膠印機(jī)咬紙牙在往復(fù)沖擊載荷作用下的塑性變形

劉健， 范濤， 張海燕， 侯和平

(西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，陜西 西安 710048)

膠印機(jī)咬紙牙在往復(fù)沖擊載荷作用下的塑性變形

劉健， 范濤， 張海燕， 侯和平

(西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，陜西 西安 710048)

為了探究膠印機(jī)咬紙牙排中的牙墊材料在咬紙過(guò)程中高頻往復(fù)擊打條件下的變形規(guī)律，本文采用低應(yīng)力多次沖擊碰撞試驗(yàn)來(lái)模擬咬紙牙的咬紙過(guò)程，采用坐標(biāo)網(wǎng)格法研究了40Cr硬質(zhì)合金在多次沖擊載荷下的宏觀塑性變形效應(yīng)，并建立了累積塑性應(yīng)變關(guān)于沖擊次數(shù)和層深的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明，累積變形量隨沖擊次數(shù)的增加而呈非線性增大，在試樣表層的應(yīng)變達(dá)到最大值，并隨層深的增加而近似線性減小。

咬紙牙； 40Cr； 抗沖擊； 塑性變形

單張紙膠印機(jī)在印刷過(guò)程中，紙張由遞紙機(jī)構(gòu)傳遞到壓印滾筒上，由壓印滾筒咬紙牙咬住紙張完成圖文的轉(zhuǎn)印[1-2]。壓印滾筒咬紙牙性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到印品質(zhì)量和生產(chǎn)能力的高低。如果咬紙牙咬力不足或不均勻，紙張?jiān)趥鬟f過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生滑移，直接導(dǎo)致套印不準(zhǔn)、重影、變色等嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題[3]。咬紙牙結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由牙片、牙座、牙軸、壓簧、固定螺釘和調(diào)節(jié)螺釘組成。牙座用緊固螺釘夾緊在牙軸上，牙片滑套在牙軸上，它依靠壓簧和調(diào)節(jié)螺釘與牙座連接。咬紙牙和牙軸在開(kāi)牙凸輪控制下成整體地進(jìn)行高頻率反復(fù)開(kāi)牙、閉牙動(dòng)作，從而完成對(duì)紙張的夾緊及釋放。其中，咬紙力大小取決于壓簧的壓縮程度，可通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘改變壓簧壓縮量來(lái)控制[4]。

雖然在靜載條件下咬紙力遠(yuǎn)未達(dá)牙墊材料的屈服極限，不足以使牙墊發(fā)生塑性變形。但是，在多次往復(fù)沖擊載荷下，材料仍會(huì)發(fā)生宏觀塑性累積變形[5]。當(dāng)碰撞表面間有磨粒存在時(shí)，由于沖擊和磨損的作用，還會(huì)造成牙片和牙墊的過(guò)度磨損[6]。一臺(tái)印刷機(jī)如果每天以1.2萬(wàn)張/h的印刷速度工作，每天工作時(shí)間為8 h，則每天牙片和牙墊要相互沖擊擊打9.6萬(wàn)次，這樣一般情況下牙墊的壽命大約會(huì)在3～5個(gè)月，此時(shí)，牙墊會(huì)變得高低不平，影響咬紙牙的咬力，咬紙時(shí)紙張的咬口呈現(xiàn)波浪狀，印刷時(shí)易出現(xiàn)褶皺、甩角和爛口等故障。因此，要想延長(zhǎng)咬紙牙的使用壽命、提高印品質(zhì)量，有必要對(duì)咬紙牙的沖擊變形過(guò)程展開(kāi)深入研究。本文采用低應(yīng)力多次沖擊碰撞試驗(yàn)來(lái)模擬印刷過(guò)程中牙片與牙墊之間的往復(fù)擊打過(guò)程，分析不同沖擊次數(shù)條件下牙墊材料的塑性變形過(guò)程。研究結(jié)果不僅可以加深對(duì)咬紙牙失效機(jī)理的理解，而且可以為叼紙牙的保養(yǎng)和材料改性提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

采用如圖2所示的沖擊試驗(yàn)機(jī)模擬咬紙牙的實(shí)際擊打過(guò)程，該試驗(yàn)機(jī)是在電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)凸輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)沖頭6實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)試樣7的反復(fù)沖擊碰撞的過(guò)程。試驗(yàn)機(jī)可通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整沖擊頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧3的預(yù)壓縮量來(lái)調(diào)整沖擊載荷的大小。

