Nel mio lavoro con macchine piegatriciHo scoperto che l'analisi agli elementi finiti (FEA) è uno strumento prezioso per valutare e migliorare l'integrità strutturale del telaio. Il telaio della piegatrice deve sopportare forze significative durante il funzionamento e qualsiasi punto debole può portare a guasti o imprecisioni. Grazie all'FEA, sono stato in grado di identificare i punti di stress e ottimizzare la progettazione per migliorare prestazioni e durata. In questo articolo, discuterò il processo di analisi agli elementi finiti e come può essere applicato per migliorare il telaio della piegatrice, condividendo spunti che possono aiutare ingegneri e operatori a garantire funzionalità e longevità ottimali delle loro attrezzature.

1. Prefazione

Il telaio della piegatrice è il componente chiave della macchina piegatriceLa rigidità del telaio della piegatrice influisce direttamente sulle prestazioni di sicurezza e sulla precisione di piegatura della macchina. Il bilanciamento tra qualità e costo è sempre stato l'obiettivo del progettista. La piegatrice della serie A è un modello che l'azienda ha introdotto e promosso con tecnologie avanzate dall'estero nei primi anni '80. La serie di piegatrici è semplice, pratica e ha un basso tasso di guasto. Sono molto apprezzate dagli utenti e sono sempre state i prodotti di punta dell'azienda.

Poiché la macchina è stata progettata prima degli anni '80, all'epoca era limitata al sistema di progettazione e al software e hardware del computer. All'epoca, la progettazione si basava fondamentalmente sul metodo tradizionale della meccanica dei materiali convenzionale. Per le parti strutturali saldate su larga scala del telaio della piegatrice, il punto di concentrazione delle sollecitazioni non può essere calcolato con precisione e spesso viene utilizzato il metodo dell'ipotesi approssimativa, con risultati di calcolo molto approssimativi. Per garantire la sicurezza, i progettisti spesso aggiungono valori di esperienza artificiali, il che aumenta il fattore di sicurezza, con il risultato di attrezzature molto ingombranti, che consumano materiali e aumentano la difficoltà di produzione.

2. La struttura principale e l'oggetto di ricerca della macchina utensile

2.1 Struttura della macchina

  La piegatrice della serie A è la struttura di trasmissione superiore, come mostrato nella Figura 1. È composta principalmente dalle seguenti parti:

 Cremagliera: saldata con una spessa piastra d'acciaio, composta principalmente da trave superiore, piastre laterali sinistra e destra e travi inferiori, utilizzata per fissare vari componenti quali cilindro dell'olio, guida di scorrimento e matrice inferiore.

Cursore: la struttura complessiva in lamiera d'acciaio spessa è collegata al cilindro dell'olio e alla guida, mentre l'estremità inferiore è fissata allo stampo superiore e il cilindro di lavoro aziona il movimento alternativo superiore e inferiore per completare la piegatura della lamiera.

Cilindro: fornisce la forza di piegatura necessaria per piegare il foglio e aziona il cursore per muoversi verso l'alto e verso il basso.

Barra di bilanciamento: assicurati che il cursore scorra in modo sincrono verso sinistra e verso destra.

Guida di scorrimento: fissata sul telaio per limitare il movimento della slitta.

2.2 Oggetto della ricerca

Le piegatrici della serie A attualmente prodotte dall'azienda presentano specifiche diverse. Questo articolo seleziona la piegatrice A3,1m×1000kN più venduta e rappresentativa per la ricerca e l'analisi. L'oggetto della ricerca è il corpo del telaio con la maggior parte dei materiali. La Figura 2 è un diagramma di modellazione tridimensionale del telaio della piegatrice della serie A.

