Innowacyjna technologia wibracyjnego krojenia stosów papieru i bloków książkowych

1. Streszczenie

Operacje krojenia papieru mają szerokie zastosowanie w procesie wykonania produkcji poligraficznej. Rozwój konstrukcji maszyn do krojenia stosów papieru i książek idzie głównie w kierunku maksymalnie możliwej automatyzacji ich pracy, natomiast wykorzystywany sposób krojenia – gilotynowy pozostał bez zmian. W ostatnich latach odnotowuje się intensywne badania i próby praktycznego wykorzystania wibracji narzędzi tnących przy obróbce krojeniem różnych materiałów. Przeprowadzone badania wibracyjnego krojenia stosów papieru i broszur w zakresie niskich i ultradźwiękowych częstotliwości wykazały praktyczną możliwość zastosowania wibracyjnego krojenia. Przy krojeniu stosów papieru wykorzystano przemysłową częstotliwość prądu elektrycznego (50 Hz) stosując wibratory elektromagnetyczne. W wyniku przeprowadzonych badań na krajarce jednonożowej ustalono zmniejszenie siły wibracyjnego krojenia w 1,5 ÷ 1,8 razy, w porównaniu z krojeniem tradycyjnym oraz znaczne podniesienie jakości ciecia. Znaczne zmniejszenie siły wibracyjnego krojenia dało możliwość usunięcia listwy podnożowej w stole krajarki i zastąpienie jej poduszką powietrzną. 

2. Wprowadzenie, znaczenie krojenia w poligrafii

Do jednych z podstawowych operacji technologicznych w poligrafii odnoszą się operacje krojenia papieru, które mają szerokie zastosowanie w całym cyklu wykonania produkcji poligraficznej: przed drukowaniem – do przekrawania i okrawania stosów niezadrukowanych arkuszy na krajarkach jednonożowych, jak również przy obróbce końcowej wkładów książkowych – do krojenia książek z trzech stron za pomocą krajarek trójnożowych. 

Jeszcze do niedawna krojenie papieru było uważane za proces drugorzędny 
i pomocniczy. Obecnie przykłada się do niego znacznie więcej uwagi, ponieważ od prawidłowego krojenia w znacznym stopniu zależy sprawny przebieg innych operacji technologicznych, co ma duży wpływ na jakość, wydajność produkcji oraz koszt wykonania finalnego produktu poligraficznego.

3. Obecny stan techniki, krajarki gilotynowe i ich ograniczenia

Analiza tendencji rozwoju maszyn i urządzeń do krojenia stosów papieru, książek oraz tektury opakowaniowej wykazuję, że   rozwój krajarek  idzie głównie w kierunku maksymalnie możliwej automatyzacji ich pracy. Nowoczesne krajarki zazwyczaj są wyposażone w układy kontrolno-sterujące, połączone z komputerowymi systemami zarządzania drukarnią, zapewniające wyższą wydajność pracy, mniejsze odpady produkcyjne, szybkie przestawienie maszyn na inne zlecenie, łatwiejszą obsługę oraz zmniejszenie udziału krajaczy w procesie produkcyjnym. Większość tych unowocześnień dotyczy modernizacji procesów przygotowawczo-pomocniczych, natomiast wykorzystywany sposób krojenia – gilotynowy (w krajarkach jedno- i trójnożowych) pozostał bez zmian od ponad 175 lat!

Cykl pracy krajarki jednonożowej polega na ułożeniu stosu papieru na stole krajarki, ustawieniu stosu na wymiar cięcia, jego zaciśnięciu oraz przekrojeniu nożem o kącie zaostrzenia 24o – 26o. Nóż, poruszając się z góry na dół wykonuję złożony (tzw. szablowy) ruch, którego ostrze w dolnym położeniu, dla docięcia ostatnich arkuszy, zagłębia się do listwy podnożowej, zazwyczaj wykonanej z tworzywa sztucznego. Książki, na końcowym etapie produkcji, poddawane są krojeniu  z trzech boków: górnego, dolnego oraz przedniego. Trójstronne okrawanie opraw realizowane jest za pomocą specjalistycznych maszyn – krajarek trójnożowych (tzw. trójnoży). Trójnoże są intensywnie eksploatowane w drukarniach jako maszyny wolnostojące, albo jako urządzenia wchodzące w skład szybkobieżnych automatycznych linii potokowych do produkcji książek w oprawach miękkich lub twardych. Znane również przykłady zastosowania krajarek jednonożowych do realizacji trójstronnej obróbki, jednak  takie okrawanie jest stosowane rzadko, ponieważ charakteryzuje się niską wydajnością.

