - одноосібно), 5 тез доповідей на конференціях різних рівнів, отримано 2 патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 181 с., з них: ілюстрації – 68 с., додатки – 24 с., список використаних джерел (125 найменувань) – 12 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність та доцільність роботи, сформульовано мету та завдання дослідження, показано наукову новизну роботи, визначено задачі, які необхідно вирішити.

У першому розділі проаналізовано існуючі операції і способи обрізування книжкових і журнальних блоків. Зроблено огляд наукових праць, досліджень та патентних джерел в галузі різання книжково-журнальних блоків таких вітчизняних та зарубіжних вчених, як Б.М.Мордовін, Д.Ф.Акат'єв, Е.А.Альтшуль, В.С. Грушевський, К. Крабіш, Р. Віркнер, О.М.Полюдов, П.В.Топольницький, Г.Г.Петріашвілі, В.Ц.Жидецький, О.Б.Книш, А.Б. Коломієць на інші. Доведено, що існуючі способи обрізування книжкових і журнальних блоків мають обмеження у подальшому розвитку, обладнання не може задовольнити потреби сучасних виробництв, є громіздким, енергоємним та екологічно шкідливим. Застосування дискових інструментів у поєднанні із безупинною обробкою книжково-журнальних блоків дозволить підвищити продуктивність та термін служби устаткування, зменшити енерговитрати та покращити умови праці.

Розкрито суть обрізування книжкових і брошурних блоків дисковими ножами з планетарним приводом, який передбачає транспортування та затиск книжкового або журнального блока 1 (рис.1) засобами транспортування 2.

Рис.1. Схема способу обрізування книжкових і журнальних блоків дисковим ножами з планетарним приводом

Обрізування блоків здійснюється дисковими ножами 3, яким надають рух по коловій траєкторії водила 4. Обертання ножів здійснюється від двигуна зубчатою передачею, у якій взаємодіють сателітні колеса 5 та нерухомі центральні колеса 6. Для забезпечення зустрічного різання (напрямок обертання різального інструмента не співпадає з напрямком транспортування блока) двома водилами 4 вони з’єднані ланцюговою або зубчастопасовою передачею. Схема привода дискових ножів забезпечує їх обертання не лише навколо власної осі, але й навколо осі-центра нерухомого зубчатого колеса 6. В результаті кожна точка леза ножа описує траєкторію руху по епіциклоїді.

Обрізування запропонованим способом може здійснюватись або з одного боку (однобічне), або одночасно з двох боків (двобічне). Також можливим є використання різної кількості дискових ножів на одному різальному модулі. Доцільним вважається кількість дискових ножів від 2 до 6. З метою збільшення терміну роботи різального пристрою без переточки ножів передатні співвідношення у зубчастих передачах обрано нецілими числами.

Сформульовані основні завдання для вирішення у роботі на основі проведеного аналізу та виходячи із умови забезпечення необхідної якості обрізування книжково-журнальних блоків та зменшення енерговитрат у приводах різальних вузлів та транспортерів блоків.

У другому розділі розглянуті особливості кінематики процесу обрізування книжково-журнальних блоків, вплив їх на енергосилові параметри та можливість оптимізувати окремі з цих параметрів.

Для визначення траєкторії взаємного руху точок блока і найбільш віддаленої від центра обертання водила точки дискового ножа в площині обрізування застосовували метод обернення руху. Площина між сусідніми дугами утворює припуск різання протягом одного циклу. Величина цього припуску залежить від кількості m ножів з радіусом леза r на водилі радіусом R, яке обертається із швидкістю w1 (рис. 2), а також лінійної швидкості книжкового блока Vб.

Процес обрізування книжкових блоків характеризується такими параметрами: Н – товщина блока; h – товщина обрізування; ц – поточний кут повороту водила; цр – кут повороту водила, протягом якого здійснюється обрізування одним дисковим ножем; цn – кут між плечима водила з дисковими ножами; x і y – координати точки сліду різання; s – поточне зміщення траєкторії сліду різання; R і r – відповідно, радіуси водила і дискового ножа.

