Wypychacze są nieodzownym elementem wykrojnika zawierającego noże przekrawające lub perforujące, na których zakleszcza się przekrawany materiał. Wykrojniki służące do wykrawania arkuszy w stosie są wykrojnikami przelotowymi, co oznacza, że po przekrawaniu całego stosu arkuszy następuje usunięcie zarówno odpadu, jak i wykroju przez odpowiednie narzędzie nazywane wypy-chaczem lub narzędziem czyszczącym.
Wykrojnik przelotowy w zależności od położenia użytku i odpadu na arkuszu posiada odpowiednio ukształtowane ostrza. Po stronie użytku ostrze wykrojnika ma stały wymiar na jego wysokości. Natomiast od strony odpadu ostrze wykrojnika u jego dołu posiada największy wymiar, który zmniejsza się do wymiaru rdzenia wykrojnika. Są to zatem ostrza jednostronne niesymetryczne. Położenie ostrzy wykrojnika w stosunku do użytku i odpadu zaprezentowano na rys. 1.
Jeśli przyjrzymy się uważnie mechanizmowi wykrawania za pomocą wykrojnika jak na rys. 1, to zauważymy, że nie różni się on od procesu krajania na krajarce, gdzie przy jej nożu znajduje się w bezpośredniej bliskości belka dociskowa. Jaki zatem wpływ podczas wykrawania wykrojnikiem przelotowym ma obecność ewentualnego docisku lub jego brak? Otóż nacisk ostrzy wykrojnika występuje na krawędzi jego ostrza, co w przekroju przypomina belkę zginaną wskutek nacisku noża na jej krawędziach. Ta siła nacisku wywoła reakcję pochodzącą od wykrawanego stosu, która jest skierowana przeciwnie do sił działających na wykrawany stos. Stos wykrawanych arkuszy jest poddany silnemu sprasowaniu w miejscu, w którym ostrze wnika w poszczególne arkusze. W początkowej fazie następuje wzrost siły nacisku ostrzy wykrojnika, co prowadzi do znacznego sprasowania w tym miejscu stosu arkuszy. Po osiągnięciu w miejscu nacisku ostrza nacisku powyżej utraty stateczności materiału następuje przekrawanie kolejnych arkuszy i zmniejszenie siły nacisku. Przebieg siły nacisku ostrzy wykrojnika na wykrawany stos oraz sił reakcji pochodzących od wykrawanego stosu przedstawiono na rys. 2.
Natomiast przebieg siły w trakcie wykrawania arkuszy za pomocą wykrojnika przelotowego przedstawiono na rys. 3.
Początkowo nacisk wykrojnika sprowadza się jedynie do sprasowania stosu wykrawanych arkuszy z użyciem wykrojnika przelotowego.
Po przekroczeniu nacisku noży na wykrawany stos, przy którym dochodzi do utraty stateczności materiału poddawanego wykrawaniu, tj. w momencie, gdy punkt na krzywej osiąga maksimum (pierwsza pochodna tej funkcji jest równa zeru), następuje ruch wykrojnika i znaczny spadek siły nacisku noży na wykrawany materiał. Przebieg tej krzywej zależy od rodzaju papieru (czy posiada wypełniacze mineralne, jaki posiada stopień sprężystości) oraz wykończenia jego powierzchni. Od punktu 2 w jego dolnym położeniu następuje nieznaczny wzrost siły nacisku noży wykrojnika na wykrawany stos, co jest spowodowane zwiększaniem się ilości arkuszy wnikających w wykrojnik w rezultacie zwiększenia sił tarcia wskutek coraz większej wysokości stosu trącego o ściankę wykrojnika. Natomiast w pkcie 4 wykresu następuje przekrawanie ostatniego arkusza stosu, a także ustępuje ruch wykrojnika, co powoduje zanik siły tarcia arkuszy o ścianki ostrza wykrojnika oraz ostrza noża nie wykonują pracy przekrawania.