Stosowany do krojenia gilotynowy sposób powoduję, że współczesne krajarki jedno- i trójnożowe charakteryzują się bardzo wysoką metalo- i energochłonnością. W celu zapewnienia wysokiej dokładności krojenia producenci maszyn zwiększają sztywność podstaw i elementów maszyn, co zwiększa zużycie coraz droższych metali przy produkcji krajarek.  Udarowy wzrost sił w cyklu krojenia powoduję impulsowy charakter przeciążeń elementów napędu maszyn. W miarę wzrostu prędkości pracy maszyn najbardziej odpowiedzialne mechanizmy krajarek - mechanizmy noży - są poddawane największym przeciążeniom. Znaczne obciążenia dynamiczne krajarek podczas krojenia stosów papieru i książek stanowią przeszkodę dla zwiększenia wydajności tych maszyn. W celu uniknięcia tzw. „wąskiego gardła” w szybkobieżnych liniach  automatycznych do produkcji książek niejednokrotnie na końcu tych linii ustawiają po dwa-trzy trójnoże. Wydajność krajarek trójnożowych osiągnęła już szczytowych wartości - 110÷120 cykli/min, zaś krajarek jednonożowych – 45÷55 cykli/min.

Konstruktorzy krajarek poświęcają wiele uwagi udoskonaleniu mechanizmów napędu noży, najbardziej obciążonych przez większą część cyklu roboczego mechanizmów krajarek. Zmiany w konstrukcjach napędów noży krajarek realizujących tradycyjny sposób krojenia nie pozwalają znacząco obniżyć siły krojenia stosów papieru, tektury oraz książek. Stan ten powoduję konieczność poszukiwań nowych sposobów krojenia materiałów papierniczych.

4. Alternatywne metody krojenia

Przeprowadzone próby wykorzystania do cięcia stosów papieru wąskiego strumienia wody wysokiego ciśnienia nie dały pożądanych efektów. Natomiast okrawanie stosów papieru promieniami laserowymi w obecnej chwili jest zbyt drogie.

5. Wprowadzenie do krojenia wibracyjnego, definicja i klasyfikacja

W ostatnich latach odnotowuje się intensywne badania i próby praktycznego wykorzystania wibracji narzędzi tnących przy obróbce krojeniem różnorakich materiałów. Wyniki tych badań wykazują znaczne zmniejszenie sił krojenia i polepszenie jakości obróbki przy mniejszym zużyciu energii. Zasługuje na uwagę fakt, że już w latach sześćdziesiątych XX wieku wskazywano na możliwość zastosowania wibracji do krojenia papieru w poligrafii. Podczas wykonanych wtedy prób krojenia papieru metodą wibracyjną  odnotowano zmniejszenie siły krojenia oraz poprawę jakości cięcia, jednak dalszych badań w kierunku przemysłowego zastosowania wibracji narzędzi tnących przy obróbce materiałów papierniczych sposobem krojenia nie prowadzono.

Cięcie wibracyjne - jest to rodzaj obróbki, w którym narzędziu tnącemu nadawane są wymuszone drgania o określonej amplitudzie i częstotliwości. Duży wpływ na efektywność zastosowania obróbki wibracyjnej wykazuje prawidłowy wybór parametrów oraz kierunku działania nadawanych drgań.

Rozróżnia się trzy główne kierunki nadawania drgań narzędziom tnącym w procesie krojenia papieru (rys. 1): wzdłużne (wzdłuż osi Y), zgodne z głównym kierunkiem ruchu narzędzia tnącego; poprzeczne (wzdłuż osi X), prostopadłe do głównego ruchu krojenia w płaszczyźnie cięcia oraz tzw. czołowe (wzdłuż osi Z), w kierunku zmiany grubości warstwy obrabianego podczas obróbki materiału, prostopadłe do płaszczyzny cięcia.

