La plegadora es el equipo de doblado más utilizado en el procesamiento de chapa y desempeña un papel crucial en el proceso.
La plegadora CNC es capaz de producir piezas dobladas de diferentes formas, más ligeras que los perfiles laminados y con una apariencia atractiva.
Los componentes soldados fabricados a partir de piezas dobladas también son entre un 30% y un 50% más ligeros que el mismo tipo de fundición de acero. El proceso de fabricación es sencillo y la eficiencia de producción es alta.
Sin embargo, la mesa de trabajo de la plegadora sufre inevitablemente una deformación elástica hacia abajo debido a la falta de rigidez al doblar la placa.
Como resultado, la matriz instalada en el extremo superior de la mesa de trabajo sufre la misma deformación, lo que lleva a una reducción en la profundidad de la matriz superior a la inferior y a una distribución desigual de la presión entre las matrices durante el doblado.
La presión en ambos extremos del troquel a lo largo de la dirección longitudinal es mayor que en el medio, lo que da como resultado un ángulo de curvatura mayor en el medio que en ambos extremos y una peor rectitud en el medio que en ambos extremos.
Por lo tanto, es necesario tomar las medidas correspondientes en el diseño de la plegadora para compensar o reducir la deformación por flexión.
Para estudiar este fenómeno se toma como objeto de investigación una plegadora CNC, utilizando la teoría de elementos finitos y pruebas experimentales.
1. Análisis elástico de la deformación de la mesa de trabajo.
La precisión de mecanizado de la plegadora depende principalmente de la deformación por flexión del bloque deslizante y la mesa de trabajo.
En esta sección analizamos la deformación de la mesa de trabajo utilizando la teoría de la elasticidad. Suponemos que la longitud y la altura de la mesa de trabajo son leh, respectivamente, y que el límite superior de la mesa de trabajo experimenta una carga uniforme g.
La mesa de trabajo está apoyada en ambos extremos y la reacción del apoyo actúa sobre ella en forma de fuerza cortante distribuida en los tramos de ambos extremos. Despreciamos la pequeña influencia del peso propio y utilizamos el método semiinverso para resolver la deformación de la mesa de trabajo.
La Figura 1 ilustra el modelo elástico.
Fig.1 Carga uniforme sobre la mesa de trabajo.
El proceso de cálculo se explica detalladamente en el libro de mecánica elástica. Los resultados se presentan directamente y la curva de deformación del borde superior de la placa rectangular se obtiene de la siguiente manera:
De la expresión funcional se desprende claramente que la deformación que se produce en la placa rectangular es una curva cuadrática. Esta deformación por desviación es la causa principal de la baja precisión de procesamiento de la placa.
2. Principio de compensación de la deflexión de la mesa de trabajo
La calidad del plegado a menudo se reduce debido a la deformación elástica de la mesa de trabajo.
Actualmente, la mayoría de las plegadoras CNC son de tipo accionado, y la mesa de trabajo permanece estática durante el proceso de doblado. Sin embargo, la plegadora examinada en este artículo es del tipo de tracción superior.
Debido a la estructura y modo de transmisión de la máquina herramienta, es más conveniente y fácil compensar la presión hidráulica de la mesa de trabajo.
El principio de compensación consiste en disponer varios cilindros hidráulicos en el centro de la mesa de trabajo.
Durante el proceso de curvado, las placas verticales delanteras y traseras soportan cilindros hidráulicos de compensación, que proporcionan fuerza hacia arriba a la placa neutra. Esto supera la deformación por flexión de la mesa de trabajo.
El valor de compensación se puede ajustar fácilmente mediante la válvula reductora de presión proporcional y el dispositivo convexo se controla mediante el sistema de control numérico.
Esto permite determinar la cantidad preconvexa en función del modo de doblado, el espesor de la placa, la apertura del troquel y las propiedades del material durante el doblado. La figura 2 muestra esto en detalle.
Fig. 2 Diagrama esquemático de la estructura de compensación de presión.
