皮革切割力与吸附力理论研究.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p 2 01 2 Vo 1 4 0 No 1 7 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 7 0 1 2 皮革切割力与吸附力理论研究 赵燕伟 盛猛 李廷 王欢 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部 浙江省重点 实验室 浙江杭州 3 1 0 0 1 4 摘要 在先进皮革数控裁床裁剪加工过程中 需要根据所裁剪皮革的吸附力需求确定吸附强度 因此有必要探讨影响 真空吸附力的因素 皮革切割力是决定吸附力的重要因素 分析影响皮革切割力的因素 建立皮革切割力的数学模型 并 提出要使裁刀锋利主要方法是减小切割角 利用理论力学相关理论 通过皮革力矩平衡建立皮革吸附力的数学模型 该模 型的建立 为以后的裁床设计提供了理论依据 关键词 切割力 吸附力 切割角 力矩平衡 中图分类号 2 2 4 2 9 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 7 0 4 1 3 The o r y St u dy o f Le a t h e r Cu t t ing Fo r c e a nd Ad s o r p t io n Fo r ce Z HAO Ya n we i S HE NG Me n g L I T in g W A NG Hu a n K e y L a b o r a t o r y o f S p e cia l P u r p o s e E q u ip m e n t a n d A d v a n ce d Ma n u f a ct u r in g T e ch n o lo g y Min is t ry o f E d u ca t i o n Z h e j ia n g P r o v i n ce Z h e j i a n g U n iv e r s it y o f T e ch n o lo gy H a n g z h o u Z h e j ia n g 3 1 0 0 1 4 C h i n a Ab s t r a ct I n ma ch in in g p r o ce s s o f a d v a n ce d le a t h e r cu t t in g ma ch in e a b s o r b e n t s t r e n g t h s h o u ld b e d e t e r min e d a cco r d in g t o a d s o r p t io n r e q u ir e me n t o f le a t h e r S O it is n e ce s s a r y t o e x p lo r e f a ct o r s in fl u e n cin g v a cu u m a b s o r p t io n f o r ce L e a t h e r cu t t in g f o r ce is t h e imp o r t a n t f a ct o r o n a d s o rp t io n f o r ce T h e f a ct o r s a f f e ct in g le a t h e r cu t t in g f o r ce w e r e a n a ly z e d T h e ma t h e ma t ica l mo d e l o f t h e le a t h e r cu t t in g f o r ce w a s e s t ab lis h e d I t w a s p r o p o s e d t h e ma in me t h o d t o ma k e b la d e s h a rp wa s t o r e d u ce t h e b la d e cu t t in g a n g le B y u s in g t h e o r e t ica l me ch a n ics t h e o r y t h r o u g h mo me n t