重载模压设备有限元分析

边亚超 王仪明 武淑琴 王 佳 吴茂谦

(北京印刷学院,北京 102600)

重载模切机是纸制品、塑料、皮革等印刷品表面整饰加工的一种重要设备[1], 广泛用于包装装潢、产品广告、书刊封面、彩盒面纸、请柬和其他特殊产品表面的压纹加工。 重载模切机比模切机要求保压时间尽可能的长,要求模切的工作压力尽可能的大[2]。

利用阴阳两块模版,通过机构施加一定的压力,在印品或纸张的表面压印具有立体效果的图案的工艺过程,称之为重载。 重载工艺将浮雕艺术移植应用在印刷以及印后加工上,使得在印品表面产生了如同浮雕那样的艺术效果[3],从而使得印品层次更加丰富而清晰,立体感更强,图文既形象又真实。 这种工艺已广泛应用于书刊装帧、包装装潢等各个方面,重载与压痕加工一样都使得印品表面产生形变,仅仅是形变程度不同而已。 重载模切压痕工艺的原理[4],就是在模切压痕机的模压版上,按照被模压的产品(如各种包装纸盒)设计的展开图嵌装钢刀片和钢线,通过模压版与装有印品或纸板的压印板的相对运动,模切成一定形状或者压出痕迹。

如图1 所示,重载模切机由送纸单元、模切单元、收纸单元以及电器控制、机械传动等单元组成[5]。 为了提高效率,有些模切机设有清废排屑装置。 模切单元以电动机为原动机,通过减速机传递动力,组合机构带动动平台上下往复运动,实现模切动作,动力传递如图2 所示。

图1 重载模切机结构示意图

图2 重载模切机传动路线

本文首先建立活动平台的数学模型,通过建立的数学模型计算出重载压力下活动平台挠度变形情况,然后建立重载模切机主机单元三维模型,重载模切机主机单元三维模型如图3 所示。 利用有限元分析软件ANSYS Workbench 对建立的模型进行有限元分析;结合江苏省某印刷机械公司研制的重载模切机主机单元,进行压力测试分析,重载模切机主机模切单元样机如图4 所示。

图3 重载模切机主机单元三维模型图

图4 重载模切机主机模切单元样机

1 建立力学模型

江苏某印刷机械公司研制的重载模切机(最大模切幅面为1060mm×760mm,一般承载载荷为300 吨)主要承载部件选用可锻铸铁,可锻铸铁属于脆性材料。 假设模切机活动平台、固定平台为均质等截面,垂直指向活动平台、固定平台的载荷是均匀分布的,受到均布载荷的挤压,活动平台简化成简支梁模型[6,7]:简支梁示意图如图5 所示。

图5 简支梁示意图(活动平台)

纯弯曲情况下,弯矩与曲率间的关系式为[7]:

其中:ρ为曲率半径;M为弯矩;E为平台的弹性模量;I为平台的惯性矩。

挠曲线的近似微分方程是:

其中:w为挠度。

利用(2)两次积分得转角方程及挠曲线方程为:

在跨度中点,挠曲线切线的斜率等于零,挠度为极值。

本次压力试验最大施加载荷为400 吨,下平台厚度275mm,杨氏模量206GPa,将带入2.4得出活动平台最大挠度为0.257mm,下平台向下弯曲。

F为固定平台、动平台受到的力,对于固定平台F=F1-G1;对于动平台F=F2+G2。F1为固定平台受到动平台的冲击力,F2为动平台受到固定平台的反作用力,F1=F2;G1为固定平台受到的重力,G2为动平台受到的重力。

2 有限元仿真分析与测试试验结果对比

本文首先建立重载模切机主机单元三维模型,然后对重载模切机主机单元进行有限元分析,与测试试验的结果进行对比分析。

2.1 有限元仿真分析

有限元分析法是现代机械设计制造、设备升级改造常用的方法,应用领域广泛,本文采用ANSYS Workbench 有限元分析软件,对图6 所示的重载模切机主机单元三维模型进行分析。

图6 重载模切机主机单元三维模型

运用Solidworks 建立三维实体模型,利用Solidworks 与ANSYS Workbench 有限元分析软件的关联功能,直接把三维实体模型从Solidworks 的“工具”-“ANSYS17.0”-“ANSYS Workbench”导入分析界面,分析流程如下[9-10]:

活动平台、固定平台、操作侧墙板、传动侧墙板的材料都是可锻铸铁。 材料参数按照可锻铸铁、普通碳钢、1045 钢进行添加,普通碳钢是塑性材料,可锻铸铁是脆性材料。 材料参数如表1 所示。 将工字钢底座固定约束,活动平台、固定平台分别施加400 吨载荷,求解。

图7 分析流程图

表1 自定义材料参数

操作面墙板方向变形云图、传动面墙板方向变形云图、活动平台方向变形云图如图8 所示。

图8 操作面墙板方向变形云图

2.2 测试结果分析

测试试验来源于江苏某印刷机械公司,根据公司提出的要求,对优化升级后的设备进行测试,主要侧重于测试模切动作对活动平台的冲击变形影响;通过富士压力测试系统对该公司生产的模切机主机单元进行压力测试,根据以往测试提出的方法进行了测试。 为了更好地反应真实数据,测试分11 组进行,主要通过感压胶片(薄膜传感器)受压显色原理来进行[11-12]。

墙板变形量用千分表测量得出,考虑压力测试原理及感压胶片的显色原理,对测试得到的数据进行处理[8],准确得出压力数据,汇总如表2。

图9 传动面墙板方向变形云图

图10 活动平台方向变形云图

图11 测试现场样机

图12 测试现场压力解析

表2 压力测试数据汇总

2.3 仿真与测试结果对比

根据测试结果可以看出,采用方法五[11]计算出的结果为425.52 吨,与施加载荷400 吨一致,操作侧、传动侧墙板变形情况,活动平台变形情况如图8、9、10 所示,与测试得到的数据相吻合。 理论计算得到活动平台变形量0.257mm。

表3 压力测试结果与仿真对比

通过试验测试结果与仿真分析结果相近证明仿真结果可信。 然后再根据仿真位移大小、应力应变情况提出结构改进方案[13-15],然后再应用仿真进行验证。

3 结论

本文通过模拟仿真分析与试验现场采集数据相结合,仿真分析与试验结果误差为6.38%,然后通过改进模切机结构,再仿真分析,开始施加400吨的载荷,改进后可以承载500 吨载荷,改进后模切机性能明显提高,为印刷机制造公司提供参考改进方案。 缺点是没有考虑工作环境以及工作过程中温度变化产生的热膨胀对应力应变的影响,加速度不同,模切机机械性能也会变化。