автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему: Анализ и совершенствование конструкций прессовых пар для холодного конгревного тиснения
Автореферат диссертации по теме "Анализ и совершенствование конструкций прессовых пар для холодного конгревного тиснения"
На правах рукописи
Андросов Владислав Станиславович
АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПРЕССОВЫХ ПАР ДЛЯ ХОЛОДНОГО КОНГРЕВНОГО ТИСНЕНИЯ
Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы (полиграфическая промышленность)"
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».
кандидат технических наук, доцент Бобров Борис Семенович
доктор технических наук, профессор Елимелех Игорь Моисеевич
кандидат технических наук Румянцев Олег Вячеславович
ООО "РАСТР-технология" (Москва)
Защита состоится 2-52008 г. в часов на заседании
диссертационного совета Д 212.236.02 в Санкт-Петербургском
государственном университете технологии и дизайна по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18, ауд. 241.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18.
Автореферат разослан ¿?3¿7t¿T2008 г.
диссертационного совета ¿^Sr^В.В. Сигачева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Конгревное тиснение широко применяется при изготовлении самой разнообразной полиграфической продукции. Внедряя в производство новые материалы, используя сложные дизайны элементов тиснения, полиграфические предприятия обычно идут эмпирическим путем, ориентируясь на опыт или проводя тесты, для осуществления которых в большинстве случаев изготавливаются экспериментальные прессовые пары (клише-контрклише). Поэтому в области конгревного тиснения существует ряд актуальных и недостаточно исследованных научно-технических проблем. К ним относятся: изучение физико-механических характеристик обрабатываемых материалов, математическое моделирование процесса конгревного тиснения, разработка методик проектирования прессовых пар с учетом свойств материала, параметров оборудования и т.д.
Переход от традиционного эмпирического пути к математическому моделированию и разработке методик проектирования прессовых пар позволит экономить время, затрачиваемое на конструкторскую подготовку заказа к производству и повысить качество продукции. Особую значимость такие исследования имеют для одноуровневого холодного конгревного тиснения (ОХКТ), поскольку в отсутствие температурного фактора для получения качественных оттисков возрастают требования к деформационным свойствам обрабатываемого материала и конструкции прессовой пары.
Цель и задачи работы. Целью работы является создание методики расчета геометрической формы поперечных сечений прессовой пары и целлюлозно-бумажного материала, обрабатываемого способом ОХКТ. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Анализ существующих материалов и технологий изготовления прессовых пар для конгревного тиснения.
2. Исследование геометрических характеристик поперечных сечений клише и контрклише для одноуровневого конгревного тиснения.
3. Анализ физико-механических свойств обрабатываемых материалов.
4. Математическое моделирование процесса ОХКТ.
Методы и средства исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория упругости, теория пластичности, метод конечных элементов, методы математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись на универсальной установке 1пз1гоп-1122, релаксометре деформаций, горизонтальном компараторе ИЗА-2, гигрометре ИВТМ-7, универсальном прессе модели 17-60 фирмы "Висне1 ВУ' (Голландия). Необходимые вычисления выполнялись в среде Ма(:1аЬ 7.0.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Определены геометрические характеристики популярных видов прессовых пар для одноуровневого конгревного тиснения.
2. Определены физико-механические характеристики запечатанного и лакированного упаковочного картона Alaska, производитель "International Paper Kwidzyn S.A." (Польша).
3. Разработана математическая модель ОХКТ, позволяющая вычислять упругую деформацию поперечного сечения материала в зависимости от его свойств, параметров прессовой пары и приложенной нагрузки.
4. Разработана методика расчета геометрической формы поперечных сечений клише, контрклише и целлюлозно-бумажного материала, обрабатываемого способом ОХКТ (в пределах действия закона Гука).