b a la n ce t h e ma t h e ma t ica l mo d e l o f t h e le a t h e r a b s o rpt io n f o r ce wa s e s t a b lis h e d I t p r o v id e s t h e o r y f o u n d a t io n f o r d e s ig n o f d if f e r e n t cu t t in g ma ch in e s Ke y wo r d s C u t t in g f o r ce Ad s o rp t io n f o r ce C u t t in g a n g le Mo me n t b a la n ce 采用机械切割方式 的裁剪 机在裁 剪加工 过程 中 裁刀除 了沿着皮革做推进运动外 还要垂直于皮革作 垂直运动 要 顺 利裁 剪 皮革 裁 刀需 要 一 定 的切 割 力 还要保证皮革在工作台上保持静止 真空吸附力 需求是由裁刀对皮革的作用产生 裁刀切割力会使皮 革移动 为防止皮 革在加工过程中发生移位 采用真 空吸附 使 皮革被 紧紧吸附在工作台上 皮革 类型不 同 所需 切割力不 同 决定其切 割力 的是皮革 的撕裂 强力 裁 刀越锋 利 其切 割力 也越小 但是 裁刀的 锋利程度不是由其刀刃角决定 而是裁剪加工过程中 的切 割角 1 皮革切割力理论分析 皮革切割力指 的是切 开皮革所必须 的力 切割力 大小 与切割方式有关 切割方式指 的是裁刀进入皮革 时 的方 向 一 般来 说 主要 有 正切 和滑 切 两种 基本 方 式 如图 1 所示 F为施加外力 即切割力 V 为 裁刀绝对运动方 向 正切指 的是刀刃的绝对运 动方向 垂 直于刀刃线 的切割方式 滑切指的是刀刃沿着刃线 的垂直偏 角方 向进入皮革 根据高略契金力学试验常 数定理 裁刀正切时 切割阻力较大 若刀刃滑切 则切割阻力小 虽然裁剪皮料时 裁刀必须与皮革 垂直 保持上 下各层皮 革尺寸一致 看起来好像是 正切 可是裁刀在水平方 向运动时又上下运动 这种 运动实际代替 了刀刃 的倾斜 实际是 滑切 滑切 的 切割力相对正切来说 要小很 多 其省力效果与其切 割角有关 此外切割力与皮革的特性 有关 a 正切 b 滑 切 图 1 切割示意 图 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 2 8 基金项目 浙江省重大科技专项重点工业项目 2 0 0 9 C 1 1 0 3 9 温州市科研开发项 目 G 2 0 1 0 0 0 9 0 作者简介 赵燕伟 1 9 5 8 一 女 博士 教授 研究方向为数字化设计与制造技术 生产物流与可拓设计 E m a i l l it i n g 一 0 8 1 63 co rn 4 2 机床与液压 第4 0卷 1 1 直 刀式裁 刀切割 角 直刀式裁刀刀刃锋利程度主要是由切割角决定 在裁剪过程中 裁 刀的直线往复式运动是靠对心 曲柄 滑动结构实现 的 见图 2 裁 刀在裁剪皮革 时除 了有 沿水平的进给运动 假设 进给速 度不变 还有上 下往复运 动 见 图 3 为刀 片 的切 割角 为刀 刃角 届为两个截 面倾 斜角 如 图可 以得到 切割 角 刀刃角与两个截面夹角的关系 t a n 壬 t a n 詈 c 图2 裁刀部件模型 图3 刀刃角 切割角 速度三者示意 图 当倾斜角 越大 刀刃切人皮革 的切割角 就越 小 因此刀刃切割皮革所需 的切割力越小 假设裁剪 刀进给速度为 裁刀竖直方向往复运动速度假设为 裁刀相对于皮革运动的合成 瓣 2 速度 的方向即为裁剪刀进刀 的方向 由于 co 所以速度 刀刃角和切割角三者关系为 t a n 予 t an 号 志 在一般情况下 裁刀竖直方向往复直线运动速度 远大于水平推进速度 所以 y O t 切割角越 小 刀刃越锋利 刀刃锋利程度主要 由往复直线 运动 速度决定 裁刀的往复运动是裁刀的主运动 其运动 规律是曲柄滑块 其运动简图见图4 r 为曲柄半径 为连杆长度 为角速度 为滑动位移 o 为连 杆与刀杆之间的夹角 从 图中可 以看 出 裁刀的位移 O C O B R 一 co s ct r co s t o t 4 裁刀 的竖直往复速度 睾 M s i 5 t M 图 4 裁刀运 动简 图 以浙江 