Prezentace diplomové práce: CNC hydraulický ohraňovací lis Student: Školitel: Konzultant: Zadavatel: Klíčová slova: CNC hydraulic press brake Keyword:

-

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha

Prezentace diplomové práce: CNC hydraulický ohraňovací lis Student: Školitel: Konzultant: Zadavatel: Klíčová slova: Anotace:

Cíle práce:

Michal Dvořáček Doc. Ing. Stanislav Maňas, CSc. Doc. Ing. Jan Řezníček, CSc. Fermat Group, a.s. CNC hydraulický ohraňovací lis, systém řízení CNC hydraulického ohraňovacího lisu, volné ohýbání, ohýbání s dotlačením, konstrukce nosné soustavy CNC hydraulického ohraňovacího lisu, technologické parametry procesu ohýbání Diplomová práce pojednává o návrhu a kompletaci systému řízení CNC hydraulických ohraňovacích lisů řady CTOF vybavenými třemi řízenými osami (Y1, Y2 a X) a hydraulickou kompenzací beranu a stolu. Dále diplomová práce obsahuje pevnostní analýzu nosné soustavy lisu, která byla provedena pomocí metody konečných prvků. Na základě výsledků pevnostní analýzy byly navrženy vhodné konstrukční úpravy kritických uzlů nosné soustavy. Vývoj a kompletace řídícího systému pro CNC hydraulické ohraňovací lisy řady CTOF a zdokonalení konstrukčního řešení nosné soustavy.

CNC hydraulic press brake Keyword: Annotation:

Target of work:

CNC hydraulic press brake, control system of CNC hydraulic press brake, air bending, bottoming, frame of the CNC hydraulic press brake, bending process parameters This diploma thesis offers a complete overview of the control system’s design of the CNC hydraulic press brake CTOF, equipped with axis Y1, Y2, X and hydraulic crowning system. The second part consists of the FEM analyze the press brake frame. Based on the results FEM analyze were made changes in the frame construction in order to observe a better load stress distribution in the critical parts of the frame. Design of the control system of CNC hydraulic press brake and construction improvement of the press brake frame.

Úvod Zpracování plechu patří obecně mezi nejstarší technologické procesy. Samotné ohýbání plechu, neboli ohraňování, může být považováno za základní variantu technologie zpracování plechu. Díky stále se zvyšujícím požadavkům na univerzálnost a jednoduchost výroby, je technologie ohraňování vhodná jak pro kusovou výrobu, tak i pro velkosériovou výrobu. V současné době zaujímá technologie ohraňování významnou pozici v mnoha průmyslových odvětvích jakou jsou například automobilový, lodní, letecký, energetický průmysl a další. Technologie ohraňování je prováděna na tzv. ohraňovacích lisech, na kterých je možné využívat mnoho typů a velikostí nástrojů. Ohraňovací nástroje se sestávají z horního nástroje (razník) a spodního nástroje (matrice), které mohou mít různé tvary a délky. Běžné je rovněž uchycení hned několika typů a velikostí nástrojů na ohraňovacím lise najednou a provádět tak několik různých ohybů bez nutnosti přerušení práce. Nejpoužívanějším spodním nástrojem je matrice s V-drážkou.

-1-

-


Obr. 1 – technologie ohraňování na ohraňovacím lisu Obecně rozlišujeme dva typy technologií ohraňování: a) volné ohýbání b) ohýbání s dotlačením

Obr. 2 – způsoby ohraňování Cílem této diplomová práce je vytvoření dostatečného podkladu pro vývoj nového řídícího systému určeného pro CNC hydraulické ohraňovací lisy řady CTOF prodávané v ČR a SR společností FERMAT Group, a.s. Tento lis je vybaven třemi řízenými osami (Y1, Y2, X) a hydraulickou kompenzací průhybu beranu a stolu.

