Гильотинные ножницы: анализ и оптимизация механических характеристик

Введение в гильотинные ножницы

The гильотинные ножницы обеспечивает более высокую эффективность, точность и надежность по сравнению с ножницами с поворотной балкой, поскольку устраняет зазоры в конструкции и позволяет регулировать угол сдвига.

Однако при резке широких, тяжелых листов или тонких листов высокой прочности гильотинные ножницы могут столкнуться с такими проблемами, как деформация станка, влияющая на точность резки.

Большинство исследований в этой области сосредоточены на влиянии параметров сдвига на точность, проектировании и автоматизации системы управления или моделировании процесса сдвига с использованием дискретных точек.

Однако исследования по анализу механических свойств и оптимизации структуры ограничены. гильотинные ножницы.

Целью данной статьи является устранение этого пробела путем анализа статических и динамических характеристик станка и моделирования процесса резки пластин. Благодаря этому анализу получены непрерывные данные резки и предложена схема оптимизации.

Статический анализ

Структурная модель гильотинных ножниц 6 x 3200 NC показана на рисунке 1. Во время работы устройство обратного упора, приводимое в действие роликовым винтом, регулирует длину резки. Затем прессующий цилиндр сжимается пластиной ножниц.

После установки параметров резки, таких как зазор между лезвиями и угол сдвига, гидравлические цилиндры на обоих концах приводят в движение верхние и нижние лезвия, завершая процесс резки пластины.

В анализе моделирования переходное скругление и резьбовое отверстие игнорируются, а упрощенная трехмерная модель импортируется в программное обеспечение для конечно-элементного анализа. Две стороны верхнего подручника фиксируются ограничениями, и устанавливается контакт связывания для имитации сварки и резьбовой фиксации верхних частей держателя инструмента.

Согласно формуле Норсали:

В формуле:

σb – предел прочности разрезаемой пластины;
δs – пластичность разрезаемого листа;
h – Толщина разрезаемого листа;
α – угол сдвига;
x、y、z – Коэффициент изгибающего усилия, относительная величина бокового зазора режущей кромки и коэффициент прессования.
Вертикальная сдвигающая сила (P1) рассчитывается как 212,8 кН с использованием формулы (1), в то время как горизонтальная сдвигающая сила (P2) оценивается как 30% вертикальной сдвигающей силы, или 63,8 кН. Как вертикальная, так и горизонтальная сдвигающая сила применяются к верхней башне и решаются с помощью ANSYS Workbench.

Сравнивается и анализируется деформация в каждом направлении в начале, середине и конце сдвига. Как видно из Таблицы 1, деформация верхней каретки в направлении Y является наибольшей, а деформацию в направлениях X и Z можно считать пренебрежимо малой в сравнении.

Начальное и конечное положение деформации в направлении Y приблизительно равны и намного меньше среднего положения. В процессе сдвига деформация верхнего держателя инструмента имеет вогнутую тенденцию.

Таблица 1 Максимальное эквивалентное напряжение и максимальная деформация в направлениях X, Y и Z верхнего держателя инструмента

На рисунках 2 и 3 показаны максимальное эквивалентное напряжение в середине и максимальная деформация в направлении Y соответственно.

Анализируя Таблицу 1 и Рисунки 2 и 3, можно определить, что эквивалентное напряжение верхнего держателя инструмента является самым высоким в начале процесса резки. Это напряжение находится в месте расположения гидравлического цилиндра и имеет значение 137,7 МПа, что ниже предела текучести 235 МПа для верхнего держателя инструмента.

В середине процесса резки максимальная деформация верхнего резцедержателя в направлении Y наблюдается у задней опорной пластины B размером 1,183 мм. При этом деформация лезвия в направлении Y составляет 0,346 мм, что менее 1 мм и соответствует необходимым требованиям.

