автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.04, диссертация на тему:Научные основы процесса ультразвуковой сварки швейных изделий и принципы создания оборудования

Москопскпя тсударствсннам академия легкой iiporii»uii.iiciinociи

С;5

о

Со

£</ Нл ирзв;1х рукописи

Деулшг Борис Леотъепнч

Научные ошопы процесса ультразвуковой спяркм шпсПнмх ; изделии и принципы создания оборудования

Специальности: 05.19.01 " Технология шрсНных

!Г>Л«Л1Ш', 05.02.13" Мшшнш и пграппы"' ( леисяя промышленное!:,)

Автореферат

лиссгт:шян па соискание ученой crciictai лосторп чечнччсски-;

Работа выполнена и Московской государственной академии» легкой

IlpOMUlUJICHIIOC'lli.

Официальныеоппоненты: д.г.н. .профессор' Мелаков S.X.

д.г.н..црофесоор 2вворонлов Д.И. д.г.н..профессор Досхскеев Д.Т.

Недушая организация- Научно-ассдедоЕЯгальский инсгигу?

1'ексгильщх.шториалов;( НИИТН )

Защита состоится "¿1" QtM^ci^ 1998 г", и J0 часов на заседании диссертационного совета Д.053.32.03. и Московской 1 осударсшенной академии легкой промышленности , пи адресу: 113806 г. Москва, Садовническая у я. Д.ЗЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государсп

академии легкой промышленности. J:

Днюреферат разослан "Jj?" OUui J] 1^1998 г.

Ученый еекрегарь ], ;^д.т.н.,прбф. Костылсиа Е

диссертационного сонета

Общая характеристика пробной,;

Актуальность проблемы. В швейной промышленности п настоящее время псе большее применение кт ткани и трикотаж содержащие сиитенкчсскис волокна, которые оПляп-шп .< полояпгтельных свойств. Они имеют красипый внешний гесминаемы,хорогпо . стираются,обладают повышенной прочностью и 1ч1Шос?ью к еяетопогоде, Это обуславливает нх широкое применение. Уже и 95% всех шелковых тканей производятся с применением йскустрсннгг? дан. Современное развитие легкой промышленности . ирсдусмагрипае! гтел.ное повышение качества товаров и раширени.ч ассортимента ля счет жег о применения новых химических волокон и шпен, по.чччерш-г: риалов, новых производств ' по . . выпуску искусственного .формоустойчивых трикотажных ' полотен,сшгтетчтокой кода) и других риалов для изготовления одежды и обупи. Но иностранным и отсч.еси>снпыч им доля-химических волокон в общем балансе текстильного сырья составит 0% в 1998г и 60-65% п 2005 году.

Однако появление новых сшттегнческих материалов вызывает ртл ¡лем,с!азанных с их обработкой я процессе пошива изделий. Извсспкугго пошиве изделий на высоких скоростях игла швейных машин нагревается до ¡ерзтуры ЗОО-4О0С" Химические волокна обладают сравнительно шкжой 1ературо?1 плавления (250С°),поэтому при соприкосновения р разогретой 'й они плавятся,забивая при этом ушко нглы и заплавляя шоп. Пгрт>о ЮД1ТТ к обрыву ИГОЛЬНОЙ НИТИ, п х необходимости замены ИГЛ,второй -- К лшетшой■ жесткости-.и■ хрупкости шва. В результате нрнходмрся сн-'-..'>ч кхггь машин. Пошив синтетических материалов -требует кроме тсто меиенкг швейных ниток того зхе химического соскша что и материал. » гивпом'-случае появляется -морщинистость- швов в;прцессс иошипа или поело

стирки или чистки. Эги дефекты из-за специфических свойств синтетически мшернилов плохо устраняются последующей ьлазкно-тешмяой обработкой. Эп недостачи послужили причиной создания новых типов машин,осуществдяющи: безниточное соединение деталей одежды., Одним из наиболее распространенны способов является ультразвуковой,которым можно соединять практически вс термопластичные материалы. Оглнчительными чертами ультразвуковой свар» являются: возможность соединения деталей по поверхностям, локально выделение теплоты и возможность сварки материалов с узким интервала! кристаллизации. Эго обуславливает широкое применение ультразвукоаог способа для соединения термопластичных материалов. ■'■■■.'

В настоящее время ультразвуковая сварка находит большое применение различных отраслях промьниленности Российской Федерации так и за рубехп» Созданием и совершенствованием ультразвукового сварочного оборудования России занимаются МГТУ им; Н. Э. Баумана, ВНИИТВЧ им. В. Г Вологдина,Омский политехнический ннс-пгтут.ВНИИЛтскмаш н другие,а з рубежом фирмы Бранзон Сопик Пауэр (США), КЛН (Германия), СеПко (Япония Телсоннк (Германия), ВУМЛ (Чехия) и другие.

Однако от.гг эксплуатгщн импортного и отечественного ультразвукопог швейного оборудования показывает, что оно не отвечает современны фебованиям. Применение вновь созданных некуственных материалов требования к конструкции одежды потребовало проведение исследован» процессов ультразвуковой сварки искусственных термопластичных материале для определения технологических режимов с целыо получения высохопрочнъ сварных соединений на ультразвуковом швейном оборудовании различи чипов. Использование улмразвукового оборудования при изготовлст различных типов сварочных инюв и выполнении разнообразных техиологнчесю ■ операций' при создании большого числа конструкций швейных изделий так» . но1 ребоиало " разработки специализированных - рабочих ор1Т»«ов

инструмснтов,ПОЗВОЛЯЮЩИХ ПОВЫСИТЬ ПрОИЗВОДНТСЛЫГОСТЬ 11 (с ПЧССГВО

технологического процесса ультразвуковой сварки.

Цель работы и задачи исследования Целью диссертационной работы является разработка научных основ создания новой техники и технологии при производстве оцеяеды с помошмо ультразвуковой сварки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научи«';« технические задачи:

- исследование акустических систем с использованием рациональных етшематических схем сварки,осуществляющих передачу ультразвуковой энергии;

- разработка рабочих органов оборудования: иис1румеитов-вол1гозодг.в и активтлх опор,позволяющих осуществлять созданную тсхно.чолно

, ультразвуковой сварки тканей и •трйкоггаэка,срдержащнх термопласт'«'-::-.-.!« • волокна;

- тссргтт!чсс?гн и экспериментально обоснованы технологические режимы процесса улътразиукосой сяярки тканей н трикотажа с различным содерЖ5га)ем тсрмопластичньпс волокон и применение искусственных прокладочных материалов;

Методы исследования Дня указанных выше задач в диссертационной работе использованы методы теории колебательных систем стержневого типа, теории математической физики, теории планирования эксперимента. Для оценки основных количественных соотношений при анализе полученных анашггических выражений применены гармонический- анализ,численные методы решения,математическое моделирование.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводе« н рекомендаций подтверждаются: -соответствием выводов и расчетов.

зкснсримешальных исследований практикой н опытом машин и у станов!

созданных на б;пе разработанных научных положений,выводов и рекомендаци( Научная пои ища работы заключается в следующем:

1. Разработаны теоретичскис положения, позволяющие определять парамет] механических колебательных систем с распределенными параметраи осуществляющих распространение упругих колебаний в ограничены срсдс.Внервме предложена методика длинноконтуриых инструмент! волноводов с рабочей поверхностью 250 х250х 10"э м.

На основании анализа' стержневых колебательных систем ртработе: активные несимметричные рабочие опоры,позволяющие интснсифицирол; процесс ультразвуковой сварки и применять замкнутые колебательн системы и существующем и вновь создаваемом оборудовании. .

2. Разработаны на основании экспериментальных исследований знсргеггическ характеристик акустических узлов оптимальные размеры инструмент» волноводов для оборудования,осуществляющих точечню свар последовательным и параллельным способом.'

3. Изучено влияние основных параметров ультразвуковой сварки на измене!) прочности сварных соединений деталей одежды.Получены матемагичео модели для выбора режимов сварки тканей н трикотажа с различи: содержанием полиамидных и полиэфирных волокон" для оборудования параллельным и последовательным способами выполнения сварн соединений. •• ■ . " _ -■•■■ ' ■ •

4. Исследованы особенности ультразвуковой сварки тканей трикогажа,содержащих различное количество искусственных волокон применением термопластичных, прокладочных материалов, получе аналитические выражения,позволяющне определять необходимый обт прокладочного материала для получения максимальной прочности,

(Хпюпные положения, выносимые на защиту.

-б-

днссертшши защищаются:

принципы Построения колебательных систем стержневого пищ с распределенными - параметрами , и методика расчета ' длшшоконтурнмх инструментов-волноводов, •

метод электро-акустического анализа процесса передачи ульцяпнукопой энергии точечными инструмеотаКш-волноводами в зону сварки, инженерная методика : рачеета замюгутых колебательных систем с использованием несимметричных активных; опор, ; .

математические модели процесса ультразвуковой сварки материале!! с '.различным', содержанием. искуственных волокон для • модслиропанич технологических режимов.' '

Практическая значимость н реализация результатов работы.

Использование научно-практических разработок представленных в хиссертационной работе позволяет решать задачи по повышению качесшч и троизводительности процесса ультразвуковой сварки детален шпейных изделий и создать, методики расчета и проектирования основных рабочих органон ультразвукового оборудования. :

Основные научные и практические результаты работы использопаны к ряде опытно-конструкторских работ .по Созданию 'ультразвукового нтейоп» оборудования н внедрении технологии ультразвуковой сварки, при создаикч новых видов соединений в изделиях легкой промышленности!

Разработш! -'ряд''.:'-машин.;. последовательного •' действия,нолрол чсших осуществить ультразвуковую сварку деталей одевды непрерывным шпом таких как!: матшш'марки БШМ-2, КЙМ-З, НШМ-»' и УЗОР-], а также' устпиозс»«.-.выполняющих сварочные операции параллельным-.способом: УМУ-1, УНУ-!?. УИ-З, У1ГУ-4. Разработанные технологии ультразвуковой сварки внедрены и отхплуагируютсл ца швейных фаоригах V обьс;пи!снняхлюпопьзу|<!;ц;!ч; отечественное и ипмпогттпея ультразвуковое ип'сйпос обопудояаппс. •

Разработанныс машины и установки демонстрировались на Международных выставках ИНЛЕГМАШ-82 (УПУ-1), ИШШГМАШ-88 (БШМ-2), ИНЛЕГМАШ-94 (УИУ-1).

Принципиальная новизна разработанных образцов оборудования подтверждена 5 авторскими свидетельствами на изобретения.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы и ее отдельные noJюжeния докладывались и обсуждались и получили одобрение на :

- всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт промышленного применения ультразвуковой техники и технологии" (г.Новосибирск 1977 г.);

- всесоюзной научно-технической конференции "Расширение ассоришнга.поиышспие производительности труда и улучшение качестш трикотажных изделий на основе новейшей технологии швейного производства" ( г.Москва 1978 г.); '!

- всесоюзном научно-техническом совещании "Опыт применения ультразвуковой техники и технологии в машиностроении" ( г.Саратов, 1985 г.)

- российской научно-технической конференции "Физика и техника ультразвука" (г. С.Пегербург, 1997г,) < ■'" ;

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 37 печатных рабошх, в том числе 1 монографии, 20 статьях и тезисов докладов, в 5 описаниях к 'ав юрским свидительствам на изобретения,а также в 11 отчетах по научно-исследовательской работе, в которых автор является ответственным нснолншелем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы 1П 125 наименований и приложения на 51 странице. Основная часть работы шложена на 260 страницах машинописного текста,содержит 164 рисунка и 18

•аблнц на 128 страница;:.

Со;;сргашпв раГчл ьг.