Rys.1. Możliwe kierunki nadawania drgań narzędziom tnącym w procesie obróbki wibracyjnej

Każdy ze schematów ma swoje osobliwości i jest stosowany w zależności od wymagań technologicznych, dotyczących procesu obróbki krojeniem oraz własności obrabianego materiału.

Przyjęto wyróżniać cztery zakresy częstotliwości drgań nadawanych w procesie obróbki wibracyjnej  narzędziom tnącym: poddźwiękowe (do 20 Hz), niskiej częstotliwości (20÷200 Hz), wysokiej częstotliwości (200÷16000 Hz) oraz drgania ultradźwiękowe (ponad 16 kHz). Najczęściej przy obróbce różnych materiałów stosowane są drgania o niskiej oraz ultradźwiękowej częstotliwości. Najwięcej badań dotyczących wykorzystania wibracyjnego krojenia w przemyśle przeprowadzono w zakresie obróbki metali, tworzyw sztucznych, drewna oraz innych trudnych do obróbki materiałów.  

6. Wpływ parametrów drgań na siłę krojenia

Znacznego zmniejszenia siły krojenia stosów arkuszy papieru i książek należy oczekiwać przy nadaniu nożu drgań wzdłuż po osi X (rys. 1). Lepszą jakość cięcia papieru z takimi drganiami noża  pojaśnia względnie małą siłą krojenia (włókna papieru są piłowane, a nie wyrywane) oraz zwrotno-posuwiste ruchy noża, które dodatkowo wygładzają powierzchnię krojenia.

Wyniki przeprowadzonych badań wykazały zależność siły krojenia od parametrów drgań -  amplitudy i częstotliwości. Czym wyższe amplituda i częstotliwość drgań noża, tym mniejsza jest siła krojenia. Wysoką efektywność zastosowania wibracyjnej technologii krojenia  papieru należy oczekiwać przy ultradźwiękowych drganiach narzędzi tnących. W skutek powstania  w strefie cięcia papieru zmiennych, z częstotliwością ultradźwiękową, obciążeń dynamicznych obrabiany materiał jest rozdzielany we wcześniejszym stadium deformacji, co uważa się za jedną z przyczyn znacznego zmniejszenia siły obróbki przy ultradźwiękowym cięciu papieru. 

7. Badania ultradźwiękowego krojenia bloków broszurowych

Przeprowadzone badania ultradźwiękowego krojenia tektury oraz broszurowych bloków książkowych o grubości do 5 mm wykazały zmniejszenie siły krojenia w 3 ÷ 4 razy, w porównaniu z tradycyjnym krojeniem. Podczas przeprowadzenia badań na stanowisku laboratoryjnym bloki broszurowe oraz arkusze tektury były zaciskane w transporterze  i podawane ze stałą prędkością na specjalnie wykonany ultradźwiękowy nóż-koncentrator, drgający z częstotliwością 22 kHz i amplitudą 20 ÷ 30 µm (rys. 2).

Rys. 2. Schemat badań ultradźwiękowego krojenia bloków broszurowych

1 – blok broszurowy, 2 – transporter, 3 – specjalny ultradźwiękowy nóż-koncentrator

W wyniku badań ustalono, że wraz ze wzrostem prędkości posuwu bloków broszurowych (ponad 0,5 m/s) oraz zwiększeniem grubości krojonych bloków lub arkuszy tektury (ponad 5 mm), odnotowuje się znaczny wzrost oporów krojeniu oraz pogorszenie jakości ciecia. Ograniczenie grubości obrabianych bloków broszurowych oraz stosunkowo niska prędkość obróbki wymagają opracowania nowego podejścia do zastosowania wibracji przy krojeniu znacznie grubszych stosów papieru i książek. 