El uso de principios hidráulicos en la compensación de presión permite aumentar el valor de compensación al aumentar la carga.
Esta característica, junto con su fácil ajuste, hace que la compensación de presión sea una opción popular para mejorar la precisión del mecanizado en prensas plegadoras CNC.
3. Análisis de elementos finitos y prueba de plegadora.
3.1. Breve introducción al análisis de elementos finitos.
Después de realizar un análisis de elementos finitos y la optimización del deslizador y la placa lateral de la plegadora, la estructura de la máquina se optimizó parcialmente para eliminar la concentración de tensiones.
A pesar de la optimización, el tamaño total de la máquina permanece sin cambios.
En esta sección, no repetiremos la simplificación del modelo de elementos finitos, las restricciones de las condiciones de contorno, la aplicación de carga y otros contenidos.
Las plegadoras pueden tener dos formas de plegado: con coronamiento y sin coronamiento. También se pueden dividir en dos formas según el método de doblado: acuñado y doblado por aire. Normalmente, la forma más utilizada es el curvado al aire con coronación.
Debido a limitaciones en la extensión del artículo y la carga de trabajo, aquí presentaremos solo dos condiciones de trabajo típicas. La primera condición de trabajo implica carga completa (110 t) y acuñado y doblado sin coronar, mientras que la segunda condición de trabajo implica carga completa (110 t), doblado con aire y una presión de compensación máxima de 25 MPa.
Cabe mencionar que la presión sobre la superficie de carga correspondiente a las placas verticales delantera y trasera es de 43 MPa.
3.2 Resultados del análisis
Los resultados del cálculo de tensiones obtenidos del análisis de elementos finitos se presentan en la Tabla 1, mientras que los resultados del cálculo de desplazamiento se presentan en la Tabla 2.
Tabla 1 Resultados del cálculo de tensiones parciales en elementos finitos MPa
| Condiciones de trabajo | Estrés máximo en la parte superior de la garganta | Esfuerzo de arco circular máximo en el hombro del deslizador | Esfuerzo máximo en la unión de la mesa de trabajo y la placa lateral. |
| Condiciones de trabajo 2 | 178 | 270 | 138 |
Tabla 2 Resultados del cálculo de desplazamiento parcial de elementos finitos
| Condiciones de trabajo | Cara del extremo superior de la placa neutra Desplazamiento relativo vertical |
Cara del extremo inferior del control deslizante Desplazamiento relativo vertical |
||
|---|---|---|---|---|
| Valor máximo /mm | Ocurrir posición | Valor máximo /mm | Ocurrir posición | |
| Condiciones de trabajo 1 | -0.521 | Medio de la cara superior | 0.428 | Medio de la cara inferior |
| Condiciones de trabajo 2 | 0,597 | Medio de la cara superior | 0,439 | Medio de la cara inferior |
3.3 Prueba experimental y comparación de resultados.
Para confirmar la precisión del cálculo de elementos finitos, se lleva a cabo una prueba in situ en la estructura de la plegadora.
La tensión en los componentes cruciales de la plegadora se prueba utilizando un extensímetro de resistencia, mientras que el sensor de desplazamiento se utiliza como herramienta de medición para determinar la deformación de la plegadora.
La Figura 3 ilustra algunos de los sitios de prueba experimentales.
Fig.3 Algunas fotos del sitio de prueba.
Las conclusiones de las Tablas 3 y 4 revelan que:
- Los resultados experimentales generalmente concuerdan con los resultados del cálculo de elementos finitos.
- El error de medición de voltaje es inferior al 10% en algunos casos.
- La deformación vertical del control deslizante es comparable a los resultados del cálculo.