Зо_ппеденнп излго-.хна-' научно-техническая проблема,решаемая п

щссертацин,показана ее актуальность и практическая значимость. ^нормирована зеноаная цель и решаемые научные задачи.Определен!« научна.'. гоП1Пна,основные положения,выносимые на защиту й вопросы рсалнзлциг. полученных результатов.Приведены данные о апробации работы и публикациях. В первой главе "Основы применения ультразвуковой сварки в швейной промышленности" дан анализ существующих схем ультразвуковой спорки синтетических волокнистых материалов,используемых в швейной промышленности с точки зрения получения долговечных и прочных соединений. Показаны преимущества и недостатки каждого из способов и возможность их использования для изготовления одежды.Показано,что наибольшими потенциальными возможностями обладает ультразвуковая сварка, однако нестабильность процесса сварки,значительный разброс прочностных показателен соединений и появление новых видов тканей и трикотажа требуют сопершенствованио этого способа н' разработки специализированного оборудования, обеспечивающего получение стабильного -качество сварки и высокой прочности соединений.

Рассмотрены особенности теплообразования при ультразвуковой еппрке Материалов,содержащих полиамидные и полиэфирные и полиолсфннопмс полокна, которые относятся к группе мягких пластмасс из-за высоких модуля упругосгн.предмптскучсст!!11 разрывного усилия.

. Установлено,что - максимальные величины температур развиваются в средней части поперечного сечения пакета тканей, а неравномерность распределения степени нагрева изменяется в зависимости <гт интенсивности ультразвуковой сварки.Анализ термодеформвшгоных зависимостей нскусгвенных волокон.полиамидной к полиэфирной групп посолили определить облает

изменения теплового воздействия, кшорые на приводят к необратимы арукгурньш изменениям. Количество тепловой энергии необходимой дг разогрева полимера до температуры вязкотекучгш состояния, определяете значениям величин амплитуды колебаний,времени сварки,частоты колебали акустического узла оборудования и величиной сопротивления активной нагрузи С помощью метода измерения электрического импеданса колебательной систем экспериментально установлена зависимость удельного активного сопротивлеш ншрузки ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих полиамидные полиэфирные волокна от величин от величин амплитуды колебаний, частоты сварочного давления. Эги зависимости позволили определить днапазс изменения параметров, ультразвуковой сварки для получения макснмалык тепловой энергии в зоне сварки искуственных материалов, используемых швейной промышленности. ■

Рассмотрены рабочие схемы и циклы процесса ультразвуков! сварки,используемых в ультразвуковом швейном оборудоваиии,в зависимости I его названия и предъявляемым к нему требованиям. Схемы размещения рабоч! инструментов разделяются на две группы ; в первом из которых рабоч; инструменты не участвуют в процессе транспортирования полуфабрикатов ! второй- принимают участие. Признано целесообразным для швейно оборудования применять схемы первой группы, как наиболее универсального.

Рассмотрены основные способы выполнения ультразвуковой сварки: фиксированным временем сварки,фиксированным (гарантированным) зазором фиксированной осадкой. Анализ эгих способов позволил установить наибол целесообразный способ сварки: это способ сварки с фиксированным зазором фиксированной осадкой.Реализация такого способа в швейном ультразвуков! оборудовании позволяет повысить стабильность получаемых сварных соединен п^таннснмо ог толщины и физико-химических свойств материала.

Дан анализ оборудования для ультразвуковой сварки тканей и трикотажа

Г51

,---- — . -

V, ■ -:*

'чи

"Ж "

<0

Т

7Г

а.

1-опора

г-АУ

3-волновод

4-УЗГ

5,6-ч[огодагпгаг

?-ойгт)ратор

8-вал

■Э-механизм привода

П-усадг«-.

.5 "' •• • V к

^гтт- _^2 1-опора ■ 4-

3-ЛУ

' б„

•'Рис.1 'Схемы ультразвуковой сварки: .а - охчт сварки ссору-•дования. последовательного' дёйствпя? б - схе.та свар;:;: с сггровазпшм зазором и осадкой, ;

-гП-

синтетичоских волокнистых материалов и предложена его классификация.

Раесмогрспы особенности работы каждою из рассматриваемых типо оборудования:

- машин для последовательного прерывистого выполнения сварных швов;

- машин для последовательного непрерывного выполнения сварных швов;

- оборудование (пресса) для параллельного выполнения сварных швов;

Рассмотрены особенности основных элементов и узлов ультразвуковой швейного оборудования при использовании различных способов псрсмещени полуфабриката: реечного,роликового и ручного.

При использовании реечной подачи • наиболее перпективной являете следующая схема подключения различных устройств и механизмов (рис,1] позволяющая корректировать изменение длительности ультразвукового импульс, при изменении толщины полуфабриката и скорости транспортировки. Приведет виды сварных строчек: стачивающих, отделочных и закрепляющих пр1 использовании различных видов швов с перечислением технологически операций, при выполнении которых целесообразно применять спосо ультразвуковой сварки. ■ ' . % > ;

Приведен анализ конструкции акустических узлов для оборудования непрерывной подачей полуфабриката в зону сварки. Определены геометрически размеры и энергетические характеристики мапштострикционны преобразователей и инструментов-волноводов для осуществления точечно) ультразвуковой сварки. 'Для номинальной мощности в 400 От площадь активны стержней магннтострикционного преобразователя должна составлять 4x10"* 5\-104 м, предельное значение удельной акустической мощности определяется ка : Руд -17 От I Вт/см2 ] , где 0т _ добротность преобразователя.

Приведены расчетные соотношения, " позволяющие корректироват выбранные обмоючные данные и геометрические размеры матнитострикиионны преобразователей и инструментов-волноводов с концентраторами, •....•.•..^•..л-л.:;-

Длн анали.ч механизмам г, зжмсшам конструкции машин с юлелопательным непрерывным выполнением сварных итон. Ускиютепы ¡ласти применения и особенности эксплуатации такого типа оборудования.

Для оборудовани," с параллели 1ЫМ выполнением сварных твои проведен шлнз применяемых мяпштосгрикцнонных преобразователей с ннорумгнтямн->дноводами и ксиистратамк. Так размеры пакета преобразователя для паковок, используемых в швейной промышленности должны гост а чаять не эдес 40 х 40 мм, с толщиной пластин 0,2 мм. Определены геометрические гзмерьт, материалы для инструментов-волноводов выполняющих точечную н мпуриую сварку. Приведен анализ работы механизмоп отечественных с, тубежных установок - прессового типа с учетом особенностей их работ, [ркпзлены основные виды технологических операций применяемых т; тсчесгаеином и зарубежном прессовом .оборудопянии с учетом "б-яст ¡рименения сварных соединений.

Ш'РР'г'У^ЛД-.

"Расчет рабочих ннструментоп-волнополоп для изготовления непрерывных пвов,закрепок и петель в ноле обработки [60 х 60) х 10"' м. В главе дай анализ 1 рассмотрены вопросы, связанные с расчетом и определением основных инструктивных особенностей рабочих ннструментов-волповодон. гогорме »пользуются для выполнения различит видов закрепок и петель в попе эбработкн [60 х 60] х 10"3 м.

Определены величины козфпциентов усиления (Ку) точечных инструменюп-волноводов с учетом материалов, используемых при их изготовлении. Прине.к'ны результаты исследований рабочих инструметоя-волноподов при различных режимах' .-их работы. Дан анализ влияния '.шер'е-шческнх параметров ультразвуковой сварки на характеристики акустическое узла при исполь «мании как пасснтвдх,; так1 и, активных опор в .технологическом процессе сплргн. Приведен анализ теплового режима работы акустического узла установок.

Для акустических узлов оборудования с последовательным прерывисты; выполнением сварных швов концентратор и инструмент-волновод являютс [расформирующими звеньями для передачи ультразвуковой--энергии в зон сварки . Как правило при малых коэффициентах усиления К> выбор материал дли них не критичен. Однако высокая производительность достигается пр амплитуде колебаний акустического узла 60-80 мкм, а следовательи кшффициеш усиления инструмента-волновода должен достигать величин!.! Ку=£ 8. Экспериментальным путем установлен вид настройки акустнческог узла,называемым "неполным резонансом" , который заключается в том, чт отдельные звенья узла могут быть' настроены на частоту отличную от частот преобразовали, а в целом система настраивается в резонанс. Так установлен! рекомендации но настройке системы в диапазоне 20-25 кГц на частоту 0.5-1. кГц ниже резонансной частоты преобразователя. Кроме того определен! рекомендации о настройке системы с учетом влияния нагрузки; в результат ультразвуковой сварки синтетических волокнистых материалов уход резонансно частоты системы под влиянием нагрузки достигает в сторону увеличения 70-10

Гп. . , ( ;

Экспериментальными исследованиями установлены материалы д.! инструменюв-волноврдов , которые обеспечивают заданную надежное! оборудования : сплавы Д16Т и ВТЗ-1. Изготовленные инструменты-волноводы экспоненциальной образующей с различными коэффициентами усиления от 3 до 8.2 настраивались и на резонансную частоту преобразователя и на 0.5 к1 ниже частоты преобразователя. Коэффициент усиления акустического, уз. обеспечивает амплшуду колебаний системы в пределах 90-120 мкм. Настрой: акустических узлов с различными инструментами-волноводами осуществляла пу|ем изменения их длины при постоянстве отношения подводимого напряжен II к час юге С и тока подмапшчивания (постоянство возбуждающей си.' проойрачовают). С помощью 'реюнанешх характеристик определяли

... í.... -

.«ящгг.:;.. ¡клрг.н. г-.-.- акуспсгс^чнм «mv, оотт.чть mtvei""«,n.4.4 и ¿«aui;:; сс.чях •;.v;i.tí::t".' . líwefwmt'S, резонансная чтчжма и жюр'чиген.

тт: ¡ лг'тичных зк:1<а'.:¡ wj•>- идеен» кштлкс.чил.

>'огагт.глсно, ог материала »»тарртсш.'мютм.чч'тт.

Vjí.ujnciíiJ yznj:;:,*С,., .-¡елячшты U/f наблюдается уменьшение рутгмпнсний -.-..oiovu o¡;;i:;í;;ü;:;.»:o чясготн иаггройкп а пределах 60-200 Гц. Hlnpniw wvc».-',::;гот ( на уровне 0,7 Л мах или 0,5 Р мах ), характеризующая ;юСч«ч и- i ь, :!г.8!аичсскн ис злзисит от материала '.инструмента, а определяется <ч« :;o::;'-:p::i!Hc¡uoF.j усиления. Амплитуда колебаний практически не з-лпнелч ««• : шернзла шетруместа-млнополо н частоил nací ройки (к пределах 0.5 кГц 1ч зпв!:сггг от коэффициента усиления Ку и подводимого напряжения ( рис.,"1 )

При НССЛСДОП31НШ работы акустических уэлоз ультразвукового итгГчня »> оборудолгпшч при различных условиях сварки установлено следующее.

Минимальное время- сварки достигается титструмстттпми-п щ

сплава Д16Т, имеющим коэффициент усиления Ку^-5-6. Рахт»»";-'? л чистоте настройки в пределах 0,5 кГц практически не сказывается на «-^емстит сварки.Наибольшую ишрокополостность имеют ннструмешы-иолноводм из титанового сплава ВТЗ-1, в связи с большими чем у Д16Т мехашнискнми потеря*»!!.

Для инструментов-волноводов с Ку~Ъ-4 наблюдается резкая зависимость времени сварки от величины сварочного усилия F , для инструментов с К, -5-6-умеренная , а для Ку=7-8-миттмалытя. Это происходит в связи е тем , что при Ку=3-4 нагрузка оказывает на преобразователь меньшее влияние и изменение частоты настройки приводит к резкому изменению амплитуды колебаний акустического узла .Увеличение сварочного усилия приводит к улучшению щю-м :июргин в свариваемый матерная, а следовательно к уменмпешпо «реченн «-.парки.

Для инструментов-волноводов с коэффициентами усиления Ку 7-"» характерно большое влияние нагрузит на преобразователь, однако Опями-м

-Tz

А.

Гики

21,0 HS

£2,0

22,5 25,0. ■£№]

{■ , Е ме "J

AO !

