ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Свойства материалов, подвергаемых механическому воздействию при выполнении различных технологических операций в производстве обуви и кожгалантерейных изделий, до последнего времени изучались с ориентацией на традиционно установившуюся практику исследований. Основные ее принципы, представления и закономерности заимствованы из таких научных дисциплин, как общее материаловедение и сопротивление материалов. Из этих же дисциплин, кроме методологии, была перенесена и номенклатура исследуемых свойств, в составе которой чаще всего находятся: сопротивление условно упругих материалов разрыву, сжатию, изгибу. Поэтому данные, характеризующие эти свойства материалов изделий из кожи, далеко не всегда находят применение для описания реального технологического процесса, управления и его прогнозирования. Ввиду сложности определения и верной интерпретации показателей свойств упруго-вязких материалов, а также специфичности реальных производственных процессов, затруднено эффективное использование полученных данных для установления закономерностей этих процессов и аналитического их представления.
Следовательно, важнейшей задачей для такой науки как технология изделий из кожи является направление, которое сводится к исследованию свойств материалов применительно к технологии изготовления изделий из них с целью оптимизации управления процессами взаимодействия исполнительных рабочих органов оборудования с объектами обработки.
Управление процессом формования, определяющим потребительские характеристики готовой обуви, представляется возможным лишь при выявлении качественной и количественной связи между всеми элементами производственной среды. В результате появляются новые возможности по сокращению материальных, энергетических и трудовых затрат. Кроме того, ввиду быстрого развития электронно-вычислительной техники, программного обеспечения, численных методов, а также совершенствования методов экспериментальных исследований значительно расширились возможности получения графоаналити-
ческого описания и моделей технологических операций процесса производства обуви, позволяющие еще на этапе проектирования изделия и внедрения (апробации технологии) спрогнозировать осуществление реального процесса при массовом запуске, избежав при этом дополнительных затрат.
Объектом исследования является процесс механического деформирования материалов с упруго-вязкими свойствами, применяемых для изготовления обуви и кожгалантерейных изделий. Предметом исследования являются технологические операции формования деталей и полуфабрикатов изделий из кожи обтяжно-вытяжным способом.
Работа выполнялась в рамках научно-технических исследований кафедры технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии по проблеме «Развитие научных основ конструирования и технологии производства швейных изделий и изделий из кожи с применением информационных систем и новых материалов».
Целью диссертационной работы является повышение качества выполнения операций формования обтяжно-вытяжным способом на основе прогнозирования процесса и совершенствования оснастки.
Для реализации цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- изучен и обобщен имеющийся отечественный и зарубежный опыт по исследованию процесса формования деталей и полуфабрикатов изделий из кожи;
- дана трактовка основных факторов, оказывающих определяющее влияние на процесс формования механическим деформированием и обусловливающих его физическую сущность, виды, ход и технологию исполнения, итоги проведения;
- разработан графо-спектрометрический метод определения формовочных свойств волокнисто-сетчатых материалов и их пакетов;
- разработаны методики, выбраны и созданы рациональные средства проведения экспериментальных исследований процесса формования;
- разработаны компьютерные программы обработки эмпирических дан-
6
ных (комплекс ASPI);
- раскрыта сущность моделирования системы 4М {material, machine, medium, man - материал, оборудование, среда, оператор) обувного производства с использованием расплывчатых категорий;
- разработано и апробировано программное обеспечение статистического моделирования технологических операций формования в системе 4М (MCG-Stability);
- создана программная среда прогнозирования осуществления технологических операций формования в системе 4М (TPF-System);
- разработана и апробирована программа проектирования шаблонов оснастки для формования обтяжно-вытяжным способом (MOULD);
- разработано и апробировано программное обеспечение исследования кинематики процесса формования обтяжно-вытяжным способом (компьютерная установка и программа Researcher);
- проведены эмпирические исследования по отдельным аспектам процесса формования (получение, графоаналитическая и статистическая обработка' и анализ результатов экспериментов);
- обобщены результаты исследований и сформулированы научно-практические основы исследования и моделирования процессов взаимодействия обувных материалов с рабочими органами оборудования, разработаны рекомендации по оптимизации технологических операций, связанных с формованием материалов с упруго-вязкими свойствами.
