Dan Ioan

Universitatea Transilvania din Braşov Facultatea de Inginerie Tehnologică şi Management

Industrial Departamentul didactic: Inginerie şi Management Industrial

Ing. Ioan DAN

CERCETĂRI INOVATIVE PRIVIND CONSTRUCłIA

BATIULUI DESCHIS AL PRESELOR MECANICE

INNOVATIVE RESEARCH REGARDING THE C-FRAME

CONSTRUCTION OF MECHANICAL PRESSES

Rezumatul tezei de doctorat

Summary of Ph.D. Thesis

Conducător ştiinŃific

Prof.dr.ing. Romeo CIOARĂ

BRAŞOV, 2014

Universitatea Transilvania din Braşov Facultatea de Inginerie Tehnologică şi Management

Industrial Departamentul didactic: Inginerie şi Management Industrial

D-nei/lui……………………………………………………………………………………

COMPONENłA Comisiei de doctorat

Numită prin Ordinul Rectoratului UniversităŃii “Transilvania” din Braşov

Nr. 6600 din 27.05.2014 PREŞEDINTE: -Prof.univ.dr.ing. Ramona CLINCIU

PRODECAN – Fac. de Inginerie Tehnologică şi Management Industrial Universitatea “Transilvania” din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINłIFIC: -Prof.univ.dr.ing. Romeo CIOARĂ

Universitatea “Transilvania” din Braşov REFERENłI: -Prof.univ.dr.ing. Octavian BOLOGA

Universitatea “Lucian Blaga” din Sibiu

-Prof.univ.dr.ing. Eugen STRĂJESCU Universitatea Politehnica din Bucureşti

-Prof.univ.dr.ing. Vladimir MĂRĂSCU-KLEIN Universitatea “Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susŃinerii publice a tezei de doctorat:10.07.2014, ora 10:00, Braşov, Universitatea “Transilvania” din Braşov, corpul V (str. Mihai Viteazul, nr. 5), sala VPA Eventualele aprecieri şi observaŃii asupra lucrării vă rugăm să le transmiteŃi, în timp util, pe adresa UniversităŃii Transilvania din Braşov, departamentul IMI, (str. Mihai Viteazul, nr. 5, corpul V al UniversităŃii), tel/fax: 0268-477113, sau la adresa de e-mail: [email protected]

CERCETĂRI INOVATIVE PRIVIND CONSTRUCłIA BATIULUI DESCHIS AL PRESELOR MECANICE Teză de doctorat - Rezumat

1

CUVÂNT ÎNAINTE

Moto:

”Când discipolul este pregătit, apare şi maestrul”

(Vechi proverb chinezesc)

În primul rând gândurile şi mulŃumirile mele se îndreaptă către domnul profesor

universitar doctor inginer Ion TUREAC, care m-a atras către activitatea de cercetare şi m-a

îndrumat în mare parte din perioada de pregătire şi de elaborare a tezei.

Activitatea din ultimii ani, foarte intensă, am desfăşurat-o sub coordonarea domnului

prof.univ.dr.ing. Romeo CIOARĂ, căruia îi mulŃumesc pentru amabilitate, răbdare şi înŃelegere,

pentru stăruinŃa permanentă în a mă îndruma către nou şi original. Întreaga activitate de

elaborare a tezei – atât documentarea, cât şi cercetarea teoretică şi experimentală – a fost

efectuată în cadrul departamentului de Inginerie şi Management Industrial. MulŃumesc întregului

colectiv al acestui departament pentru suportul moral şi pentru baza materială pusă la dispoziŃie

pentru cercetarea experimentală, pentru înŃelegerea manifestată, pentru sfaturile şi sugestiile

primite în special odată cu susŃinerea referatelor şi a tezei.

Adresez mulŃumiri deosebite domnilor profesori referenŃi ştiinŃifici, prof.univ.dr.ing.