Тис.2 Резошшсаше 'характеристики акустического узла If,

ГТ

6.2.' 5

М,0 21,5 22,0 22,5 . ■ • В,0 f [КГЧ] Рис.о :.í?(bhp.w.t)ctj. BccHcim стркк от усилит р и '

bfQrJ]

частоты «ani

(бсолютная величина амплитуды колебаний обеспечивает достаточную для ¡варки энергию даже при малых значениях сварочного усилия F.

Оптимальным является коэффициент усиления Ку - 5-6, который обеспечивает амплитуду колебаний 80-90 мкм, минимальное время сварки и наибольшую широкополостность ( рис. 3 ).

Разработанный инструмент-волновод для оборудования с последовательным выполнением сварного шва ( Ку=5.0-6.0; Q = 180-190; f= 180-200 Гц) был исследован при различных режимах сварки.

Установлены величины усилий сварки и времени сварки , при которых полоса частот увеличивается к 4-5 раз ; F - 40-100 II ; F/S "20-! 00 МП/»; I г 20100 мс.

Получены 'расчетные зависимости позволяющие определить величину времени сварки при изменении толщины свариваемого материала и площади сварки:

t = б,б х 10 3S -20 хЮ"3, F=100 И (1), t.= 15,0 х 105 S - 50x 10"3, F-100 H ( 2 ), t = 40,0x10 3S -160x10 "3, F- 50 II (3), I = 1600 h/F (4 ),

Где:

F-усиление сварки fil], h- толщина материала f м ], S-площадь сварки [м].

Инструменты-волноводы для оборудования, использующею параллельный способ соединения в поле обработки [ 60 х 60 ] х 10"' м отлнчяегся от точечных инструментов-волиоводов.применяемых л оборудовании для последовательного выполнения сварных соединений прежде всего увеличенной пчцкГшяем™') мощностью, большей массой,невысокими коэффициентами усиления акустического узла.

Экспериментальиые исследования, проводимые с помощью теорш шинирования экперимента позволили поручить расчетные выражения дго определения амплитуды колебаний верхнего торца акусшческого узла i зависимости от изменения усилия сварки F, площади сварки S и мощности Р подаваемой па вход магнитострнкцнонного преобразователя:

Л - 6,7- 0,2 Ff 1,5 S + 0,1 Р- Зх 10*2 FS + Зх 10'2 SP - 2,0 S1 - 7,5хЮ'5Р2,(5) где: А - амплитуда колебаний, [ мкм ] ; F - усилие сварки, [ H ] S - площадь сварки, f м ] ; Р - мощность, [ Вт ].

Полученная зависимость ( 5 ) позволяет определить наилучшие режимь прессовых установок в процессе изготовления петель и закрепок Так, дл:-получения ампли туды колебаний акустического узла А= 30-32 мкм, при площад! сварки не превышающей S= 0,8 х10~4м, мощность подаваемая на вхцг Mai шпост рикцношюго преобразователя составляет 500-600 Вт при усилии свары F:-200-250 П. •

Для повышения надежности и производи гслытосп ульчразвуковотонрессового оборудования концентрацию очага деформаши свариваемого материала необходимо получать с помощью замкнуть» колебательных систем акустического узла. В замкнутой колебательной система очаг деформации располагается в пучности напряжений. Для получеши .тамкнуюй 'колебательной системы акустического узла разработан! несимметричная полуволновал опора, с помощью которой образуется замкнута; килсГкнсльная система.

Предложена методика расчета геометрических размеров полуволиово! несимметричной опоры, основанной на анализе стержневых - колебательны; чн гем при установившемся режиме работы.

Длина активной полуволновой несимметричной опоры определяется и ¡jupaîi.cHmi:

2т:Г

arct'r -

4ÉL

250ряГг

( Г> )

nie: f- пезонанснач частота колебании; So ,S - площади поперечного ееченич присоединенной и основной части опоры; р .Е - плотность и модуль yiinwut материала опог.;л

Длину присоединенной части опоры дополняющей до 7J2 при изменении резонансных. частот im ± 650 Гц, подсчнгывается по инжеперной форму нолученной из экпернменталытмх зависимостей :

Ii*» lj° + 5.5Д Гя ÎG'; {7.

где : Ip длина присоединенной части опоры при изменении частот голебмннн: V - длина начальной части опоры при изменении частоты колебат»".

Установлено, что теооетически раечнтаниая длина опоры огл»»«.г.нся <н экспериментально полученной не более чем на 1.5 %.

Исследования работы замкнутой колебательной системы акустическом! -,-%т> показали, что продоляагтелмшеть сварки, обеспечивающая качеси'.сщ«-? соединение п случае изменения резонансной частоты на + 150 Гц ¡>

малых приделах (+ 4 %). При этом установлено, что замкнутые колеб.иа-'ми-'у системы целесообразно применить при :

5 < U/f< 10 [ Вт/ кГц 1; F/S > 3,7 2> 10е [ Ш м21 ; в друшх случаях они »едут ггГ. -как р,1",0«КН\Т!,!С.

. По результатам экспериментальных исследований работы t!»m».-hv!mv колебательных систем ■ акустического узя» получена эмпирическая *|«>f>*-*:* w. .позволяющая оценивать продолжительность сваркн в зависимости ог мониюан. подаваемой на вход акустического узла : ..

I = 980

1,5

+ 2,4

-1,7

(8)

Рассмотрены вопросы охлаждения машитострнкциониого преобразователе ДJШ оборудования всех типов. Исследованы нагрев преобразователя I ограниченном объеме'без обмена охлаждающей жидкости, в ограниченном объеме с развитой боковой поверхностью охлаждения,в замкнутой систем« охлаждения при использовании проточной охлаждающей жидкости , Экспериментальные исследования нагрева акустического узла в зависимости оз интенсивности режимов ультразвуковой сварки и теоретические исследования теплообмена преобразователя с охлаждающей жидкостью и окружающей средой позволили получить расчетные формулы, определяющие степень нагревя преобразователя :

в = [0, — — ■■'■. (9)

где - начальная и конечная температуры охлаждающей жидкости;

Я - расход охлаждающей жидкости; I - время сварки; а,Ь -коэффициенты пропорциональности; а=1,10'1; Ь = 7,2х10"2.

По результатам исследований установлены условия применения автономной системы охлаждения в ультразвуковом швейном оборудовании.

Третья глава

"Рабочие инструменты-волноводы для изготовления длинноконтурных швое параллельным способом" посвящена анализу и разработке методики расчета п< определению геометрических размеров ииструментов-полноподон предназначенных для изготовления длинноконтурных и замкнугы> криволинейных швов в иоле обработки 250 х 30 мм и для изготовленш замкнушх криволинейных швов п поле обработки 250 x250 мм.

Методика расчета длинноконтурных рабочих инсгруметов-волноводо)

иювываегся па представлении колебательной системы как совокупи;»;"г геметарных механических частиц со сосредоточенными массами и гизменными свойствами, активные потери в элементах не учпгьшалнсь из-за их алоП величины. При этом расчеты выполнялись с учетом продольных п онеречных колебаний , соотношение между которыми зависят от коэффициент [уассоиа. При выводе волновых уравнений, определяющих изменение анряжении и перемещений сечений инструмента-волновода во времени и достоянии рассматривался только установившейся режим при гармоннчсо.ч-й озмущающей силе.

Для инструментов-волноводов с полем обработки 250 х 30 мм иччеигни? юзм}щаюшей силы От и колебательной скорости Лm « дпуpi»ч тросгранстпе определяется системой уравнений :

-V 2 -L. 1 i '

V .....

d А„ , w'

- +

ÄW

[дк2ду2 "Ч2

где : Аи - амплитуда колебательной скорости; - амплитуда возмущянчщи силы; vv - круговая частота; V - скорость распространения продольных мши Причем;

К ..

где: v„ ~ А— , Ь - модуль упругости; р -•нлапюсгь.магсриала ;

момент инерции поперечного сечення инструмента.

Решение системы уравнений ( 10 ), выполненное с 'нспользоп::нмсч преобразования Лапласа, выглядит следующим образом ;

Ош = С^сЬ^ХусОЗ

2w

—ху

ху +1 ^у АйЛ Л— ху ЯП ^ _ V V___ 4л п V V_ V

Ат = АтусЪ^~ ху сов^— ху +1—р—дт811^~ху зт^-—ху

- где: ро - волновое сопротивление; п - номер гармоники;

Рту» Ату - возмущающая сила н колебательная скорость на конце

системы.

Выражения для (£„, и Ащ из системы уравнений ( 12 ) являются общим решением системы уравнений ( 10 ),определяющим распределение сил и скоростей в различных точках инструмента-волновода. С помощью уравнений ( 12 ) определено входное сопротивление колебательной системы:

2-вх ~ Опк/Апо "* К-вх I Х„;

х„ =

■ К/'" ' .

аз)

где: Ото, Лто - возмущающая сила и колебательная скорость при У :,= 0;/ Ин - активное сопротивление нагрузки; Из уравнения ( 13 ) , с учетом Хвх =0, следует, что резонансная длина колебательной системы , с . учетом : поперечных ; размеров . определяется из

выражения: .

р »

где: Ц - ширина рабочей части инструмента; г ГР - резонансная частота;

к,« 19,26x10"2 [и]

Из системы уретнеяий ( !2 ' было получено соотношение,оирсдеяякчцс? положение узла полны .-шплигуды колебательной скорости:

у = (!5)

* уэ .-а г- * * Л

V;; '

где: - коэффициент и ропорци опалы ¡оста к) = 2,38 х 10 "' [м]

С целью стабилизации амплитуды колебаний по длине поверхности инструмети, у которого поперечные размеры соизмеримы с длииоП распространяющейся п нем волны, определены положения узловых плоскостей распространения амплитуд смещения по ширине колебательной системы. Для этого использовано уравнение установившегося процесса поперечных '«солеПпний без учета сопротивления и инерции вращения :

(1«)

а::

где : Wo - частота вынуждешшпе колебаний; ' X - радиус инерции

поперечного сечения инструмента; Аш - амплитуда поперечных колебаний.

Решением уравнения ( 16 ) при отсутствии нагрузки на инструмент-волновод является: .„•

Л_ = С] ----—-- (сЬ'ССл + совкхл)+вЫсх0 + 81п кх0

[ сЪкхь - япю:*

( П)

где: к - /—~ - волновой коэффициент; х^ - длина рабочей .части

;; -.у.-п ■■ ■■•'■:''

; инструмента; -„ Хо - .расстояние между узлами полны изгнбных колебаний по ширине инструмента; Тр - резонансная частота продольных колебаний; С

"-постоянная интегрирования.

С помощью выражения ( 17 ) были определен!»! расстояния между ухлак амплитуд изгибных колебаний с учетом того, что А,а = 0, На рис. 4 ноказаг графики зависимости расстояния между узлами ог длины конту] {¿.установленные теоретически и экспериментально. При сравнении расчетных экспериментальных результатов оказалось, что ошибка между ними не превыша 9%. ■■

Установленные изменения амплитуды изгибиых колебаний по дли рабочей части инструмента-волновода позволили разделить подаваемую на. в» мощность менаду отдельными участками и получить более стабилып амплитуды на его рабочем торцеуупша таких участков не должна превыша расстояние между узлами. Участки инструмента-волновода разделялись помощью отверстий в теле волновода, выполненных в узлах амплитуды изгибш колебании.Разделенный па такие участки инструмент представляет

собой параллельно соединенные точечные инструменты-волноводы с —>1

( «!,„- поперечный размер инструмента ). На рис. 5 показаны эксперименгаль полученные графики изменения амплитуды в узлах длинноконтурш инструментов-волноводов. Максимальное изменение амплитуды не превыше 4% от номинальной,.:

Расчет геометрических размеров длиннокоитурных инструмент« волноводов с полем обработки 250 х 250 мм основывается на тон же методт чю и предыдущая, с учетом того что поперечное сечение инструмен прямоугольное с размерами по осям X, У, Ъ. >

Для установившегося колебательного процесса для инструмент! волноводов с невысокими коэффициентами усиления Ку (К, = 1,5 - 1,8 ) малыми механическими потерями система волновых уравнений имеегт вид:

[им] 50

50

/V ¿Г^ /"1 1

у- ег 1 -Те эретчч* СКОЯ

экспер иментч ЛЬНйЯ

50 1 150

250

350

С мм]

Рис.4 Зависимость расстояния между узлами волны колебаний от поперечного размера волновода (.*

А

[ики] 30

£0

10

ех=зо ) им ) мм 0 мм

Г' к

180 240 СДмм]

' 60 ПО ^

Рис.5 Изменение амплитуда колебаний по дайне рабочего контура

50

АО $0

£0 ■ 50

Рис.б Зависг

с г

- 5Г0мм,

1г = 100 мм, ■= 150 мм.