Практическая значимость результатов работы. Разработанная методика позволяет реализовать:
1. Вычисление высоты рельефа оттисков в момент, когда напряжения в материале находятся в пределах линейного участка кривой одноосного растяжения. При этом нет необходимости в тестовом тиснении для определения минимальных параметров прессовой пары, позволяющих получать рельефные оттиски.
2. Проектирование прессовых пар с учетом деформационных возможностей материала и повышение за счет этого качества выпускаемой продукции.
Результаты исследований используются в ООО "Типография "Индустрия цвета" (Санкт-Петербург).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. На заседаниях кафедры Автоматизированного полиграфического оборудования СЗИП СПГУТД (в 2003-2007 гг.).
2. В производственной фирме ООО "Типография "Индустрия цвета" (СПб., 14 февраля 2005 г.).
3. На семинаре "Исследование процесса холодного конгревного тиснения и систем установки клише" (СПб., СЗИП СПГУТД, 8 сентября 2006 г.).
4. На Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности. Дни науки 2007" (СПб., СЗИП СПГУТД, 14 мая 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 статья в издании, входящем в "Перечень. " ВАК РФ, 3 статьи в научных сборниках, 1 статья в отраслевом производственно-техническом журнале и 2 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы,
включающего /3^ наименований. Вся работа изложена на Л26 страницах машинописного текста, содержит рисунков, формул, -// таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, сформулированы объект и предмет исследования, научная новизна и прикладная ценность полученных результатов, отмечены положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен обзор конструкций, основных материалов и способов изготовления прессовых пар клише-контрклише. Установлено, что наибольшее распространение имеют универсальные прессовые пары, которые подходят как для горячего, так и для холодного тиснения. Для конгревного тиснения холодным способом производится мало специализированной оснастки.
Осуществлен исторический обзор развития технологии конгревного тиснения.
Обобщена современная терминология, связанная как с самим конгревным тиснением, так и с процессом изготовления оснастки.
Отмечено, что проблема изготовления оснастки связана не только с выбором материала и технологии изготовления прессовой пары, но и со способами крепления клише и контрклише в прессе и методиками выполнения приладки относительно печатного изображения. Кроме конструкции прессовой пары, на качество конгревных оттисков большое влияние оказывают свойства обрабатываемого материала (бумаги, картона).
Бумага в основном состоит из целлюлозы, которая является полимером. В связи с этим одним из подразделов данной главы является обзор молекулярной и надмолекулярной структур полимеров, их деформационно-прочностных свойств. При этом бумага не полностью повторяет механические свойства целлюлозных волокон, поскольку является композитом. Поэтому данный материал очень сложен с точки зрения поведения в процессе деформирования.
По современным представлениям бумагу относят к вязкоупругим материалам, основой ее структуры является волокнистая стохастическая сетка. Наличие в составе целлюлозно-бумажных материалов воды, проклейки, наполнителя оказывает пластифицирующее действие. Конгревное тиснение бумаг глубоко изучено в трудах В.И. Смирнова. Поэтому в пределах данной работы основное внимание уделялось исследованию свойств картона, так как ОХКТ очень часто наносится на картонные коробки, открытки и т.д.
Проведенный обзор патентных источников выявил около 60 документов, близких к теме диссертационной работы. При этом подходящие готовые решения, связанные с математическим анализом параметров конгревных
оттисков и прессовых пар, в отечественных и зарубежных патентных базах не обнаружены.
Обзор научно-технической литературы выявил небольшое количество крупных работ, посвященных конгревному тиснению. Среди них особое место занимают диссертации В.И. Смирнова и S. Liang.
В.И. Смирнов провел огромную работу по экспериментальному и теоретическому изучению конгревного тиснения различных видов бумаги и факторов, оказывающих влияние на ход процесса. В диссертации "Finite element modeling of the embossing of paper sheets" S. Liang детально описано математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса конгревного тиснения прессовой парой контрклише-декель.