Warunkiem poprawnego przekrawania arkuszy w stosie na krajarce, aby wymiary dolnego i górnego arkusza nie różniły się, został wprowadzony dodatkowy element współpracujący z nożem krajarki, którym jest belka dociskowa. Jej zadaniem jest sprasowanie stosu oraz wytworzenie siły tarcia pomiędzy arkuszami poddanymi przekrawaniu, aby nie ulegały one przesuwaniu w stosie. Różnica w wymiarach dolnego i górnego arkusza w stosie wynika ze znacznej różnicy pomiędzy naciskiem noża przekrawającego stos a mniejszym naciskiem belki dociskowej krajarki. Oczywiście dokładność ta będzie tym większa, im mniejsza będzie wysokość wykrawanego stosu.
W celu uzyskania wysokich dokładności wykrawania w stosie wprowadza się stempel dociskowy, który przesuwa się w głąb wykrojnika, podczas gdy kolejne arkusze po wykrawaniu wnikają w wykrojnik. Jego rolą jest przeciwdziałanie siłom pochodzącym z reakcji prasowanego stosu poddanego wykrawaniu przez noże wykrojnika. Zmniejszenie wartości sił reakcji prasowanego stosu wskutek nacisku noży wykrojnika, w wyniku działania stempla wywierającego nacisk na wykrawany stos, zmniejsza znacznie wartość sił odkształcających wierzchnie arkusze w stosie. Im większe ugięcie wierzchnich arkuszy w wykrawanym stosie, tym większa różnica w wymiarach dolnego i wierzchniego arkusza w wykrawanym stosie.
Wykrojnik przelotowy jednozabiegowy, czyli taki, którego jedyną czynnością jest wykrawanie, to wykrojnik o prostej budowie.
Natomiast bardziej skomplikowanymi wykrojnikami są wykrojniki wielozabiegowe, które oprócz procesu wykrawania mogą wykonywać: perforowanie, tłoczenie, bigowanie, złamywanie, rycowanie – przekrawanie na niepełnej grubości lub wykrawanie na pełnej grubości jednego z materiałów dwuwarstwowych itd.
Dalsze rozważania na temat wykrojników i pracy w nich wypychaczy będą dotyczyły wykrojników mostkowych, w których noże są wykonane jako taśmy. Można je podzielić na te, które dokonują przekrawania włókien papieru, i pozostałe, które mogą co najwyżej dokonywać rozdzielania połączeń między włóknami papieru, a zatem nie przekrawać ich (noże przegniatające, bigujące).
Poprzedni proces wykrawania arkuszy w stosie jest niemal przypadkiem komfortowym, bowiem stos przekrawanych arkuszy jest unieruchomiony i nie ma niebezpieczeństwa uszkodzenia czy zniszczenia wykroju. Inaczej przedstawia się to w procesie wykrawania pojedynczych arkuszy z użyciem wykrojnika wielozabiegowego, w którym ostrza noża są symetryczne, a dodatkowo wykonywany jest proces bigowania lub tłoczenia. W wykrawanym materiale w trakcie tego procesu mamy do czynienia z siłami wzdłużnymi występującymi w arkuszu, a powstającymi w wyniku procesu bigowania lub/i procesu tłoczenia, które powoduje rozciąganie materiału. Natomiast drugi rodzaj sił to siły zakleszczające wykrój w ostrzach noża, powstające jako reakcja siły ściskającej w wyniku ściskania wierzchnich warstw przekrawanego materiału przez ostrze o profilu klina.
Materiał, który jest poddawany procesowi wykrawania przez dwa sąsiednie noże o ostrzach nachylonych pod kątem = 52° (rys. 4) ulega odkształceniu w wyniku ściskania o wartości zerowej dla warstwy dolnej będącej na wierzchołku noża, a wartości max w przypadku wierzchniej warstwy przekrawanego materiału, jak przedstawiono na rys. 5.