юо ^ до гоо едим]

пость С=1 ЦСц3 пр:г различии:: 1:нСТр;/?'С!1ха I,

еЧ»

v,

дх2ду2&&2 д°А„

дгдуга-

+ А„

V '

Решение системы уравнений (17) определяегся выражениями:

(

гл ^ I 2w . Р0.

=дт,сМ—иУ СО^Иу-М —

А„эЬ ,1—иу вт.

лга = АтусЬ^—иус08|— иу + 1 ^

- где: (]0 = Яд/рЕБ - волновое сопротивление среда; и - постоянн

величин;!. Учитывая, что: V/,, = 0т/Ату = И», + 1 Х,х;

Х„ =

хту

Ро

. ПчГ . -зп.—иу ятЛ V V V

2«

-иу

с VVиус0 VVиу+1 ~р— к«Би)1~иу"\]Vиу

или: Х„

2

-1

с!

2w

2\у . ^ /2лу

сЬ2 иу соз2 иу'+ вЬ2^—иузт* ^—иу

Резонансная длина колебательной системы с учетом площади поперечне сечения рабочег о сварочного контура определяется по следующему выражению

л V

16 Ря"'

е: . ; : ' - резонансная частота продольных колебаний; V - скорость спрострапения упругих колебаний; Б - площадь поперечного сечения струмента-полновода.

Положение узла волны амплитуды колебательной с ко рост определяется по >рмуле; '

= к|= 2,85 х 10'1 [м2]. (21)

1рЬ

Распределение установившихся изшбных колебаний по длине инструмента-лновода определяется из полученного уравнения:

shklM - sin kltl shkl0 + sin kl^ chklM - cos klt, chkJ„ + cos kl0'

(22)

;е: к - волпозой коэффициент, 10 - расстояние между узлами полны 1гнбаемых колебаний по ширине оси 11; 1ц - длина контура по оси I,; Г р -

яонансная частота продольных колебаний; k ~ , .

V VX

На рнс. 6 представлено графическое изображение зависимости 1,гл1' (1, ] при ~ const. Экспериментальная проверка полученных расчетных соотношений жазала, что отклонение от экспериментально полученных не превышала + 5

Изготовленные рабочие дшншокотгурные инструмент-волноводы с полем Зработки [ 200 х 1001 мм, [ 150 х 100 ] мм, [ 250 х 100 ] мм, [ 100 х 200 ] мм, с ээффнцнентами усиления Ку< 2,0 нснытывались при проведении :хнологических исследований ультразвуковой сварки тканей и трикотажа на становке УПУ — 2.Установлено,что отклонение амплитуды колебаний по всей лине рабочих инструментов не превышало 4 — 10 % в зависимости от размера о оси Z.. Для размера lz= 200 - 250 мм ошибка составляла максимальную елнчнну 10 % , что однако не сказывалось на прочностных характеристиках

соединения .

Глава четвертая

"Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих 100 % волокон полиамидной группы "посвещена исследованию процесса ультразпуковоН сварки тканей н трикотажа, содержащих ¡00% полиамидных волокон. Показано, от каких факторов технологического процесса зависяI прочностные характеристики сварных соединений деталей одежды, выполненных на различных типах ультразвукового швейного оборудования . -Рассмотрены особенности технологических режимов ультразвуковой сварки на оборудовании с последовательным прерывистым выполнением швов. Исследования проводились с тканями и трикотажем, содержащими 100% полиамидных волокон и имеющими поверхностную плотность от 0,8 П/'м? до 2,Н I I I м2, Основные параметры ультразвуковой еврки, влияющие на эксплуатационные свойства сварных швов являются :: амплитуда колебаний акустического узла А , сварочное усилие Р, гарантированный зазор между рабочей опорой и верхним торцом акустического узла , частота вращения главного пала машины п. Основным критерием при оценке эксплуатационных сшжсгв сварных шноп яш/ястся разрывное усилие."

Применением методов теории планирования эксперимент были получены математические модели процесса ультразвуковой сварки тканей н трикотажа с различной поверхностной плотностью: :

И 1,5 А ( 2,6 V- 6,0 х 10 Л, - 8,0 хЮ"3 Б1, -2,0 x10"* пг- 5,0 хЮ"2 А Р + 2,0 хЮ"4 111 -(.5,7 ' . . л; ;

1111 0,ХШм:,

11 =-7,0Л+2,5Р+5,4х10г8 - 9,0x10"1 п> 5,0x10"4-.-Б-п.- 6,4х10'2.А2 - 5,бх10'2 Р2~

2,2x10252 ^ОхЮ^п2 - 2,2x102 ПП=1,4 Н/м2,

П "=0,6 А+ "5,2 рт 183,4 5 - 10~2 п.- 1,8 Л5 - 7,0х10"2 Р2- 246,352 -9,30 , ПП -

-282,8 II / м2,

где: П-прочность сварных швов при испытании на расслаивание, [ И/см J;

А -амплитуда колебаний акустического узла, [ мкм ]; F - сварочное усилие,-[Н]; 5 -1 рантнрованный зазор, [мм]; п - частота вращения главного вала, [мин ]..

При проведении анализа моделей учитывалось три уров!ш прочности,которые устанавливались в технических требованиях к сварным соединениям. К первой групге относятся швы, испытывающие основные нагрузки в процессе носки. Прочность швов этой группы должна составлять

24 Н / см. Ко второй группе относятся швы, испытывающие средние нагрузки. Прочность таких швов составляет 12 Н / см . К третьей группе относя гея швы, испытывающие незначительные нагрузки ( отделочные швы ). Прочность шпон этой группы должна составлять 2,4 Н / см.

Графическим методом крутого восхождения , заключающегося в движении но градиенту с помощью двухмерных сечений полученных моделей установлены величины основных параметров сварки тканей и трикотажа, содержащих. 100 % полиамидных волокон.

Величина амплитуды колебаний акустического узла А должна бы п. п пределах 50 -70 мкм, уменьшение амплитуды относительно этих значений веде г к непровару швов , а увеличение к пережму, что одинаково отрицательно сказывается па прочность получаемых соединений.

Оптимальные значения сварочного усилия F должны находи ться в пределах

25 - 40 Н. Увеличение частоты вращения, то есть уменьшение времени сварки приводит к тому , что для получения швов большой прочносш ошималмюс

и

значение сварочного усилия F увеличивается. Однако но у велнчепцо ограничивается энергетическими возможностями акустического узла . При значительном увеличении сварочного усилия F происходит падение ампли iv.-im колебаний А, которое невозможно скомпенсировать повышением подаваемой

ультразвуковой энергии. Кроме того, при увеличении величины сварочного С1ежкц величина сварочного усилил Р должна быгь так же увеличнна лл создания необходимого акустического контакт.

Проведенные исследования позволили установить, что пр;; свар,;;, полиамидных материалов , толщина которых не изменяется в рабочем диапазон сварочных усилий Г оптимальная величина'гарантированного зазора равняете,: толщине одного слоя материала под рабочим усилием . Оптимальная величин^ гарантированного зазора определяется по соотношению : кЬ / 2 > Л , где '.: -число слоев материала ; !т - толщина одного слоя материала под сьарочнык. усилием ; А - амплитуда колебаний.

Частота вращения главного вала машины п существенно влияет г::. прочность получаемых сварных соединений . Это происходит ввиду того, что частота вращения п определяет время сварки I . Для обеспечения требуемо!-прочности 24 Н / см необходимо обеспечивать величину времеш; сварки I рапной 1,6 х Ю'2 - 1,8 х 10"^ с , что возможно прк частоте г-ращешг: главного валя п равной 2000 мин'1. ( при выстос рабочей опоры в тсчениь' 200 - 210 у поворота главного вше

Рассмот рено влияние ряда дополнительных технологических парам п роз г. ипочностныс показатели сварных швов. 1С ним относятся : вид сьашиаеькк.-материала , число слое» , вид деформации, зависящий от конструкции гаи-. г нподолжительность выдержки после сварки { стабилизации пни, ;, размер форма оаоры, формирующей вид строчки . Изменением этих иарамеэяз;» ьсоул- . также добиться дополнительного повышения прочности получаемых адг-п,

Установлено, что для каждого из видов материала к видь шьс существу •„. остаточная толщина шва, обеспечивающая наибольшую прочность. . Лл; материала с высокой повсрхтюстиой плотностью ( > 3,0 II / м2 ),который и. изменяет своей толщины в диапазоне сварочного усилия ( Р- 20 - 80 К остаточная толщина равна толщине одного слоя независимо от числа елось )

(2-4 ) и вида шва ( стачной , накладной ). Для менее плотных материалов , которые изменяют свою толщину при изменении сварочного усилия , остаточная толщина зависит от числа свариваемых слоев н вида шва. Полученные аналитические зависимости позволяют прогнозировать прочность выполняемых сварных швов но известной величине остаточной толщины па определенном виде материала. Анализ данных о снижении прочности швов при отклонении толщины шва от оптимального значении показал, что механизмы привода рабочей опоры должны обеспечивать установку гарантированного зазора S с точностью =±2,0x10"3 м.

Анализ результатов полученных при исследовании продолжительности стабилизации на прочность показывает, что при соединении материалов , обладающих невысокой плотностью ( 0,8 - 1,0 II / м2 ) изменения продолжительности стабилизации не оказывает влияния на прочность. При соединении пакета материала значительной толщины пли материалов с большой поверхностной плотностью ( > 1,5 И / м2 ) для качественного выполнения процесса сварки необходимо после окончания подачи ультразвуковой зиершн л зону сварки удерживать сварной стежок под усилием сварки ( стабилизирован.) з течении времени равном Зх10"3 -4x10° с.

Рассмотрено влияние геометрических размеров сварного стежка па прочность сварных швов на разных типах швов и различном количестве елоеа материала ( 2 - 4 ). По результатам этих исследований получены аналитические зависимости , позволяющие прогнозировать прочность швов в зависимоеш от ширины, длины стежка , вида деформации ( сдвиг, расслаивание ).

На основании полученных данных установлено, что оптимальные размет ры сварного стежка составляют 1,2 мм, длина должна равняться шагу строчки.

Рассмотрены особенности ультразвуковой сварки оборудования с параллельным выполнением сварных соединений с применением точечных инструментов-волноводов , контурных и ддинноконтурны.ч инструмент!-,

цолноводов. При инследованиях использовались трикотажные полотна со 100% содержанием полиамидных волокон с поверхностной плотностью от 0,6 II / м2 до 2,4 I L'm2.

С помощью рототабслыюго планирования эксперимента второго порядка были получены математические модели процесса ультразвуковой сварки для всех типов прессового оборудования.

у 22, Н 2,2xi - З,9х3 +■ 0,9x4- 2,2х,2 - 2,6х22 - 2,2хуг - 2,2хг3 - сварка точечными инструментами - волноводами,

где : у- прочность швов при испытании на расслаивание; хг амплитуда

колебаний; х2 -усилие сварки; х3 - гарантированный зазор; X4 -продолжительность охлаждения под сварочным усилием.

у- 125,2 + 4,2xi - 1,1х2 + 9,5К) - 5,1х, - 1,8х,х2+ 2,9xi Xj - 4,Ox 1X4+ 10,8x2x3- -3,6x2x» + 2,7xj X4 +'2,9xiJ - 10,8хг2 - 3,lx32 - 12,lx*2 - сварка контурными инструментами-волноводами, (24)

где : у- прочность ншов при испытании на расслаивание-^ - мощность подаваемая на вход акустического узла; х2 - усилие прижима; х3 -количество слоев ткани; Х| - продолжительность сварки. .