Octavian BOLOGA, prof.univ.dr.ing. Eugen STRĂJESCU şi prof.univ.dr.ing. Vladimir

MĂRĂSCU-KLEIN, pentru acceptul dumnealor de a fi membrii comisiei de doctorat, pentru

bunăvoinŃa, competenŃa şi răbdarea cu care au analizat această teză de doctorat şi pentru însăşi

onoranta prezenŃă a dumnealor la susŃinerea publică a acesteia.

MulŃumesc de asemenea domnilor prof.univ.dr.ing. Vladimir MĂRĂSCU-KLEIN şi

conf.univ.dr.ing. Cristian PISARCIUC pentru acceptul dumnealor de a fi membri în comisiile de

susŃinere a rapoartelor de cercetare ştiinŃifică şi pentru toate sugestiile şi observaŃiile făcute în

sprijinul îmbunătăŃirii lucrării.

MulŃumesc familiei mele pentru încrederea şi susŃinerea acordată.

Ing. Ioan DAN

[email protected]

Braşov, iunie 2014


2

CUPRINS

Teză

Rez

umat

CUVÂNT ÎNAINTE 5 1

CUPRINS (RO) 7 2

CUPRINS (EN) -- 6

1. GENEZA TEMEI ŞI OBIECTIVELE TEZEI 11 10

1.1. Geneza temei 11 10

1.2. Obiectivele tezei 13 10

2. STUDIU PRIVIND STADIUL ACTUAL AL CONSTRUC łIEI BATIURILOR PRESELOR 16 12 2.1. Maşini-unelte, maşini-unelte de prelucrat prin deformare, prese

16 -- 2.2. Avantaje şi dezavantaje ale maşinilor şi prelucrărilor prin deformare

22 -- 2.3. Clasificarea maşinilor-unelte de prelucrat prin deformare

24 -- 2.4. SoluŃii constructive cunoscute şi frecvent utilizate pentru batiurile

preselor 25 12 2.5. Tehnologii de realizare a batiurilor preselor

35 -- 2.6. Materiale utilizate la construcŃia batiurilor

37 -- 2.6.1. Fonte pentru piese turnate pentru maşini-unelte

38 -- 2.6.2. OŃeluri utilizate la construcŃia batiurilor

40 -- 2.7. CerinŃe impuse batiurilor preselor

41 -- 2.7.1. CerinŃe economice

41 -- 2.7.2. CerinŃe ergonomice

42 -- 2.7.3. CerinŃe de mediu

43 -- 2.8. SoluŃii constructive particulare, inovative, de batiuri (deschise) cu

rigiditate crescută şi/sau cu deformaŃie de încovoiere mult redusă 44 13 2.8.1. Batiuri închise pretensionate

45 13 2.8.2. Batiuri deschise cu pretensionare pasivă

47 14 2.8.3. Batiuri deschise cu tensionare activă

51 15 2.8.4. O soluŃie particulară

53 17 2.9. CarenŃe ale preselor şi tendinŃe privind proiectarea şi exploatarea

acestora 54 -- 2.9.1. CarenŃe manifestate la proiectarea şi exploatarea preselor

54 -- 2.9.2. TendinŃe în domeniul proiectării preselor

57 -- 2.10. Concluzii şi direcŃii de cercetare proprii

59 18


3

3. ENERGIA DE DEFORMARE ELASTIC Ă A BATIULUI 61 19

3.1. Solicitarea batiului 61 19

3.2. Energia de deformare elastică a batiului 62 --

3.3. Modele analitice pentru calculul deformaŃiei elastice a unui batiu deschis 63 19

3.4. Lucrul mecanic de deformare elastică al unei prese 71 22

3.5. Capacitatea totală reală şi teoretică de producŃie a unei prese (mecanice) pentru întreaga sa durată de viaŃă utilă 75 24

3.6. Consumul energetic de exploatare asociat deformării elastice a batiului unei prese 79 25

3.7. ModalităŃi de creştere a rigidităŃii batiului deschis turnat al unei prese 82 27

3.8. Concluzii 84 28

4. SOLUłII CONSTRUCTIVE INOVATIVE NOI DE BATIURI TURNATE DESCHISE CU RIGIDITATE CRESCUT Ă PENTRU PRESE MECANICE CU MANIVEL Ă 87 30 4.1. SoluŃia constructivă de referinŃă

