IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Гильотинные ножи (фр. guillotine) — механическое устройство для резки материалов, имеющие в своей конструкции косой подвижный нож, двигающийся в одной плоскости без изменения угла наклона. Предназначены для прямой продольной и поперечной резки листового и полосового материала из стали, цветных металлов и их сплавов на начальном этапе производства. Основное преимущество ножниц гильотинного типа состоит в том, что в момент реза, давление на разрезаемый материал производится не по всей длине реза, что снижает требуемое усилие. Чем больше угол наклона, тем меньше усилие и хуже качество реза.

Основное назначение механической гильотины - рубка листового материала на заготовительном производстве. Ножницы предназначены для выполнения прямолинейных резов, вырезы таким инструментом не выполняются. Для удержания материала во время реза, некоторые гильотины имеют в своём составе прижим - пресс с механическим или гидравлическим приводом. Пресс снижает эффект вытягивания материала из под ножа и рез получается ровнее. Кроме того, наличие прижима позволяет с успехом резать стопки материала. В типографиях гильотины с прижимом применяются для форматирования (нарезки) больших кип бумаги.

Тот же принцип применяется в механизмах для резки листового (прокатного) металла (станки гильотинного типа, гильотинные ножницы), а также для обрубки кабелей в аварийных ситуациях, например, в случае необходимости сброса испытываемого на подвесе двигателя с летающей лаборатории, все связанные с этим двигателем провода обрубаются гильотиной, а не отключаются. В мясоперерабатывающей промышленности имеются дробилки гильотинного типа. Приспособление для обрезки кончиков сигар устроено по тому же принципу и называется гильотинкой.

Цель научной работы: Проектирование модели гильотинного ножа, исследования ее напряженно-деформированного состояния для обеспечения прочности изделия.

Оглавление

1 Н3121 Ножницы гильотинные для обработки листового металла.

2Назначение и конструкция гильотинных станков

3 Принцип действия гильотинных ножниц 4. Общие причины поломок гильотинных ножниц

5. Код для модели гильотиного ножа

6. Проектирование модели в ANSYS

Заключение

1 Н3121 Ножницы гильотинные для обработки листового металла. Назначение и область применения

В зависимости от типа привода верхнего ножа гильотинные ножницы бывают:

механическими (кривошипными)

гидравлическими

Гидравлические гильотинные ножницы являются наиболее мощными, длина реза у них достигает 8 и более метров, толщина разрезаемого материала - до 60 миллиметров.

Гильотинные ножницы с механическим приводом во многом схожи с гидравлическими ножницами, основным отличием является система привода: оба движения лезвия (и вверх и вниз) обеспечиваются кривошипным механизмом.

Ножницы с механическим приводом не обладают высокой мощностью и применяются для резки материалов максимальной толщиной 3 - 8мм. Однако скорость реза у этого класса гильотин достаточно высока – до 56 резов в минуту (для сравнения, у гидравлических ножниц количество резов варьируется от 3 до 18 в минуту).

Гильотинные ножницы различают, также, по конструкции привода верхнего ножа:

ножницы с прямым ходом верхнего ножа

ножницы с поворотной (качающейся) балкой - консольные

У гильотинных ножниц с прямым ходом верхнее лезвие закреплено на раме, которая за счет кривошипа или 2-х гидроцилиндров перемещается вниз по прямым направляющим, расположенным на внутренней поверхности боковых стенок машины.

У гильотинных ножниц с поворотной балкой перемещение верхнего ножа происходит за счет вращения балки вокруг центров, находящихся на боковых стенках в задней части станка. Поскольку система привода поворотной балки находится внутри корпуса машины - ножницы с поворотной балкой более компактные.

При относительно низкой стоимости ножниц с поворотной балкой, компактности и простоте их исполнения, у них все же имеется определенный недостаток: угол резки не изменяется, оставаясь равным установленному производителем, вне зависимости, режутся ли толстые или тонкие листы.

Станина гильотины сварная, из листовой стали. Две боковые стойки соединены столом и тремя стяжками. Стол, к которому крепится нижний нож, имеет регулировку для установки необходимого зазора.