-2-

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

-

Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha

Nejprve se budu zabývat přesným určením technologických parametrů ohýbání, které budou na základě obsluhou stroje vložených vstupních parametrů ohýbání automaticky vypočítávány řídícím systémem. Výsledná přesnost ohýbaných dílů významně závisí na správném určení technologických parametrů. Dále budou navrženy základní funkce programu pro ohýbání plechu. Tento program vytvoří komunikační prostředí mezi obsluhou a strojem. Následně bude proveden návrh realizace řízení CNC ohraňovacího lisu pomocí programovací logické jednotky. PLC jednotka ovládá hydraulický systém lisu a pohyb zadního dorazu. Na závěr diplomové práce bude provedena pevnostní analýza nosné soustavy CNC ohraňovacího lisu CTOF 160/3200 a v případě nutnosti provedeny potřebné konstrukční úpravy.

Zpřesnění technologických parametrů ohraňování Geometrie nástrojů Ačkoliv není vzájemné pronikání nástrojů během procesu volného ohýbání tak velké, ve srovnání s ohýbáním s dotlačením, má geometrie ohraňovacích nástrojů významný vliv na konečný tvar výlisku.

Obr. 4 – základní geometrické parametry ohraňovacích nástrojů Základní geometrie nástrojů je určena těmito parametry: -

šířka V-drážky spodního nástroje (V) poloměr hran V-drážky spodního nástroje (Rd) poloměr špičky horního nástroje (Rp) úhel špičky horního nástroje (αp) úhel V-drážky spodního nástroje (αd)

Volné ohýbání Princip volného ohýbání spočívá v tom, že na základě informace o požadovaném úhlu ohybu αc je vypočten zdvih beranu lisu sp. Zdvih beranu lisu je nejdůležitějším technologickým parametrem volného ohýbání. Správným určením zdvihu beranu bude dosažen přesný tvar výlisku.

-3-


-


Obr. 3 – základní parametry volného ohýbání Při procesu ohýbání je nutné uvažovat také vliv odpružení materiálu. Po odlehčení beranu výlisek odpruží o úhel odpružení. To může způsobit značné změny úhlu ohybu a tím značné tvarové nepřesnosti výlisku. Úhel ohybu po odlehčení αc je vždy větší než úhel ohybu při zatížení beranem α a to přesně o úhel odpružení Δα.

α = α c + Δα kde

Δα = A0 ⋅

V + B0 t

A0 = 3,05 ⋅ 10 −7 ⋅ σ m − 4,525 ⋅ 10 −4 ⋅ σ m + 0,5013 2

B0 = −1,5364 ⋅ 10 −5 ⋅ σ m + 0,0268 ⋅ σ m − 7,9818 2

, σm je mez pevnosti materiálu v tahu v [MPa] Zdvih beranu bude systémem vypočítáván podle následující rovnice:

⎤ V α⎞ ⎛ ⎛ ⎞ ⎡ − (Rd + t ) ⋅ tg ⎜ 45o − ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ 1 1 2 4⎠ t ⎜ ⎝ ⎟ ⎢ − ⋅ ⎛ *⎞ −1 ⋅ sp = − 1⎥ 1 ⎟ ⎢ ⎛α ⎞ ⎥ 2 ⎜ ⎜ 6⋅t ⋅s2p ⎟⋅(1+ μ ) n ⎛α ⎞ tg ⎜ ⎟ ⎜ ⎜⎝ V ⎟⎠ ⎟ ⎢ sin ⎜ ⎟ ⎥ − 1 e 2 ⎝ ⎠ ⎣ ⎝2⎠ ⎦ ⎝ ⎠ , μ je koeficient smykového tření [-] t je tloušťka plechu [mm] n je součinitel zpevnění a vypočítá se podle rce: n = ln⎛⎜1 + A ⎞⎟ , kde A je tažnost materiálu [%] ⎝

-4-

100 ⎠

-


výraz sp* je: sp

výraz V2 je:

*

⎡ ⎤ α⎞ V ⎛ − (Rd + t ) ⋅ tg ⎜ 45o − ⎟ ⎢ ⎥ 1 2 4⎠ ⎝ = − Rp ⋅ ⎢ − 1⎥ ⎛α ⎞ ⎢ ⎛α ⎞ ⎥ tg ⎜ ⎟ ⎢ sin ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎥ ⎝2⎠ ⎣ ⎦