88 31 4.2. SoluŃii constructive noi bazate pe modificarea grosimii pereŃilor laterali

94 31 4.3. Batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi

95 32 4.3.1. Geometria nervurilor pereŃilor laterali

96 -- 4.3.2. Batiuri cu nervuri verticale

97 32 4.3.3. Batiuri cu nervuri orizontale

98 33 4.3.4. Batiuri cu nervuri înclinate

100 34 4.3.5. Batiuri cu nervuri intersectate

102 34 4.3.6. Batiuri cu nervuri curbe

103 36 4.4. Batiuri scurtate

104 36 4.5. Batiuri pretensionate

106 37 4.6. SoluŃii constructive combinate de batiuri cu rigiditate crescută

110 38 4.6.1. Batiuri nervurate şi scurtate

110 38 4.6.2. Batiuri nervurate şi pretensionate

111 38 4.6.3. Batiuri scurtate şi pretensionate

112 39 4.6.4. Batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate

112 39 4.7. Codificarea noilor soluŃii constructive de batiuri deschise cu rigiditate

crescută 113 39 4.8. Concluzii

115 40 5. STUDII ÎN MEDIU VIRTUAL PRIVIND ST ĂRILE DE DEFORMA łII ŞI DE TENSIUNI ALE SOLU łIILOR CONSTRUCTIVE NOI DE BATIURI 118 42


4

5.1. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de referinŃă 119 42

5.2. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu grosime modificată a pereŃilor laterali 123 --

5.3. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali nervuraŃi 125 43

5.3.1. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la batiurile cu pereŃi laterali cu nervuri verticale 125 44

5.3.2. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri orizontale 133 46

5.3.3. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri înclinate 139 47

5.3.4. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri drepte intersectate 146 48

5.3.5. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă cu pereŃi laterali cu nervuri curbe 149 49

5.4. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de batiu scurtat 151 49

5.5. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de batiu pretensionat 153 50

5.6. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive combinate de batiuri cu rigiditate crescută 157 51

5.6.1. Batiuri nervurate şi scurtate 157 51

5.6.2. Batiuri nervurate şi pretensionate 160 52

5.6.3. Batiuri scurtate şi pretensionate 163 53

5.6.4. Batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate 165 53

5.7. Concluzii 168 54

5.7.1. Creşterea de rigiditate 169 54

5.7.2. Starea de tensiuni 172 55

5.7.3. DirecŃii de cercetare identificate 173 56

6. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND DEFORMAREA ELASTIC Ă A BATIULUI PRESEI PAI 25 175 57 6.1. Obiectivele cercetării experimentale

175 57 6.2. Aparatura utilizată

177 57 6.3. Desfăşurarea măsurătorilor

181 58 6.4. Rezultatele obŃinute

182 59 6.5. Prelucrarea statistică a rezultatelor

186 59 6.6. Interpretarea rezultatelor

192 61 6.6.1. Analiza datelor experimentale 192 61 6.6.2. CorespondenŃa dintre datele experimentale şi rezultatele obŃinute

prin modelare 193 61 6.7. Concluzii

196 63


5

7. CONTRIBUłII ORIGINALE, FORME DE VALORIFICARE A CERCETĂRII ŞI CONCLUZII FINALE 198 64 7.1. ContribuŃii originale

198 64 7.2. Forme de valorificare a cercetării

202 66 7.3. DirecŃii de cercetare ulterioară

203 67 7.4. Concluzii finale

205 67 BIBLIOGRAFIE

208 70 Anexa 1. Batiu nervurat. Descriere de brevet de invenŃie

215 -- Anexa 2. Batiu deschis. Descriere de brevet de invenŃie

223 -- Anexa 3. Numărul de noduri şi numărul de elemente rezultate la

discretizarea modelelor de batiu studiate 229 -- Anexa 4. Masa, rigiditatea, coeficientul de masă (kM), coeficientul de

rigiditate (kC) şi coeficienŃi de performanŃă generali (KΠ şi KΣ(1;1)) la modelele de batiu studiate 231 --