Привод ножниц Н 3121 осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу и двухступенчатый цилиндрический редуктор, конструкция закрытого цилиндрического редуктора обеспечивает значительное уменьшение шумовых характеристик ножниц. Ножевая балка гильотины получает возвратно-поступательное движение от коленчатого вала через шатуны. Уравновешена ножевая балка пружинным уравнавешивателем.

Усилие на ножевую балку от коленчатого вала передается двумя шатунами. Муфта включения ножниц с двумя поворотными шпонками, тормоз ленточный, периодического действия. Периодичность торможения достигается за счет эксцентричного расположения шкива по отношению к оси коленчатого вала. Это торможение происходит тогда, когда ножевая балка находится в верхнем положении, чем устраняется ее забегание под действием сил инерции.

Муфта включения жесткая с двумя поворотными шпонками и электромагнитом. Конструкция муфты включения главного привода обеспечивает надежную работу листовых ножниц без воздуха, что значительно снижает эксплуатационные расходы.

Разрезаемый материал прижимается к столу ножниц прижимной балкой, движение которой согласовано с движением ножевой балки.

Механические ножницы Н-3121 снабжены задним упором. Для безопасной работы на ножницах предусмотрена защитная решетка.

Гильотинные ножницы Н3121 могут работать на одиночных и автоматических ходах. Управление кнопочное с пульта управления и от ножной педали.

Конструкция соединения ножевой балки с шатунами предусматривает возможность увеличения открытой высоты ножей на 20 мм, что необходимо для продольной резки листа.

Прижим разрезаемого листа к столу осуществляется индивидуальными подпружиннеными штоками.

Ножницы механические листовые Н-3121 с наклонным ножом для листа толщиной свыше 6,3 мм предназначены для резки листового материала с σ BP 150 кг/мм 2.

Поперечная резка листа толщиной 12,5 мм и шириной 2000 мм производится за один ход ножа.

Продольная резка — при длине реза более 2000 мм — производится рядом повторных резов при продвижении листа вдоль линии реза.

Ножницы изготовляются с основными параметрами по ГОСТ 6282—64

Общий вид гильотинных ножниц Н3121 Общий вид гильотинных ножниц Н3121

Общий вид гильотинных ножниц Н3121

2Назначение и конструкция гильотинных станков

Ножницы гильотинного принципа действия – это специальное оборудование, предназначенное для резания металла. В зависимости от типа и назначения станка, толщина разрезаемого металлического листа может достигать 35 мм. Раскрой может производиться как поперечный, так и продольный, но только прямолинейный (вырезы делать нельзя).

Гильотинные ножницы по металлу применяют для разрезания как листовых материалов, так и материалов круглого, углового, прямоугольного сечения. К преимуществам этого оборудования относят высокую точность разреза, отсутствие дефектов (зазубрин, вмятин) в местах среза, сохранение целостности защитного полимерного слоя или покрытия краской на поверхности обрабатываемых изделий.

Основные элементы конструкции гильотинного станка:

• станина (из сваренных листов или монолитная);

• два ножа.

Станина состоит из двух стоек, которые связаны друг с другом балкой и траверсами, оснащена закрепленным к ней рабочим столом, служащим для удобной подачи разрезаемого материала. Нижний нож имеет фиксированное положение, а верхнее лезвие закреплено на подвижной балке. Стол оборудован удлинителями и угольником для раскроя длинных листов, а также прижимным устройством. Станок также оснащен градуированным упором, предназначенным для проведения серийной резки, и приспособлением, ограничивающим глубину подачи изделий.

Мощные ножницы снабжаются предохранительным механизмом – при возникновении перегрузки срезается специальная шпилька, и процесс резки останавливается. Встречаются станки, оборудованные возвратным поддоном, используемым для сбора отрезанного материала. В случае применения электропривода на стойках устанавливают балку, к которой закреплен двигатель-редуктор, соединенный с валом. На последнем расположены тормозной барабан и 2 кривошипа, которые с помощью кронштейнов и посредством шатуна соединяются с траверсой, где установлены ножи.

Ножи для гильотинных ножниц изготавливают из инструментальной высоколегированной стали, их режущие поверхности закаляют методом наклепа или высокочастотным током. Предназначены они для резки металла, находящегося в холодном или горячем состоянии. В настоящее время производятся ножи более 100 различных типоразмеров:

• длинами 110–2000 мм;

• толщиной 12–120 мм;

• шириной 50–200 мм.