È saldato con una spessa piastra d'acciaio ed è diviso in tre parti: la trave superiore, le piastre laterali sinistra e destra e la trave inferiore. La trave superiore è una struttura a doppia piastra per il montaggio del motore. Il cilindro dell'olio; la trave inferiore è una struttura interamente in lamiera d'acciaio spessa per ricevere la forza di carico dello stampo inferiore; la piastra laterale serve per collegare la trave superiore e quella inferiore, ed è dotata di una gola a C per l'alimentazione.

3. Definizione del modello degli elementi finiti

Il telaio della piegatrice è saldato. Se durante la modellazione si utilizza la struttura saldata, è necessario considerare fattori come il tipo di saldatura tra le piastre di acciaio, che aumenteranno notevolmente la complessità del processo di calcolo. Per facilitare la generazione e il controllo della griglia, il modello è garantito. La geometria e le proprietà meccaniche sono simili alla situazione reale e sono state apportate le seguenti semplificazioni:

(1) Generazione del modello di una singola parte per il modello del rack;

(2) Per avvicinarsi alla situazione di saldatura reale, tutte le saldature vengono smussate;

(3) Eliminare le strutture fini come fori di processo, fori filettati e nervature che hanno minore influenza sulla resistenza e sulla rigidità.

3.1 Proprietà meccaniche dei materiali

I rack sono tutti saldati con lamiera di acciaio Q235. I parametri meccanici della lamiera di acciaio Q235 sono i seguenti:

 Modulo elastico E=210GPa;

 coefficiente di Poisson μ = 0,28;

 Densità ρ = 7,8 × kg / m3;

 Limite di snervamento σs = 235MPa;

 Sollecitazione ammissibile [σ] = 160 MPa.

3.2 Descrizione del carico e dei vincoli del rack

Il carico della piegatrice durante il lavoro effettivo viene modificato. La pressione del cilindro viene gradualmente aumentata da zero, la pressione viene piegata dopo il picco e quindi scaricata. Poiché viene eseguita l'analisi statica lineare, il carico viene trattato come un carico statico. La forza di flessione massima della trave superiore del telaio sottoposta a 3 cilindri è di 1000 kN, di cui 400 kN sono assegnati ai cilindri sinistro e destro, 200 kN sono assegnati al cilindro centrale e la direzione è verticale verso l'alto; la trave inferiore è soggetta alla trasmissione del cursore e della matrice inferiore. Tutte le forze di flessione verso il basso, la direzione è verticale verso il basso.

Il telaio è fissato al terreno. Sebbene il telaio sia fissato tramite bulloni di ancoraggio, questi ultimi limitano solo la direzione della traslazione della superficie inferiore e non hanno grande influenza sull'accuratezza dell'analisi strutturale. La parte inferiore del piede ne limita il vincolo completo, come mostrato in Figura 3.

3.3 Divisione della griglia

La mesh è un passaggio molto importante nell'analisi agli elementi finiti. La qualità della mesh è direttamente correlata all'accuratezza dei risultati del calcolo agli elementi finiti, e anche il risultato non è valido. La funzione agli elementi finiti del software SolidWords viene utilizzata per suddividere la mesh e il modello. Suddiviso in 30170 unità, il modello agli elementi finiti del telaio della macchina piegatrice è mostrato in Figura 4.

4. Analisi dei risultati di calcolo

Attraverso il calcolo e l'analisi del software SolidWords, si ottengono il diagramma dello spostamento in direzione Y e della nuvola di sollecitazioni del telaio della piegatrice, come mostrato nelle Figure 5 e 6. I risultati mostrano che la deformazione massima in direzione Y a pieno carico del telaio è di 2,43 mm nella parte superiore della trave superiore. Nel lavoro reale, lo spostamento della trave superiore rientra nell'intervallo di deformazione elastica del materiale, il che ha scarso effetto sulla precisione della macchina, quindi il valore dello spostamento non viene considerato con particolare attenzione.

La sollecitazione massima del telaio è di 169 MPa all'angolo arrotondato della gola a C della piastra laterale, che supera di 160 MPa la sollecitazione ammissibile della lamiera d'acciaio Q235 del telaio della piegatrice. Nel lavoro reale, la parte danneggiata è solo qui, visibile in anticipo. C'è una mancanza di progettazione.

