En mi trabajo con máquinas dobladorasHe descubierto que el análisis de elementos finitos (FEA) es una herramienta invaluable para evaluar y mejorar la integridad estructural del bastidor. El bastidor de una máquina dobladora debe soportar fuerzas significativas durante su funcionamiento, y cualquier debilidad puede provocar fallas o imprecisiones. Gracias al FEA, he podido identificar los puntos de tensión y optimizar el diseño para lograr un mayor rendimiento y durabilidad. En este artículo, analizaré el proceso del análisis de elementos finitos y cómo se puede aplicar para mejorar el bastidor de una máquina dobladora, compartiendo información que puede ayudar a ingenieros y operadores a garantizar la funcionalidad y la longevidad óptimas de sus equipos.

1. Prólogo

El bastidor de la máquina dobladora es el componente clave de la máquina dobladoraLa rigidez del bastidor de la dobladora afecta directamente la seguridad y la precisión de doblado. El equilibrio entre calidad y precio siempre ha sido la prioridad del diseñador. La dobladora de la serie A es un modelo que la compañía introdujo y promovió con tecnología avanzada internacional a principios de la década de 1980. Esta serie de dobladoras es sencilla, práctica y presenta una baja tasa de fallos. Son muy apreciadas por los usuarios y siempre han sido un producto estrella de la compañía.

Dado que la máquina se diseñó antes de la década de 1980, su diseño se limitaba al sistema de diseño y al software y hardware de la época. En aquel entonces, el diseño se basaba básicamente en el método tradicional de mecánica de materiales. Para las piezas estructurales soldadas de gran tamaño del bastidor de la dobladora, el punto de concentración de tensiones no se puede calcular con precisión, por lo que se suele utilizar el método de hipótesis aproximada, cuyo resultado es muy aproximado. Para garantizar la seguridad, los diseñadores suelen añadir valores de experiencia artificial, lo que aumenta el factor de seguridad y, por lo tanto, resulta en equipos muy voluminosos, con un alto consumo de materiales y una mayor dificultad de producción.

2. La Estructura Principal y el Objeto de Investigación de la Máquina Herramienta

2.1 Estructura de la máquina

  La máquina dobladora de la serie A es la estructura de transmisión superior, como se muestra en la Figura 1. Se compone principalmente de las siguientes partes:

 Bastidor: soldado con placa de acero gruesa, compuesto principalmente de viga superior, placas laterales izquierda y derecha y vigas inferiores, utilizado para fijar varios componentes como cilindro de aceite, riel guía y matriz inferior.

Control deslizante: La estructura general de la placa de acero gruesa está conectada con el cilindro de aceite y el riel guía, y el extremo inferior está fijado con el molde superior, y el cilindro de trabajo impulsa el movimiento alternativo superior e inferior para completar el doblado de la chapa.

Cilindro: proporciona la fuerza de doblado necesaria para doblar la lámina y acciona el control deslizante para que se mueva hacia arriba y hacia abajo.

Barra de equilibrio: asegúrese de que el control deslizante se ejecute sincrónicamente hacia la izquierda y la derecha.

Corredera: se fija en el marco para limitar el movimiento de la corredera.

2.2 Objeto de investigación

Las dobladoras de la serie A que produce actualmente la empresa presentan diversas especificaciones. En este artículo, se selecciona la dobladora A3.1m×1000kN más vendida y representativa para su investigación y análisis. El objeto de estudio es el bastidor con mayor cantidad de materiales. La Figura 2 muestra un diagrama de modelado tridimensional del bastidor de la dobladora de la serie A.

Está soldado con una placa de acero gruesa y dividido en tres partes: la viga superior, las placas laterales izquierda y derecha, y la viga inferior. La viga superior es una estructura de doble placa para el montaje del accionamiento y el cilindro de aceite; la viga inferior es una estructura de placa de acero gruesa que absorbe la fuerza de carga del molde inferior; la placa lateral conecta las vigas superior e inferior, y cuenta con una garganta en forma de C para la alimentación.

3. Establecimiento del modelo de elementos finitos

El bastidor de la dobladora está soldado. Si se utiliza la estructura soldada durante el modelado, se deben considerar factores como el tipo de soldadura entre las placas de acero, lo que aumentará considerablemente la complejidad del proceso de cálculo. Para facilitar la generación y el control de la malla, el modelo está garantizado. La geometría y las propiedades mecánicas son similares a las de la situación real, y se han realizado las siguientes simplificaciones:

(1) Generación de patrones de una sola pieza para el modelo de rack;

(2) Para acercarse a la situación de soldadura real, todas las soldaduras están biseladas;

(3) Eliminar estructuras finas como orificios de proceso, orificios roscados y nervaduras que tienen menos influencia en la resistencia y la rigidez.

3.1 Propiedades mecánicas de los materiales

Todos los bastidores están soldados con placa de acero Q235. Los parámetros mecánicos de la placa de acero Q235 son los siguientes:

 Módulo elástico E=210GPa;

 Coeficiente de Poisson μ = 0,28;

 Densidad ρ = 7,8 × kg/m3;

 Límite elástico σs = 235 MPa;

 Esfuerzo admisible [σ] = 160 MPa.