3 Принцип действия гильотинных ножниц

Начали использовать гильотины довольно давно, но изначально их применяли не для разрезания металла, а для казни преступников. Принцип действия современных станков для раскроя материалов основан на работе самого первого устройства, которое имело только один верхний нож. Резка происходит методом рубки в результате опускания лезвия, предварительно поднятого на предусмотренную конструкцией высоту.

Ножницы механические с электроприводом работают следующим образом. Листовой металл через подающее устройство поступает из разматывателя на стол, выдвигающийся при необходимости. Заготовка выравнивается по боковому упору и ограничителю для регулирования глубины подачи, затем происходит ее фиксация прижимным устройством в виде балки, что обеспечивает достаточно высокую точность разрезания.

При включении реза крутящий момент от двигателя-редуктора передается на вал, вращение которого преобразуется посредством шатунов и кривошипов в возвратно-поступательные перемещения траверсы. Сначала при ее движении верхний нож опускается и производит рез. В зависимости от вида ножниц, отрубленные обрезки выбрасываются в лоток, в сторону оператора, вперед или назад. Готовые заготовки попадают в приемник. Затем траверса, продолжая движение, поднимается и занимает исходное верхнее положение. В тот же момент срабатывает датчик, мотор-редуктор отключается.

Контроль верхнего и нижнего расположения траверсы станка осуществляют конечные выключатели. Вверху ее фиксирует тормозной барабан, установленный на валу. Раскрой, в зависимости от разновидности и размещения ножей, возможен в поперечном или продольном направлении. В случае поперечного разреза нож совершает один цикл рабочего движения, а при продольном – несколько, повторяющихся с поступательным перемещением металла по столу. Второй режим применяют для резки рулонного материала на полосы, а также раскроя листа длиной более 2 метров.

Остро заточенный нож гильотинного станка опускается с высоты верхнего положения под воздействием сил тяжести. Его ускорение значительное, так как он довольно массивен, но недостаточное, чтобы разрезать прочный металл. Одного веса рубящего устройства в данном случае будет мало, потому что протяженность разбега (высота падения ножа) в современных установках гораздо меньше, чем в аналогичных первых станках прошлого тысячелетия. Для придания режущему механизму необходимого ускорения изготавливают специальную конструкцию, в которой установлен нож с массой в несколько десятков килограммов.

Эти же причины определили установку в гильотинных станках по металлу дополнительного нижнего неподвижного ножа. Таким образом, работа современных установок сочетает в себе функционирование обычных ножниц и гильотины. Разрезаемый материал размещается на столе оборудования между нижним и верхним режущими ножами. Такое инженерное решение, безусловно, значительно усложняет конструкцию самого станка, что в итоге отражается на его себестоимости, но при этом позволяет получить высокое качество и точность обработки заготовок.

4. Общие причины поломок гильотинных ножниц

Гильотинные ножницы, являясь сложным техническим оборудованием, зачастую подвергаются поломкам. Некоторые из неисправностей возможно устранить буквально в считанные минуты на месте, обладая необходимой квалификацией и знаниями. Другие же нуждаются в профессиональном ремонте подрядчиками и нередко за внушительную стоимость.

Наиболее распространенной причиной поломки гильотинных ножниц является нарушение правил эксплуатации:

• перегрузка ножниц;

• работа по времени с превышением нормативного срока;

• разрез металла толщиной, превышающей допустимые параметры по инструкции;

• неверная настройка и регулировка параметров работником цеха.

Если резать слишком толстый лист металла, то велика вероятность того, что ножи могут покривиться. А соответственно весь перекос будет влиять на ровность реза изделия и его качество.

Узлы, подверженные поломкам в гильотинных ножницах.

Механики, осуществляющие ремонт гильотинных ножниц, классифицируют поломки в зависимости от конструкции и типа оборудования:

с механическим приводом;

с гидравлическим приводом.

Кроме того, есть также и базовое деление ножниц на ручные, полуавтоматические и автоматические.