實(shí)驗(yàn)材料選用硬質(zhì)合金40Cr，其化學(xué)成分和力學(xué)性能詳見(jiàn)表1和表2。沖擊試驗(yàn)所用的試樣如圖3所示，其中上端面承受沖頭的沖擊載荷，相當(dāng)于牙片和牙墊的接觸表面。

試樣的側(cè)面作為觀測(cè)面，采用激光刻線的方法，在該表面刻有尺寸為0.5 mm×0.5 mm均勻的網(wǎng)格，共15層。通過(guò)測(cè)量沖擊碰撞前后試件上網(wǎng)格層高的變化計(jì)算試件的形變量。

為了最大程度上接近咬紙牙機(jī)構(gòu)牙墊所受的沖擊過(guò)程，實(shí)驗(yàn)采用與實(shí)際工況相同的載荷。當(dāng)印刷速度為1.5萬(wàn)張/h，其頻率約4.17 Hz。因此本實(shí)驗(yàn)采用的沖擊頻率為4 Hz。沖擊次數(shù)間隔為2×103、4×103、8×103、16×103、32×103、64×103，每次碰撞間隔取下試樣，采用體式顯微鏡將網(wǎng)格進(jìn)行放大并拍攝照片，然后將網(wǎng)格照片導(dǎo)入圖像處理軟件，測(cè)量每層網(wǎng)格的高度，進(jìn)而計(jì)算出不同沖擊次數(shù)后網(wǎng)格的變形量和應(yīng)變值。用顯微硬度計(jì)測(cè)量不同層深處的維氏硬度。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)每次碰撞間隔測(cè)量得到的距沖擊表面不同深度處網(wǎng)格的高度變化，可以計(jì)算出試樣的新增變形量和累積變形量，進(jìn)而繪制出變形量關(guān)于沖擊次數(shù)的變化曲線(見(jiàn)圖4)。相鄰兩次間隔測(cè)量到的新增變形量Δ1的計(jì)算公式為:

(1)

式中,hi, j為第j次間隔測(cè)量到第i層網(wǎng)格的層高。

累積變形量Δ2的計(jì)算公式為:

(2)

式中hi,0和hi, f分別為第i層網(wǎng)格的初始高度和變形后的高度。

從圖4可以看出，累積變形量隨沖擊次數(shù)的增加而呈非線性增大，當(dāng)沖擊次數(shù)為2×103時(shí)，累積變形量為0.072 mm。當(dāng)沖擊次數(shù)為64×103時(shí)，累積變形量達(dá)到0.253 mm。但是，隨著沖擊次數(shù)的增大，相鄰兩次間隔的變形量增長(zhǎng)速度放緩，累積形變量趨于某一恒定值。

為了定量研究不同層深處網(wǎng)格的變形程度，引入累積塑性應(yīng)變?chǔ)牛?/p>

(3)

由式(3)可得到不同沖擊次數(shù)后應(yīng)變隨層深的變化曲線(見(jiàn)圖5)。

從圖5可以看出，隨著網(wǎng)格層深的增大，累積塑性應(yīng)變值呈線性減小。材料表層的累積塑性應(yīng)變導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)變硬化，顯微硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)64×103次沖擊碰撞后，試樣表層硬度達(dá)到443.6 HV，較初始硬度提高了7%。

綜合考慮沖擊次數(shù)對(duì)塑性應(yīng)變的影響，可采用線性關(guān)系式(4)來(lái)擬合塑性應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)于沖擊次數(shù)N和層深h的相互關(guān)系，其中a和b均為關(guān)于沖擊次數(shù)N的函數(shù)。沖擊次數(shù)N與a、b的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

(4)

表3 沖擊次數(shù)N與a、b的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.3 The value ofaandbas function ofN

圖6(a)和圖6(b)分別為參數(shù)a和b與沖擊次數(shù)N的對(duì)數(shù)lnN在二維坐標(biāo)系內(nèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖6可以看出，a和b都與lnN呈非線性關(guān)系。經(jīng)非線性擬合可得a和b關(guān)于沖擊次數(shù)N的近似表達(dá)式：

a=6.485-1.314lnN+0.059(lnN)2

(5)

b=-49.431+10.142lnN-0.458(lnN)2

(6)

將式(5)和式(6)代入式(4)，即可得到不同層深處累積塑性應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的近似表達(dá)式：

