Operacje krojenia stosów papieru i tektury, jak również innych arkuszowych materiałów stosowanych w przemyśle opakowaniowym i poligraficznym mają szerokie zastosowanie. Szczególnego znaczenia nabierają operacje krojenia w przetwórstwie papierniczym i produkcji poligraficznej: przy rozkroju tektury i okrawaniu stosów arkuszy do żądanego formatu przed zadrukowaniem – na krajarkach jednonożowych, jak również przy obróbce końcowej wkładów książkowych z trzech stron – za pomocą krajarek trójnożowych.
Jeszcze do niedawna krojenie arkuszy papieru i tektury było uważane za proces drugorzędny i pomocniczy. Obecnie jednak przykłada się do niego znacznie większą wagę, ponieważ udowodniono, że od prawidłowej realizacji operacji krojenia w dużym stopniu zależy sprawny przebieg innych czynności technologicznych, co ma duży wpływ na jakość oraz koszt wykonania produktu finalnego. Fundamentalne badania eksperymentalne procesów krojenia stosów arkuszy papieru i tektury wykonano w latach 50-60. XX wieku [1,2,3 i in.] z wykorzystaniem aparatury badawczej o ograniczonych na ten czas możliwościach pomiarowych. Badania te zrealizowano na specjalnie zbudowanych stanowiskach, a ich wyniki od dłuższego czasu stanowią podstawę do konstruowania i produkcji krajarek jednonożowych.
Rozwój konstrukcji współczesnych krajarek jednonożowych idzie w kierunku maksymalnej automatyzacji procesów pomocniczych, natomiast zasada pracy – kinematyka ruchu noża krajarek pozostaje już od ponad 170 lat bez zmian. W większości współczesnych krajarek nóż wykonuje złożony (tzw. szablowy) ruch, przy którym kąt ruchu belki nożowej do płaszczyzny stołu krajarki wynosi 45° ÷ 55°. Taki sposób cięcia wykazuje następujące ujemne cechy: zwiększone siły krojenia, szybkie zużycie ostrzy noży, co doprowadza do dalszego wzrostu sił krojenia oraz pogorszenia jakości cięcia. Wymienione cechy powodują, że współczesne krajarki są bardzo ciężkie, energochłonne, a ich prawidłowa eksploatacja wymaga określonych kwalifikacji od użytkowników.
Nowoczesne krajarki w porównaniu ze starszymi modelami pracują ze znacznie większymi prędkościami i obciążeniami dynamicznymi, a okrawane stosy podlegają procesom deformacji o większym stopniu złożoności. Z powodu nieznajomości w pełni procesów zachodzących w szybkobieżnych krajarkach podczas krojenia stosów papieru i tektury częste są przypadki nieprawidłowej eksploatacji maszyn, co niejednokrotnie prowadzi do okrawania nożami o nadmiernie zużytych ostrzach. Stan taki powoduje pogorszenie jakości cięcia oraz większe zużycie energii i elementów napędu krajarek. Jeśli chodzi o zapewnienie wysokiej jakości operacji krojenia, istotny jest też fakt, że obecnie brak naukowo opracowanych zaleceń co do obróbki dostępnych od niedawna na rynku nowych rodzajów papierów i tektury.
Z powyższych względów aktualne jest przeprowadzenie nowych, kompleksowych badań procesów krojenia stosów arkuszy papieru i tektury w warunkach zbliżonych do realnych procesów produkcyjnych z wykorzystaniem nowych możliwości współczesnej aparatury badawczo-pomiarowej. Wyniki tych badań mogą przyczynić się do głębszego poznania zjawisk zachodzących podczas obróbki arkuszy papieru i tektury, ujawnienia nowych prawidłowości w realizacji procesów krojenia oraz opracowania zaleceń do projektowania krajarek.
Krojenie jest procesem bardzo złożonym, gdyż jego przebieg jest uzależniony od wielu czynników związanych z obrabianym materiałem, narzędziem tnącym, obrabiarką (krajarką) oraz warunkami cięcia. W celu najdokładniejszego scharakteryzowania tego procesu różni badacze dążą do przyjęcia pewnego ogólnego modelu mechanizmu wzajemnego oddziaływania narzędzia tnącego i obrabianego materiału. Wiele parametrów obróbki zmienia się jednak w trakcie procesu cięcia, przy czym w wielu przypadkach zachodzi sprzężenie zwrotne między warunkami, w jakich jest przeprowadzany proces, a parametrami charakteryzującymi własności obrabianego materiału i narzędzia tnącego. Powoduje to ogromną komplikację matematycznego modelu procesu. Trudności te dostatecznie tłumaczą fakt dotychczasowego braku ogólnej teorii procesów cięcia, pomimo ponad 200-letnich badań nad procesami cięcia różnych materiałów.
