Способ и устройство для резки стекла
Изобретение относится к области стекольной, строительной, мебельной и автомобильной промышленности и может быть использовано в машинах, предназначенных для раскроя силикатного стекла и зеркал. Технической задачей изобретения является повышение качества раскроя и исключение значительного по величине ударного воздействия при отделении раскроенных частей стекла. Способ резки стекла включает формирование концентратора напряжений и образование сквозной трещины стекла. Формирование концентратора напряжений осуществляют с опережением процесса формирования сквозной трещины на некоторую рассчитываемую величину, причем при образовании сквозной трещины на концентратор воздействуют знакопеременными циклическими нагрузками. Фиксированную величину опережения процесса формирования сквозной трещины обеспечивают регулированием параметров вибровозбудителя. Устройство для резки стекла включает корпус с размещенным на нем режущим элементом, который размещен на корпусе посредством кронштейна с возможностью регулировочного перемещения вдоль его оси. В корпусе подвижно в радиальном направлении на упругой подвеске установлены вибровозбудитель и связанный с ним ломатель, выполненный в виде стержня с роликом. Вибровозбудитель выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором размещен с возможностью вращения стержень со сменной тарелкой. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области стекольной, строительной, мебельной и автомобильной промышленности и может быть использовано в машинах, предназначенных для раскроя силикатного стекла и зеркал.
Известен способ раскроя стекла, реализованный в установке для резки плоских фигурных стекол [1].
Способ заключается в том, что формируется линия реза и при этом осуществляется образование сквозной трещины посредством механического воздействия на стекло в виде удара, причем одновременно с этим осуществляется пневматическое поджатие стекла к узлу резки.
Недостатками данного способа являются низкое качество резки, вследствие того что при одновременном формировании линии реза и сквозной трещины происходит превышение скорости роста сквозной трещины по сравнению со скоростью формирования линии реза, а также из-за того, что при механическом воздействии в виде удара происходит образование множества микротрещин, вследствие того что удар производится в зоне резания, что ведет к снижению стойкости инструмента, и как следствие к ухудшению качества реза, а также вследствие того что ударное воздействие осуществляется не только на стекло, но и на узел резки, что ведет к образованию неравномерной глубины концентратора.
Известно устройство [1], предназначенное для резки плоских фигурных стекол, содержащее средства подачи и ориентации стекла, копир, узел резки, источник тока, электромагнит и ударник, снабженный скобой и закрепленной на ее нижней полке опорной пятой, выполненной с сообщающимися с источником подачи сжатого воздуха отверстиями, в которых размещены шарики, а ударник установлен в полости электромагнита, смонтированного по центру пяты.
Недостатками данного устройства, являются отсутствие узла регулировки подбора параметров процесса для различных типов и толщины стекол, а также вследствие малой величины опорной поверхности, при больших размерах стекла, не исключена возможность самопроизвольного трещинобразования и откалывания стекла.
Известен способ резки [2] листового стекла по замкнутому контуру, взятый за прототип, включающий нанесение линии реза и образование сквозной трещины, причем последнее осуществляют вакуумом одновременно с нанесением линии реза.
Недостатками данного способа являются низкая универсальность, вследствие того, что отсутствует возможность резки по прямолинейному и незамкнутому контуру, а также по замкнутому контуру вблизи края стекла; низкое качество реза, вследствие того что при одновременном формировании линии реза и сквозной трещины последняя, опережая линию реза, распространяется в произвольных направлениях. Кроме того, вследствие значительного силового воздействия в точке реза возможно образование сквозных трещин, раскалывание стекла в направлении, отличном от заданного в момент начала и окончания реза, а также необходимость точного совпадения начала и конца реза.
Известно устройство, взятое за прототип [2], которое включает подпружиненный режущий элемент, расположенный в вакуумной полости.