⎧⎡ V ⎛ o α ⎞⎤ ⎪⎢ − (Rd + t ) ⋅ tg ⎜ 45 − ⎟ ⎥ α⎞ 2 4 ⎠⎥ ⎪ ⎛ ⎝ V 2 = 4 ⋅ ⎨⎢ − (Rd + t ) ⋅ tg ⎜ 45° − ⎟ − R p 4⎠ ⎥ ⎛α ⎞ ⎝ ⎪⎢ sin⎜ ⎟ ⎥ ⎪⎩⎢⎣ ⎝2⎠ ⎦

⎫ ⎤ ⎡ ⎪ ⎥ ⎢ 1 ⎛ α ⎞⎪ ⋅⎢ − 1⎥ ⋅ cos⎜ ⎟⎬ ⎢ ⎛α ⎞ ⎥ ⎝ 2 ⎠⎪ ⎢ sin⎜ 2 ⎟ ⎥ ⎪⎭ ⎣ ⎝ ⎠ ⎦

2

Přesnost těchto navržených teoretických vztahů byla ověřena experimentálním měřením provedeném na několika různých ohraňovacích nástrojích, tloušťkách a typech materiálů ohýbaných plechů. Měření bylo provedeno pomocí sklonoměru s piezoelektrickým krystalem od fy Sitall Electronic (více viz. DP).

Obr. 4 – měření úhlu ohybu sklonoměrem během procesu ohýbání Ohýbání s dotlačením Technologie ohýbání s dotlačením není na ohraňovacích lisech, ve srovnání s volným ohýbání, v praxi tak často využívána. Při ohýbání s dotlačením je konečný tvar výlisku shodný s tvarem ohýbacích nástrojů (tj.výlisek přijme tvar nástrojů). Při požadované změně tvaru výlisku je tedy nutná výměna obou ohraňovacích nástrojů, proto je tato technologie využívána především při velkosériové výrobě.

Obr. 5 – výpočtový model ohýbání s dotlačením

-5-

-


α p = α dc = α Aby nedošlo při ohýbání s dotlačením ke přílišné deformaci pod špičkou nástroje, což by mohlo vést až k přestřižení plechu, je nutné dodržet základní tuto podmínku:

Rdc ≤ R p + t Jestliže je výše uvedená podmínka splněna, pak je možné zdvih beranu lisu určit podle následujícího vztahu:

sp

⎡ ⎤ α⎞ V ⎛ − (Rd + t ) ⋅ tg ⎜ 45 o − ⎟ ⎢ ⎥ t 1 2 4⎠ ⎝ = − 1⎥ + − Rp ⋅ ⎢ ⎛α ⎞ ⎢ ⎛α ⎞ ⎥ 2 tg ⎜ ⎟ ⎢ sin⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎥ ⎝2⎠ ⎣ ⎦

Určení potřebné ohýbací síly Podle potřebné ohýbací síly při procesu ohýbání a znalosti činné plochy obou hydro-motorů se pomocí proporčního tlakového ventilu nastavuje tlak v hydraulickém systému lisu. Ohýbací síla je závislá na geometrických parametrech spodního nástroje, ohýbaného plechu a také na jeho mechanických vlastnostech. Obecně je používán vzorec tento vztah pro výpočet potřebné síly na ohýbání:

b⋅t2 F =k⋅ ⋅σ m V

, b je šířka ohybu [mm]

Hodnota koeficientu k je při procesu volného ohýbání na V-drážce nejčastěji volena jako 1,44. Pro proces ohýbání s dotlačením je koeficient k roven hodnotě 1,6.