W przypadku krojenia arkuszy papieru i tektury w stosach stopień skomplikowania modelu matematycznego dodatkowo wzrasta ze względu na własności reologiczne, anizotropowość materiałów papierowych i in. W takim aspekcie badania procesu cięcia sprowadzają się zwykle do określenia empirycznych zależności czynników charakteryzujących proces od parametrów krojenia w ściśle określonych i ustalonych warunkach. Dlatego też większość wykonanych wcześniej badań procesów krojenia papieru i tektury przeprowadzono metodami eksperymentalnymi na specjalnie zbudowanych stanowiskach badawczych.
W ostatnich latach odnotowano ponowny wzrost zainteresowania badaniem procesów krojenia stosów papieru [4]. W Institute of Printing Science and Technology (Darmstadt) na podstawie maszyny wytrzymałościowej zbudowano stanowisko badawcze, na którym zasymulowano realizację procesu krojenia stosów papieru. Chociaż w badaniach została odtworzona realna kinematyka ruchu noża jak w krajarce jednonożowej, to jednak konstrukcja maszyny wytrzymałościowej uniemożliwia przeprowadzenie badań z realnymi parametrami produkcyjnymi, a umieszczenie dynamometru do analizy rozkładu składowych siły krojenia pod stosem, na stole maszyny nie pozwala w pełni ocenić zjawisk zachodzących pod ostrzem noża w procesie przekrawania stosu papieru.
W Zakładzie Technologii Poligraficznych Instytutu Mechaniki i Poligrafii Politechniki Warszawskiej przemysłową krajarkę jednonożową małego formatu Maxima MM58-1 przystosowano do przeprowadzenia kompleksowych badań procesów krojenia stosów arkuszy papieru i tektury w warunkach zbliżonych do produkcyjnych.
Stanowisko badawcze (rys. 1) umożliwia jednoczesną rejestrację w procesie krojenia stosów arkuszy następujących wielkości: trzech składowych siły krojenia, siły zacisku stosu, trzech składowych drgań noża wraz z analizą widmową, stopnia zużycia ostrza noża z rejestracją wzrostu siły krojenia i drgań, ocenę jakości pokrojonych arkuszy.
Dane techniczne stanowiska badawczego:
n szerokość krojenia do 140 mm;
n wysokość stosu do 50 mm;
n siła zaciśnięcia stosu – do 8 kN;
n zadawany kąt ruchu noża – 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°;
n możliwy kąt pochylenia ostrza noża – od 0° do 5°;
n kąt naostrzenia noża – 15°, 18°, 20°, 22°, 25°;
n wielkość zagłębienia noża do listwy podnożowej – do 1 mm;
n prędkość robocza układu tnącego – od 10 do 100 cykli/min;
n moc silnika – 1,1 kW;
n moc falownika – 1,5 kW;
n masa stanowiska – 450 kg.
W celu przystosowania krajarki MM58-1 do pomiarów, zamiast mechanizmu belki nożowej zamontowano opracowany nowy układ tnący wraz z zainstalowanym siłomierzem – specjalną głowicą pomiarową z zamontowanym nożem – tzw. nożem-dynamometrem (rys. 2) z naklejonymi na głowicy tensometrami zgodnie z metodyką [5]. W układzie pomiarowym siłomierza zastosowano 12 tensometrów foliowych typu TF-3/120 o rezystancji 120 ohmów i długości czynnej ścieżek 3 mm (producent – Pracownia Tensometrii Oporowej TENMEX w Łodzi). Przeprowadzone badania możliwości pomiarowych głowicy pomiarowej wykazały, że wpływ jednej składowej na drugą nie przekracza 1,5-2%, a siły w procesie krojenia można analizować bez zniekształcenia sygnału w zakresie częstotliwości od 0 do 5000 Hz, co świadczy o wysokiej dla badań procesów krojenia stosów papieru i tektury dokładności pomiarowej. W celu przeprowadzenia modalnej analizy widmowej sygnałów drgań noża, wynikających podczas krojenia, na głowicy pomiarowej zamontowano trzyskładowy akcelerometr firmy Brüel & Kjaer typ 4504 A.
Do rejestracji i analizy szybkozmiennych sygnałów wielkości nieelektrycznych w funkcji czasu został zastosowany komputerowy system pomiarowy firmy National Instruments (USA). Tor pomiarowy systemu komputerowego, którego schemat pokazano na rys. 3, jest zbudowany z modułów elektronicznych i składa się z trzech podstawowych bloków: pomiarowego, przetwarzania sygnałów oraz bloku analizującego.