Однако есть ряд базовых неисправностей, характерных для гильотин любого типа:

-в первую очередь и быстрее всего изнашиваются подшипники скольжения вала привода ножевой балки или, как их принято называть, бронзовые втулки;

- износ направляющих ножевой балки. Впоследствии это ведет к неровному резу металла;

- износ кромок ножей, что также влияет на качество и ровность реза металла. Возможно устранить и на месте путем шлифования кромок;

- износ резиновых втулок (наиболее характерно для ножниц с пневматическим приводом);

- поломки пневматического распределителя и/или муфты;

- нередко выходит из строя механизм включения хода или вращения ножевой балки, что характерно для ножниц с механическим приводом;

- износ концевых выключателей ножниц с механическим приводом ведет к несвоевременной остановке оборудования или и вовсе работе без остановки.

Безусловно, существуют также более частные и менее распространенные поломки, от которых иногда, увы, застраховаться непросто. Например, ножницы с пневматическим приводом могут пострадать от резкого скачка напряжения. А механика – от резкого удара в результате неграмотной эксплуатации.

С помощью наплавки можно восстановить износ ножей. Наплавка служит для восстановления размеров деталей и получения на их рабочих поверхностях износостойких покрытий путем расплавления наплавочного материала дуговой или газовой сваркой ручным, полуавтоматическим и автоматическим способами.

Для деталей из низкоуглеродистой стали используют электроды ОММ-5 типа Э-42 и УОНИ-13/45П типа Э-42А; для среднеуглеродистой стали, термически не обработанной или нормализованной,— электроды УОНИ-13/55 типа Э-50А; для закаленных среднеуглеродистых цементированных и легированных сталей — (электроды ОЗН-250, ОЗН-300, ОЗН-350, У-340, ОМГ-Н и другие модели. Наплавку производят постоянным током при обратной полярности короткой дугой с перекрытием соседних валиков на 30—50 %, диаметр электрода и сила тока ниже, чем при сварке. Крупные детали предварительно нагревают до 300—400 °С.

Наплавка деталей может производиться литыми (сормайт № 1 И № 2, стеллиты В2К и ВЗК) и порошкообразными (сталинит, боридные смеси БХ и КБХ и др.) твердыми сплавами. Толщина наплавленного слоя с учетом припуска на механическую обработку – от 2,5 до 4 мм.

В проектировании модели ножа в программе ANSYSя использовал команду VGLUEALL, что означает склеивания два материала между собой. При моделировании я склеивал основу ножа и его режущую часть, которая сделана с твердого спалава марки ВК. Твердый сплавы – твердые и износостойкие материалы, полученные методом порошоковой металлургии, способные сохранять эти свойства при 900-1150 °C.

Склеивание можно проводить с помощью контактной сварки. Контактная сварка - процесс образования неразъёмного сварного соединения путём нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

5 Код для модели гильотиного ножа

/NOPR !переход к объмной задаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7 !Переход в препоцессор

/UNITS,SI!расчеты в с.СИ

ET,1, SOLID92 ! выбор типа конечного элемента

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0 ! отключить температуру

!материал ножа

MPDATA,EX,1,,8e10 ! модуль упругости

MPDATA,PRXY,1,,0.35 ! коэффициент пуассона

MPDATA,DENS,1,,3000 ! плотность, кг/м3

!геометрия ножа

block,0,1.5,-0.1,0.1,0,0.02

! отверстия в ноже

cyl4,0.375,0,0.015,0,0,360,0.1

!копирования цилиндра

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,2

VGEN,2,P51X, , ,0.375, , , ,0

!3 цилиндр

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,3

VGEN,2,P51X, , ,0.375, , , ,0

! Вырезанияцилиндров

FLST,2,3,6,ORDE,2

FITEM,2,2

FITEM,2,-4

FLST,3,3,6,ORDE,2

FITEM,3,2

FITEM,3,-4

VSBV, 1,P51X

BLOCK,0,1.5,-0.1,-0.12,0,0.02!Создаем еще один прямогуольник для создания острия ножа

VGLUE, ALL!свариваем два материала между собой

L,15,16,!Соединяем линий

L,16,22,!Соединяем линий

L,22,15,!Соединяемлиний

A,15,16,22!Строим площадь

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,3

VEXT,P51X, , ,-1.5,0,0,,,,

VSBV, 1, 3

Lesize,31,0.020!Размельчение сетки

Lesize,21,0.020!Размельчение сетки

Lesize,27,0.020!Размельчение сетки

Vmesh, all !Построение сетки

FINISH

/SOL

EQSLV,PCG,1E-8

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,25

!*

/GOЗакрепление площади ножа

DA,P51X,ALL,

FLST,2,3,5,ORDE,3

FITEM,2,19

FITEM,2,21

FITEM,2,23

/GO!