Program pro výrobu ohýbaných dílů Vyvíjený program pro výrobu ohýbaných dílů je určen pro CNC ohraňovací lisy se třemi řízenými osami (osa Y1, Y2 a X). Osy Y1, Y2 (vertikální pohyb beranu – levá a pravá strana) jsou poháněny hydraulicky a řízeny nezávisle na sobě pomocí proporčních elektro-hydraulických prvků. Pohyb zadního dorazu v ose X (vodorovný pohyb) je zajišťován pomocí dvou kuličkových šroubů, poháněných přes ozubený řemen jedním servomotorem. Další osy zadního dorazu jsou nastavitelné manuálně (tj. R, Z1, Z2).

-6-


-


Obr. 6 – přehled řízených os ohraňovacího lisu (6 řízených os) Program pro výrobu ohýbaných dílů na CNC ohraňovacím lisu plní komunikační funkci mezi obsluhou a strojem. Hlavním cílem programu je zjednodušit a také zpříjemnit obsluhu stroje tak, aby i méně zkušený operátor dokázal lis bez problémů obsluhovat.

Obr. 7 – dotykový ovládací panel HG3F (IDEC) Program na základě vstupních parametrů, vložených obsluhou stroje, automaticky vypočítá výstupní parametry potřebné k přenému ohnutí výrobku. Vstupní parametry jsou: • • • •

požadovaný úhel ohybu geometrie ohýbaného plechu (t, b, ...) geometrie ohraňovacích nástrojů parametry popisující chování ohýbaného materiálu (σm, ...)

Výstupní parametry jsou: • • • • •

zdvih beranu lisu (osa Y1,Y2) poloha zadního dorazu (osa X) rozvinutá délka výrobku nastavení správného tlaku systému kompenzace průhybu beranu a stolu (osa W) kontrola možné kolize mezi výrobkem a nástroji během procesu ohýbání

-7-


-


Struktura řídícího systému

Obr. 8 –struktura řídícího systému hydraulického CNC ohraňovacího lisu se třemi řízenými osami a hydraulickou kompenzací průhybu

Pevnostní analýza nosné soustavy ohraňovacího lisu Nosná soustava lisu je vyrobena z konstrukční oceli. Tento materiál má následující mechanické parametry:

mez pevnosti (σm): mez kluzu (σk): modul pružnosti (E): Poissonovo číslo (μp): hustota (ρm):

460 MPa 250 MPa 2⋅105 MPa 0,3 7850 kg/m3

Nosná konstrukce bude zatížena maximální možnou silou 1600 kN, což je síla jakou jsou schopni vyvolat dva hydro-motory pohybující s beranem lisu. Předpokládám, že tato síla působí na beran i stůl lisu na celé jejich délce, tedy 3200 mm. Podle výpočtů odvozených v kapitole 3, je síla jednoho hydro-motoru systému kompenzace průhybu 504,404 kN. Celková síla systému kompenzace je 1513,213 kN.

-8-

-


Obr. 9 – model nosné soustavy ohraňovacího lisu

Obr. 10 – nejvíce namáhané místo spojení zadní desky stolu a čepu (bez zobrazení nosného C-rámu stroje a čepu) Vhodnou konstrukční úpravou výše uvedeného kritického uzlu je možné namáhaní zadní desky stolu snížit a tím tak předejít případnému poškození nosného systému stroje. Navržená konstrukční změna se bude týkat celého nosného uzlu spojující přední a zadní desku pomocí čepů. Kromě pevnostního hlediska musí být tato změna provedena také s ohledem na zachování nenáročné výroby jednotlivých dílů uzlu a také na dodržení shodného průhybu přední a zadní desky o které slouží jako opěra hydro-motorům kompenzace průhybu. V případě, že by průhyb

-9-


-


obou desek byl výrazně odlišný mohlo by dojít k poškození těchto tří hydro-motorů vlivem vzpříčení pístu. Uchycení zadní desky stolu bude posunuto o 100 mm směrem dolů a nebude realizováno pomocí čepů, ale zadní deska bude opřena přímo o nosný rám lisu. Touto konstrukční úpravou bude dosaženo zpevnění zadní desky, nosného rámu lisu (prostřední deska) a také příznivějšího rozložení napětí v kritickém uzlu. V důsledku této konstrukční úpravy je nutné posunout uchycení přední desky o 50 mm směrem dolů, aby bylo možné nosné čepy uchytit přímo do nosného rámu stroje. Tyto čepy byly zkráceny o 50 mm. Kromě změn uchycení přední a zadní desky, byl došlo ke změně tvaru zadní desky s ohledem na výhodnější rozložení redukovaného napětí. Využitím pozvolných tvarových změn (velkých poloměrů) byl dosaženo snížení koncentrace napětí v kritických místech zadní desky.

