УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

РЕГЕЙ

Іван Іванович

УДК 686.12.056

НАУКОВІ ОСНОВИ РОЗРОБЛЕННЯ

ЕНЕРГООЩАДНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ І ЗАСОБІВ

ВИГОТОВЛЕННЯ РОЗГОРТОК КАРТОННОГО ПАКОВАННЯ

05.05.01 – машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Полюдов Олександр Миколайович,

Українська академія друкарства, м. Львів,

професор кафедри поліграфічних машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гавва Олександр Миколайович,

Національний університет харчових

технологій, м. Київ,

професор кафедри технічної механіки і

пакувальної техніки;

доктор технічних наук, професор

Гавенко Світлана Федорівна,

Українська академія друкарства, м. Львів,

завідувач кафедри технології друкованих

видань і паковань;

доктор технічних наук, професор

Пальчевський Богдан Олексійович,

Луцький державний технічний університет, завідувач кафедри пакування і автоматизації виробничих процесів.

Захист відбудеться “ 24 ” жовтня 2007 р. о 12.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства (вул. Підголоско, 19, м. Львів, 79020, Україна), ауд. 101.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української академії друкарства (вул. Підвальна, 17, м. Львів, 79006).

Автореферат розісланий “ 22 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради В.Ц.Жидецький

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 ве-ликою 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., Сто-рощука 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 виго-товлення 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 гра-фічної конструкторської системи AutoCad, математичного редактора Math-Сad, 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–тех-нічної 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 ? (рис.1) і радіусом r робочих крайок. В процесі врізання в картон на рухомий інструмент діє зусилля опору NP, направлене вздовж нормалі до матеріалу (під кутом ? до площини заготовки).

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

(1)

де ?р – напруження руйнування, f – коефіцієнт тертя в парі ніж – картон.

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 (рис.2) 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 (рис.3а-е), 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 (рис.4а-е) 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 (рис.4а) мають тільки по одній різальній крайці в площині розділення матеріалу. Вирізування вузьких смужок у картонній заготовці пропонуєтьсяя виконувати способом, зображеним на рис.4б, а для вирізування в заготовках ділянок картону трапецеподібної форми можна використати пластинковий рухомий інструмент (рис.4в), який зміщений відносно осі обертання на кут ?. Для виготовлення скошених клапанів у картонних заготовках запропоновані засоби, зображені на рис.4г. 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 (рис.5а,б) і опуклих (рис.5в,г) 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 (рис.6). Максимальні значення ?поч = 38° і 41° зафіксовані при різанні впоперек і вздовж волокон картонних зразків завтовшки ? = 0,3 мм, а мінімальні – ?поч = 23,5° і 25,5° – при різанні зразків завтовшки ? = 0,7 мм .

Виявлено вплив на ?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.

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

Основні частини – рухомий ніж 1 (рис.7), зміщений на кут ? для забезпечення ножичного різання, та нерухомий протиніж 2, різальна крайка якого, згідно конструкції елемента розгортки, розташована під кутом ?1 до осі обертання.

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

(2)

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

- проекція на площину заготовки лінії контакту леза ножа з картоном

(3)

де ? – товщина картону, ? – кут повороту ножа;

- плече дії зосередженого зусилля

(4)

де b2 – відстань від осі обертання вала до найвіддаленішої точки різання,

с1 – проекція різальної крайки протиножа на вісь обертання ножа, b1 = b2 – – конструктивний розмір.

Момент сили різання

(5)

де qp – лінійне зусилля різання картону.

Швидкість переміщення точки різання (точки контакту різальних крайок інструментів)

(6)

де ? – кутова швидкість обертання ножа.

За результатами розрахунків за формулами (3),(4),(5),(6) на рис.8 побудовано графіки залежностей відносних геометричних, кінематичних та силових параметрів процесу різання матеріалу від кута повороту ножа для конкретних с1 і ?1, які вибрано за результатами статистичного аналізу найбільш розповсюджених форматів та конструкцій розгорток споживчого паковання.

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 MPi є зменшення відносної довжини k2i лінії контакту різальної крайки з картоном, що рекомендується забезпечувати її виготовленням за формою логарифмічної спіралі, полюс якої розташований на осі обертання ножа. Схема інструменту, різальна крайка А1А2 якого має форму логарифмічної спіралі, зображена на рис.9.

Для розрахунку параметрів спіралі розглянуто систему рівнянь

(7)

де А0 – радіус спіралі, m0 – коефіцієнт показника степеня, ?1 і ?2 кути, що визначають положення точок А1, А2 на кривій.

Розв’язками системи рівнянь є параметри

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 1а, 1б, 1в під різними кутами ?1, ?2, ?3 до площини заготовки. Умовою проектування такого інструмента є рівність моментів сили різання кожним лезом.