Рис. 2. Характерні кути повороту водила

Точка E відповідає моменту початку різання дисковим ножем незрізаної частини блока протягом одного циклу (“умовна точка зустрічі”). Справжня точка зустрічі знаходиться у точці Аi. Точка С відповідає моменту закінчення різання ножем протягом циклу (точка „виходу”). Відповідні поточні кути повороту водила О1О2, є кутами зустрічі з та виходу в.

За час, поки дисковий ніж робить повний оберт навколо осі О1, блок переміщується у напрямку осі OX на відстань . Координати руху крайньої точки леза дискового ножа із накладеним оберненим рухом блока (слід різання)

, (1)

Cлід різання під час руху блока зображено на рис. 3. Дуга різання являє собою криву із змінними поточними радіусами. Розрахунок таких кривих вимагає значних обчислювальних потужностей через наявність трансцендентних рівнянь у описі положення точок на кривій. Цей недолік усувається шляхом частинно-лінійної апроксимації дуги різання. Схема для розрахунку кінематичних параметрів процесу зображена на рис. 4.

Рух окремих точок леза ножа апроксимується лінійними відрізкам, що перетинаються на траєкторії сліду різання і описуються лінійними залежностями (наприклад, для двох відрізків) типу

Рис. 3. Побудова траєкторій сліду різання

Рис. 4. Схема для розрахунку геометричних параметрів процесу обрізування книжкового блока

. (2)

де – кут повороту водила; k1 та k2 – кутові коефіцієнти відрізків апроксимованої дуги різання.

Для спрощення розрахунків уведемо коефіцієнти:

, .

Після відповідних перетворень рівняння (2) отримаємо розв’язки:

. (3)

Кількість відрізків дуги різання і їх крок визначаються доцільною точністю розрахунків. При частинно-лінійній апроксимації можна обмежитись двома відрізками різної довжини. Кутові коефіцієнти прямих ED та DC становлять:

та , (4)

де xE – проекція на напрямок руху блока зміщення точки початку різання відносно центра обертання водила дискових ножів; xD та xC – координати точок траєкторії сліду різання; і – співвідношення між проекцією першого апроксимаційного відрізка і глибиною різання дисковим ножем.

За умови кут повороту водила, протягом якого здійснюється обрізування блока одним ножем, буде дорівнювати:

(5)

Товщина шару, що зрізається за періоди різання обома дисковими ножами водила дорівнює:

(6)

Дослідження кінематики процесу проводимо згідно розрахункової схеми (рис. 5).

Рис. 5. Розрахункова схема для визначення залежності швидкості різання від геометричних параметрів пристрою

Сумарна швидкість точки Аі леза дискового ножа при одночасному обертанні водила і дискового ножа буде:

. (7)

Кут між вектором сумарної швидкості V3 і горизонталлю визначимо з проекції векторного замкнутого контуру

. (8)

При визначенні сумарної швидкості різання точок леза дискового ножа враховуємо переміщення книжкового блока:

, (9)

де ; .

Тоді кут “атаки”

. (10)

Для дискового ножа кут різання р може бути обчислений як кут між дотичною до гіперболи, що утворюється при перетині прямого кругового конуса площиною, паралельній його осі, і основою конуса.

, (11)

де а – довжина хорди дуги різання леза дискового ножа; d – висота перерізу леза дискового ножа площиною, в якій діє поточна сумарна швидкість різання точок леза.

Висота, довжина і кривизна траєкторії лінії різу залежать від радіусів водила R і дискового ножа r, товщини зрізування і співвідношення швидкісних параметрів дискового ножа і блока. Довжина дуги різання на лезі ножа (довжина леза, яке приймає участь у обрізуванні блока у поточний момент часу робочого періоду):

(12)

де x1, x2, y1, y2 – координати крайніх точок центрального кута дуги різання на лезі дискового ножа.

Зусилля, що виникають при обрізуванні, у значній мірі залежать від траєкторії руху ножа та його геометричних розмірів. Під час досліджень зусиль, робочу дугу леза дискового ножа представляємо, як таку, що складається з певної кількості елементарних прямолінійних ділянок (одиничних лез) певної довжини. Процес обрізування одиничним лезом характеризується трьома складовими загального зусилля різання (вертикальною Fв, горизонтальною Fг та лобовою Fл).

