重載模壓設備有限元分析

邊亞超 王儀明 武淑琴 王 佳 吳茂謙

(北京印刷學院,北京 102600)

重載模切機是紙制品、塑料、皮革等印刷品表面整飾加工的一種重要設備[1], 廣泛用于包裝裝潢、產品廣告、書刊封面、彩盒面紙、請柬和其他特殊產品表面的壓紋加工。 重載模切機比模切機要求保壓時間盡可能的長,要求模切的工作壓力盡可能的大[2]。

利用陰陽兩塊模版,通過機構施加一定的壓力,在印品或紙張的表面壓印具有立體效果的圖案的工藝過程,稱之為重載。 重載工藝將浮雕藝術移植應用在印刷以及印后加工上,使得在印品表面產生了如同浮雕那樣的藝術效果[3],從而使得印品層次更加豐富而清晰,立體感更強,圖文既形象又真實。 這種工藝已廣泛應用于書刊裝幀、包裝裝潢等各個方面,重載與壓痕加工一樣都使得印品表面產生形變,僅僅是形變程度不同而已。 重載模切壓痕工藝的原理[4],就是在模切壓痕機的模壓版上,按照被模壓的產品(如各種包裝紙盒)設計的展開圖嵌裝鋼刀片和鋼線,通過模壓版與裝有印品或紙板的壓印板的相對運動,模切成一定形狀或者壓出痕跡。

如圖1 所示,重載模切機由送紙單元、模切單元、收紙單元以及電器控制、機械傳動等單元組成[5]。 為了提高效率,有些模切機設有清廢排屑裝置。 模切單元以電動機為原動機,通過減速機傳遞動力,組合機構帶動動平臺上下往復運動,實現模切動作,動力傳遞如圖2 所示。

圖1 重載模切機結構示意圖

圖2 重載模切機傳動路線

本文首先建立活動平臺的數學模型,通過建立的數學模型計算出重載壓力下活動平臺撓度變形情況,然后建立重載模切機主機單元三維模型,重載模切機主機單元三維模型如圖3 所示。 利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對建立的模型進行有限元分析;結合江蘇省某印刷機械公司研制的重載模切機主機單元,進行壓力測試分析,重載模切機主機模切單元樣機如圖4 所示。

圖3 重載模切機主機單元三維模型圖

圖4 重載模切機主機模切單元樣機

1 建立力學模型

江蘇某印刷機械公司研制的重載模切機(最大模切幅面為1060mm×760mm,一般承載載荷為300 噸)主要承載部件選用可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵屬于脆性材料。 假設模切機活動平臺、固定平臺為均質等截面,垂直指向活動平臺、固定平臺的載荷是均勻分布的,受到均布載荷的擠壓,活動平臺簡化成簡支梁模型[6,7]:簡支梁示意圖如圖5 所示。

圖5 簡支梁示意圖(活動平臺)

純彎曲情況下,彎矩與曲率間的關系式為[7]:

其中:ρ為曲率半徑;M為彎矩;E為平臺的彈性模量;I為平臺的慣性矩。

撓曲線的近似微分方程是:

其中:w為撓度。

利用(2)兩次積分得轉角方程及撓曲線方程為:

在跨度中點,撓曲線切線的斜率等于零,撓度為極值。

本次壓力試驗最大施加載荷為400 噸,下平臺厚度275mm,楊氏模量206GPa,將帶入2.4得出活動平臺最大撓度為0.257mm,下平臺向下彎曲。

F為固定平臺、動平臺受到的力,對于固定平臺F=F1-G1;對于動平臺F=F2+G2。F1為固定平臺受到動平臺的沖擊力,F2為動平臺受到固定平臺的反作用力,F1=F2;G1為固定平臺受到的重力,G2為動平臺受到的重力。

2 有限元仿真分析與測試試驗結果對比

本文首先建立重載模切機主機單元三維模型,然后對重載模切機主機單元進行有限元分析,與測試試驗的結果進行對比分析。

2.1 有限元仿真分析

有限元分析法是現代機械設計制造、設備升級改造常用的方法,應用領域廣泛,本文采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件,對圖6 所示的重載模切機主機單元三維模型進行分析。

圖6 重載模切機主機單元三維模型

運用Solidworks 建立三維實體模型,利用Solidworks 與ANSYS Workbench 有限元分析軟件的關聯功能,直接把三維實體模型從Solidworks 的“工具”-“ANSYS17.0”-“ANSYS Workbench”導入分析界面,分析流程如下[9-10]:

活動平臺、固定平臺、操作側墻板、傳動側墻板的材料都是可鍛鑄鐵。 材料參數按照可鍛鑄鐵、普通碳鋼、1045 鋼進行添加,普通碳鋼是塑性材料,可鍛鑄鐵是脆性材料。 材料參數如表1 所示。 將工字鋼底座固定約束,活動平臺、固定平臺分別施加400 噸載荷,求解。

圖7 分析流程圖

表1 自定義材料參數

操作面墻板方向變形云圖、傳動面墻板方向變形云圖、活動平臺方向變形云圖如圖8 所示。

圖8 操作面墻板方向變形云圖

2.2 測試結果分析

測試試驗來源于江蘇某印刷機械公司,根據公司提出的要求,對優化升級后的設備進行測試,主要側重于測試模切動作對活動平臺的沖擊變形影響;通過富士壓力測試系統對該公司生產的模切機主機單元進行壓力測試,根據以往測試提出的方法進行了測試。 為了更好地反應真實數據,測試分11 組進行,主要通過感壓膠片(薄膜傳感器)受壓顯色原理來進行[11-12]。

墻板變形量用千分表測量得出,考慮壓力測試原理及感壓膠片的顯色原理,對測試得到的數據進行處理[8],準確得出壓力數據,匯總如表2。

圖9 傳動面墻板方向變形云圖

圖10 活動平臺方向變形云圖

圖11 測試現場樣機

圖12 測試現場壓力解析

表2 壓力測試數據匯總

2.3 仿真與測試結果對比

根據測試結果可以看出,采用方法五[11]計算出的結果為425.52 噸,與施加載荷400 噸一致,操作側、傳動側墻板變形情況,活動平臺變形情況如圖8、9、10 所示,與測試得到的數據相吻合。 理論計算得到活動平臺變形量0.257mm。

表3 壓力測試結果與仿真對比

通過試驗測試結果與仿真分析結果相近證明仿真結果可信。 然后再根據仿真位移大小、應力應變情況提出結構改進方案[13-15],然后再應用仿真進行驗證。

3 結論

本文通過模擬仿真分析與試驗現場采集數據相結合,仿真分析與試驗結果誤差為6.38%,然后通過改進模切機結構,再仿真分析,開始施加400噸的載荷,改進后可以承載500 噸載荷,改進后模切機性能明顯提高,為印刷機制造公司提供參考改進方案。 缺點是沒有考慮工作環境以及工作過程中溫度變化產生的熱膨脹對應力應變的影響,加速度不同,模切機機械性能也會變化。