3.2 Descripción de la carga y las restricciones del rack

La carga de la dobladora en el trabajo real se modifica. La presión del cilindro aumenta gradualmente desde cero, y tras alcanzar el valor máximo, se flexiona y luego se descarga. Dado que se realiza un análisis lineal estático, la carga se considera estática. La fuerza máxima de flexión de la viga superior del bastidor, sometida a tres cilindros, es de 1000 kN, de los cuales 400 kN se asignan a los cilindros izquierdo y derecho, 200 kN al cilindro central, y la dirección es vertical ascendente. La viga inferior se somete a la transmisión de la corredera y la matriz inferior. Todas las fuerzas de flexión son descendentes, y la dirección es vertical descendente.

El marco está fijado al suelo. Aunque se fija mediante pernos de anclaje, estos solo limitan la dirección de la traslación de la superficie inferior y no influyen significativamente en la precisión del análisis estructural. La parte inferior del pie limita su restricción total, como se muestra en la Figura 3.

3.3 División de la cuadrícula

El mallado es un paso fundamental en el análisis de elementos finitos. La calidad del mallado está directamente relacionada con la precisión de los resultados del cálculo de elementos finitos, e incluso el resultado puede ser inválido. La función de elementos finitos del software SolidWords se utiliza para dividir el mallado y el modelo. Dividido en 30 170 unidades, el modelo de elementos finitos del bastidor de la máquina dobladora se muestra en la Figura 4.

4. Análisis de los resultados del cálculo

Mediante el cálculo y análisis del software SolidWords, se obtuvieron el desplazamiento en dirección Y y el diagrama de nube de tensiones del bastidor de la dobladora, como se muestra en las Figuras 5 y 6. Los resultados muestran que la deformación máxima en dirección Y, a plena carga del bastidor, es de 2,43 mm en la parte superior de la viga superior. En condiciones reales, el desplazamiento de la viga superior se encuentra dentro del rango de deformación elástica del material, lo cual tiene poco efecto en la precisión de la máquina, por lo que no se presta mucha atención a este valor.

La tensión máxima del bastidor es de 169 MPa en la esquina redondeada de la garganta en forma de C de la placa lateral, lo que supera en 160 MPa la tensión admisible de la placa de acero Q235 del bastidor de la dobladora. En condiciones reales, la pieza dañada se encuentra justo aquí, visible al principio. Falta de diseño.

5. Diseño mejorado

En respuesta a las deficiencias del diseño original, se mejoró el diseño original.

Según el diagrama de nube de tensiones del bastidor de la Fig. 6, la tensión máxima del bastidor de la dobladora se presenta en la esquina inferior de la garganta en forma de C de la placa lateral. Como se puede observar en las características del diseño original (Fig. 7), la garganta en forma de C de la placa lateral del bastidor. El radio del filete inferior es R120 y el del filete superior es R200.

Según la experiencia, cambiar el filete al filete superior no afecta el uso normal de la prensa plegadora. Tras la mejora, la tensión máxima del bastidor es de 149 MPa, según el análisis de software, y el efecto es evidente. Se puede observar que, con una ligera optimización, la tensión máxima del bastidor se reduce inmediatamente al rango de tensión admisible del material.

Figura 7——Característica de diseño original

Para detectar imperfecciones, se continuó investigando a fondo el diseño original. El diseñador original también consideró que la garganta en forma de C del panel lateral del portaequipajes es la parte más débil del marco. Por seguridad, el diseñador añadió un refuerzo a la garganta del panel lateral para reducir el riesgo de grietas en la boca. Sin embargo, desde el punto de vista de la mecánica del material, aumentar las nervaduras de refuerzo no optimiza su uso.

Tras intentar eliminar las nervaduras de refuerzo optimizando las esquinas redondeadas, y tras calcular y analizar, la tensión máxima del marco es de 155 MPa. En la esquina inferior de la garganta en forma de C, el desplazamiento máximo en dirección Y es de 2,54 mm. Aunque la tensión máxima tras eliminar el refuerzo de la nervadura, aún se encuentra dentro del rango de tensión admisible del material. Se puede observar que, si bien el diseño original de las nervaduras tiene cierto efecto, este no es evidente, ya que se desperdician muchas materias primas y horas de trabajo de ensamblaje y soldadura, por lo que se puede considerar su cancelación. 

Sin embargo, considerando que esta serie de modelos se ha producido durante más de 30 años, el volumen de ventas se acerca a las 10,000 unidades y cuenta con numerosos usuarios. Si se eliminan las nervaduras ahora, los usuarios desconfiarán de los recortes. Para ello, se ha optimizado aún más la máquina, considerando que el peso no cambia, y se ha "trasplantado" el material de la nervadura original a la placa lateral, se ha eliminado la nervadura de refuerzo y se ha ampliado adecuadamente el ancho de la placa lateral.

De esta manera, se aprovecha al máximo el valor de uso del material y se incrementan significativamente la resistencia y la rigidez de la máquina bajo la condición de que el peso de la máquina sea constante, y el aumento de la resistencia y la rigidez significa que se mejora el rendimiento general de la máquina.

6. Conclusión

De acuerdo con los datos de diseño optimizados, se realizó la prueba del prototipo. Se demostró que el diseño optimizado... máquina dobladora Se han obtenido buenos resultados. Sin modificar el peso de la máquina, se ha incrementado su rigidez en 20%, lo que permite ahorrar mucho tiempo de ensamblaje y soldadura, además de ofrecer una buena relación calidad-precio. Cabe destacar que el diseño computacional tradicional o la experiencia adquirida dificultan la optimización. El software de elementos finitos permite optimizar fácilmente el diseño y producir productos de la mejor calidad con la mínima cantidad de materiales.