Погонне зусилля сили різання: .

Для визначення погонних зусиль проведено апроксимацію експериментальних залежностей одиничного леза та здійснено їх регресійний аналіз. Складові погонного зусилля різання для одиничного леза представляємо у вигляді залежності

pi = Ai1aр + Ai2aр2 + Ai3aр3, (13)

де Ai1, Ai2, Ai3 – поліноміальні коефіцієнти апроксимованих залежностей.

Для визначення потужності двигуна приводу різальних модулів визначено середній крутний момент. Залежність для визначення крутного моменту на валу двигуна:

, (14)

де Mсер = Aріз/2 – середній крутний момент на валу водила; n1 – кількість обертів водила з дисковими ножами; nдв – кількість обертів вала двигуна; пр – ККД приводу різальних модулів.

Для проведення теоретичних досліджень складено ряд програм у середовищі електронних таблиць Excel, математичного процесору Mathcad та системі AutoCAD 2004 (на мові AutoLISP, в середовищі вбудованого в AutoCAD редактора VisualLISP).

Початкові дані для обчислень: радіуси водила R і дискового ножа r, передатне число u у планетарній передачі, глибина різання h, кількість ножів на водилі m, крок DS, крок розрахунку D, кут загострення ножа aЗ та лінійна швидкість блока VБ. Результати обчислень виводяться у текстове вікно AutoCAD, а також експортуються у зовнішній текстовий файл. Далі записи текстового файлу копіюються у MS Excel або Mathcad, де проводиться обробка результатів і побудова графіків. Приклад побудов, виконаних у програмі, наведений на рис. 6.

На рис.7 зображено залежності фазового кута різання р від радіуса R водила при товщині зрізу h = 10, 20 і 30 мм. Зменшення фазових кутів приводить до майже лінійного зменшення загального кута циклу різання р із збільшенням радіуса R.

Рис. 6. Приклад побудов, виконаних програмою у AutoCADі

Рис. 7. Залежність кута різання р від радіуса R водила при різній товщині обрізування h

На рис. 8 представлені окремі результати дослідження довжини сліду різання. Довжина слідів різання змінюється від 48 мм до 83 мм. Залежності для різних глибин різання подібні, спостерігається збільшення довжини сліду різання із зростанням величини заданої смужки паперу Дs, що обрізується за один цикл.

Заданими параметрами при дослідженні довжини дуги різання (рис. ) були: радіус водила R = 90 мм, радіус ножа r = 40 мм; максимальна глибина різання h = 20 мм; кут між ножами 180; кутова швидкість обертання 1 = 157,1 с-1. Довжина смужки DS змінювалась від 5 до 20 мм.

Рис. 8. Залежність сліду різання від заданої смужки зрізу Ds і максимальної глибини різання h

Рис. 9. Залежність довжини дуги різання від кута повороту водила, протягом якого відбувається різання

Кожну з залежностей Lp = f() можна поділити на три ділянки. Вигляд залежностей кутів різання протягом циклу різання подібний до залежностей довжини дуги різання Lp = f(). Максимальні значення кутів досягаються в момент виходу дуги різання на край книжкового блока. Значення кутів різання не досягають величини кута загострення. Величини дійсних кутів різання приблизно удвічі менші від величини кута загострення леза дискового ножа і залежить від співвідношення швидкостей книжково-журнального блока і дискового ножа.

Величина і характер зміни швидкості різання Vр залежить від величини і характеру зміни швидкості точок леза ножа V3 (при величині швидкості руху VБ до 3 м/с). Поточні коливання величини швидкості досить невеликі за розміром (близько 1...3%).

Отримані залежності усіх трьох складових і самої сумарної сили різання Fp протягом циклу різання. Максимальні значення усіх сил відповідають моментові виходу дуги різання на край книжкового блока. Найбільші значення характерні для вертикальної складової сили різання. Максимальне значення сили різання Fp протягом циклу різання не перевищує 22Н для офсетного паперу (80 г/м2), що значно менше від значень, отриманих при традиційних способах різання.