申明制鞋 机械 有 限公 司生产 的裁剪 机为 例 曲柄 r 1 2 5 m m 3 0 0 0 r ra in 1 0 0 r r r a d s 裁刀往复速度最大值为 3 9 2 7 m s 其裁刀的往 复速度变化 见图 5 由于裁刀往复 速度在周期变化 裁 刀的切 割角也 会跟着周期变化 其切割角为 a r c t a n 1 an 号 志 以水 平平 均 推进 速度 为 0 1 5 m s 刀刃 角 2 4 为例 在裁剪过程中切割角变化曲线见 图6 切割角变化范 围为 0 5 6 2 4 邑 露 臀 l 圈 聪 R 糖 图5 裁刀往复运动 图6 切割角的变化曲线 速度变化曲线 1 2 皮革切割力理论计算 裁刀的切割角与裁刀切割力存在如下关系 F P th ta n 2 1 7 式中 P 为皮革撕裂强力 在裁剪过程中切割力的 需求也是 随 切 割 角 的变 化 而 变 化 的 变 化 范 围为 0 0 2 P 0 2 1 P 但是裁床并不需要切割力时时都 满 足要求 因为往 复直 线运 动速度 远 大于水 平 推 第 l7期 赵燕伟 等 皮革切割力与吸附力理论研究 4 3 进速度 所 以只要 实 际切割 力大 于 0 0 2 P 就能 顺利切 割开皮 革 皮革 的撕裂强度 是由皮革 内在 组织 因素决 定 通 常可 以用 3个指标来表征 均匀度 松 散度和编制角度 皮革的横 向与纵 向内部组织结构 不同 所以两个方 向上的撕裂强力也不同 皮革撕裂 强力取横 向与纵 向中大的值 2皮革真空吸附力分析 裁剪时 当裁刀作用在皮革上时 会 使整个 皮革 具有平动与转动 的趋势 这就需要 真空吸附力来保持 皮革的静止状态 裁剪时皮革被抽成真空的负压紧紧 压实 皮革 自身重力与裁刀和皮革 的滑动摩擦力远远 小于皮革所需真空吸附力 F 所以皮革 的吸附力相 当于皮革所受到 的正压力 即 F x f FN 8 在裁剪皮革 的过程 中 吸附力 的需求是不断变化 的 与皮革的形状 面积及裁片 的轮廓有关 以 图 7 为例 裁刀在裁剪不 同裁片时 吸附力要求是变化 的 以裁剪裁片 1 为例 裁 刀裁剪 时会对 皮革有 力矩 的作用 使皮革有转动的趋势 切割力的作用点为皮 革几何 中心 点 0 裁 刀在 轮廓 A B上 时 切 割 力 对皮革 的力矩最大 根据力线平移定理 把切割力平 移到点 0上 需要附加一个力偶 附加力偶矩等于 切割力对作用点 的力矩 Mo F r X F F b 9 式 中 r 为切割力到作用点的距离 F为切割力 图7 皮革排版 以点 0为 坐标 原点 静 摩擦 力 对作 用点 产 生力 矩 M o 1 1 4 y 1 0 式 中 为静摩擦 因数 为静摩擦力 r 为静摩擦 力到作用点的距离 皮革保持静止 所以这两个力矩 应该相 等 F M f 1 1 由式 9 一 1 1 可 以得到皮革所 需要的正压 力为 F 一 1 2 xf 2 以上皮革的吸附力是基于防止皮革转动提出的 但是皮革还具有平动的趋势 防止其平动所需吸附力 为 1 3 总的来说 皮革所需 的吸附力是取二者 的较大 值 这样即可以满足防止转动与平动的要求 当继续 裁剪时 切割力的作用点 质心 会不断改变 皮 革的面积 形状 轮廓也会改变 根据以上理论 就 可 以计算实 时吸附力 3 结束语 首先分析皮革裁床裁剪时 裁刀的切割方式是滑 切 裁刀切割力与皮革 的撕裂 强力 以及切割 角有关 撕裂强力越 大 切 割 角越 大 其切 割 力也 越 大 反 之 亦成立 裁床裁剪皮革时所需真空吸附力 既要 防止皮革转动也要 防止其平动 真空吸附力计算不但 可以为先进裁床分挡控制提供理论依据 也可以为将 来无挡控制提供理论基础 参考文献 1 许文才 裁剪机刀片切割角分析 J 大连轻工业学院 学报 1 9 9 5 1 4 2 2 4 2 7 2 赵懿峰 裴仁清 华尔天 等 裁剪机裁刀的控制 J 机 电一体化 2 0 0 5 5 5 5 5 7 3 吴杰 王吉奎 黄勇 直刃刀切割棉秆的动力学特性分析 J 石河子大学学报 2 0 0 5 2 3 6 7 5 2 7 5 4 4 刘庆庭 区颍刚 卿上乐 等 甘蔗茎秆切割力计算 J 农业机械学报 2 0 0 6 3 7 9 8 9 9 2 5 腾绍民 王泽群 李洋 等 切割方式与切割阻力的理论 研究 J 农机化研究 2 0 0 9 5 8 9 9 0 6 赵湛 李明