5. Design migliorato

Per ovviare alle carenze del progetto originale, quest'ultimo è stato migliorato.

Secondo il diagramma della nuvola di sollecitazione del telaio in Figura 6, la sollecitazione massima del telaio della piegatrice si verifica nell'angolo inferiore della gola a C della piastra laterale. Come si può vedere dalle caratteristiche del progetto originale (Fig. 7), la gola a C della piastra laterale del telaio. Il raggio del raccordo inferiore è R120 e quello superiore è R200.

In base all'esperienza, la modifica del raccordo di raccordo superiore non influisce sul normale utilizzo della pressa piegatrice. Dopo il miglioramento, la sollecitazione massima del telaio è di 149 MPa, come dimostrato dall'analisi software, e l'effetto è evidente. Si può osservare che con una leggera ottimizzazione, la sollecitazione massima del telaio scende immediatamente entro l'intervallo di sollecitazione ammissibile del materiale.

Figura 7——Caratteristica del progetto originale

Per correggere eventuali imperfezioni, è necessario continuare a condurre ricerche approfondite sul progetto originale. Il progettista originale ha anche considerato che la gola a C del pannello laterale del rack fosse la parte più debole del telaio. Per motivi di sicurezza, il progettista ha aggiunto un rinforzo alla gola del pannello laterale per ridurre in una certa misura la gola a C. Il rischio di crepe in corrispondenza della gola è elevato. Tuttavia, dal punto di vista della meccanica dei materiali, l'aumento delle nervature di rinforzo non garantisce il massimo valore d'uso del materiale.

Si è tentato di eliminare le nervature di rinforzo ottimizzando gli angoli arrotondati, quindi si è calcolato e analizzato: la sollecitazione massima del telaio è di 155 MPa. Sempre nell'angolo inferiore della gola a C, lo spostamento massimo in direzione Y è di 2,54 mm. Sebbene la sollecitazione massima dopo la rimozione del rinforzo della nervatura sia ancora compresa nell'intervallo di sollecitazione ammissibile del materiale. Si può osservare che, sebbene il design originale delle nervature abbia un certo effetto, l'effetto non è evidente, ma comporta un notevole spreco di materie prime e di ore di lavoro di assemblaggio e saldatura, e può essere considerato un annullamento. 

Tuttavia, considerando che questa serie di modelli è stata prodotta per oltre 30 anni, il volume di vendita è di quasi 10.000 unità e gli utenti sono numerosi. Se le nervature venissero eliminate ora, gli utenti diffideranno di prendere scorciatoie. A tal fine, un'ulteriore ottimizzazione, basata sul mantenimento del peso della macchina, prevede il "trapianto" del materiale della nervatura originale sulla piastra laterale, la rimozione della nervatura di rinforzo e l'opportuna allargamento della piastra laterale.

In questo modo, il valore d'uso massimo del materiale viene sfruttato appieno e la resistenza e la rigidità della macchina aumentano significativamente a condizione che il peso della macchina sia costante; l'aumento della resistenza e della rigidità comporta un miglioramento delle prestazioni complessive della macchina.

6. Conclusion

Sulla base dei dati di progettazione ottimizzati, è stato effettuato il test del prototipo. È stato dimostrato che l'ottimizzazione macchina piegatrice ha ottenuto buoni risultati. Senza modificare il peso della macchina, la rigidità della stessa è aumentata di 20%, il che può far risparmiare molto tempo di assemblaggio e saldatura e ha un buon valore economico. Si può osservare che la progettazione informatica tradizionale o l'esperienza hanno difficoltà a soddisfare i requisiti di ottimizzazione. Il software agli elementi finiti può essere utilizzato per ottimizzare facilmente la progettazione e produrre prodotti della migliore qualità con la minima quantità di materiali.