Недостатками данного устройства являются низкая универсальность и неэкономичность, вследствие того что эта конструкция предназначена только для резки по замкнутому контуру и не позволяет резать стекло по прямолинейному и незамкнутому контуру, а также по замкнутому контуру вблизи края стекла, что ведет при раскрое к значительному количеству отходов, низкое качество реза, вследствие того что конструкция не позволяет сначала создавать концентратор, а затем откалывать стекло при одновременном формировании линии реза и сквозной трещины, последняя, опережая линию реза, распространяется в произвольных направлениях [3], а также вследствие значительного силового воздействия в точке реза возможно образование сквозной трещины и раскалывание стекла в направлении, отличном от заданного в момент начала и окончания реза, а также необходимость точного совпадения начала и конца реза.
Технической задачей является устранение указанных недостатков, а именно повышение качества раскроя, обеспечивая движение сквозной трещины в требуемом направлении, и исключение значительного по величине ударного воздействия при отделении раскроенных частей стекла.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе резки стекла, включающем формирование концентратора и образование сквозной трещины стекла, согласно изобретению формирование концентратора осуществляют с опережением процесса формирования сквозной трещины на величину:
где h - толщина стекла, м;
ai - ударная вязкость, кг·см/см2;
l - вылет ротора вибровозбудителя, м;
ω - частота колебаний системы, Гц;
m - приведенная масса инерционного элемента вибровозбудителя, кг;
j - жесткость ротора вибровозбудителя, н/м;
D - диаметр тарелки ротора вибровозбудителя, м;
Рос - осевая сила сопряжения тарелки ротора с контртелом, Н;
q - соотношение масс колебательной системы, причем при образовании сквозной трещины на концентратор воздействуют знакопеременными циклическими нагрузками:
где 
- ускорение центра масс колебательной системы, м/с2.
Задача также может быть решена за счет того, что фиксированную величину r опережения процесса формирования сквозной трещины обеспечивают регулированием параметров Рос, ω, D, m, l, q, j.
Для осуществления вышеуказанного способа предлагается устройство для резки стекла, которое включает корпус с размещенным на нем режущим элементом, у которого согласно изобретению режущий элемент размещен на корпусе посредством кронштейна с возможностью регулировочного перемещения вдоль его оси, а в корпусе подвижно в радиальном направлении на упругой подвеске установлены вибровозбудитель и связанный с ним ломатель, выполненный в виде стержня с роликом, размещенный в корпусе устройства с возможностью упругого углового поворота вокруг собственной оси, перпендикулярной оси корпуса, а вибровозбудитель выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором размещен с возможностью вращения стержень со сменной тарелкой, взаимодействующей с подпружиненным относительно корпуса вибровозбудителя плоским шлицевым вкладышем, причем стержень связан с приводным элементом.
Благодаря техническим приемам и конструктивным связям, описанным вышеперечисленными признаками, можно сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 а), б), в) показана схема резки листового стекла;
на фиг.2 а), б) - схема предлагаемого устройства для резки стекла;
на фиг.3 а) - схема образования прямолинейного реза;
на фиг.3 б) - схема образования криволинейного реза;
на фиг.4 а), б) - схема образования трещины при неверном выборе межроликового расстояния;
на фиг.5 - экспериментально полученная трещина при определение межроликового расстояния по приведенным зависимостям.
Схема реализации заявляемого способа резки стекла (см. фиг.1а) включает корпус 1, кронштейн 2 с режущим элементом 3, ломатель 4, связанный с вибровозбудителем, последним осуществляется наложение принудительных колебаний на ломатель 4 с частотой ω.
Способ осуществляется следующим образом: при перемещении по поверхности стекла (см. фиг.1б) режущего элемента 3, последний оставляет за собой след в виде надреза, который представляет собой концентратор напряжений. Последовательно с некоторым отставанием за режущим элементом с той же скоростью перемещается ломатель 4 (см. фиг.1в), который воздействует на концентратор знакопеременным цикличным усилием Р с частотой ω, раскалывая стекло, формирует сквозную трещину.
При формировании концентратора на поверхности стекла происходит значительное снижение его прочности и сопротивления циклическим нагрузкам в этой зоне.