Obr. 11 – nejvíce namáhané místo zadní desky stolu (bez zobrazení nosného rámu stroje a čepu) po vhodné konstrukční úpravě

Závěr Diplomovou práci jako celek je možné rozdělit do dvou tématických částí. První část byla věnována vývoji obecných technologický výpočtových algoritmů, na základě kterých určí nový řídící systém CNC hydraulického ohraňovacího lisu potřebné technologické parametry procesu ohýbání. Technologickými parametry procesu ohýbání jsou myšleny: • potřebný tlak pro ohýbání • poloha dolní úvrati beranu • poloha zadního dorazu • rozvinutá délka výrobku • síla hydro-motorů systému kompenzace průhybu beranu a stolu. Algoritmus výpočtu potřebného tlaku pro ohýbání byl převzat ze všeobecně platného výpočtového vztahu, který používá většina světových výrobců ohraňovacích lisů.

-10-

-


Vývoj obecných vztahů pro určení polohy dolní úvrati beranu (nebo-li velikost zdvihu beranu) byl jedním z hlavních úkolů této diplomové práce. Platnost těchto nově vyvinutých obecných výpočtových vztahů dokazují výsledky experimentálních měření provedených na zkušebním ohraňovacím lise. Toto měření bylo provedeno pro dva v praxi nejběžněji ohýbané materiály. Aby byla ověřena obecná platnost těchto výpočtových vztahů pro jakýkoliv typ materiálu, bylo by nutné měření provést na dalších materiálech (např. nerez ocel, hliník, …). Vztahy pro výpočet polohy zadního dorazu jsou závislé výhradně na geometrii ohýbaného plechu. Platnost sestavených rovnic bude ověřena při zkušebním provozu nového řídícího systému. Pro výpočet rozvinuté délky byl použit vztah převzatý z odborné literatury pojednávající o procesu ohýbání. Jeho platnost bude rovněž ověřena až při zkušebním provozu nového řídícího systému. Vztah pro výpočet síly jednotlivých hydro-motorů systému kompenzace průhybu beranu a stolu v závislosti na technologických parametrech byl určen metodou konečných prvků pomocí výpočtového programu Ansys. Odvozený vztah je platný pro základní rozměr ohraňovacího lisu CTOF s délkou stolu 3200 mm. Z časových a organizačních důvodů budou výpočtové vztahy pro stroje s jinými délkami doplněny později. Druhá tématická část diplomové práce je věnována pevnostní analýze kritických konstrukčních uzlů nosné soustavy CNC ohraňovacího lisu řady CTOF s délkou stolu 3200 mm. Rozložení redukovaného napětí v jednotlivých částech nosné soustavy bylo určeno metodou konečných prvků pomocí výpočtového programu Ansys. Výsledky analýzy ukázaly, že při maximálním možném zatížení ohraňovacího lisu by mohlo dojít k poškození některých součástí nosného systému. V těchto kritických částech dosahovala hodnota redukovaného napětí meze kluzu nebo dokonce tuto mez překračovala. Proto bylo navrženo několik konstrukčních úprav tak, aby bylo rozložení redukovaného napětí v těchto kritických uzlech příznivější a vznikla tak určitá rezerva mezi hodnotou maximálního redukovaného napětí a mezí kluzu použitého materiálu.

-11-

Prezentace diplomové práce: CNC hydraulický ohraňovací lis Student: Školitel: Konzultant: Zadavatel: Klíčová slova: CNC hydraulic press brake Keyword:

Recommend Documents