重載模壓設(shè)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(xué)院,北京 102600)

重載模切機(jī)是紙制品、塑料、皮革等印刷品表面整飾加工的一種重要設(shè)備[1], 廣泛用于包裝裝潢、產(chǎn)品廣告、書刊封面、彩盒面紙、請柬和其他特殊產(chǎn)品表面的壓紋加工。 重載模切機(jī)比模切機(jī)要求保壓時(shí)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(jī)構(gòu)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(shù)移植應(yīng)用在印刷以及印后加工上,使得在印品表面產(chǎn)生了如同浮雕那樣的藝術(shù)效果[3],從而使得印品層次更加豐富而清晰,立體感更強(qiáng),圖文既形象又真實(shí)。 這種工藝已廣泛應(yīng)用于書刊裝幀、包裝裝潢等各個(gè)方面,重載與壓痕加工一樣都使得印品表面產(chǎn)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(jī)的模壓版上,按照被模壓的產(chǎn)品(如各種包裝紙盒)設(shè)計(jì)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(yùn)動,模切成一定形狀或者壓出痕跡。

如圖1 所示,重載模切機(jī)由送紙單元、模切單元、收紙單元以及電器控制、機(jī)械傳動等單元組成[5]。 為了提高效率,有些模切機(jī)設(shè)有清廢排屑裝置。 模切單元以電動機(jī)為原動機(jī),通過減速機(jī)傳遞動力,組合機(jī)構(gòu)帶動動平臺上下往復(fù)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)模切動作,動力傳遞如圖2 所示。

圖1 重載模切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 重載模切機(jī)傳動路線

本文首先建立活動平臺的數(shù)學(xué)模型,通過建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)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(jī)主機(jī)單元三維模型,重載模切機(jī)主機(jī)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(jìn)行有限元分析;結(jié)合江蘇省某印刷機(jī)械公司研制的重載模切機(jī)主機(jī)單元,進(jìn)行壓力測試分析,重載模切機(jī)主機(jī)模切單元樣機(jī)如圖4 所示。

圖3 重載模切機(jī)主機(jī)單元三維模型圖

圖4 重載模切機(jī)主機(jī)模切單元樣機(jī)

1 建立力學(xué)模型

江蘇某印刷機(jī)械公司研制的重載模切機(jī)(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(shè)模切機(jī)活動平臺、固定平臺為均質(zhì)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(guān)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(zhuǎn)角方程及撓曲線方程為:

在跨度中點(diǎn),撓曲線切線的斜率等于零,撓度為極值。

本次壓力試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對比

本文首先建立重載模切機(jī)主機(jī)單元三維模型,然后對重載模切機(jī)主機(jī)單元進(jìn)行有限元分析,與測試試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 有限元仿真分析

有限元分析法是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造、設(shè)備升級改造常用的方法,應(yīng)用領(lǐng)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(jī)主機(jī)單元三維模型進(jìn)行分析。

圖6 重載模切機(jī)主機(jī)單元三維模型

運(yùn)用Solidworks 建立三維實(shí)體模型,利用Solidworks 與ANSYS Workbench 有限元分析軟件的關(guān)聯(lián)功能,直接把三維實(shí)體模型從Solidworks 的“工具”-“ANSYS17.0”-“ANSYS Workbench”導(dǎo)入分析界面,分析流程如下[9-10]:

活動平臺、固定平臺、操作側(cè)墻板、傳動側(cè)墻板的材料都是可鍛鑄鐵。 材料參數(shù)按照可鍛鑄鐵、普通碳鋼、1045 鋼進(jìn)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(shù)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(shù)

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(jié)果分析

測試試驗(yàn)來源于江蘇某印刷機(jī)械公司,根據(jù)公司提出的要求,對優(yōu)化升級后的設(shè)備進(jìn)行測試,主要側(cè)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(tǒng)對該公司生產(chǎn)的模切機(jī)主機(jī)單元進(jìn)行壓力測試,根據(jù)以往測試提出的方法進(jìn)行了測試。 為了更好地反應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù),測試分11 組進(jìn)行,主要通過感壓膠片(薄膜傳感器)受壓顯色原理來進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8],準(zhǔn)確得出壓力數(shù)據(jù),匯總?cè)绫?。

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(xiàn)場樣機(jī)

圖12 測試現(xiàn)場壓力解析

表2 壓力測試數(shù)據(jù)匯總

2.3 仿真與測試結(jié)果對比

根據(jù)測試結(jié)果可以看出,采用方法五[11]計(jì)算出的結(jié)果為425.52 噸,與施加載荷400 噸一致,操作側(cè)、傳動側(cè)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(shù)據(jù)相吻合。 理論計(jì)算得到活動平臺變形量0.257mm。

表3 壓力測試結(jié)果與仿真對比

通過試驗(yàn)測試結(jié)果與仿真分析結(jié)果相近證明仿真結(jié)果可信。 然后再根據(jù)仿真位移大小、應(yīng)力應(yīng)變情況提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案[13-15],然后再應(yīng)用仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)論

本文通過模擬仿真分析與試驗(yàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)相結(jié)合,仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果誤差為6.38%,然后通過改進(jìn)模切機(jī)結(jié)構(gòu),再仿真分析,開始施加400噸的載荷,改進(jìn)后可以承載500 噸載荷,改進(jìn)后模切機(jī)性能明顯提高,為印刷機(jī)制造公司提供參考改進(jìn)方案。 缺點(diǎn)是沒有考慮工作環(huán)境以及工作過程中溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹對應(yīng)力應(yīng)變的影響,加速度不同,模切機(jī)機(jī)械性能也會變化。