Методы исследования. Исследования построены на комплексном подходе к анализу технологических операций формования механическим деформированием. В ходе выполнения работы использованы методы системного анализа, имитационного моделирования, нечеткой логики, объектно-ориентированного программирования, теоретические и практические основы реологии, материаловедения, конструирования и технологии изделий из кожи.
Технические средства решения задач. Использованы следующие технические средства решения задач:
- ПК и периферийное оборудование (оптический датчик);
- установка «Relax»;
- технологические машины ЗАО МОФ «Парижская коммуна»: CALI SV-DW—F2 (фирмы Schon), ALFA 82—2Н (фирмы Meccanica).
Научная новизна работы заключается в:
- выявлении особенностей обтяжно-вытяжного способа формования;
- разработке методики проектирования шаблонов оснастки машины для затяжки носочно—пучковой части;
- разработке методики проектирования оснастки машин обтяжно-вытяжного формования;
- разработке методики проектирования пяточных пуансонов;
- разработке методики применения стандартных периферийных компьютерных устройств для исследования кинематики процесса формования;
- разработке системы 4М для управления процессом формования;
- разработке экспертной системы прогнозирования технологического процесса формования (СПТП-Ф), использующей элементы '^'имитационного моделирования в системе 4М;
- получении аналитической зависимости падения скорости перемещения пуансона при обтяжно-вытяжном способе формования заготовки верха обуви.
Практическая значимость работы заключается в разработке методик проектирования оснастки: на машины CALI SV-DW-F2 фирмы Schon, ALFA 82-2Н фирмы Meccanica (обтяжно-вытяжной способ формования носочной части заготовок), машины типа 63/630... фирмы Schon (обтяжно-затяжной способ формования носочной части заготовок), машины типа 1002 фирмы Schon и FFS 6 К фирмы Leibrock (предварительное формование пяточной части заготовок), обеспечивающие качественное выполнение операций основного и предварительного формования, исключая дополнительную подгонку оснастки; графо— спектрометрического способа качественной и количественной оценки деформационных свойств пакетов материалов по участкам заготовки, который, в ча-
стности, позволяет выбрать материал низкой ценовой группы, со свойствами, приближенными к свойствам эталонного; интеллектуальной среды TPF-System, сравнение которой с реально функционирующим производственным процессом показало идентичность значений выходных параметров при одинаковых входных, следовательно данная экспертная система может быть использована для прогнозирования реального производственного процесса.
Результаты работы и их реализация. В работе получены новые научно-практические сведения о процессе и технологических операциях механического формования обтяжно-вытяжным способом. Разработаны:
- следующее программное обеспечение:
Название Назначение
ASPI (при участии Е.В. Литвина) Аппроксимация, интерполяция и статистическая обработка эмпирических данных
MCGStability Статистическое моделирование технологических операций формования в системе 4М
TPFSystem i [ Прогнозирование технологических операций формования в системе 4М 1
MOULD Проектирование шаблонов оснастки для формова- | ния обтяжно-вытяжным способом
Researcher Исследование кинематики технологического процесса, описание взаимодействия элементов системы «формующие исполнительные рабочие op- i ганы (ИРО) + заготовка верха обуви» \
- компьютеризированная система исследования кинематики процесса формования обтяжно-вытяжным способом на машине САЫ SV—DW—F2 в производственных условиях (совместно с Е.В. Литвиным).
Полученные результаты исследования системы «формующие ИРО + заготовка верха обуви» в виде графоаналитических зависимостей, математических моделей и-экспериментальных данных прошли статистическую обработку.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедры технологии изделий из
кожи, на 56 научной конференции «Молодые ученые — XXI веку» в Московском государственном университете дизайна и технологии (Москва, 2004).
Полученные результаты внедрены в учебный процесс на кафедре ТИК МГУДТ: опубликован под грифом УМОЛегпром для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 553900 - «Технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности», учебник «Технологические процессы производства изделий легкой промышленности. Часть I» (под общей редакцией проф., д.т.н. Фукина В.А.). Авторы: Абрамов В.Ф., Костылева В.В., Литвин Е.В., Соколов В.Н., Соколов И.В., Татарчук И.Р., Фукин В.А., 2003. Опубликована монография «Технология и моделирование процессов резания в швейном и обувном производстве». Авторы: Абрамов В.Ф., Соколов В.Н., Татарчук И.Р., Литвин Е.В., 2003.