У результаті теоретичних досліджень визначені умови, коли виникають мінімальні сили різання, і відповідно, мінімальні навантаження на привод різальних інструментів та засобів транспортування книжково-журнальних блоків, що дозволяє оптимізувати технологічний процес.

У третьому розділі складена програма експериментальних досліджень, завданням якої було визначення технологічних режимів обрізування книжкових блоків дисковими ножами. Головним критерієм оцінки технологічних режимів було забезпечення якісного зрізування поверхні книжково-журнальної продукції за умови виконання заданої продуктивності. Програмою експериментів передбачені: 1) перевірка експериментальним шляхом можливості безупинного способу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами при різних швидкостях; 2) перевірка результатів теоретичних досліджень та висновків з оптимізації параметрів процесу різання; 3) аналіз впливу технологічних факторів на якісні показники обрізування та енергосилові параметри; 4) розробка інструкцій до технологічного процесу та рекомендацій для проектування різального вузла.

Базою для проведення експериментів був лабораторний стенд, призначений для дослідження безупинного способу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами при різних технологічних режимах та матеріалах обробки.

Методикою експериментальних досліджень були передбачені виміри: 1) зусилля транспортування блока у вітках тракового транспортера під час обрізування; 2) зусилля різання на лезі дискового ножа і, відповідно, крутного моменту на валу двигуна привода ножів; 3) оцінювання якості та точності площини обрізування блоків; 4) стійкості та характеру спрацювання різальних інструментів.

Розроблено модуль для обрізування скомплектованих блоків. Він складається з двигуна, муфти та двоплечого водила, на якому закріплені осі з дисковими ножами і сателітними зубчастими колесами. Муфта одночасно виконує роль передатного механізму та вимірювального модуля. Це дозволяє точно визначити крутний момент на валу двигуна різального модуля.

Оцінювання якості та точності площини зрізів блоків проводилось вимірним методом.

Перевірка стійкості ножа проведена на стенді на базі токарного верстата. Ступінь спрацювання крайки дискового ножа вимірювалась мікрометричним датчиком.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень. Вхідні параметри процесу обрізування дисковими ножами умовно діляться на геометричні, кінематичні, технологічні та фізико-механічні властивості паперу. Геометричними параметрами є: радіус водила R; діаметр дискового ножа Dн; висота h1 розташування площини зрізування над лінією затиску транспортерами книжкового блока, кут загострення леза ножа aз. Кінематичними параметрами є: напрямок обертання дискових ножів відносно напрямку руху блока; лінійна швидкість VБ руху блока; частота обертання n валу двигуна приводу ножа. Технологічними параметрами є товщина H та довжина L книжкових блоків.

Постійними параметрами процесу під час досліджень були: кут загострення леза дискового ножа 18; радіуси двоплечих водил привода ножів R = 90 мм; висота різання над площиною затиску h1 = 2 мм; зустрічний напрямок руху ножів по відношенню до напрямку руху блоків; глибина різання h = 8 і 14 мм; довжина блоків L = 200 мм. Частота обертання вала двигуна змінювалась від n = 500 до 2000 об/хв. В процесі досліджень обрізувались блоки, виготовлені з таких поширених видів паперу: газетний №1 (масою 65 г/м2), офсетний №1 (масою 80 г/м2) та крейдований (масою 100 г/м2).

Зусилля, які необхідні для переміщення книжкового блока, відзначені зростанням амплітуди під час обрізування блока та невеликими коливаннями під час його виводу із зони обрізування.

На рис.11 наведено деякі результати експериментальних досліджень впливу зміни частоти обертання водила ножа на момент від сили різання і зусилля транспортування від сили різання ножів. Збільшення швидкості різання з певної межі не впливає на збільшення сил різання. Найбільш несприятливі режими різання характерні для частот обертання водила ножів n = 15001600 об/хв., а найменші зусилля у приводі дискових ножів виникають при n, менших 1000 об/хв.