У- 6,4 + 1 l,3xi+ 9,бхг 4,1 xj + 6,6x4 + 7,4х5+ l,6xi х2 + 1,6х 1X4 + 3,4х ,х5 + 1,2х2 хг 0,6х2 х5 - 0,9х2 хб- 1,2х3 х4 - 1,9х3 х5 + 5,6х< х3 -1,9х» х«+ 0,9х 5хб+ I7,3xi2+ I 1,2х22 4 14,7х52 + 18,7х42 + 12,lx52 + 9,4х/ - сварка дшпвкжотпурными инструментами-волнополами,

1де : у- прочностышюв при испытании на расслаивание;

X!-подводная мощность; х-г - усилие прижима; х3 - продолжительность сварки; х* - площадь поверхности сварки; Xj - продолжительность выстоя под сварочным усилием; xs - количество слоев ткани.. ';

С помощью графических методов поиска оптамальных решений уравнений регресии. ( 24 ) - метода крутого восхождения по фадиенту целевой функции grady(xuX2,X3,x1,x5.X(;16T.!;!H определены параметры процесса

сваркн,обеспечивающие наибольшее сопртивлеиие свариваемых депьчей расслаиванию.

- Для ультразвуковой сварки точечными инструментами-волноводами с рабочей поверхностью 60x40 im величины параметров сварки следующие: амплтуда колебаний акустического узла 29-31 мкм; гарантированный зазор мс-.кну торцея акусшческого узла н рабочей опорой S~(0,60-0,54)(i, где (мо.тщина материала под действием сварочного усилия; 43усшше прижима !•- 19(1-210 II. Величина мощности, подаваемой на вход акустического утла не превышает 420 Вт.

- Величины параметров для ультразвуковой сварки мягерттт иошурнтч инструментами-волноводами с рабочей поверхностью 60x60 мм определенные с помощью двухмерных сечений функции отклика ( рис.7, рис.8 } следующие: усилие г!ри:ш!ма F=3,14xl03 II; количество слоев ткани и 4; продолжительность сварки t=0,9 с. При этих параметр:;.* наименьшее сопротивление расслаиванию достигает 120 П/5см.

- Поиск ре::ги\:ов ультразвуковой сварки с помощью длниноконгурных инструмент ов-волноводов проводился при следующих ограничениях: потребляемая мощность акустическим узлом не должна превышать 800 Вт и время сварки должно быть не больше 1,2 с.

Эти ограничения определялись конструктивными особенностями ультразвукового генератора и требованиями к производительности. В резудькш; решения задачи оптимизации были установлены режимы работы оборудования , обеспечивающие необходимо прочность сварных соединений ( не меннее 120 Н/5 см) и наименьшую продолжительность обработки.

По результатам экспериментальных исследований установлено соотношение , определяющее минимальную продолжительность сварки : ... Ul,'n""'

{ t}„„„ - 3,8 -10j- Р"3'0 ( 25 )

10'° •

-ос;-

<5"00 |

/

11 5"0

200 |-

юо I 1-10'

X

I *

4-V-

ДИоон п=12ой\

\П-1

\ ■ \

\

\

V

^ \

ч >> ■ \. |

Ч г,

\. П - -175 Н

ч..

X

\

3

2..-Ю3 . :'■• 3-105 .; ио5 да

Рис.7 Зависимость времени сварки Л-от усилия - Г при'различии

пропцостях П, Р-720 Вт, ги=5,

Р, 1Ьг] . ..

Г;

т

ио

600

ш

ЪЬО I.

р 5 ... 'н - : . 5 а [>»"1

Ркс.8 :?.5зЗсш.:осхь ?я>щн6стк Р от. числа.слоев П лрп ра^лтте; !;

' .ирочлоотях П мфи;,г -3,8хЮ3 II,'Б..>;С30-НС, •■'-.

к . N V : ГИ15Н

\ 1 \П=150 " ■ ■

V ■ V ЧЧчх ^ЧЛ^йЬ П=100Н > V,

1 X I 1 'хП^ОН ■ \

Задаваясь продолжительностью сварки, мощностью тенератора можно определить остальные из основных пряметров сварки. При ко чнчгг/т: свариваемых слоен ткани п = 3 , площади сварки S 3,0 хКГ1 м2, мощное!и Р=500 15т и усилии спарки Р=5х103 И 'наименьшая продолжительность { t }„,,„ 1,2 с.

В результате установлено , что режимы сварки ультразвукового рессового оборудования , предназначенного для выполнения длиннокотурных швов в ноле обработки 250 х 10 мм : мощность Р=800 Вт, сварочное давление FAS -IxlO1 -5х!03 |H/mj|, прсмя сварки t = 0,5 - 0,8 с; время охлаждения под сварочным усилием t " 0,4 -0,8 с; число слоев материала п = 4.

Исследование технологических режимов ультразвуковой сварки оборудования для последовательного непрерывного выполнения швов с роликовой подачей полуфабриката позволили установить следующие параметры: при изменении скорости транспортирования от 0,5 м/мин до 7,0 м/мин усилие сварки Р должно составлять 90 -100 II; мощность, подаваемая на вход акустического утла Pj 420 Вт; амплитуда колебаний Л= 50-70 мкм; величина гарантированного зазора определяется из соотношения kh/2 >5>А.

Пятая глава

"Технологические режимы .ультразвуковой спарки тканей и трико гажа , содержащих. волокна полиэфирнрой группы" посвящена разработке режимов ультразвуковой сварки тканей и трикотажа . содержащих от 100 % до 33 % волокон полиэфирной группы для всех типов ультразвукового швейного оборудования , Дан анализ зависимости прочности сварных соединений от процентного содержания волокон в материале . Припедсиы результаты исследований влияния термопластичных подкладочных материалов па прочностные показатели сварит,тх швов.

Рассмотрен процесс ультразвуковой сварки ¡Kuiicii н трикотажа . содержащих 100 % полиэфирных волокон с поверхнеемюй илопюсп.ю ог 2,5

Н/м2 до 3,5 il/M3 на оборудовании для последовательного прерывистого выполнения сварных швов. Исследования проводились с применением методов тсор'-.и планирования эксперимента.

В результате были полученим следующие уравнения регрессии, описывающие процесс ультразвуковой сварки полиэфирных материалов : у - 87,9 + 5,8х, -1,5х3 - 3,4х,2 + 2,6х + 1,9х Зх, - для материалов с Ш1 2,511. (26 )

у-130 + 19,2xi 6,6x3 - 3,0х( - 10,8х|2 - 3,8х22- 5,5хэ2 - 3,8x9,lx ixj+7,lx 1x4 дня материалов с ПИ = 3,5 Н / к, •

где : у- нрочносп. шва при испытании па рассланваиис; Хр время сварю;;

ху сварочное усилие; х_>- мощность, подаваема? на вход акустического узлх; х,- гарантированный зазор,

- Оптимальные значения параметров сварки- материалов с поверхностной плотностью НИ = 2,5 Н / мэ, полученные с помощью двухмерных сечений г. метода крутого восхождения следующее :время сварки 1=60x10 "Зс ;усилп: снарки F ~ 60 II ¡мощность подаваемая на вход акустического узла Р = f.^0 Вт;гарашироваш1ый чазор = 16х10"3 м.

- /[ля материалов с ГШ = 3,5 II / м 2 параметры следующие .-время сварки í 50 х 10 "э с; усилие сварки F= 80 Н -.мощность Р= 580 Вт; гарантированны-': зазор й 2.0x10 ').;. ■ '

Анализ двухмерных сечений уравнений регрессий ( 26 ) и оптимальны : значений параметров ультразвуковой сварки позволил установить , что пр ■ сварке иолизфирпых материалов для получения максимальной прочности крем;-сварки должно быгьне менее 50 хЮ'3 с, что соотптсгвует скорости машины - б.З

- 7,5 м / мин ( п - 700 - 800 мин ) при длине 1 - 9 х 10"3 м. Уменьшение времени еврки t до 30 х 10"3 с (V ~ 10,5 - 12,0 м / мин ) приводит к снижению прочности на 25 - 48 II/ 5 см шва . Однако даже в этом случае уровень прочности остается выше допустимого ( 60 II / 5см ) для швов испытывающих

средние нагрузки . Пеличнна сварочных усилий , обеспечивающих получение аысокопрочных швов находится в пределах 60 - 80 Н. Уровень мощности, подаваемой на вход акустического узла составляет 600 -- 800 II г. Оптимальная величина гарс/гш ронянного зазора составляет í,6 х 10 2,0 х 10 м , что составляет 0,69 - 7,0 ог толщины одного слоя материала иод сварочным усилием, то есть выполняется соотношение ah > 8 > A,h --толщина одного слоя; А-амплитуда колебаний , a ~0,73 — 0,75.

• Определено влияние дополнительных технологических параметров на прочность сварных соединений полиэфирных материалов, к которым откосят: форма Н размер сварных точек, вид деформации, количество соединяемых слоен материала, прсмя стабилизации.

Установлено ,что швы наибольшей прочности обеспечиваются при сварке с рабочими опорами прямоугольной формы ( Г1 = 98 Н / 5см )при величине остаточной толщине шва равной 1,6 х 10 м. Эга величина является оптимальной для ocsx твоя с различными формами рабочих инструмент»». Спорные шпы с рабочими элементами , скошенными под углом в -15 градусов достигают максимальной прочности - 90 П / 5 см , а опора с круглым рабочим горцем позволяет получать прочность 75 11/ 5 см.

Величина остаточной толщины зависит от значений скноппых параметров (1;, Р, t, 8 ) . однако только гарантированный зазор непосредственно определяет остаточную толщину, которая может. с достаточной точностью исирлзоваиа для опенки прочностных характеристик.

Установлено, что максимальные прочности достигаются при величине остаточной толщины шва 1,G х 10 м ( 1III - 2,5 II / м :) и *3,1хН) А

м ( IIII - 3,5 II / м 2 ). Прочность при этим составляет 98 II / 5 см и 136 Н ' 5 см соответственно. Для обеспечения суммарной' потери прочносш не более 10 величину остаточной толщины следует поддерживат ь в .пределах 4x10 5 - 7x10 $ м, то есть средняя неточность установки ктрашпром.-шного ;j,nopu «няавляст ±

-375,5 10 '5м .

Влияние времени охлаждения под сварочным усилием на прочность сварных соединений зависит от времени сварю! 1 и усилия сваргл Р.Увеличсиие прочности швов при различных абсолютных значениях времени сварки I пропорционально времени охлаждения т . При сварке материалов с повышенной поверхностной плотностью ( ПП ■= 3,5 Н /м2), суммарная толщина которых составаляет 10 х 10"э м увеличение времени охлазздения ~ на 10 хЮ'3 с увеличивает прочность на 3,5 Н / 5 см, что составляет 10 - 20 % от номинальной прочности. •

Рассмотрено влияние термопластичных прокладочных материалов различного химического состава па прочностные характеристики сварные соединений , выполненных на тканях и трикотаже с различным процентным содержанием полиэфирных волокон ( от 33% до 67% ). .

Для оборудования последовательного действия использовали« прокладочные материалы из полиамидной ( ПА ) пленки

полнэтплеитерофталатной ( ПЭТФ) пленки и полиамидный { ПА ) ¡ж-сс! материал ( изотропный нетканый материал ).