Pomiędzy wierzchołkami noża długość przekrawanego materiału wynosi Lo. Natomiast w części wierzchniej materiał od jego dolnej powierzchni jest poddawany ściskaniu przez klin ostrza do wartości, która wynosi ∆L1 dla pierwszego ostrza noża oraz ∆L2 dla drugiego ostrza noża. Zatem sumaryczne ściśnięcie wykrawanego materiału na odległości Lo stanowi sumę odkształceń na każdym nożu; ponadto każda z nich jest identyczna co do wartości, co można przedstawić poniższymi zależnościami:
∆L1 = ∆L2 = g tg (/2) [1]
∆L = 2 g tg 26° [2]
w których poszczególne wielkości oznaczają:
g – grubość przekrawanego materiału,
Θ = 52° kąt ostrza noża
Natomiast odkształcenie względne wykrawanego materiału na wysokości jego grubości wynosi:
= ∆L Lo-1 = 2 Lo-1 g tg 26° [3]
Odkształcenie względne materiału ε wskutek ściskania przyczynia się do wywołania w materiale przekrawanym naprężenia, które na grubości materiału posiada wartość maksymalną, natomiast na wierzchołku noża wartość równą zero dlatego, że ta warstwa przekrawanego materiału nie jest poddana ściskaniu. Rozkład tych naprężeń na grubości materiału ma charakter liniowy, co pozwala na dokładne wyznaczenie jego wartości w każdym obszarze grubości przekrawanego materiału. Natomiast wart
ość średniego naprężenia ściskającego w przekrawanym materiale wynosi zgodnie z poniższą relacją:
= 0,5 max = 0,5 E [4]
Wartość średnia naprężenia jest obliczona jako wartość połowy wartości maksymalnej naprężenia dlatego, że pozwala na to liniowy rozkład naprężeń ściskających w wykrawanym materiale ostrzem posiadającym kształt klina, o kącie wierzchołkowym = 52°. Zatem wartość średniego naprężenia ściskającego w wykrawanym materiale o grubości g i odległości Lo pomiędzy dwoma ostrzami noża wynosi:
= 0,5 E = 0,5 E g Lo-1 tg (/2) [5]
gdzie wielkość E oznacza moduł Younga przekrawanego materiału oznaczonego zgodnie z kierunkiem włókien, jakie posiada wytwór papierniczy w stosunku do ostrza noża. Jeśli kierunek tych włókien jest prostopadły do ostrza noża, należy moduł E wyznaczyć dla kierunku wzdłuż włókien. Natomiast gdy kierunek tych włókien jest równoległy do ostrzy noży, moduł E należy wyznaczyć dla kierunku prostopadłego do włókien wytwo-
ru papierniczego. Sugeruje to, że praca wypchnięcia wykroju z ostrzy noży jest mniejsza, gdy kierunek włókien w wykrawanym materiale jest równoległy w stosunku do kierunku noża. Moduł E posiada największą wartość wzdłuż kierunku włókien, a najmniejszą dla kierunku prostopadłego. Natomiast dla kierunku położenia włókien w zakresie pośrednim, znajdującym się pomiędzy równoległym a prostopadłym, wartość modułu E zawiera się pomiędzy wartością maksymalną a minimalną.
Uwzględniając powierzchnię jednostkową, w której działa naprężenie, można przejść do dalszych rozważań i przypisać, że naprężenie to stanowi jednostkową siłę działającą w przekroju wykrawanego materiału i jest przenoszone na ostrze noża, jak przedstawiono na rys. 6.
Siła (naprężenie) σ pochodząca od ściskanego materiału rozkłada się na ostrzu noża na dwie składowe. Jedna z nich to siła styczna S, która stara się wypchnąć przekrawany materiał z ostrza noża, a druga to siła N prostopadła do powierzchni ostrza noża. Siła N wywołuje siłę tarcia T, która jest funkcją współczynnika tarcia μ wykrawanego materiału o ostrze noża i wartości siły N.