На ЗАО МОФ «Парижская коммуна» апробированы и утверждены методики проектирования оснастки машин для предварительного и основного формования носочной и пяточной частей заготовок верха обуви.
Публикации. Теоретические предпосылки исследований и их результаты, отражены в восемнадцати печатных работах. Основные положения проведенных исследований опубликованы в девяти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и работе, списка использованной литературы, приложений. Объем диссертации составляет 231 страницу машинописного текста, включая 120 рисунков, 40 таблиц, списка литературы из 104 библиографических наименований и приложения.
10
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА
ФОРМОВАНИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
В первой главе работы дается общее описание процесса формования заготовки верха обуви, приводятся его классификации (п. 1.1), оценивается результат формования обуви по показателю ее формоустойчивости (п. 1.2), рассматриваются наиболее известный обтяжно-затяжной (п. 1.3) и новый обтяж-но-вытяжной способы формования (п. 1.4).
Обтяжно-вытяжной способ формования получает все более широкое распространение в связи с популяризацией литьевого метода крепления низа, позволяющего получить гибкою, легкую обувь с более продолжительным сроком эксплуатации, нежели обувь клеевого метода крепления. Кроме того, при об-тяжно-вытяжном способе формирования, ввиду отсутствия горизонтальной затяжной кромки заготовок, снижаются материальные затраты на производство обуви за счет уменьшения расхода материала. В главе также описано моделирование процесса формования (п. 1.5).
1.1. Классификации способов формования заготовок верха обуви
К материалам, применяемым для производства верха обуви, кожгаланте-рейных изделий, предъявляются особые требования. Они должны хорошо деформироваться, чтобы принять нужную форму, и быть пластичными, чтобы сохранить ее. В то же время в процессе эксплуатации они должны быть упругими и способными к восприятию циклических нагрузок. Все эти свойства должны проявляться в обуви, которая при производстве и эксплуатации подвергается нагрузкам и деформациям в разных направлениях и различными способами. Процессы формования обуви являются наиболее ответственными операциями обувного производства. Полуфабрикаты для верха обуви представляют собой листовые материалы (оболочки), т. е. такие, один размер которых значительно меньше двух других.
В литературе даются различные определения процесса формования заготовок верха обуви. Приведем наиболее полное. Формование заготовок верха
11
обуви - это процесс придания плоским деталям (пакету материалов), составляющим обувную заготовку, сложной пространственной формы колодки, устойчивой при хранении и носке обуви посредством деформаций различного ви-Да [1].
Операции формования имеют место как на участке сборки заготовок, так и на участке сборки обуви (основная концентрация). Все операции формования на начальном этапе систематизации следует разделить на основные, при которых задается окончательная форма участка детали, детали, узла обуви и вспомогательные, при которых задается предварительная форма деталям. К основной операции формования участка сборки заготовки относится операция загибки краев деталей. К вспомогательным операциям относится, прежде всего, операция предварительного формования союзки (придание пространственной формы для лучшей посадки заготовки на колодку), а также многочисленные операции, связанные с предварительным скреплением деталей в полуформе, сопровождаемые некоторым одноосным растяжением.
К основным операциям потока сборки обуви относится формование заго-, товки: носочной, геленочной и пяточной частей, при которых закладывается окончательная пространственная форма. К вспомогательным операциям относится предварительное формование пяточной и носочной частей. При этом осуществляется предварительное формование не отдельных деталей, а деталей в собранном виде (пакета материалов).
Значимость одной и той же операции формования при различных технологии производства и конструкции обуви может меняться. Так, при производстве обуви беззатяжного, строчечно-литьевого метода крепления основное формование носочной части осуществляется на пуансонах, а объемная форма пяточной части закладывается в конструкции (посредством вытачек, введения разрезных деталей и т.д.). При этом формование пяточной части предназначено для дублирования термопластического материала задника с другими материалами заготовки с доминированием деформирования сжатием, аналогично операции дублирования термопластического подноска на полуцилиндрическом пуансоне (на прессах типа Wagner). Однако более значительного деформационно-
12
го воздействия на пяточный узел заготовки на дальнейших операциях не производится. Нахождение заготовки на прессовой колодки литьевого агрегата не может рассматриваться как основная операция формования заготовки верха обуви, так как происходит ее незначительное растяжение только при надевании. Внутреннего формования не осуществляется, ввиду того, что не изменяются линейные размеры колодки литьевого агрегата, а имеет место фиксация приданной на предыдущих операциях формы заготовки, по аналогии с выдержкой готовой обуви на отделочных колодках.