Згідно залежностей на рис.12 можна зробити висновок, що пружно-еластичні характеристики паперу незначно змінюють умови різання із збільшенням швидкостей. Залежності Mн=f(Vбл) для різних видів паперу значно відрізняється. Найбільші моменти Mн характерні для “жорстких” видів паперу (Mн=2,4м для офсетного паперу). Залежності Fтр = f(Vбл) наближені до прямих. Зміна швидкості руху блока від 0,4 до 1 м/с приведе до збільшення зусиль різання у 2,93 рази.

а б

Рис. 11. Залежність моменту (а) і зусилля транспортування (б) від сили різання ножів від частоти обертання водила ножа при різанні книжкових блоків товщиною 8 мм і 14 мм

а б

Рис. 12. Залежності моменту від швидкості блока (а) та

зусилля транспортування (б) від швидкості руху блока

для газетного (), крейдованого (), офсетного () паперів

Згідно міжнародних і українських стандартів якості проводилося комплексне оцінювання якості обрізування книжкового блока по всій площині зрізу періодично після кожного експерименту за декількома показниками візуальним та вимірним методами.

Результати фотографування зрізаного краю аркушів книжкових блоків, скомплектованих з паперу офсетний (100 г/м2), представлені на рис.13. Поверхня зрізу аркуша дисковими ножами з планетарним приводом відзначається високою якістю: вона є рівною, чистою, не помічається торочок целюлозних волокон або заглибин. Незначними недоліками є періодичні відхилення від горизонталі, які викликані коливаннями у траковому транспортері. Якісний зріз отримували при радіусі заокруглення леза дискового ножа до 42 мкм (для паперу офсетний масою 100 г/м2).

а) б)

Рис. 13. Мікрофотографії зрізу аркушів (збільшення Ч20):

а – на одноножевій машині плоским ножем;

б – дисковими ножами з планетарним приводом

Експериментальні дослідження стійкості ножів доводять, що дисковим ножем без перезагострення можна обробити не менш ніж 20ч23 тисяч блоків із збереженням всіх вимог до якості зрізу. Стійкість дискових ножів майже вдвічі перевищує аналогічний показник при традиційних способах різання плоскими ножами.

Аналіз результатів досліджень дозволяє зробити висновки про високу відповідність між теоретичними та експериментальними дослідженнями. Запропоновано використовувати наступні параметри: 1) діаметр дискових ножів – 60ч90 мм; 2) радіус обертання водила дискових ножів – 70ч90 мм; 3) частота обертання водила дискових ножів – від 750ч1400 об/хв.

Використання оптимальних наборів параметрів процесу і механізмів приводу дискових ножів дозволяє зменшити максимальні зусилля різання у 2,5…3,5 рази порівняно із способом обрізування у ОРМ. Споживана потужність приводу ножа при обрізуванні книжково-журнальних блоків на глибину 8 мм не перевищує 175 Вт для газетного паперу і 285 Вт для офсетного паперу масою 100 г/м2.

Проведені експериментальні дослідження дозволяють визначити оптимальні параметри процесу обрізування з умови мінімізації енергосилових характеристик приводів. Це дозволяє сконструювати різальний модуль для машин обрізування книжково-журнальних блоків з метою подальшого впровадження у виробництво.

ВИСНОВКИ

1. На основі критичного аналізу відомих технологій обрізування книжково-журнальних блоків з трьох боків запропоновано і розроблено новий спосіб безупинного обрізування блоків дисковими ножами, які здійснюють складний рух за допомогою планетарного привода.

2. Теоретично визначено доцільні технологічні параметри процесу обрізування, геометричні розміри різальних інструментів та конструкція різального модуля з огляду на силові та якісні показники процесу різання.

3. Величина частини блока, що обрізується за один цикл залежить від кількості обертів водила, кількості дискових ножів, глибини різання та лінійної швидкості транспортування блоків.

4. Комплексні експериментальні дослідження способу дали можливість визначити зусилля, що виникають при різанні блоків дисковими ножами з планетарним приводом, у приводах ножів і систем транспортування. Максимальні погонні зусилля різання менші у 2,5ч3,5 рази порівняно із традиційними способами. Потужність двигуна привода різального модуля при обрізуванні книжково-журнальних блоків на глибину 8 мм не перевищує 175 Вт для газетного паперу і 285 Вт для офсетного паперу масою 100 г/м2.