Анализ переходной динамики

В динамическом моделировании ползун помещается в начальное положение верхнего лезвия и постоянно подвергается воздействию силы сдвига с заданной скоростью. Движение ползуна используется для моделирования процесса сдвига пластины.

Поскольку слайдер передает только усилие сдвига, он установлен так, чтобы контактировать без трения с верхним лезвием. Во время резки листового металла контакт между верхним лезвием и разрезаемым листовым металлом показан на рисунке 4. Длина контакта (s) составляет 8:1.

Для упрощения расчета предполагается, что сила сдвига равномерно распределена по прямоугольной области с длиной (s) и шириной (t) лезвия. В результате слайдер моделируется как кубоид с той же длиной (s) и шириной (t), как показано на рисунке 5.

Результаты, полученные путем определения максимального эквивалентного напряжения и максимальной деформации в направлениях Y и Z в каждой позиции, представлены в таблице 2. Тенденция деформации и напряжения верхнего держателя инструмента в процессе резки показана на рисунке 6.

Таблица 2. Максимальное эквивалентное напряжение и максимальная деформация в направлениях Y и Z верхнего держателя инструмента при каждом шаге нагрузки

Как видно из Таблицы 2 и Рисунка 6, деформация верхнего держателя инструмента изменяется с изменением положения сдвига. Деформация значительна в середине и относительно мала и симметрична с обеих сторон, что соответствует результатам статического моделирования.

Максимальная деформация верхнего резцедержателя в направлениях Y и Z происходит на 8-й ступени нагрузки со значениями 0,635 мм и 0,478 мм соответственно, что составляет менее 1 мм.

Максимальное эквивалентное напряжение достигается на четвертом этапе нагружения и составляет 159,2 МПа, что ниже предела текучести 235 МПа для верхнего держателя инструмента.

На рисунках 7, 8 и 9 показаны максимальная деформация и максимальное эквивалентное напряжение в направлениях Y и Z соответственно.

Из рисунков 7, 8 и 9 видно, что максимальная деформация верхней каретки в направлении Y происходит у лезвия C, а максимальная деформация в направлении Z происходит у лезвия D. Обе деформации составляют менее 1 мм, что соответствует требованиям конструкции.

Максимальное эквивалентное напряжение возникает в положении E верхнего держателя инструмента под воздействием гидроцилиндра. Напряжение на лезвии минимально и демонстрирует хорошую жесткость.

Рамочный модальный анализ
В модальном анализе четыре основания рамы фиксируются и удерживаются на месте с помощью ограничений. Метод блочного Ланцоша выбран в качестве метода извлечения мод, а число расширенных мод установлено равным 4 для решения первых четырех собственных частот структуры рамы.

Четыре режима вибрации показаны на рисунке 10, а в таблице 3 показаны собственные частоты, амплитуды и модальные формы четырех структурных режимов вибрации.

На основании рисунка 10 и таблицы 3 видно, что вибрационная деформация рамы в первую очередь влияет на переднюю панель и нижнюю опорную балку, вызывая значительную вибрацию и шум. При частоте 19,02 Гц амплитуда передней панели выше, что может негативно повлиять на процесс резки и снизить ее точность.

Однако частота сдвига гильотинных ножниц NC составляет 9 раз в минуту, что значительно ниже собственной частоты первого порядка и соответствует требованиям нормальной эксплуатации.

Важно минимизировать влияние внешних источников вибрации в процессе работы, чтобы не допустить чрезмерной вибрационной деформации.

Оптимизация дизайна

Анализ статических и динамических характеристик процесса резки показывает, что деформация верхней револьверной головки имеет вогнутую форму во время резки, что может повлиять на заусенцы и точность размеров заготовки, а также снизить общее качество резки.

Для улучшения качества резки можно отрегулировать зазор лезвия в параметрах резки, чтобы увеличить жесткость позиционирования верхнего держателя инструмента. В этой статье было разработано устройство регулировки зазора лезвия динамического направляющего типа, как показано на рисунке 11.