В вопросах изготовления и анализа свойств конгревной оснастки существенную помощь оказали рекомендации доцента кафедры ТПП СЗИП СПГУТД С.И. Федоровой.
В процессе работы над диссертацией применялись результаты исследований по анализу свойств бумаги, картона и оснастки для тиснения, описанные в трудах О.Б. Купцовой. Также использовались научные данные В.И. Комарова, В.Л. Бажанова и др., посвящённые вопросам деформирования целлюлозно-бумажных, полимерных и других материалов.
Таким образом, обзор научно-технической литературы показал, что разработки, проводившиеся упомянутыми выше авторами, можно продолжить, поскольку вопросы анализа и совершенствования конструкций прессовых пар путем математического моделирования процесса ОХКТ остаются недостаточно исследованными.
Вторая глава посвящена анализу конструкций прессовых пар и исследованию механических характеристик обрабатываемого материала.
Параметры прессовой пары оказывают большое влияние на качество конгревных оттисков, так как рельеф при данном способе отделки образуется за счет формирования листа материала по прессовой паре и его растяжения в направлении перпендикулярном толщине материала. В литературе, посвященной отделочным процессам, встречаются различные схематичные описания поперечных сечений одноуровневой конгревной оснастки. Поэтому для выяснения данного вопроса исследовались следующие виды прессовых пар: фотополимерные клише - фотополимерные контрклише, изготовленные из пластин Miración (Япония); травленые медные и магниевые клише -эпоксидные контрклише на подложке из текстолита; гравированные поликарбонатовые клише — эпоксидные контрклише на текстолитовой подложке, отлитые с гравированного магниевого клише - кондуктора.
В результате установлено, что поперечные сечения всех рассмотренных видов оснастки в наиболее общем случае имеют близкую к трапециевидной
форму (рис. 1). Различия заключаются только в радиусах сопряжений (К.1-К^), углах наклона стенок (сх 1, «г), глубине и высоте элементов (Ьц, Ьг). Для удобства расчетов радиусами сопряжений можно пренебречь, считая их равными нулю и принять, что одноуровневые конгревные прессовые пары имеют трапециевидную форму поперечного сечения. При уменьшении размеров элемента тиснения трапециевидная форма сечения может постепенно переходить в треугольную или похожую на полуокружность.
Рис. 1. Типичная геометрическая форма поперечного сечения прессовой пары для одноуровневого конгревного тиснения: 1 - клише; 2 - контрклише.
Эксперименты по изучению прессовых пар проводились в Лаборатории послепечатных процессов кафедры Hill СЗИП СПГУТД.
Кроме геометрических характеристик прессовых пар, на качество оттисков большое влияние оказывают деформационно-прочностные свойства обрабатываемого материала. Конгревное тиснение холодным способом наиболее часто применяется в производстве картонных коробок, которые обычно изготавливают из упаковочных картонов. Предоставляемый целлюлозно-бумажными комбинатами набор характеристик недостаточен для анализа поведения упаковочных картонов в процессе механической обработки. В научной литературе также не удалось обнаружить необходимой информации. Поэтому потребовалось проведение экспериментов по одноосному растяжению образцов упаковочного картона.
Для экспериментов использовался запечатанный офсетным способом конвекционными красками (CMYK) и покрытый водно-дисперсионным лаком упаковочный картон Alaska, производитель: "International Paper Kwidzyn S.A." (Польша). При отборе проб относительная влажность воздуха внутри стопы листов была 50-52%. Образцы растягивались со скоростью Vi=100 мм/мин до момента разрушения. Данная скорость является одной из максимальных в диапазоне скоростей, традиционно используемых при испытаниях бумаги и картона. Кривые с доверительными интервалами при Рд = 0.95 показаны на рис. 2. Все полученные кривые состоят из двух участков: линейного и нелинейного. Для линейного участка определялся модуль жёсткости Е. Кроме
того, вычислялась величина напряжения супц, соответствующая границе между линейным и нелинейным участками кривых.