W skład bloku pomiarowego wchodzą moduł-złącze SCXI–1321, do którego podłączone są mostki Wheatstone’a czujników tensometrycznych składowych siły krojenia oraz moduł pomiarowy SCXI–1121, który posiada 4 optoizolowane wzmacniacze pomiarowe, o wzmocnieniu w zakresie od 1 do 2000. Każdy wzmacniacz posiada 2 filtry dolnoprzepustowe na 4 Hz i 10 kHz. Akcelerometr do analizy modalnej sygnału drgań jest podłączony do modułu pomiarowego SCXI-1530. Sygnały analogowe o napięciu ±5 V z trzech kanałów wzmacniaczy tensometrycznych oraz trzech kanałów wzmacniaczy akcelerometru są przekazywane do bloku przetwarzania sygnałów.
Moduły SCXI–1321, SCXI–1121 i SCXI–1530 są umieszczone w kasecie SCXI–1000, która jest przystosowana do zasilania prądem zmiennym czterech modułów z rodziny SCXI.
Blok przetwarzania sygnałów stanowi karta pomiarowa NI DAQCard – 6036E, która zawiera 16-bitowy przetwornik A/C z maksymalną częstotliwością próbkowania 200 kS/s. Rejestracja i analiza sygnałów odbywają się w komputerze typu PC za pomocą specjalistycznych programów LabVIEW SignalExpress i DIAdem (firmy National Instruments).
Na rys. 4 przedstawiono typowy wygląd okna pomiarowego przy wykonaniu badań zmian trzech składowych (Fy, Fx i Fz) siły krojenia stosów arkuszy papieru i tektury w cyklu krojenia.
Program pomiarowy umożliwia monitorowanie aktualnego stanu urządzenia i sterowanie przebiegiem pomiaru. Wynikami pomiarów są wykresy trzech składowych siły okrawania oraz trzech składowych drgań noża. Program wyposażono w podstawowe narzędzia umożliwiające wstępną analizę otrzymanych wyników w trakcie pomiaru. Wyniki pomiarów mogą być poddane filtracji dolno- i górnoprzepustowej, skalowaniu, aproksymacji, obróbce statystycznej oraz FFT. Otrzymane dane można poddać dalszej obróbce numerycznej w dowolnej aplikacji Lab-VIEW przeznaczonej do tego typu prac. Komputerowy system pomiarowy zapewnia dużą dokładność badań dzięki zwiększeniu ilości zbieranych informacji oraz możliwości dokładnej analizy otrzymanych wyników pomiaru.
Dzięki zastosowaniu w programie pomiarowym systemu programowania LabVIEW program jest otwarty na modyfikacje i implementację nowych funkcji, co w trakcie użytkowania programu może okazać się konieczne.
LabVIEW zapewnia także możliwość dalszego rozwoju oprogramowania do rejestracji i analizy różnorodnych aplikacji, co znacznie rozszerza możliwości zbudowanego stanowiska badawczego.
Uruchomione w ZTP IMiP PW nowe stanowisko badawcze stwarza szerokie możliwości przeprowadzenia kompleksowych badań procesów krojenia stosów arkuszy papieru i tektury w warunkach zbliżonych do realnych procesów produkcyjnych. Wyposażenie stanowiska w nowoczesną aparaturę badawczo-pomiarową niewątpliwie przyczyni się do głębszego poznania zjawisk zachodzących podczas obróbki stosów arkuszy papieru i tektury na krajarkach jednonożowych. Wyniki nowych badań będą publikowane na łamach czasopisma Opakowanie.
Literatura
[1] Dittrich, H., (1965) Schneidemaschinen – Ausgewahlte Beitrage, Leipzig (niem.)
[2] Mordowin, B., (1948) Ob usiliach rezanija i dawlenijach priżyma stopy w bumagorezalnych maszynach. MPI, Moskwa. (ros.)
[3] Ginzburg W., (1957) Isledowanije procesa rezanija na odnonożewych bumagorezalnych maszynach. Sbornik WNIIPM nr 3, Moskwa. (ros.)
[4] Neumann, J., Desch, M., Spiehl, D., Dörsam, E., (2012) Measuring forces appearing while cutting a stack of sheets with the aim to improve post press process. IARIGAI. Advances in Printing and Media Technology. vol. XXXIX, pp. 253-260.
[5] Georgijewski J., Poliudow A., Iwaszczenko W., (1977) Izmierenije usilij rezanija w bumagorezalnych maszynach. Poligrafia nr 1, s. 30-31 (ros.)