Таким образом, можно сделать вывод, что основное формование носочной части осуществляется на пуансоне, формование пяточной части сводится к дублированию слоев пакета материалов, так как объемная форма пяточной части заложена в конструкции заготовки. Как это будет рассмотрено в главе 4 ге-леночная, как и пяточная часть, также не требует значительного деформационного воздействия за счет конструктивного решения верха обуви. Т.е. для формования геленочной части достаточно деформационного воздействия при надевании заготовки на прессовую колодку литьевого агрегата с последующей выдержкой-фиксацией на них (по аналогии с нахождением заготовки на отделочной колодке).
При правильно проведенном основном формовании должно сохраниться запроектированное при разработке моделей положение деталей и швов, заготовка должна плотно облегать колодку. Существует несколько способов формования верха обуви, при которых применяется разнообразное оборудование, разные конструкции заготовок и колодок. Ввиду широкого спектра условий формирования пространственной формы заготовки весьма важно иметь классификацию способов формования, облегчающую изучение деформационных свойств материалов для верха обуви и выполнения самого процесса. Такая классификация должна объединить существующие способы формования в группы, для которых были бы общими методы выполнения основных задач формования.
В настоящее время существует несколько видов классификации способов формования. Например, по одной системе классификации различают затяжки:
13
глухую (меккейную), рантовую, клеевую, сандальную, полусандальную, «парко», «беззатяжным способом» и др. По другой [2] - в основу классификации положен характер приложения механических нагрузок к верху обуви (методы наружного и внутреннего формования). Получила распространение третья система классификации формования, по которой все способы разделены на обтяж-но-затяжный и однопроцессный внутреннего и наружного формования.
Подробное рассмотрение недостатков и достоинств указанных систем классификаций приводятся Ю.П. Зыбиным [3], Г.С. Безруковым и М.Г. Люби-чем [2]. Первая система в большей степени классифицирует способ скрепления затяжной кромки заготовки со стелькой и низом обуви, чем само формование. Во второй и третьей системах имеется определенная нечеткость.
Наиболее удачная классификация способов формования верха обуви, по нашему мнению, приводится Ю.П. Зыбиным [3]. В ее основу положен способ получения пространственной формы заготовки из листового материала, а также ее конструктивные особенности, способствующие или препятствующие деформации заготовки. Такими конструктивными особенностями являются: <
1. форма заготовки — плоская (например, заготовка туфель «Лодочка»), полуплоская (например, заготовка полуботинка), пространственная (например, с овальной вставкой) и объемная (например, мокасины и заготовки со втачной стелькой или подложкой) (рис. 1.1);
2. особенности конструкции затяжной кромки - свободная, с пришитым рантом, скрепленная со стелькой или подложкой, загнутая внутрь и т. д. По данной классификации все способы формования разделяются на два вида, условно называемые «формованиерастяжением» и «формование вытяжкой».
При формовании растяжением пространственная форма обувной колодки придается заготовке, изготовленной из листового материала (кожи, ткани), последовательным растяжением клещами. Материал заготовки при этом, растягиваясь в одном направлении, подвергается усадке в другом (вдоль стелечной грани колодки). Характерным для данного способа является преобладание одноосного растяжения материала (такое же, как при обтяжно-затяжном способе формования) [3].
14
Рис. 1.1. Конструкции заготовок верха
обуви: я — плоской; б— полуплоской;
в — пространственной; г— объемной;
1— заготовка; 2— стелька; 3— втачная
стелька; 4— подложка
При формовании вытяжкой заготовка, защемленная по всему контуру, выдавливается пуансоном (колодкой). При этом облегание пуансона материалом достигается благодаря его деформированию, при котором доминирующим видом, как правило, является двухосное растяжение.
Данная классификация удобна не только тем, что она позволяет классифицировать все существующие способы формования по виду доминирующего растяжения, но и определить при прочих равных условиях (геометрические характеристики колодки, свойства материала) необходимую величину растяжения заготовки для создания пространственной формы.