При исследованиях использовались ткани о поверхностной плотностью 1,2 -1,5 Н / м2 . В результате проведения полного факторного эксперимента был! получены уравнения регрессии, описывающие процесс ультразвуковой сварки ; различными прокладочными материалами :

У = 8,6 + 0,2хг 0,3х 1X4 + 0,4х 2Х4 - 0.4Х31 -67%ПЭ, материа прокладки - ПЭТФ пленка, Ч

У - 2,8 + 0,2х( + 0,Зх2+0,9х3-0,2X4-0,5x^x3-0,1x1 х< -0,3хз х4-0,1х,2 + 0,1х22-0,2х32 - 67 % ПЭ, материал прокладки ПА пленка, У - 1,7 - ОДх! + 0,1х2 + 0,2х3 - 0,2x4 + 0.1х, х3 - 0,2хг х3 - 0,2хг2 - 0,1хз3 0Дх42- 67 % ПЭ,материал прокладки нетканый ПА материал, (27) где : у= прочность сварных швов при испытании иа раслаивание; Х[

мошность подаваемая на вход акустического узла; х2 -сварочное усилие; -время сварки; Х4 — толщина прокладочного материала.

Кривые уровня позволили определит!., что при ультразвуковой сварки тканей с 67 % содеру-чнием полиэфирных волокон максима шлам прочность достигается при использовании иолиэтилеитерофталдпюй ( ПЭТФ) пленки, то есть прокладочного материала той :кз структурной и физико-математическими свойствами что к соединяемые материалы. Величина времени сварки составляет 40-50 мс;уснлкс сварки 50-70 Н, толщина ПЭТФ пленки - не более 50 х10"* м . Максимальная прочность при этих параметрах достигает величины 1 20 Н / 5 см.

При применении тканей и трикотажа , содержащих 50 % волокон полиэфирной группы были получены следующие уравнения , описывающие процесс ультразвуковой сварки:

у 6,6 + 0,9X1 + 1,2X5 + 2,Зх3 - 0.7*1 Хг+ 0,4x1 х3 + 0,6х2 х3 I- 0,5х2 х, » 0,8X3X4-0,1х12- 0,5хз2-0,бх22- 0,5х(г .материал прокладки ПЭТФ пленка, у=4,б + 1,0x1 + О.бхэ - 0,3X1 Хг- 0.9*2 *т- 0,3х, х4 - 0,3х22- 0,3х,г - 0,2х,\ материал прокладки ПА пленка, . (28)

у=5,7 + 0,6x1+ 0,4х3 + 0,7х3 - 0,2x4 - 0,3x1 х,-- 0,2х, х3 - 0,2х2 х3 - 0,3х2 >и + 0,2Х)2 - 0,3х2г - 0,2x4* материал прокладки - нетканый ПА материал. Полученные экспериментальные данные и определенные в результате статистической обработай регрессионные модели ультразвуковой сварки синтетических волокнистых материалов с 50 % и 67 % содержанием полиэфирных волокон с помощью термопластичных прокладочных материалов различного вида позволили определить зависимости прочности еврного соединения П от величины объема прокладочного материала V , участвующего в образовании сварной точки н параметров сварки П - С ( Г, I, V ) ( рис. 9 , рис. Ю) ...

При использовании ПЭТФ пленки в качестве прокладочного материала, зависимость прочностных характеристик сварной точки может быть определена с

íUH/ScM]

П.

<00

90 I-

.so

1 I î ivV ' "

ï s 1 4, \\.. 50 m с

Í il ¡1 fi F-70h^ И

i "" "■...... 1 с._

Ï ■■■о.ЭЗашюигЬсть li=f tV-t vi"™« с C7;' tí'), у -ПЭТФ ruieinla

П,

100

so!

70

GO

] V Ььо y-v-d HC ^ ч . tv. • • í î , ! i

Î \ '-Г-' ' Г'' J ,'У N \\ ■л ■ ч ^чл Л ^ X F'AOH F-.SÖH

fV .. f ■ ^ & 'ne. ç F-SOVî

?>4 F-SOH F'БОН

H J . ntc.ié8'™*10 56,6^°,

Зашсшость Ли[Ш] ткана Гм-с 50% КЗ, V -ПЭ нсгкашй матери

90

80

Ь0 Í-

40 L

л

/ / ■ / 'l fi JÎ t = 60 мс . ---/ "s.

y ■ / i il £=50 ír

ji ■ 'i 1 " ï . Í ■ VA- F=60H

1 ■ : I ■' 1 'tSss — .:>4F¿Tüír I^SOm^v'

î . / >\ \ ^ ' - V4 ;F=50H\ .. t- АО MC ■

i 5__, !j:' P-70H4 Цр-ьон \ , '

-ii

T,[HSJ

.II савпеэтздеть.ГЬ

ткана с 5C::' Л", V пленка

лощью уравнения:

8x107V

П = 24 хе

для нетканого ПА прокладочного материала ( 21))

П - 0,2x102 V2 - 7,5 х 101оУ0,6 7,0

где: V - объем термопластичного прокладочного материала [м]; : время сварки [ мс ]. Максимальная прочность достигается при величинах обьема прокладочного материала не менее чем 2,4 х) 0~8м!, механические свойства которого должны быть близки к свойствам сеарнваемого материала, Параметры ультразвуковой сварки должны поддерживаться иа уровне:мощность на входе акустического узла Р = 900;сварочиое усилие Р ~ 60 Н ;время сварки I= 60 мс.

При ультразвуковой сварке зтсаней и трикотажа с содержанием 33 '' п

пиэфирных волокон установлено, что с увеличением объема прокладочного

гериала от 9,4 х10Г10 м 3 до 23,3 х 10 "3 м3 прочность сварного нша возраст ¡¡с 1

25 - 30 %. Максимальная прчность достигаегся при времени сварки 1 = 50x10"' - ■ ¡1 . : ' '

Наибольшее влдаино оказывает на прочность сварочное усилие р,причем

тичина его составляет Р- 40 Н, а при увеличении Р до Р - 60 Н прочность еньшается на 25 - 30 %.

В результате, исследований установлено,что максимальная прочность для териалов с 33 % содержанием полиэфирных волокон достигав г 95 Н /5см пит.

Максимальный, объем прокладочного материала из ПЭТФиленки, который обходим для создания максимальных величин прочности У- ЗЗхЮ"11 м' ,а щимальный объем - 14 х 10 " мэ.

При исследованиях1 процесса ультразвуковой сварки смесовых волокнистых териалов с применением ультразвукового прессового оборудования была ределена зависимость :у = Ц Хь х2, X}, х*. Хз, х<;), е : у-прочность Сварньгх шпов при ипьггании на расслаивание;

X|- мощность, подаваемая на вход акустического узла;хг-сварочнос усилие ;хэ-врсмя сваркилг время выстоя под действием сварочного усилия^ -толщина прокладочного материала;^ - процентное содержание полиэфирных волокон г. материале. - . . ."..• ..':,-:

Уравнения описывающие процесс ультразвуковой сварки на прессовом ультразвуковом оборудовании материалов с различным процентным содержанием полиэфирных волокон имет следующий вид: •••

у = 6,1 + 0,7>:Л + 0,4х3 - ОДх, - 0,3х5 + 1,8х, + l,8x«¡ + 0,2х,Хг - 0,6xi*3 + 0,3х,5t, + + 0,3xix5 + 0,5xix4 - 0,2X2X3 + 0,3xjx< + 0,1X2X5 + 0,1х2хй - 0,4xjxi r0,4xjxj - 0,6X4X5 -- 0,6x4x,i - 0,2xi2-0,5x22 - 0,4x,2 - 0,lx42-0,3х}2 - 0,3x«J ; для прикладочного материала из Т1Э нетканого материала, ( 30 )

у-9,2 + l'.lxi i 0,lxi +0,8x3-0,2X4 + 1,6xä-0,2xix2-0,8xix3+ 0,Зх|Х4.+ 4 0,6X1X5 т 0,4Х(Х6 + 0,2x2xi + 0,4х2х5 + 0,3х2хб - 0,5х3х« +;0,4х3х5 - 0,6X4X5 -- 0,2XA; - 0.2xjxí - 0,6Х)5 - 0,5XJ3 - 0,8х.,2; - 0,5х*2 - 0,4х32 - 0,9xä2 - для прокладочного материала из ПЭТФ пленки.

Анализ полученных уравнений (30) с помощью метода крутого восхождения; по градиенту, позволили установить следующие наилучшие режимы ультразвуковой сварки нскуственпых материалов с различным содержанием полиэфирных, волокон с применением термопластичных прокладочных материалов при использовании'.'оборудования с параллельным выполнением сварных ]"; оп:-мощность Р , подаваемая на вход акустического узла составляет не менее 880 Вт; сварочное усилие F- 380.- 410 Н;врсмя сварки должно быть .не менее t—■ .0,9 с; время выдержки под сварочным усилием т = 0.3 с ; толщина прокладочного нетканого полиэфирного материала h = 200 х 10"6 м при 50 - 60 °Л содержании НЭ волокон;- мощность Р ~ 880 Вт, усилие сварки F= 330 - 3S0 II, время сварки t = 1,1 - 1,2 с; время охлаждения ,т ^ 0,5 - 0,6 с, толщинг прокладочного материала h- 200 х 10 "°м при 65 % содержании Г1Э волокон; • мощность Р- 800-860 Вт; усилие сварки F-.220 - 240 ll;t i,5 с; t ОД с; Í:

320 х 10"4 м нетканого ПЭ материала, при 55 % содержании ПЭ волокон и материал.При этих режимах максимальная прочность достигает 95 Н/5 см шва.

Для Прокладочного материала', из ПЭ'ГФ пленки режимы ультразвуковой сварки установлены следующие Р= 700 - 720 Вт; И - 300 И ; М,0с; г "= 0.3 с; толщина пленки ПЭТФ К = 90 х 10"6 м, при 60 -70 % содержании ПЭ волокон в материале; - Р-700 - 720 Вг,Г-= 310 II ; г - 1,2 с; х = 0,2 с ; толщина пленки ПЭТФ Ь = 100 х 10'3 м ,при 60 % содржании ПЭ волокон в материале;

' Р* 700 - 720 Вг, Р= 320 II ^ - 1,1 с ; V = 0.1с .толщина пленки ПЭТФ Ь~110 х 10'эм,прн 50 % содержании ПЭ волокон л материале .Максимальная прчпостъ достигнутая при этих ре-жимах равняется 110 ] I / 5 см.

В приложениях приведены статистическая обработка результатов исследований • и'.-; .-документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

>' • Заключение 1

В данной работе проведены всестороннее исследование вопросов применения ультразвушпого сварочного оборудования при изготовлении швейных изделии из тканей и трикотажа, содержащих различное количество термопластичных волокон. При этом получены следующие результаты:

1. Сформулирована н решена научно - исследовательская проблема,' связанная с - применением' процесса ультразвуковой сварки для

.■■-. соединения деталей швейных изделий различной конструкции из тканей итрикотажа, содержащих искусственные термопластичные подокнаю

2. Разработана, методика расчета длннноконтурпых ннстрз'ментон-полноводов с рабочей поверхностью ( 250 х 250 ) х К)"3 м. Определены аналитические 'выражения для определения резонансной длины и геометрических размеров длннноконтурпых инструментов-волноводов.

3. Определены оптимальные размеры : инструментов-волноводов для ультразвукового швейного оборудования осуществляющего^ точечную

овзрку последовательным и параллельным способом; • •

4. Получены расчетные выражения для определения максималы производительности ' в зависимости от параметров проце ультразвуковой сварки для оборудования с ¡последовательным параллельным выполнением сварных соединений при максималы прочности шгов. ;

5. Разработаны активные несимметричные рабочие опоры оборудован! позволяющие интенсифицировать процесс ультразвуковой свари-применять замкнутые колебательные системы при конгур: сварке. Определены области изменения параметров сварки 1 использовании активных опор.

6. Методами теории планирования эксперимента исследованы и определе оптимальные технологические режимы ультразвуковой сварки тканЫ трикотажа , содержащих различное количество волокон полиамидно полиэфирной ¡рупп для оборудования непрерывного действия.

7. Определены оптимальные режимы ультразвуковой сварки ткане£ трикотажа' с различным содержанием полиэфирных и полиамид! волокон для оборудования с спараллельным способом выполне сварных соединений. Определены режимы для сварки точечны контурными и длинноконтурными инструментами-волноводами.

К. Разработаны наилучшие технологические режимы ультразвуковой спа гкзней и трикотажа, содержащих различное количество искусствен! волокон' с применением термопластичных прокладоч!