5. Визначено оптимальні параметри процесу для швидкостей блока до 1,3 м/с: діаметр дискових ножів – 60ч80 мм; радіус обертання водила дискових ножів – 70ч90 мм; частота обертання водила дискових ножів – 750ч1400 об/хв. Розроблені рекомендації щодо вибору кількості ножів в залежності від технологічних вимог.

6. Проведено оцінювання якісних показників зрізу книжкових і брошурних блоків, складених з різних за фізико-механічними характеристиками видів паперу. Виявлено, що дисковий ніж якісно обрізує 20ч23 тисяч “умовних” блоків, залежно від виду паперу, з яких вони виготовлені. Конструкція різального модуля дозволяє суттєво збільшити ресурс стійкості різального інструмента за рахунок зміни робочих ділянок лез інструмента в процесі обрізування.

7. Розроблені рекомендації слід використовувати при проектуванні сучасного обладнання для безупинного обрізування книжково-журнальних, як в складі високопродуктивних потокових ліній, так і у вигляді операційних машин.

8. Матеріали роботи передані ВАТ „Київполіграфмаш” для впровадження у виробництво.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Іванко А.І. Пристрій для обрізування книжково-журнальної продукції дисковими ножами з планетарним приводом // Наукові записки / УАД. - Львів, 2002. – Вип. 5. С. 27-30.

2. Іванко А.І. Спосіб зрізування корінців книжкових фальців дисковими ножами // Друкарство молоде / Доповіді. НТУУ “КПІ”. Київ, 2002. С. 42-44.

3. Полюдов О.М., Іванко А.І. Аналіз геометричних параметрів процесу обрізування книжкових блоків дисковим ножем з планетарним приводом // Наукові записки / УАД. - Львів, 2003. – Вип. 6. С. 15-18.

4. Іванко А.І. Кінематика процесу обрізування книжкового блока дисковими ножами з планетарним приводом // Технологія і техніка друкарства / НТУУ “КПІ”. Київ, 2003. Вип. 2. С. 78-81.

5. Пат. України № 42453. В42С5/00//В26D1/00. Пристрій для підготовки корінця книжкового блока до нанесення клею при незшивному скріпленні / О.М. Полюдов, П.В. Топольницький, А.І. Іванко. – Заявл. 02.03.2001; Опубл. 15.06.2004. -– Бюл. № 6, 2004. – 4с.

6. Іванко А.І. Характеристика процесу різання дисковим ножем з планетарним приводом // Друкарство молоде / Доповіді. НТУУ “КПІ”. Київ, 2004. С. 84-86.

7. Іванко А.І., Коломієць А.Б. Методика проведення експериментальних досліджень способу обрізування книжкових блоків дисковими ножами // Технологія і техніка друкарства / НТУУ “КПІ”. Київ, 2005. Вип. 1(7). С. 56-59.

8. Іванко А.І. Експериментальні дослідження процесу обрізування книжкових блоків // Друкарство. – 2005. - № 2(61). - С. 39-41.

9. Полюдов О.М., Топольницький П.В., Іванко А.І. Визначення енергосилових параметрів процесу обрізування книжкових блоків дисковими ножами // Друкарство. – 2005. - № 4(63). - С. 32-35.

10. Пат. України № 58677. В26D1/00,В42C5/00. Спосіб підготовки корінцевої частини книжкового блока до незшивного клейового скріплення та пристрій для його реалізації / О.М. Полюдов, П.В. Топольницький, А.І. Іванко, О.Б. Книш. – Заявл. 04.06.2002; Опубл. 15.09.2005. -– Бюл. № 9, 2005. – 4с.

11. Іванко А.І. Вплив технологічних параметрів на процес обрізування книжкових блоків дисковими ножами // Друкарство молоде / Доповіді. НТУУ “КПІ”. Київ, 2005. С. 51-53.