Так, наибольшему растяжению подвергается плоская заготовка. Пространственная заготовка для плотного облегания колодки нуждается в гораздо меньшем растяжении, поскольку контуры по затяжной кромке уже предусмотрительно уменьшены.
Таким образом, данная классификация способов формования заготовки позволяет объединить все существующие и возможные методы в группы и подгруппы, для которых общими являются вид доминирующего растяжения верха обуви и его величина. Это значительно облегчает как изучение самого процесса формования, так и формовочных свойств материалов, составляющих заготовку.
Следует заметить, что данная классификация исходит из условий формования передней части заготовки, т.е. носка и союзки, что, безусловно, является правильным, так как на этом участке процесс деформирования наиболее интенсивен. Кроме того, передняя часть заготовки является наиболее ответственным участком обуви.
15
Данная система классификации была бы полнее, если бы были учтены дополнительные факторы, в значительной мере влияющие на процесс формования, и требования, предъявляемые к формовочным свойствам кожи и ткани. Такими факторами, по нашему мнению, являются следующие:
1. осуществление растяжения по принципу дискретности закона перемещения рабочих органов (величина растяжения определяется способностью заготовки к этому свойству и величиной создаваемого напряжения);
2. осуществление растяжения по принципу постоянства перемещения рабочих органов формующих машин.
В настоящее время первый принцип в основном осуществляется при формовании верха обуви растяжением. Однако это не означает, что формование растяжением не может производиться по принципу постоянного перемещения рабочих органов и, наоборот, формование вытяжкой не может производиться по принципу упругого звена.
Таким образом, место каждого способа формования в данной классификации может уточняться с его развитием, изменением принципа действия обо-; рудования, применяемого при том или ином способе формования, и накоплением данных о некоторых малоизученных способах.
В некоторых случаях, особенно при сложных методах формования, возникает неопределенность в отнесении того или иного способа в определенную группу. Весьма условно, например, отнесение ручных методов затяжки к группе способов формования по принципу упругого звена. Такого же рода затруднение возникает при определении места в классификации сандальной затяжки в связи с тем, что формование этого вида обуви осуществляется с применением разнообразных приспособлений и машин единичного производства. В зависимости от того, включают ли эти приспособления амортизирующие устройства или не включают, принцип приложения растягивающего усилия (осуществление растяжения) может измениться. Это относится и к затяжке носка пластинами.
Еще одна условность заключается в том, что для некоторых, особенно многооперационных методов формования, суммарное растяжение носочно-
16
пучковой части верха обуви определяется комплексом воздействий, оказываемых на материал. На различных стадиях процесса формования эти действия могут вызывать различное по виду растяжение.
Формование заготовок верха можно рассматривать по следующим классификационным признакам:
По способу приложения формующего усилия различают три способа формования: внешний (обтяжно-затяжной и обтяжно-вытяжной), внутренний и комбинированный.
Термин «обтяжно-вытяжной» характеризует данный способ формования по особенностям деформационного воздействия - значительному влиянию деформирования сжатием на ход процесса («обтяжно...» т.е. прижатие обжимом заготовки к пуансону), а также специфику принципа работы ИРО («...вытяжной», т.е. фиксация затяжной кромки с последующим вертикальным перемещением формующего пуансона или обжима при статическом положении других ИРО). Существенные отклонения от условий деформирования вытяжкой не позволяют назвать данный способ классическим вытяжным, так как за-„ тяжная кромка фиксируется только в носочной части.
Внешний обтяжно-затяжной способ формования может быть последовательным, параллельно-последовательным и параллельным. При методах внешнего формования заготовки верха формуют на затяжных колодках путем растяжения отдельных участков клещами или другими механизмами машины и фиксируют приданную форму прикреплением затяжной кромки верха к соответствующим деталям низа.
При последовательном обтяжно-затяэ/сном способе формование осуществляется клещами вручную. При параллельно—последовательном обтяжно— затяжном способе осуществляется параллельное формование отдельных участков обуви в определенной последовательности: носочная часть - пяточная часть - геленочная часть; носочная часть - геленочная часть - пяточная часть, носочная часть — пяточная+геленочная части и т.д. При этом в качестве исполнительных инструментов используют клещи для затяжки носочной части, пластины и ролики для затяжки геленочной части, пластины для затяжки пяточной |