SFA,P51X,1,PRES,8330000

! /STATUS,SOLU

SOLVE

6. Проектирование модели в ANSYS

Рисунок 1 – вырезания цилиндров с помощью команды Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Subtract-Volumes

Рисунок 2 – готовые отверстия выполненные командами на рис. 1

Рисунок 3 – извлечение кодов с ячейки файла WriteDBlogfile, для внесение в колонку команд

Рисунок 4 – создания еще одного прямоугольника для создания острия ножа

Рисунок 5 – создания треугольника для создания острия ножа и выдавливания с помощью команд Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-By XYZ Offset

Рисунок 6 – указания длины и по какой оси надо выдавить при созданий треугольника

Рисунок 7 – создания острия ножа с помощью команды Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Subtract-Volumes

Рисунок 8 – построение сетки с помощью команды Vmesh, allи командыLesize, которая используется для размельчений сетки

Рисунок 9 – выбор необходимого элемента управления с помощью команды Solution-Analysis Type-Sol`n Controls-Sol`n Options-Pre-Condition CG

Рисунок 10–закрепление по линий с помощью команды Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Lines

Рисунок 11 – выбор команды AllDOFпри закреплений по линий

Рисунок 12 – результатзакрепленияполинийспомощьюкомандыSolution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Lines

Рисунок 13 –придаемнагрузкуспомощьюкомандыSolution-Define Loads-Apply-Structural-Force/Moment-On Nodes

Рисунок 14 – указания координаты нагрузки

Рисунок 15 –задаем давления по площади с помощью команд Solution-Define Loads-Apply-Structural-Pressure-On Areas

Рисунок 16 – задаем величину давления

Рисунок 17 – нагрузка давлением по площади установлен

Рисунок 18 – Нагрузка силой по линий установлен

Рисунок 19 – Решение найдено по спсобу нагрузки по линий

Рисунок 20 – Показана деформация ножа, после нагрузки по линий

Рисунок 21 – Максимальная и минимальная деформация по оси Х

Рисунок 22 – Показана деформация ножа, после нагрузки по площади

Рисунок 23 – Максимальная и минимальная деформация по оси Х

Рисунок 24 – Максимальная и минимальная деформация по оси Y

Рисунок 25 – Максимальная и минимальная деформация по оси Z

По завершению моделирования ножа, по рисункам деформации видно как деформировало нож, это значит были ошибки при построении и тем самым мы можем увидеть дефекты ножа при ее эксплуатации. При моделировании использовал операторы, такие как геометрия ножа с помощью команды BLOCK, создания цилиндров, создания отверстия, вырезания, склеивание модели, вычитание, создания сетки (для разбивки материала), задал давления 8 330 кПа.

Заключение В этой научной работе, я описал проектирование в программном пакете Ansys. Здесь рассматриваю проектирование гильотинного ножа, с помощью операций в блоке команд и через меню пакета. Рассмотрел такие операции как BLOCK,CYL4, VGLUE All, Lesize, Vmesh All.

Достиг поставленной цели. Актуальность работы гильотинных ножей занимает значимое место в промышленности. С помощью спроектированного моделя программой ANSYSможно предостеречь браки, сократить износ поверхности материала учитывая параметры деформации, улучшить технологию восстановления материала.

Список использованной литературы

1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. Учебник для втузов. –М.: Высшая шк., 1990. –335 с.

2. Системы автоматизированного проектирования: Учеб.пособие для втузов: В 9 кн. / Под ред. И.П. Норенкова. –М.: Высш.шк., 1986.

3. А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева «ANSYS в руках инженера, практическое руводство»,-М.2003

4. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

5. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общей редакцией Д.Г. Красковского. – М.: КомпьютерПресс, 2002. – 224 с.

7. Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных. Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.

8. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

9. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Казанский государственный университет, Казань 2001, Электронные материалы

10. www.elemash-m.ru,www.tutmet.ru.

Код для цитирования: Скопировать