Na podstawie zależności sił S i T z rys. 4 wynika, że aby przekrawany materiał został uwolniony z ostrza, musi zachodzić następująca relacja:
S > T [6]
W przypadku wykrawania wytworów papierniczych, a także biorąc pod uwagę dynamikę procesu, w której należy pokonać również siły bezwładności materiału, powyższa relacja jest niewystarczająca i dlatego wartość siły S zostaje zwiększona w wyniku siły Wn pochodzącej od sprężonego wypychacza, który zmagazynował energię i może ją w procesie rozprężania oddać i zwiększyć wartość siły S. Zatem ostateczna wartość siły P wypychającej wykrój z ostrza noża ulega zwiększeniu o wartość Wn i wynosi:
P = S – T + Wn [7]
a po uwzględnieniu relacji na podstawie rys. 4 pomiędzy wielkościami S, T i kątem ostrza oraz wielkością , otrzymamy poniższą zależność:
P = sin (/2 – µ cos (/2) + Wn [8]
w której współczynnik µ oznacza współczynnik tarcia przekrawanego materiału o ostrze noża, a po podstawieniu do powyższej zależności relacji [5] uzyskano ostateczną wartość siły wypychającej wykrój z ostrza noża, która przedstawia się następująco:
P = 0,5 E g Lo-1 sin (/2) (tg (/2) – µ) + Wn [9]
Z powyższej zależności wynika, że wartość siły wypychającej wykrój z ostrza noża jest zależna:
n od odległości pomiędzy ostrzami noża – im ta odległość jest mniejsza, tym większej siły należy użyć do wypchania wykroju z ostrza noża;
n im większą grubość posiada przekrawany materiał, tym większej siły należy użyć do wypychania wykroju z ostrza noża;
n im większy moduł Younga E posiada materiał wykrawany, co prowadzi do zwiększenia sztywności przekrawanego materiału, tym większej siły należy użyć do wypchnięcia wykroju z ostrza noża, a dla wytworów papierniczych jego wartość zależy ponadto od kierunku włókien (mniejsza wartość dla kierunku ostrza równoległego do włókien, a większa dla kierunku prostopadłego).
Wypychacz – inaczej ogumowanie wykrojnika – ma zatem za zadanie prawidłowe wypchnięcie wykroju z ostrza noża, co należy utożsamiać z odpowiednią dynamiką oraz unieruchomić przekrawany materiał pod ostrzem noża. Przekrawany materiał jest bowiem poddawany działaniom sił np. rozciągających podczas jego bigowania, które powodują w końcowej fazie przekrawania rozrywanie spodnich warstw materiału pod ostrzem noża – a więc nie jest to czyste przekrawanie. To oznacza znaczne zaniżenie jakości procesu przekrawania. Krawędzie takiego wykroju są postrzępione – zawierają włókna wyrwane z drugiej części materiału, które powinny być przekrawane.
Pracę wypychacza przedstawiono na rys 7.
Ponieważ wypychacz początkowo wystaje ponad nóż przekrawający, to podczas ruchu roboczego wykrojnika zostaje on ściśnięty sumarycznie o wielkość wymiaru, jaką miał początkowo nad ostrzem noża i grubością przekrawanego materiału. Na podstawie rys. 5 można także stwierdzić, iż jest to różnica wymiarów pomiędzy wysokością wypychacza przed zbliżeniem się wykrojnika do przekrawanego materiału a wysokością wypychacza w momencie dolnego położenia wykrojnika, tj. przekrawania ostatniej warstwy materiału. Wypychacze posiadają na ogół w części roboczej zależność liniową pomiędzy naprężeniami a odkształceniami. Ponadto ulegają one odwracalnemu odkształceniu, co jest korzystne przy oddawaniu nagromadzonej energii oraz ich żywotności podczas pracy w wykrojniku. W czasie sprężania – ściskania wypychacza pobiera on energię, którą następnie oddaje, bez strat lub ze stratami. Ubytek energii, która została pierwotnie nagromadzona w wypychaczu, jest bowiem iloczynem siły naciskającej wypychacz i wartości jego odkształcenia – jego ściśnięcia, może zostać częściowo spożytkowana na siły tarcia, a te spowodują przyrost temperatury wypychacza lub częściowe niszczenie struktury materiału wypychacza. Aby temu zapobiec, w zależności od konieczności wywołania siły stosuje się wypychacze o różnej charakterystyce zależności pomiędzy naprężeniami a odkształceniami. Przykładowe zależności dla wypychaczy przedstawiono na rys. 8.
Do unieruchomienia przekrawanego materiału pod ostrzem noża jest niezbędna siła, która na podstawie relacji sił nacisku wypychacza i sił rozciągających na rys. 7 powinna spełniać poniższą zależność:
W µ > R [10]
w której poszczególne wielkości oznaczają:
W – jednostkową siłę nacisku wypychacza,
MΜ – współczynnik tarcia przekrawanego materiału o płytę wymienną prasy wykrawającej,
R – jednostkową siłę rozciągającą przekrawany materiał.
Wartość siły W – nacisku wypychacza zależy od wielkości ściśnięcia wypychacza oraz jego twardości. Ponieważ wypychacz ma ustaloną wysokość, tym samym wartość tej siły zależy od jego twardości.