Якщо задатися кутом , то для забезпечення постійного моменту сили різання необхідно різальну крайку другого та третього леза розташувати під кутом

(8)

(9)

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 lП (рис.11).

Деформацію ділянки картону під час різання описано загальним рівнянням великих деформацій

(10)

де Е – модуль пружності картону; І – момент інерції розрізаної ділянки картону; ? – кут між дотичною до поверхні деформованої ділянки картону та віссю; lБ – відстань від защемлення до будь-якої точки на деформованій консолі картону; F – зусилля, що спричиняє деформацію матеріалу.

Роз’язком (10) є вираз

(11)

який зв’язує параметри напруження у деформованій ділянці картону та щілини протиножа. Встановлено, що збільшення відношення модуля пружності матеріалу до границі його пружності спричинює необхідність збільшення щілини протиножа мінімального розміру (рис.12).

Так, для = 10 мінімальний розмір щілини lП = 4,3 мм, а для = 70 lП = 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 (рис.13а), або з лінійним (рис.13б) 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 Мрі від ? (рис.14а,б).

Як видно з графіків, різання картону інструментом, встановленим на ножетримачі з кутовим зміщенням, супроводжується незначним зростанням моменту сили різання (Мрі = 1,82) на початку та вкінці різання (рис.14а). Різання картонної заготовки ножем з лінійним зміщенням леза відносно осі його обертання характеризується піковим зростання моменту сили наприкінці різання до значення Мрі = 32,9 (рис.14б), 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.

Для виготовлення аналогічним способом зовнішніх опуклих заокруглених елементів у розгортках паковання з картону запропоновано пристрої, які зображені на рис.15.

За розрахованими відносними моментами сили різання картону інструментами, закріпленими на ножетримачі за різними варіантами (з кутовим і лінійним зміщенням для забезпечення ножичного різання картону) по-будовано графіки залежностей Мрі від ? (рис.16а,б).

Як видно з графіків, вирізування опуклого заокругленого контуру в заготовці інструментом, розташованим під кутом до осі обертання, характеризується стрімким зростанням моменту сили різання (рис.16а) на початку і вкінці різання (пікові значення сягають Мрі = 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 Мрі = 14,2 (рис.16б), що в 1,6 разу менше за пікове значення, виявлене за варіантом засобу із кутовим розташуванням ножа. Крім цього, зміна Мрі є плавною, а вкінці різання заокругленого контуру розгортки момент сили різання зменшується до значення Мрі = 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.

За умови фіксування в засобах вирізування увігнутих елементів розгорток рухомого ножа під кутом до осі обертання вала, різальна його крайка проектується у половину еліпса, наслідком чого між нею і крайкою нерухомого протиножа, окресленою радіусом R1, є поява зазору

(12)

в засобах вирізування опуклих елементів розгорток за умови зміщення інструмента на розмір а відносно осі обертання

(13)

де R2 – радіус різальної крайки рухомого інструмента,

в засобах вирізування прямолінійних ділянок

(14)

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

(15)

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. За цієї умови кут закріплення ножа на ножетримачі

(16)

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

(17)

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: обгрунтування 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 Fp картону інструментами з кутами загострення різальної крайки в межах ?н = 55° – 75° (ділянка С? на рис.17). 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 Fp 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 qр = 4,9 H/мм, а впоперек – qр = 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. Для апроксимації використано метод додавання лінії тренда у середовищі MS Excel, який передбачає їх відображення у вигляді поліноміальної функції третьої степені вигляду

(18)

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 ? картону, кута ? 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 Мр = 1,47 Нм для ? = 10° і в 1,9 разу стосовно Мр = 2,06 Нм у випадку різання впоперек волокон (рис.18).

За результатами аналізу отриманих значень встановлено, що для кута ? = 10° фіксування інструмента на ножетримачі, товщин картону ? = 0,37 і 0,64 мм моменти Мр = 1,47 і 3,29 Нм при різанні зразків вздовж і Мр = 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 ? = 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 ? = 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 qp= 8,5 H/мм зафіксовано при різанні вздовж волокон картону завтовшки ? = 0,37 мм, а найбільше – qp= 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 Мр 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 ? = 0,3 мм і 0,7 мм врізання інструменту в матеріал з поздовжнім розташуванням волокон супроводжується моментом Мр = 1,63 Нм і 3,9 Нм, а з поперечним – Мр = 2,02 Нм і 4,53 Нм. Дещо більші значення Mp (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 Мр 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 Мр = 3,99 Нм і 1,39 Нм, а завтовшки ? = 0,7 мм – Мр = 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 – Мр 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 різів. За результатами розшифрованих значень моментів різання та розрахованих значень лінійних зусиль побудовано графіки залежності qр = f (n) для поздовжнього (рис.19а) та поперечного (рис.19б) напрямків розташування волокон у картоні стосовно напрямку різання. Збільшення