8. Koncepcja krajarki jednonożowej z wibratorem elektromagnetycznym (50 Hz)

Dla praktycznej realizacji wibracyjnego krojenia stosów papieru i opraw nie ma potrzeby zastosowania zbyt wysokich częstotliwości wibracji noży, które mogą niekorzystnie wpływać na inne mechanizmy krajarek. Poprzez dobór odpowiednich parametrów drgań: amplitudy i częstotliwości wibracji  można osiągnąć kilkakrotne zmniejszenie siły krojenia stosując drgania w zakresie niskich częstotliwości np. 50 Hz. Takie rozwiązanie konstrukcyjne niewątpliwie zmniejszy koszty wyposażenia krajarek w układy wibracyjne, eliminując zastosowanie specjalnych wibratorów z generatorami drgań o innych częstotliwościach.

Przeprowadzone badania wibracyjnego krojenia stosów papieru wykazały możliwość wykorzystania przemysłowej częstotliwości prądu elektrycznego (50 Hz) stosując prostsze w wykonaniu wibratory elektromagnetyczne. Na rys. 3 przedstawiono schemat koncepcyjny konstrukcji krajarki jednonożowej z zamontowanym w belce nożowej wibratorem elektromagnetycznym, który nadaje nożu drgania.

Rys. 3. Schemat koncepcyjny krajarki jednonożowej z zamontowanym nożem wibracyjnym

1 – belka nożowa, 2 – nóż, 3 – wibrator elektromagnetyczny, 4 – stos papieru

Przeprowadzone badania komputerowe wibracyjnego krojenia stosów papieru wykazały, że przy posuwisto-zwrotnym ruchu noża rzeczywisty kąt krojenia w cykle drgania noża okresowo zmienia się od minimalnego znaczenia do maksymalnego. Jedną z przyczyn zmniejszenia siły krojenia przy wibracyjnych ruchach noża jest zmienna deformacja stosu w strefie krojenia – pojawienie się kolejnych etapów ściskania i wyprostowania warstw papieru podczas krojenia wibrującym nożem. Uzyskane w wyniku badań doświadczalnych oscylogramy rejestracji siły krojenia potwierdziły wpływ wibracyjnych ruchów noża i zmiennych deformacji papieru (etapów ściskania – krojenia) na zmniejszenie siły przy krojeniu wibracyjnym.

W wyniku przeprowadzonych badań eksperymentalnych na krajarce jednonożowej wyposażonej w nóż wibracyjny z napędem od wibratora elektromagnetycznego ustalono zmniejszenie siły wibracyjnego krojenia w 1,5 ÷ 1,8 razy, w porównaniu z krojeniem tradycyjnym oraz znaczne podniesienie jakości ciecia. 

9. Zastąpienie listwy podnożowej poduszką powietrzną

Znaczne zmniejszenie siły wibracyjnego krojenia i podniesienie jakości ciecia daje możliwość wyeliminowania listwy podnożowej w stole krajarki i zastąpienie jej poduszką powietrzną.

Rys. 4. Schemat krojenia dolnych arkuszy stosu papieru na poduszce powietrznej

1 – belka dociskowa, 2 – nóż wibracyjny, 3 – stos papieru, 4 – stół ze szczeliną

Na rys. 4 przedstawiono schemat objaśniający istotę zaproponowanego sposobu podtrzymywania sprężonym powietrzem dolnych arkuszy podczas docinania stosu papieru na stole krajarki. Po zaciśnięciu belką dociskową stosu, nóż wibracyjny zaczyna krojenie. Przed docięciem ostatnich dolnych arkuszy otwiera się w stole krajarki szczelina, gdzie doprowadza się sprężone powietrze podtrzymujące dolne arkuszy papieru podczas ich krojenia. Wskutek tego, że nóż w procesie krojenia nie wchodzi swoim ostrzem do listwy podnożowej – jego krawędź tnąca tępi się znacznie wolniej, co wydłuża czas eksploatacji noża wibracyjnego.

10. Wnioski

Przeprowadzone badania procesów wibracyjnego krojenia wykazały możliwość  znacznego zmniejszenia siły krojenia, wydłużenie okresu trwałości ostrzy noży przy bardzo wysokiej jakości cięcia papieru, co stwarza możliwość praktycznego zastosowania w produkcji poligraficznej wibracyjnej technologii krojenia stosów papieru i bloków książkowych.