Работа, необходимая для разрушения стекла (требуемая для образования трещины площадью F), может быть вычислена:
где аi - ударная вязкость стекла.
Вследствие того что образование сквозной трещины носит опережающий характер, для того чтобы она не вышла за пределы начала концентратора, ее площадь при одном цикле нагрузки не должна превышать предельного значения:
где h - толщина стекла, r - величина опережения формирования концентратора по сравнению с формированием сквозной трещины.
Вынуждающая сила однороторного планетарного, инерционного вибровозбудителя изменяется по закону:
где 
- ускорение центра масс вибровозбудителя,
m - масса инерционного элемента вибровозбудителя.
Вынуждающая сила вибровозбудителя снимается только в одном направлении, перпендикулярном поверхности стекла, и изменяется от нуля до максимального значения за время:
где ω - частота колебаний системы.
За это время ломатель совершает путь:
где ρ - амплитуда колебаний центра масс ротора вибровозбудителя,
q - соотношение масс колебательной системы.
С другой стороны, работа, идущая на разрушение стекла:
где К - кинетическая энергия,
U - потенциальная энергия.
При
- скорость движения ломателя:
достигает нулевого значения, а следовательно, и К=0, тогда работа вибровозбудителя:
Сопоставив выражения (3) и (10), получим:
тогда:
где 
Выражаем величину опережения формирования концентратора по сравнению с формированием сквозной трещины:
где частота ω колебаний ротора инерционного элемента и частота его вращения ωвр связаны соотношением [3]:
где l - вылет ротора вибровозбудителя;
j - жесткость ротора вибровозбудителя;
Pос - осевая сила сопряжения тарелки ротора с контртелом;
Преобразовывая выражение (14), получаем:
возводя обе части в квадрат
и далее, сокращая, получаем:
перенося все слагаемые в правую часть, имеем уравнение:
Преобразуем уравнение (19):
откуда частоту вращения ωвр получаем:
Вследствие наличия взаимосвязи между частотой вращения ωвр и частотой колебаний ω [3]:
где D - диаметр ротора инерционного элемента.
Получаем соотношение:
откуда:
Зависимость (25) представляет собой минимальное расстояние между режущим роликом и ломателем. Для обеспечения гарантированного исключения опережающего движения сквозной трещины относительно режущего ролика при выполнении конструктивных расчетов необходимо принимать конструктивное расстояние rк в 1.5-3.0 раза больше, т.е. rк=1.5-3.0r.
Гарантированное исключение опережающего движения сквозной трещины относительно режущего ролика позволяет повысить качество резки стекла, что в конечном счете позволяет сделать вывод об эффективности предлагаемого способа.
Для осуществления вышеуказанного способа предлагается устройство для резки стекла, которое включает (см. фиг.2) корпус 1 с размещенным на нем кронштейном 2 с режущим элементом 3, в котором согласно изобретению режущий элемент размещен на корпусе посредством кронштейна с возможностью регулировочного перемещения вдоль его оси, а в корпусе подвижно в радиальном направлении установлены ломатель 4 и связанный с ним посредством упругой подвески 5 вибровозбудитель 6. Ломатель выполнен в виде стержня с роликом 4, размещенный в корпусе устройства с возможностью упругого поворота за счет пружины 7 вокруг оси, перпендикулярной оси корпуса, а вибровозбудитель выполнен в виде цилиндрического корпуса 8, в котором размещен с возможностью вращения стержень со сменной тарелкой 9, взаимодействующей с подпружиненным относительно корпуса вибровозбудителя плоским шлицевым вкладышем 10, причем стержень связан с приводным элементом 11.
Устройство работает следующим образом: при перемещении устройства по поверхности стекла (см. фиг.2) режущий элемент 3 оставляет след, который представляет собой микроканавку и является концентратором напряжения, далее, с некоторым отставанием на величину r, на концентратор воздействуют знакопеременной циклической нагрузкой от вибровозбудителя 6 посредствам ломателя 4, в результате чего формируется сквозная трещина по следу, оставленному режущим элементом. Разрезание криволинейных поверхностей осуществляется (см. фиг.Зб) путем поворота ломателя на соответствующий угол, необходимый для получения заданного радиуса, необходимая точность этого угла при этом может обеспечиваться, например, самим концентратором или копиром (последний условно не показан). Устройство может применяться для получения незамкнутых и замкнутых линий реза.