12. Іванко А.І., Коломієць А.Б. Автоматизоване моделювання процесу різання засобами програмування AutoCAD // Технологія і техніка друкарства / НТУУ “КПІ”. Київ, 2006. Вип. 4(14). С. 21-27.

13. Іванко А.І. Підготовка корінця книжкового блока до нанесення клею // Друкарство молоде / Доповіді. НТУУ “КПІ”. Київ, 2006. С. 148-150.

14. Іванко А.І. Розробка технологічного процесу обрізування книжкових і журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом // Друкарство молоде / Доповіді. НТУУ “КПІ”. Київ, 2007. С. 122-123.

АНОТАЦІЯ

Іванко А.І. Механіка процесу обрізування книжково-журнальних блоків дисковими ножами з планетарним приводом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.01 - машини і процеси поліграфічного виробництва. – НТУУ „КПІ”. Київ, 2007.

Дисертація присвячена проблемі покращення якості продукції, збільшенню продуктивності та зменшенню енергоємності на операціях безупинного обрізування з трьох боків книжково-журнальних блоків та зрізування корінцевих фальців, для чого запропоновано спосіб обрізування дисковими ножами з планетарним приводом. Аналітичним та експериментальним шляхом визначені оптимальні параметри приводу дискових ножів та технологічні параметри процесу, які дозволяють досягти високої якості обрізування та зменшення енергосилових витрат. Отримані результати дозволили розробити рекомендації для проектування секцій обрізування у складі сучасних потокових ліній і у вигляді операційних машин.

Ключові слова: дисковий ніж, планетарний привод, книжковий блок, різання, апроксимація, сила, стійкість, якість.

АННОТАЦИЯ

Иванко А.И. Механика процесса резания книжно-журнальных блоков дисковыми ножами с планетарным приводом. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.01 - машины и процессы полиграфического производства.- НТУУ “КПИ”. Киев, 2007.

Диссертация посвящена проблеме улучшения качества продукции, повышения производительности и уменьшению энергоемкости на операциях безвыстойной трёхсторонней обрезки книжных и журнальных блоков и срезки корешковых фальцев, для чего предложено применить способ резания дисковыми ножами с планетарным приводом. В результате этого достигается ровный и чистый обрез по всей плоскости книжного блока при меньших затратах энергии.

Аналитическим и экспериментальным путями определены оптимальные параметры привода дисковых ножей и соответствующие технологические параметры процесса, которые позволяют достичь высокого качества и уменьшения энергосиловых потерь. Полученные результаты позволили разработать рекомендации по проектированию резальных секций для современных поточных линий безвыстойного типа.

Экспериментальные исследования способа резания книжно-журнальных блоков позволили установить характер изменений и величину энергосиловых параметров, как привода транспортеров, так и привода дисковых ножей, определить их количественную характеристику. Установлены оптимальные параметры привода дисковых ножей и процесса для различных видов бумаг. Сравнительный анализ качества обреза блока, полученного при резании на одноножевой машине и при резании предложенным способом показал более высокое качество последнего.

Ключевые слова: дисковый нож, планетарный привод, книжный блок, резание, аппроксимация, сила, стойкость, качество.

SUMMARY

Ivanko A.I. Mechanics of the process of book&magazine blocks cutting by disk knives with a planetary drive. - Manuscript.

The thesis for obtaining a scientific degree of Candidate of Technical Sciences, specialization 05.05.01 - machines and processes of printing production. – National Technical University of Ukraine “KPI”. Kyiv, .

Thesis is denoted to the problem of output quality perfecting, productivity increasement and energy consumption during operations of stopless book&magazine blocks’ three-side trimming and book rootlet folders’ cut-off during adhesive fixing, therefore method of cutting by disc knives had been proposed. In analytical and experimental way there were determined optimal disc knives drive’s parameters, so as corresponding technological process ones, which gives an opportunity to access high quality of cutting, energy consumption decreasement and increasing for the ecological conditions of work. Achieved results allows to work out recommendations for the cutting units design in the composition of stopples lines.

Keywords: disc knife, planetary drive, book block, cutting, approximation, force, firmness, quality.