Tabla 3 Comparación de resultados de tensión parcial.
| Condiciones de trabajo 2 | Prueba de estrés /MPa |
Tensión del análisis de elementos finitos /MPa |
Error relativo /% |
| Placa lateral garganta superior | 183 | 178 | 2.8 |
| Arco de hombro deslizante | 261 | 270 | 3.3 |
| Conexión entre placa lateral y mesa de trabajo. | 126 | 138 | 8.7 |
Tabla 4 Comparación de resultados de desplazamiento parcial mm
| Condiciones de trabajo 2 | Desplazamiento máximo de prueba | Análisis de desplazamiento de elementos finitos. | |
|---|---|---|---|
| La deformación relativa vertical del extremo inferior del control deslizante. | Longitud total de carga | 0.390 | 0,439 |
| El extremo superior de la mesa de trabajo es vertical y relativamente deformado. | Longitud total de carga | 0.236 | 0,597 |
Durante el proceso de prueba, el sistema CNC otorga y proporciona automáticamente la compensación.
En la condición de trabajo 2, la compensación real es de 0,34 mm, mientras que la compensación máxima de la máquina herramienta es de 0,60 mm.
Sin embargo, en el cálculo de elementos finitos, la presión de compensación exacta no se puede determinar con precisión, por lo que se utiliza la presión de compensación máxima en el proceso de cálculo.
Esto explica la diferencia entre los resultados de la prueba y los resultados del cálculo de elementos finitos del extremo superior de la mesa de trabajo.
Al comparar los resultados, se confirma básicamente la precisión del modelo de elementos finitos, proporcionando la base para el uso posterior de software de elementos finitos para compensar y optimizar la deflexión de la mesa de trabajo.
4. Investigación sobre tecnología de compensación hidráulica.
4.1 Análisis funcional del cilindro de compensación
Para mejorar la precisión del mecanizado, se diseña un dispositivo de compensación hidráulica para hacer que la mesa de trabajo se deforme hacia arriba y compensar la deformación del control deslizante.
Sin embargo, determinar la presión de compensación óptima, la posición y el número de cilindros es un problema de optimización crítico.
El módulo de diseño de optimización en ANSYS Workbench puede describir la relación entre las variables de diseño y el rendimiento del producto y modificar parámetros en el espacio de trabajo de parámetros generado.
La tabla de puntos de diseño puede ejecutar rápidamente varios esquemas de análisis y permitirle ingresar el rango de valores de los parámetros de diseño en una nueva línea para nuevos puntos de diseño.
Después de definir todos los puntos de cálculo, actualizarlos y ejecutar el programa, se obtienen los resultados del cálculo de los puntos de cálculo de muestra.
La optimización de la compensación de la mesa de trabajo se basa en la condición de trabajo típica de la condición de trabajo 2, donde toda la longitud de la mesa de trabajo está cargada uniformemente.
La deformación vertical máxima ocurre en el medio de la cara inferior cuando el control deslizante está completamente cargado.
La máxima deformación vertical de la cara superior de la mesa de trabajo también se produce en el medio. La Figura 4 muestra una comparación de la curva de deflexión de la plegadora.
La comparación revela que la deformación vertical máxima del extremo inferior del deslizador es de 0,39 mm, mientras que la del extremo superior de la mesa de trabajo es de 0,236 mm.
Durante la prueba de campo, el sistema CNC proporcionó automáticamente una compensación de 0,34 mm según los parámetros de flexión, lo que indica que la compensación proporcionada por el sistema CNC es demasiado pequeña.
Sin embargo, el cálculo de elementos finitos reveló que la deformación máxima del extremo inferior del deslizador es de 0,439 mm y la del extremo superior de la mesa de trabajo es de 0,597 mm, lo que indica que la compensación de carga total es demasiado grande al calcular los elementos finitos.
Por lo tanto, se debe reducir la presión de compensación.
Fig. 4 Comparación de deformación vertical entre el bloque deslizante y la mesa de trabajo
Según el análisis anterior, la conclusión es que la compensación calculada por el sistema de control numérico original es muy pequeña, mientras que la compensación de carga total en el cálculo de elementos finitos es muy grande.
Por tanto, es fundamental optimizar el cálculo de la remuneración.