При неверном выборе межроликового расстояния (см. фиг.4) конструктивное расстояние между роликами rк меньше минимального r, вычисленного по зависимости (25). В этом случае возможно опережающее самопроизвольное развитие сквозной трещины в направлении, отличном от заданного. При выборе межроликового расстояния в соответствии с зависимостью (25) для вибровозбудителя, имеющего следующие параметры: m=0.01 кг, l=0.05 м, j=20160 Н/м, D=0.03 м, h=0.005 м, аi=1 кг см/см2, Рос=1Н, q=0.0625, частота колебаний ω в этом случае составила в соответствии с зависимостью (14) - 226 Гц, рассчитав величину межроликового расстояния с использованием зависимости (25), получаем минимальную величину r=3,5 мм, конструктивную величину принимаем равной 10 мм, формирование сквозной трещины происходит только после образования концентратора (см. фиг.5), что и было экспериментально установлено. Устройство было изготовлено и испытано в лабораторных условиях для резки листового стекла. Испытание показали его работоспособность и эффективность. Ожидается экономический эффект от внедрения и использования устройства для резки стекла, что объясняется повышением качества реза, снижением брака и боя стекла, увеличением эффективности установки, особенно при механизированном раскрое.
Промышленная применимость. Предлагаемые способ и устройство могут быть реализованы в установках для резки листового стекла в различных отраслях промышленности.
Источники информации
1. В.М.Бельский, В.А.Литвинов. Устройство для резки плоских фигурных стекол./ А.С. №3605420, 14.06.83.
2. В.М.Бельский, В.А.Литвинов, Е.И.Овчинникова, В.Д.Чайка. Способ резки листового стекла./ А.С. №903318, 07.02.82.
3. С.Г.Лакирев, Я.М.Хилькевич, С.В.Сергеев. Способ возбуждения круговых колебаний и устройства для его осуществления./ А.С. №1664412, 23.07.91.
1. Способ резки стекла, включающий формирование концентратора напряжений и образование сквозной трещины стекла, отличающийся тем, что формирование концентратора осуществляют с опережением процесса формирования сквозной трещины на величину
где h - толщина стекла, м;
ai - ударная вязкость, кг·см/см2;
l - вылет ротора вибровозбудителя, м;
ω - частота колебаний системы, Гц;
m - приведенная масса инерционного элемента вибровозбудителя, кг;
j - жесткость ротора вибровозбудителя, н/м;
D - диаметр тарелки ротора вибровозбудителя, м;
Рос - осевая сила сопряжения тарелки ротора с контртелом, Н;
q - соотношение масс колебательной системы,
причем при образовании сквозной трещины на концентратор напряжений воздействуют знакопеременными циклическими нагрузками:
,
где 
- ускорение центра масс колебательной системы, м/с2.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксированную величину r опережения процесса формирования сквозной трещины обеспечивают регулированием параметров Рос, ω, D, m, l, q, j.
3. Устройство для резки стекла, включающее корпус с размещенным на нем режущим элементом, отличающееся тем, что режущий элемент размещен на корпусе посредством кронштейна с возможностью регулировочного перемещения вдоль его оси, а в корпусе подвижно в радиальном направлении на упругой подвеске установлены вибровозбудитель и связанный с ним ломатель, выполненный в виде стержня с роликом, размещенный в корпусе устройства с возможностью упругого поворота вокруг оси, перпендикулярной оси корпуса, а вибровозбудитель выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором размещен с возможностью вращения стержень со сменной тарелкой, взаимодействующей с подпружиненным относительно корпуса вибровозбудителя плоским шлицевым вкладышем, причем стержень связан с приводным элементом.