Jeśli wypychacz nie zapewni właściwego uruchomienia przekrawanego materiału, tj. nie spełni relacji [10], to ostatnie warstwy arkusza ulegają rozrywaniu, co przedstawiono na fot. 1.
Badaniu na ściskanie poddano wypychacze o twardości 30° Sh (2 szt.), 21° Sh, 12° Sh i 7° Sh. Wyniki tych badań zaprezentowano na rys. 9.
Jednostkowy nacisk w N/cm2 dla poszczególnych wypychaczy przedstawionych na rys. 9 należy obliczyć dzieląc wartość siły w N przez powierzchnię wypychacza równą 10 cm2, a uwzględniając, że grubość przekrawanego materiału wynosi 0,2 mm i wysokość wypychacza nad krawędzią noża wynosi 1,2 mm, to dla wypychacza o wysokości 7,2 mm jego odkształcenie względne wynosi 19,4%, a zatem nacisk wypychacza w trakcie przekrawania arkusza będzie wynosił:
n dla twardości 30° Sh – nacisk 24 N/cm2,
n dla twardości 30° Sh – nacisk 25 N/cm2 (innego producenta),
n d
la twardości 21° Sh – nacisk 8,5 N/cm2,
n dla twardości 12° Sh – nacisk 3,7 N/cm2,
n dla twardości 7° Sh – nacisk 3,2 N/cm2
Dysponując powyższymi danymi jesteśmy w stanie określić wielkość sumarycznego nacisku prasy zużytego na pracę wypychaczy.
Badane wypychacze zgodnie ze swoją twardością wykazywały zwiększony nacisk przy tym samym odkształceniu bezwzględnym (na wykresie na rys. 9 jest ukazane odkształcenie względne). Wypychacz o twardości 12° Sh posiadał grubość
5,2 mm, co oznacza, że 10% odkształcenie względne jest równoważne odkształceniu bezwzględnemu o wartości 0,52 mm, podczas gdy dla wypychacza o grubości 12,2 mm i twardości 7° Sh to samo odkształcenie względne oznacza 1,22 mm odkształcenia bezwzględnego. Dlatego poziom tych sił jest bardzo zbliżony do tych samych wartości – na wykresie krzywe dla tych wypychaczy prawie się pokrywają. Na podstawie powyższego można wyciągnąć następujące wnioski:
n aby uzyskać tę samą siłę nacisku wypychacza, należy użyć wypychacza o większej wysokości i mniejszej twardości lub wypychacza o mniejszej wysokości, lecz o większej twardości;
n aby uzyskać większy nacisk wypychacza, należy użyć wypychacza o większej twardości lub zamontować wypychacz o większej powierzchni;
n jeśli odległość pomiędzy nożami wykrojnika nie pozwala na zamontowanie wypychacza posiadającego pełne wymiary szerokości, należy umieścić wypychacz o mniejszych wymiarach szerokości, lecz większej twardości.
Wykres na rys. 9 przedstawia wartość siły nacisku działającej na wypychacz oraz jego odkształcenia, a ponieważ iloczyn siły i przesunięcia (odkształcenia) oznacza pracę, to w każdym punkcie wykresu oznaczona jest wartość energii. Natomiast sumaryczną energię zgromadzoną w kolejnym punkcie ściśniętego wypychacza przedstawiono na wykresie na rys. 10.
Badania wypychaczy z mikrogumy na ściskanie z różnymi prędkościami dowodzą, iż nie zachodzą zmiany w przebiegu krzywej naprężenie – wydłużenie w części roboczej wypychacza. Natomiast w odkształceniach powyżej 20% dla badanego wypychacza o grubości 10,2 mm i twardości 21° Sh zauważono nieznaczne zmniejszenie siły nacisku dla tego samego poziomu odkształcenia co poprzedniego. Dowodzi to, że dla większych prędkości odkształceń wypychacza i ich wartości spada poziom odprężenia – relaksacji wypychacza. Jest to istotne, ponieważ w czasie, w którym wykrojnik wykonuje ruch powrotny i większą część ruchu roboczego, wypychacz musi powrócić do pierwotnych kształtów.