материалов.Получены аналитические выражения, позволяю! определит!, необходимый объем прокладочного материала для получе максимальной прочности.Исследованы тепловые режимы ра& акустического узда ультразвукового оборудования всех типов. Получ( расчетные выражения для определения степени нагрева акустичес*

узла в зависимости от параметров сварки.

9. На базе проведенных исследований разработаны и созданы ряд обргинои ультразвукового швейного оборудования , применяемых и швейной,текстильной промышленностях па различных технологически;! операциях. Ряд установок демонстрировались на Международных выставках ИНЛЕГМЛШ-82, ИШШГМЛШ-ЗН, ИШ1ЕШЛШ - 94.

10.Достоверность полученных теоретических и ."экспериментальных результатов подгверодена производственными . испытаниями разработанных экспериментальных и опытных образцов улыразвукового Швейного оборудования И опытом их эксплуатации в швейной . текстильной и химической прмышлеиностях.''

Основные результат диссертации опубликованы и отражены в следующим работах'

1. Деулнн Б.Л.;Клеткин И.С.,Крючкоп II,В. Ультразвуковая машина ШПМ I, Швейная промышленность К®5 1977 г. с. 14 - 16.

2. Деулнн Б.Л.,Волхов С.С.Ультразвуковая прессовая установка У 31 [1.

Тезисы доклада Всесоюзного семинара НТО Машпром г. Новосибирск 1977 г.с.42 -43. . '■■

3. Деулшс Б.Л.,1<леткнн И.Д.,Крючков Н.В., Способы соединения легален -.' изделий ультразвуком н перспективы их применения. Тезисы доклада

: Всесоюзной научи о-тсхничеко!* конференции М.Легпром 197Я г. с.50 - 60.

4. Деулнн Б.Л..Волков С.С.Акустический узел для ультразвукового прессового оборудования,Сб.Научных трудов МВТУ им. Н.Э. Баумана. Применение

; шзстм!1сс в машшоетроенни КаЗ 1978 г.'с. 16 19.

5. Деулнн Б.Л.,Клсткин . И.Д.,Крючков Н.В., Морева Р.Ф., Полухнн В.П.Ультразвуковая сварка одежды, М. Легкая индустрия 1979 г. 334 с.

6. Деулип Б.Л.,. Прогпутннская З.В.,Крючков ИВ, определение влияния технологически'параметров на прочность сварных швов, изготовленных из

полнэфнрных материалов. Сб. научных трудов ШШМЛтекмаш Яг35, М,1979г.

с 18 - 26.

7. Деулии Б.Л, Дрючков П.В.Лрошугннская 3.В.,Определение оптимальных ре сеймов сварки тканей со 100% - содержанием полиэфирных волокон.Сб. нлучных трудов ВПИИЛтекмаш М., 1979 г., с .24- 32. í И. Дсулнн Б.Л.,Джалилов Л.Х. Машина для производства нетканых метерналоз "Нинсонн(с".Реф. сб. ЦМИИТЭИлегпишмаш №5,М. 1979г.с.14-18.

9. Деулии Б.Л. Клеткин И.Д., Джалйлов Л.Х. Исследование процесса нагрева акустического узла ультразвукового швейного оборудования.Сб.научных грулоо ШШИЛтскмаш М.№ 35 1979 г. с.18-23. .•

10.Дсулнн БЛ.,Джалилоп А.Х.Исследование процесса резания клиновым ножом синтетических волокнистых материалов.Рсф.сб, ЦНИИТЭИлегнишмаш ,М. 1980 г.,№5 с. 8- 12. ■'..'-.

11. Деулии Б.Л..Клеткин И.Д. Влияние параметров акустическою узла на производительность ультразвуковой '-швейной машины .С6.научных трудов ВШШЛгекмаш. М„ 1982 г., с, 16 - 24;

12.Дсулнн. ПЛ., Хаокин В.Г1. Оборудование и технологаческис процессы в легкой пром1.!шлснности.Тех1ШЧсскнй отчет о 3-сй Международной выставка ИИЛРГМАШ - 82,М.,ВНИИЛтекмаш 1983г.,с. 58 —. 64. . '

13 Деулии Б.Л..Крючков Н.В.Исследованне акустических узлов ультразвуковых швейных машин.Сб.научных трудов ВНИИЛтекмаш М. 1982 г. с. 32 -40.

14.Деулии Б.Л, Клеткин И.Д. Расчет стационарного поля напряжений а имст рументе-полиовоцс, предназначенном для сварки длинноконтуриых швов.Сб. научных трудов ВНИИЛтекмаш-,М„ 1984 с. 26 - 32. ■

15.Дсул!!н Б.Л.,Крючков - II.В..Клеткии И.Д.Исследопание рабогы мехаиизмоа продвижения материала швейной машины Б111М - 2.С6, научных трудов Ш1ИИЛ (екмаш, М., 1984 г.,с, 16-24. •

16.Дсулнн ,• Б.Л.*Левшг М.М.'Ультразвуковаяпрессовая;•• установкаг, УПУ г

1,Тезисы доклада Всесоюзного научно-технического ' совещания.Минлегнищмнш г.Саратов 1985 г., с, 40-46. ,

17.Деулнн Б.Л., Крючков И.О.Определение режимов транспортировки и сварки ультразвуком эластичных материалов.Известия ВУЗов .Технология легкой

промышленности №3 1985 г.,с. 20 - 24.

1З.Деулин Б.Л., Полухнн В.П.Ультразвукопая нрессоиая установка УМУ 1,Швейная промышленность ,М.,Х$4 1985 г., с. 16 - 20.

19.ДеулнН Б Л.Волвеиков Г.ВОборудование и технологические процессы п легкой промышленности,технический отче? о 4-ой Междунарднпй »ыспнже ИНЛЕГМАШ - 89 М., 1989 г., с. 54 - 64.

20.Деулнн К.Л.,Комиссарова Л.А.Исследование и разработка ультразвуковой сварки материалов, используемых для защитой одежды.Сб.научных трудов ШШИТМ, М.. 1993 г.,с. 21 -30.

21.Двулик Б.Л. Расчет поля напряжений .-ультразвукового волиовода.Межвузоиский сб. научных трудов М.( МГАЛП 1998 г., с. )3 1 - 137.

22.А.с. 7010 Инструмент для ультразвуковой сварки полимерных материалов ( Прошутикская 3.В.,Деулии Б.Л.,Кок<якин И.Д. и др.) опубликовано 15.06.82г. Нз5. '

23.А.с. 1141004 Установка для ультразвуковой сварки полимерных материалом (Деулии Б.Л.,Кргочкоз Н.В.,Клетшн И.Д. и др.) опубликовано 22.10.84г. №>7.

24.А.с. 1214794 Способ ультразвуковой сварки листовых элае'шчиых термопластов (Деулии Б.Л.,Крючков Н.В. и др.) опубликовано 23.01,8К г.№3

25Ас. 1234207 Устройство для ультразвуковой сварки термопластичных материалов (Деулии Б.Л..Крючков Н.В, и др.) опубликовано 30.05.86 г. №20.

26.А.с. 1785913 Способ ультразвуковой сварки термопластичкых матерка, гон и устройство для его осуществления ( Деулин Б.Л..Крючков 11.В. и др.) опубликовано 07.01.93 г. К»1.;

27.Научно - исследовательские работы по определению направлений разки шч

конструкшвных рядов ультразвукового оборудования.Огчет но НИ1 ШШИЛюьмаш 1979 г.

28.Уеовершснсгпованис ультразвуковой установки УПУ - I .Отчет по НШ ВНИИЛтекмаш 1977г. • '■; ,

29.Техническая помощь МО "Промшвсймаш" (г. Орша) во внедрении перво промышленной серии ультразвуковой машины БШМ - 1.Отчет по НШ ВНИИЛтекмаш 1978 г. ' \

30.Изыскание технологии для производства средств индивидуально зашиты.Огчст по ПИР, ВНИИЛтекмаш 1979 г.

31. Создать ультразвуковую прессовую установку .Oilier по НИР.ВНИИЛтекма! 1985 г. : ..; ' .. ','';'.' '

32.Создай, ультразвуковую швеную машину с улучшенными характеристиками i устройс пюм обрезки края.Огчег по НИР, ВНШи1текмаш 1985 г. '

33.Пронести поисковую научно-исследовательскую работу по оиредалсшп возможности . соединения" ультразвуковой' - 'сваркой натуральных тканей использованием ■термопластичных прокладок.Огчст но НИР.ВНИИЛкжмаи 19'X-ir. ' ■' .■'..'

34.Создать установку для ультразвуковой сварки и выполнения герметячп-.г швов.Огчет но НИР," ВШШЛтекмаш 1987 г.

35.Со.-!да1ъ ультразвуковую швейную машину для сосдиненш с ломоты-термопластичных прокладок 'материалов с различимы ссдерхг искуса -"ениых волокон.Огчет по НИР., ВНИИЛтекмаш 1987 г.

36.Провести ПИР iio разработке ультразвуковой • прессовой.' уотг.нозЬг w; выполнят« длншюконтурпьгх швоп.Огчетпо 1ШР.,ШШШгг&ошш "S?9r.

37.Провести.' НИР ! по изучению' ;• возможности ' средншш- тгхспиг-4:л

гялашереГшых изделий из "термозиистичны^ волокон с mmxifo'd ъдярнпуковс*

сварки и разрабошть по результатам НИР koHcipyjaouo у.ргльу;.-\.;:;:

сварочной установки.Огчет но НИР, ВНИИЛтекмаш 199йг.

та mju. Епкез J.". I S3.' Тьргс;- '70 '—i, .' . ''

• -I - # .....■ • „^

I - ^' ' ,

Московская Государственная Академия легкой промышленности.

^ {

На правах рукописи Де у л и н Б о рис Леон т ь е в и ч

Ч <?Г 93 (у5!

Научные основы процесса ультразвуковой сварки швейных изделий и принципы создания оборудования

Специальности: 05.19.04 " Технология швейных изделий "

05.02.13 " Машины и агрегаты " ( легкая

промышленность )

Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук.

Москва 1998 г.

Оглавление

Введение

Глава 1.Основы применения ультразуковой сварки

в швейной промышленности ...................................15

1.1 Технологические особенности ультразвуковой сварки синтетических волокнистых материалов............................................................^

1.1.1 Особенности теплообразования при ультразвуковой сварке...............................................15

1.1.2 Рабочие схемы и циклы процесса сварки.............23

1.2 Оборудование для ультразвуковой сварки тканей и трикотажа из синтетических волокнистых материалов..............................................29

1.2.1 Классификация ультразвукового швейного оборудования...................................................29

1.2.2 Основные элементы и узлы ультразвукового швейного оборудования..................................33

1.3 Выводы.....................................................................34

Глава 2.Расчет рабочих инструментов-волноводов для

изготовления непрерывных швов, закрепок и

петель в поле обработки [60х60]х10-3 м.......................96

2.1 Инструменты-волноводы для оборудования с последовательным прерывистым выполнением сварных швов..................................................96

2.1.1 Влияние коэффициента усиления на энергетические характеристики акустического узла.....................................................................99

2.1.2 Исследование работы акустического узла при различных усилиях сварки............................................

2.1.3 Влияние технологических факторов на характеристики акустического узла.......................................

2.2 Инструменты-волноводы для оборудования, использующего параллельный способ соединения

Т27

в поле обработки [60х60]х10"3 м.......................................

2.2.1 Влияние энергетических параметров на харак-

тер

теристики акустического узла........................................

2.2.2 Исследование влияния активной опоры на процесс сварки и характеристики акустического узла....................................................................................

2.2.3 Исследование влияния параметров сварки на коффициент полезного действия акустического

узла................................................................................154

2.3 Исследование теплового режима работы акустического ультразвукового оборудования..........................162

2.3.1 Исследование процесса нагрева акустического

узла в замкнутом объеме...............................................163

2.3.2 Исследование процесса нагрева акустического узла в баке охлаждения с развитой поверхностью охлаждения....................................................................^бЬ

2.3.3 Исследование замкнутой системы охлаждения акустического узла.......................................................

