Com determinar la necessitat de costelles de reforç interns en una placa de calefacció en funció de la pressió de subjecció?

Si no es recolza adequadament, una gran placa de l'escalfador es doblega com un llit elàstic per sota de 500 tones de potència de premsa, aixafant les vores de la peça i deixant sense el centre de pressió. Les costelles internes són com un esquelet, mantenint la planitud sota gran tensió. Les premses d'alt tonatge per a laminació, conformació de compostos o vulcanització de cautxú es poden sotmetre fàcilment a pressions de subjecció superiors a les que una placa sòlida i plana pot suportar estructuralment a la superfície de la platina. Una de les grans decisions tècniques és si calen o no costelles de reforç interns i quina configuració haurien de tenir. Es tracta d'una compensació entre la rigidesa mecànica i l'homogeneïtat tèrmica.

El repte estructural: flexió sota força de subjecció
L'envergadura no suportada, el gruix, la rigidesa del material (mòdul de Young) i la distribució de pressió aplicada a la platina influeixen en la deflexió de la platina. La deflexió augmenta com el cub de la longitud no suportada i es redueix com el cub del gruix de la placa per a una determinada pressió de subjecció. Un plat sòlid prou gruixut com per resistir la desviació sense costelles es torna massa pesat per ser pràctic, massa car de construir i massa lent per escalfar-se. Els plats de laminació i modelat de precisió sovint tenen límits de deflexió increïblement estrets, amb 0,025 mm sobre 1 metre (0,001 polzada per peu) un requisit comú. Si se supera aquest límit, el gruix del producte no serà-uniforme, l'enllaç serà incomplet o les vores es comprimiran massa.

Les xarxes de metall que són gruixudes a l'interior (anomenades costelles) es colen o es mecanitzen a la part posterior ({0}}cost que no treballa) de la platina per evitar la flexió sense fer que la platina sigui massa gruixuda. Aquestes nervadures funcionen com a bigues que endurin la placa augmentant el moment d'inèrcia sense afegir massa a la cara de treball. La necessitat d'aquestes costelles està dictada principalment per tres paràmetres: magnitud de la pressió de subjecció, amplitud del plat i deflexió permesa.

La pressió de subjecció i el paper del disseny de la costella de la placa de calefacció avaluant la pressió de subjecció
La pressió de subjecció del disseny de la costella de la placa d'escalfament és una paraula que captura el bucle de disseny principal: la pressió de subjecció aplicada determina la forma de la costella necessària i la geometria de la costella afecta el comportament tèrmic de la placa. En realitat, el procés de decisió implica una sèrie de processos, tant quantitatius com qualitatius.

Límits de rigidesa i deflexió
El moment d'inèrcia regeix la rigidesa relativa d'una placa nervada a una placa sòlida. Per a una costella, el moment d'inèrcia augmenta amb ℎ3h3 per a una alçada ℎh per sobre de la placa base . Així, una costella el doble d'alçada té 8 vegades la rigidesa a la flexió. Això fa que les costelles altes i estretes siguin molt més efectives que una placa de gruix constant. No obstant això, les costelles proporcionen vies de massa tèrmica i de flux de calor que poden provocar no-uniformitats de temperatura a la superfície de treball .

Guia qualitativa mitjançant pressió de fixació
Els consells següents proporcionen una regla general sobre si les costelles internes són essencials per a una placa d'acer estàndard (span ~ 1 m, gruix ~ 50-100 mm). Els llindars reals depenen geomètrics i materials.

Força de subjecció (bar) Aplicació típica Recomanació de nervadures 10 bar (baix)Premses de laboratori, laminació lleugera Pot ser prou sòlida i plana. La desviació és lleugera.
10-30 bar (med)Consolidació de cautxú, composites Es recomana costelles longitudinals o transversals simples. Espaiat 200-300 mm.
30-50 bar (mitjana alta)Premsat industrial, laminació de PCB Necessita nervadures ortogonals (disseny de gofres). Alçada de la costella 2-3 vegades el gruix de la base. 50 barra (alta) Estampació pesada Formació de metalls Consolidació d'alta força Necessiten costelles de reixeta profundes. Alçada de les costelles de 4 a 6 vegades el gruix de la base. Cal anàlisi d'elements finits (FEA).
Les pressions de tancament en premses pesades d'estampació i laminació sovint superen els 100 bar. Un plat sòlid sense costelles hauria de tenir un gruix de 300 mm per aconseguir una planitud de 0,025 mm/m sota aquestes tensions, que és tèrmicament ineficient i econòmicament inviable. Les costelles internes redueixen el gruix necessari de la cara de treball a 40-60 mm alhora que conserven la rigidesa general.