ε=[6.485-1.314lnN+0.059(lnN)2]h-

49.431+10.142lnN-0.458(lnN)2

(7)

根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式，我們就可以估算出經(jīng)過(guò)N次沖擊碰撞后牙墊的變形量，進(jìn)而預(yù)測(cè)咬紙牙的使用壽命。應(yīng)變?chǔ)排c層深h之間的定量關(guān)系為牙墊材料的表面涂層設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

通過(guò)低應(yīng)力多次沖擊碰撞試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，牙墊材料40Cr的累積變形量隨沖擊次數(shù)的增加而呈非線性增大，在試樣表層的應(yīng)變達(dá)到最大值，并隨層深的增加而近似線性減小。在距離試樣沖擊表面不同深度h處，累積塑性應(yīng)變?chǔ)排c沖擊次數(shù)N近似滿足本文式(7)的關(guān)系。

針對(duì)該牙墊材料在沖擊載荷下的“趨表效應(yīng)”，本課題組在后期研究中擬采用金屬基復(fù)合材料作為增強(qiáng)體包覆在牙墊體的表面，以提高其抗沖擊變形能力和耐磨性能，并與現(xiàn)有其他牙墊材料進(jìn)行對(duì)比分析。

[1]張福廣,錢(qián)進(jìn),許繼林. 膠印機(jī)叼紙牙機(jī)構(gòu)關(guān)鍵六要素[J]. 印刷技術(shù), 2014, 19(3):57-58.

Zhang Fuguang, Qian Jin, Xu Jilin. Six key influencing factors for gripper in offset press [J]. Printing Technology, 2014, 19(3):57-58.

[2]Thomas O, Namboothiri V N N. A framework for optimized design of serrations on a printing gripper [J]. Procedia Materials Science, 2014, 5:1509-1518.

[3]張雷. 淺析壓印滾筒叼紙牙對(duì)紙張壓印狀態(tài)的影響[J]. 印刷雜志, 2011,3(6):56-57.

Zhang Lei. Influence of gripper in offset press on the printing status of paper [J]. Printing Field, 2011,3(6):56-57.

[4]張海燕. 印刷機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京:印刷工業(yè)出版社, 2006.

[5]張倩茹,傅戈雁. 鐵鎳梯度材料抗低應(yīng)力多沖碰撞塑性變形性能研究[J]. 表面技術(shù), 2014, 43(6):28-32.

Zhang Qianru, Fu Geyan. Research of resistance to plastic deformation of iron-nickel gradient materials under the low and repeated impact stress [J]. Surface Technology, 2014, 43(6):28-32.

[6]盧磊磊,石成霞,王靜. 45號(hào)鋼在往復(fù)沖擊載荷作用下的塑性變形 [J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012 33(3):70-75.

Lu Leilei, Shi Chengxia, Wang Jing. Plastic deformation of steel No.45 under reciprocating impact load [J]. Journal of Qingdao Technological University, 2012, 33(3):70-75.

[7]徐桃. 多次沖擊碰撞載荷下T10鋼的累積宏觀塑性變形及其機(jī)理分析 [D]. 蘇州: 蘇州大學(xué), 2011.

Xu Tao. Analysis the T10 carbon tool steel accumulative macro plastic deformation and mechanism under repeated impact load [D]. Suzhou: Soochow University, 2011.

(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Plastic deformation of gripper in offset press under the action of repeated impact load

LIU Jian, FAN Tao, ZHANG Haiyan, HOU Heping

(Faculty of Printing，Packaging Engineering and Digital Media Technology,Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

In order to reveal the plastic deformation laws of gripper pad in offset press under the conditions of frequent impact load, repeated impact tests under low stress are carried out to simulate the working process of gripper. Coordinate grid method is used to determine the distribution and evolution of plastic strain of 40Cr under repeated impact load. Finally, an experimental formula about plastic strain and impact time as well as the distance from the impacted surface is established. Results show that the accumulated deformation increases nonlinearly with an increase in impact time, the plastic strain reaches a maximum value on the sample surface, and decreases in approximate linearity with an increase in depth from surface.

gripper; 40Cr; impact resistant; plastic deformation

1006-4710(2015)02-0155-04

2014-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305345)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JQ6228)；西安理工大學(xué)科技新星科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(104-211404)。

劉健，男，博士，講師，研究方向?yàn)橛∷C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與過(guò)程仿真。E-mail: liujian@xaut.edu.cn。

TS825, TH114

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