2.4 Выводы............................................................................175

"лава 3.Рабочие инструменты-волноводы для изгото-

вления длинноконтурных швов параллельным способом..................................................................177

3.1 Инструменты-волноводы для выполнения длинноконтурных швов в поле обработки [250х10]х10-3 м...........177

3.1.1 Уравнение изменения скорости упругих колебаний инструмента-волновода и действующая в

Т7Я

нем сила........................................................................ °

3.1.2 Скорость движения инструмента-волновода, действующая в нем сила и входное сопротивление колебательной системы....................................................

3.1.3 Определение положения узла волны амплитуды колебательной скорости................................................198

3.1.4 Определение положения узлов поперечной волны колебаний по ширине инструмента-волновода.............201

3.2 Инструменты-волноводы для выполнения длинноконтурных швов в поле обработки [250х250]х10-3 м.........215

3.2.1 Уравнение изменения скорости упругих колебаний и действующая в нем сила.....................................21."

3.2.2 Резонансная длина инструмента-волновода прямоугольной формы........................................................230

3.2.3 Определение положения узлов волны амплитуды колебательной скорости................................................232

3.2.4 Определение положения узлов поперечной волны колебаний по ширине инструмента-волновода..............234

3.3 Выводы............................................................................238

Глава 4.Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих волокна полиамидной группы............................................... 290

4.1 Параметры режимов ультразвуковой сварки волокнистых термопластичных материалов..............................240

4.2 Режимы сварки оборудования для последовательно-

рд-З

го прерывистого выполнения швов..................................,

4.2.1 Дополнительные параметры режимов ультразвуковой сварки.....................................................................

4.2.2 Влияние продолжительности охлаждения сварных швов после сварки на прочность соединений................

4.2.3 Влияние размеров сварного стежка на прочность сварного соединения.....................................................279

4.3 Режимы сварки оборудования с параллельным выполнением сварных соединений.......................................286

4.3.1 Режимы сварки деталей точечными инструментами-волноводами.............................................................286

4.3.2 Режимы сварки деталей контурными инструментами-волноводами..........................................................295

4.3.3 Режимы сварки деталей длинноконтурными инструментами-волноводами...............................................

4.4 Режимы сварки оборудования для последовательного непрерывного выполнения швов................................-II

4.5 Выводы.............................................................................315

Глава 5.Технологические режимы ультразвуковой сва-

ки тканей и трикотажа, содержащих волокна

полиэфирной группы.................................................318

5.1 Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих 100% волокон полиэфирной группы для оборудования последовате-

стр

льного действия........................................................ 318

5.1.1 Влияние основных параметров сварки на работу акустического узла при сварке полиэфирных материалов................................................................... 310

5.1.2 Технологичсеские режимы ультразвуковой свар-

оо с

ки полиэфирных материалов.....................................

5.1.3 Влияние дополнительных технологических параметров сварки на прочность сварных соединений полиэфирных материалов.......................................... ;

5.2 Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа содержащих 67% волокон полиэфирной группы с применением термопластичных прокладочных материалов для оборудования последовательного действия.............................................................. 344

>.3 Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих 67% волокон полиэфирной группы с применением термопластичных прокла-чных материалов для оборудования последовательного действия................................................................... 346

>.3.1 Исследование процесса сварки с использованием прокладочного материала из полиэтилентерофталатной

о Л С

пленки.........................................................................

¡.3.2 Исследование процесса сварки с использованием прокладочного материала из полиамидной пленки........... 351

>.3.3 Исследование процесса сварки с использованием прокладочного нетканого материала................................. 354

>А Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих 50% волокон полиэфирной группы с применением термопластичных прокладочных ма-

i «

стр

териалов для оборудования последовательного действия.. 357

5.4.1 Исследование процесса сварки с использованием прокладочного материала из полиэтилентерофта-

v> псп

латной пленки........................................................... оо/

5.4.2 Исследование процессса сварки с использованием прокладочного материала из полиамиднои пленки...

5.4.3 Исследование процесса сварки с использованием нетканого прокладочного материала........................ ^64

5.5 Технологические режимы ультразвуковой сварки

тканей и трикотажа, содержащих 33% волокон полиэфирной группы с применением термопластичных прокладочных материалов для оборудования последовательного действия....................................................... 371

5.5.1 Исследование процесса сварки с использованием прокладочного материала из полиэтилентерофтал-

ОГ1Т

атной пленки.............................................................

5.5.2 Исследование процесса сварки с использованием

37?

нетканого прокладочного материала..................................'

5.6 Технологические режимы ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих от 33% до 70% термопластичных волокон полиэфирной групп для оборудования с параллельным выполнением сварных

швов............................................................................. 380

5.7 Выводы......................................................................... 394

Заключение................................................................... 396

Литература................................................................... 399

Приложение-1.

41

Введение.

В швейной промышленности в настоящее время все большее применение находят ткани и трикотаж содержащие синтетические волокна, которые обладают рядом положительных свойств. Они имеют красивый внешний вид, несминаемы, хорошо стираются, обладают повышенной прочностью и устойчивостью к светопогоде. Это обуславливает их широкое применение. Уже сейчас 95% всех шелковых тканей производится с применением искусственных волокон. Современное развитие легкой промышленности предусматривает значительное повышение качества товаров и расширение ассортимента за счет широкого применения новых химических волокон и нитей, полимерных материалов, а также создания на основе современных химических материалов новых производств по выпуску синтетической кожи, искусственного меха, формоустойчивых трикотажных полотен и других материалов для изготовления одежды и обуви. По иностранным и отечественным данным доля химических волокон в общем балансе текстильного сырья составит 55-60% в 1998г. и 60-65% в 2005г.

Однако появление новых синтетических материалов вызывает и ряд проблем, связанных и с их обработкой в процессе пошива изделий [1,2,3,4]. Известно, что при пошиве изделий на высоких скоростях игла швейных машин нагревается до температуры 300-400°С.

Химические волокна обладают сравнительно низкой температурой плавления (в пределах 200°С), поэтому при соприкосновении с разогретой иглой они плавятся, забивая при этом ушко иглы и заплавляя шов. Первое приводит к обрыву игольной нити и к необходимости замены игл, второе - к повышенной жесткости и хрупкости шва [6,7]. В результате

приходится снижать скорость работы машин, что приводит к потере производительности труда. Пошив синтетических материалов требует, кроме того, применения швейных ниток того же химического состава, что и материал, в противном случае появляется морщинистость швов в процессе пошива или после стирки и чистки веществами различной усадки нитей и тканей.

Эти дефекты из-за специфических свойств синтетических материалов плохо устраняются последующей влажно-тепловой обработкой. Эти недостатки послужили причиной создания новых типов машин осуществляющих безниточное соединение деталей одежды [1,2,5]. Наиболее распространенными способами безниточного соединения деталей являются высокочастотный и ультразвуковой[5,9]. Высокочастотный способ (ВЧ) применяется при обработке синтетических материалов, обладающих большими диэлектрическими потерями; при применении его необходима экранировка установок для исключения вредного воздействия на организм человека и уменьшения помех радиовещанию [9].

В отличие от ВЧ способа ультразвуковым способом, разработанным в России в 1958 г. Мордвинцевой A.B. и Ольшанским H.A. под руководством академика Николаева Г.А. [21] можно соединять практически все термопластичные материалы. Способ ультразвуковой сварки основан на использовании энергии механических колебаний ультразвуковой частоты. При ультразвуковой сварке теплота выделяется во всем объеме материала вследствие гистерезисных потерь. Процессы, происходящие на границе раз/дела, не оказывают существенного влияния на теплообразование. Выделение теплоты в объеме свариваемого материала происходит неравномерно вследствие затухания ультразвуковых колебаний при прохождении их от рабочего торца акустического узла через свариваемый материал в рабочую опору. Теплоотвод рабочим торцом акустического

узла и опорой приводит к сдвигу зоны максимальных температур к границе раздела свариваемого материала [18, 19].

Отличительными чертами ультразвуковой сварки являются: возможность соединения деталей по поверхностям, локальное выделение теплоты и возможность сварки материалов с узким интервалом кристаллизации [18, 20]. Это обуславливает широкое применение ультразвукового способа для соединения термопластичных материалов.

Использование ультразвукового оборудования в швейной п р о м ы ш л е н и о с г и позволяет новы си ть 11 р о и з вод и г ель 11 ос ть и качество изделий за счет ликвидации таких традиционных технологических операций как обрезка нитей, смена шпуль и бобин, подбор нитей по цвету и номеру, контроль за обрывом и расходом нитей, останов машины в исходном положении, замена игл. Кроме того, с помощью ультразвуковой сварки стало возможным получение различных декоративных швов, то есть швов, сварные стежки которых имеют фигурную форму. Наряду с этим ультразвуковая сварка обеспечивает получение изящного, тонкого, эластичного соединения, прочность которого соответствует требованиям, предъявляемым к швейным изделия [1, 2, 3, 4, 12].

В настоящее время ультразвуковая сварка находит все большее применение в различных отраслях промышленности Российской Федерации так и за рубежом. Созданием и совершенствованием ультразвукового сварочного оборудования в России занимаются МГТУ им. Н.Э.Баумана, ВНИИТВЧ им В. П. В о л о г д и н а, О м с к и й п о ли т с х н и ч с с к и й и н с т и т у т, ВНИИЛтекмаш, а за рубежом фирмы Branson Sonic Power(CLLIA), KLN (Германия), 8еко(Япония), Mecaconic (Германия), Telsonic (Германия), VUMA (Чехия) и многие другие. Патентные

разработки ультразвукового швейного оборудования имеются у таких традиционно швейных фирм - производителей оборудования как Union Special, Juki и др. [123, 124].

Опыт эксплуатации импортного и отечественного ультразвукового швейного оборудования показывает, что оно не отвечает современным требованиям [4, 14]. Применение вновь созданных искусственных материалов и требования к конструкции одежды потребовало проведения исследований процессов ультразвуковой сварки искусственных

термопластичных материалов для определения технологических режимов с целью получения высокопрочных сварных соединений на ультразвуковом швейном оборудовании различных типов. Использование ультразвукового оборудования при изготовлении различных типов сварных швов и выполнении разнообразных технологических операций при создании большого числа конструкций швейных изделий также потребовало разработки специализированных рабочих органов и инструментов, позволяющих повысить производительность и качество технологического процесса ультразвуковой сварки.

Учитывая вышеизложенное и большой научный и практический интерес, автор поставил перед собой цель, направленную на разработку научных основ создания новой техники и технологии при производстве одежды с помощью ультразвуковой сварки.

Для реализации поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

-исследование акустических систем с использованием рациональных кинематических схем сварки, осуществляющих передачу ультразвуковой энергии;

-разработка рабочих органов оборудования: инструментов-

волноводов и активных опор, позволяющих осуществлять созданную технологию ультразвуковой сварки тканей и трикотажа, содержащих термопластичные волокна.

Научная новизна состоит в том, что разработаны теоретические положения позволяющие определять параметры механических колебательных систем с распределенными параметрами, осуществляющих распространение упругих колебаний и волн в ограниченной среде. Впервые предложена методика расчета длинноконтурных инструментов-волноводов с рабочей поверхностью 250х250х10'6 м.

На основании анализа стержневых колебательных систем разработаны активные несимметричные рабочие опоры, позволяющие интенсифицировать процесс ультразвуковой сварки и применять замкнутые колебательные системы в существующем и вновь создаваемом оборудовании.

Разработаны на основании результатов экспериментальных исследований энергетических характеристик акустических узлов оптимальные размеры инструментов-волноводов для оборудования, осуществляющего точечную сварку последовательным и параллельным способом.

Изучено влияние основных параметров ультразвуковой сварки на изменение прочности сварных соединений. Получены математические модели для выбора режимов сварки тканей и трикотажа с различным содержанием полиамидных и полиэфирных волокон для оборудования с параллельным и последовательным способами выполнением сварных соединений.

Исследованы особенности у