Ilość energii skumulowanej w ściśniętym – odkształconym wypychaczu w zależności od twardości wypychacza przedstawiono na wykresie na rys. 10. Na półosiach przedstawiono energię skumulowaną w wypychaczu w jednostkach pracy [Nmm] oraz wydłużenie względne w procentach.
Dobór twardości wypychacza zgodnie z instrukcją nakazuje zastosować wypychacze o większej twardości, które znajdują się od strony łapek utrzymujących arkusz w prasie wykrawającej. Jest to związane z koniecznym dokładnym przekrawaniem włókien bez ich rozrywania, a od strony łapek ewentualnego wnoszenia drgań do arkusza znajdującego się w wykrojniku prasy wykrawającej.
Obecnie stosowane są wypychacze kompresyjne, gdyż są one wygodne do montowania w wykrojniku, ponieważ można je umieszczać bezpośrednio przy nożu. Taki wypychacz posiada współczynnik Poissona o wartości równej zero, a wypychacz odkształca się z całkowitą zmianą objętości. Natomiast wypychacze, których materiał posiada wartości współczynnika Poissona zbliżające się do wartości 0,5, odkształca się przy stałej objętości, co jest bardzo znacznym utrudnieniem w montowaniu takich wypychaczy, gdyż muszą one być umieszczane na podstawach – odpowiednim profilu, których zadaniem jest odsunięcie wypychacza od noża, ponieważ w przeciwnym razie masa materiału wypychacza będzie odkształcała się od ostrza noża na zewnątrz, co prowadzi do rozrywania przekrawanego materiału w miejscu przekrawania. Ewentualnie należy tego typu wypychacze umieszczać w pewnej odległości od noża, aby materiał wypychacza swobodnie mógł się odkształcać zarówno w kierunku noża, jak i od niego. Jeśli będzie zamontowany zbyt blisko noża, to wówczas odkształcona część masy wypychacza będzie się przemieszczać głównie od noża, co grozi rozrywaniem przekrawanego materiału.
Wysokość wypychacza jest wyższa od noża przekrawającego o 1,2 mm. Do większości wypychaczy stosuje się mikrogumy o twardości 30-35° Sh. Natomiast w przypadku polakierowanych czy powlekanych użytków stosuje się wypychacze o niższej twardości – ok. 20° Sh, aby nie powodować zarysowań wykrojów, lub stosuje się gumy o gładkiej powierzchni. Do pozostałych wypychaczy montowanych przy nożach, które powinny gwarantować przekrawanie bez rozrywania, stosuje się gumy o większej twardości – około 40° Sh. Natomiast gdy odległość pomiędzy nożami wynosi kilka milimetrów, stosuje się gumy o twardości 60° Sh, a większe szczeliny i otwory wypełnia się wypychaczami o twardości 40° Sh.
Natomiast wypychacze o mniejszych twardościach stosuje się do montowania na pełnej powierzchni wykrojnika. Takie wykrojniki stosuje się do wykrawania np. materiałów dwuwarstwowych.
Wypychacze – ogumowanie wykrojnika mocuje się nie tylko obok noży przekrawających, w tym także noży perforujących, piaskujących, tj. za pomocą których następuje wnikanie noża w przekrawany materiał. Są one również montowane w celu unikania zakłóceń prostokątności wykrawanych wykrojów. Takie zakłócenie prostokątności następuje wskutek wpadania arkusza do przestrzeni wykrojnika pomiędzy nożami, co oznacza, że poddany wykrawaniu arkusz nie posiada odpowiedniej płaskości. Wówczas należy pomiędzy nożami zamontować wypychacze o twardości w zakresie 35-40° Sh.
Bardzo ważnym czynnikiem przy doborze wypychaczy jest umiejętność uwzględnienia jakości przekrawanych krawędzi oraz wypychania wykroju spomiędzy noży przy małych ich odległościach, aby nie powodować dodatkowo zbytecznego nacisku prasy wykrawającej.
Literatura
1. E. Hermanies i inni: Polygrafische Technik, Wydawnictwo VEB Fachbuchverlag Leipzig 1978, s. 441-452
2. Z. Polański: Wykrawanie. Podstawy teoretyczne i metody rozwojowe, Warszawa, WNT 1978
3. Materiały informacyjne firmy Bobst ABC Autoplatine Bobst Communication