Efecte d'ombra: penalitzacions tèrmiques de costelles
Les costelles donen suport mecànic però a costa d'una penalització tèrmica. Les costelles funcionen com a superfícies expandides (aletes) per augmentar la pèrdua de calor local a l'entorn o als suports de premsa i, per tant, allunyar la calor de la zona de treball. Això provoca ratlles lleugerament més fredes, o "ombres tèrmiques", a la cara frontal just a sobre de cada costella. Depenent de la geometria de la costella, la ubicació de la font de calefacció i l'aïllament, la diferència de temperatura varia de 0,5 graus a 3 graus.

Per tant, s'ha d'optimitzar la pressió de subjecció pel que fa al disseny de la nervadura de la placa de calefacció, de manera que les nervadures només es situen allà on siguin físicament necessàries, alineades amb els punts de suport del suport de la premsa i, si és possible, no directament sota les zones de calefacció importants. Sovint, la part posterior està estampada com una gofre, una quadrícula de costelles ortogonals que creen cel·les quadrades o rectangulars. Les costelles estan integralment foses o mecanitzades amb la base de la platina. El modelatge tèrmic FEA es realitza amb freqüència per garantir que les nervadures no provoquin ombres de temperatura no desitjades. En variar l'alçada, l'espaiat i l'orientació de les costelles, els dissenyadors poden aconseguir un equilibri de deflexió mecànica dins de la tolerància i l'homogeneïtat tèrmica sobre la superfície de treball dins dels estàndards de procés (per exemple, ± 1 grau).

Materials i consideracions de suport
El material de la platina té un gran efecte sobre la deflexió i el disseny de les costelles. El ferro colat (per exemple, ASTM A48 Classe 40) té una gran amortiment i mecanització, però té un mòdul inferior (100 a 120 GPa) que l'acer. Ferro dúctil de major resistència (ASTM A536). L'acer (A36, 4140) té un mòdul de 200 GPa, per tant és el doble de rígid que el ferro colat per a la mateixa geometria, però és més pesat i més car. L'alumini (E ~ 69 GPa) és més lleuger, però requereix costelles molt més gruixudes per aconseguir la mateixa rigidesa que l'acer.

El suport de premsa defineix la reixeta de costella mitjançant l'espaiat dels suports. Els punts de suport (barres d'empenta-cap amunt o columnes de reforç) s'han de col·locar als encreuaments de costelles per minimitzar els moments de flexió entre els suports. Per a una placa rectangular suportada a les cantonades per quatre puntals, la màxima flexió té lloc sobre el centre. Es pot utilitzar una quadrícula completa o una nervadura transversal-central per reduir la flexió.

Disseny estructural i tèrmic de co-: un resum del procés
Per a premses de gran tonatge, cal un disseny estructural i tèrmic detallat{0}. El flux de treball normal és:

Definir els paràmetres del procés. Pressió de tancament. Dimensions del plat. Deflexió permesa (p. ex. . 0.025 mm/m) Requisit d'uniformitat de temperatura (±1 grau)

Trieu el material: acer per a una gran rigidesa, ferro dúctil per cost/rendiment.

Disposició preliminar de la costella: guia qualitativa de la pressió, alçada de la costella, espaiat i patró de quadrícula.

FEA estructural: determineu la deflexió per a la càrrega de subjecció del pitjor cas. Si la deflexió és massa gran, augmenteu l'alçada de les costelles o reduïu l'espai. La rigidesa és proporcional al cub de l'alçada de la costella, per tant les costelles altes són molt efectives.

FEA tèrmica: model de transmissió de calor mitjançant platina des d'escalfadors implantats (cartutx o colat{0}}in). Localitzeu ombres de temperatura sobre les costelles. Per això cal ajustar les costelles o afegir escalfadors.

Prototip o producció: examinar la planitud i la uniformitat tèrmica en un banc de proves.

Conclusió: platines nervades: un primer enfocament estructural{0}
La primera línia de defensa contra la flexió a alta pressió de subjecció és la nervadura interna. Però s'ha de construir en paral·lel amb el sistema tèrmic per garantir la uniformitat. Una bona solució de pressió de subjecció de disseny de costelles de plat de calefacció té com a resultat una planitud de fins a 0,025 mm/m i una variació de temperatura de menys de 2 graus sobre la cara de treball. Sense costelles, la platina es desviaria massa o seria un bloc sòlid de metall amb una conducció tèrmica deficient.

Les grans plaques de calefacció són primers elements estructurals, segons escalfadors. La pressió de tancament defineix l'esquelet, el sistema de calefacció l'omple d'energia uniforme. Per als enginyers que especifiquen equips per a aplicacions de laminació, modelat o premsat, un disseny acanalat no és una opció quan les pressions superen els 20-30 bar. El secret és un disseny optimitzat que s'endureix quan cal i ombreja només quan és acceptable, un compromís que només es pot veure mitjançant un modelatge i proves acurades.