4.2 Análisis de optimización del efecto del cilindro de compensación.
Se estableció un modelo ANSYS Workbench para plegadora utilizando un enfoque paramétrico.
En este modelo, V representa la distancia entre los cilindros de compensación y su valor inicial se fija en 500 mm.
H denota la distancia entre la base del cilindro de aceite y el fondo de la mesa de trabajo, con un valor inicial de 336 mm. La presión de compensación máxima para el cilindro es de 25 MPa.
Para facilitar el cálculo de optimización, la presión del cilindro se convierte a la presión real sobre la superficie de carga. Por ejemplo, cuando el espesor de la placa vertical es de 60 mm, la tasa de conversión es 1,955.
En otras palabras, la presión de compensación P es igual a la presión real de la superficie de carga P 1 /1,955.
Los parámetros se muestran en la Figura 5 como referencia.
Fig. 5 Diagrama esquemático de configuración de parámetros
El diseño tiene en cuenta la necesidad de una disposición razonable en la dirección longitudinal que no afecte la estética, al tiempo que garantiza que el número de cilindros de aceite sea cuatro.
El rango aceptable para V en la tabla de atributos de parámetros de diseño es 400-600 mm.
El rango aceptable para H está entre 236 y 436 mm, y el valor máximo de p no debe exceder la presión máxima de compensación. El rango aceptable para p 1 está entre 0 y 48,8 MPa.
El programa se ejecutó para obtener los resultados del cálculo de los puntos de diseño muestral.
Después del análisis y cálculo, se encontró que la curva de deformación de la mesa de trabajo concuerda con la del deslizador cuando v = 528 mm, H = 307 mm y p 1 = 45,9 MPa. La deformación vertical máxima de la mesa de trabajo es de 0,44 mm.
Después del redondeo, los valores finales para v, H y p son 530 mm, 310 mm y 23,5 MPa, respectivamente.
La Figura 6 muestra una comparación de la deformación vertical entre el control deslizante optimizado y la mesa de trabajo.
Fig. 6 Comparación de la deformación vertical del bloque deslizante y la mesa de trabajo después de la optimización de la compensación
La deformación que se muestra en la Figura 6 para el control deslizante es la deformación absoluta calculada por el método de elementos finitos, que incluye la deformación superpuesta causada por una rigidez insuficiente del fuselaje. Por tanto, existe un espacio entre las dos curvas de la figura.
Sin embargo, la deformación de la sección media de la cara del extremo de trabajo del cursor y la mesa de trabajo es similar a la deformación vertical relativa de los dos extremos, y las curvas de deflexión de ambos tienden a ser paralelas.
Esto sugiere que el efecto de compensación después de la optimización es más efectivo.
4.3 Sensibilidad de los parámetros de respuesta
El gráfico de sensibilidad indica que los parámetros de salida se ven afectados por el punto de diseño.
Al modificar el valor del punto de diseño, puede observar cómo cambia el parámetro de salida en respuesta a uno o más parámetros de entrada.
Como se ilustra en la Figura 7, según el análisis del diagrama de sensibilidad, la altura vertical y la presión de compensación del cilindro de compensación ejercen la influencia más significativa en la curva de deflexión.
La distancia horizontal entre los cilindros tiene un impacto mínimo en el valor máximo de la curva de deflexión, pero afecta la suavidad de la curva de deflexión.
Los resultados del análisis están en línea con la situación real.
Fig. 7 Resultados de sensibilidad de los parámetros en los puntos de respuesta
5. Conclusión
Este artículo analiza las causas de la baja precisión de plegado en la mesa de trabajo de una plegadora utilizando un software de elementos finitos.
Además, prueba y compara la tensión y la deformación de la máquina herramienta combinándola con tecnología de medición de deformación eléctrica.
Este proceso proporciona una base para utilizar elementos finitos para compensar la presión de la mesa de trabajo.
Se optimizaron las condiciones típicas de trabajo de la plegadora y se obtuvo la curva de compensación ideal.