Anexa 5. Cedările estimate prin analiză cu elemente finite, în punctele de măsurare 1 … 7 (a se revedea figura 6.1), pentru unele dintre batiurile noi originale supuse studiului stărilor de deformaŃii şi de tensiuni 235 --

Anexa 6. Rezumat scurt al tezei de doctorat 237 72 Anexa 7. Curriculum Vitae 239 74 DeclaraŃie de autenticitate 242 --

INNOVATIVE RESEARCH REGARDING THE C-FRAME CONSTRUCTION OF MECHANICAL PRESSES Doctoral thesis - Summary

6

TABLE OF CONTENTS

The

sis

Sum

mar

y

FOREWORD 5 1

TABLE OF CONTENTS (RO) 7 2 TABLE OF CONTENTS (EN) -- 6 1. GENESIS THEME AND OBJECTIVES OF THE THESIS

11 10 1.1. Genesis theme

11 10 1.2. Objectives of the thesis

13 10 2. RESEARCH REGARDING PRESENT STATE OF C-FRAME

CONSTRUCTION 16 12 2.1. Machine - tools, Machine - tools for cold forming

16 -- 2.2. Advantages and disadvantages of machine - tools for cold forming

22 -- 2.3. Classification of machine - tools for cold forming

24 -- 2.4. Known constructive solutions and commonly used for frameworks

presses 25 12 2.5. Technologies for frameworks presses

35 -- 2.6. Used materials for frameworks presses

37 -- 2.6.1. Cast iron for frameworks presses

38 -- 2.6.2. Cast steel for frameworks presses

40 -- 2.7. Requirements for frameworks presses

41 -- 2.7.1. Economic requirements

41 -- 2.7.2. Ergonomics requirements

42 -- 2.7.3. Environmental requirements

43 -- 2.8. Particular constructive and innovative solutions, of C-frames, increased

rigidity and / or greatly reduced of deformation 44 13 2.8.1. Pre-stressed C-frames

45 13 2.8.2. Passive pre-stressed C-frames

47 14 2.8.3. Active tension C-frames

51 15 2.8.4. A particular solution

53 17 2.9. Shortcomings presses and design trends and operation of

54 -- 2.9.1. Design shortcomings at the presses processing

54 -- 2.9.2. Presses design trends

57 -- 2.10. Conclusions and research

59 18


7

3. ELASTIC STRAIN ENERGY OF C-FRAME 61 19

3.1. C-frame stress 61 19

3.2. Elastic strain energy of C-frame 62 --

3.3. Analytical models for calculating elastic strains of C-frame 63 19

3.4. The mechanical work of elastic deformation of a C-frame 71 22

3.5. The total actual and theoretical capacity for the production of a mechanical press for its entire useful life cycle 75 24

3.6. Operational energy consumption associated with the elastic deformation of a C-frame 79 25

3.7. Methods to increase the stiffness of the C-frame cast of crank mechanical press 82 27

3.8. Conclusions 84 28

4. INNOVATIVE NEW CONSTRUCTIVE SOLUTIONS OF FRAMEWORKS OPEN CAST WITH INCREASED RIGIDITY FOR MECHANICAL CRANK PRESSES 87 30 4.1. Reference design solution

88 31 4.2. New constructive solutions based on changing walls thickness

94 31 4.3. C-frame with ribbed side walls

95 32 4.3.1. Geometry of ribbed side walls

96 -- 4.3.2. C-frame with vertical ribs

97 32 4.3.3. C-frame with horizontal ribs

98 33 4.3.4. C-frame with tilted ribs

100 34 4.3.5. C-frame with intersected ribs

102 34 4.3.6. C-frame with curved ribs

103 36 4.4. Shorted C-frame

104 36 4.5. Pre-stressed C-frame

106 37 4.6. Constructive solutions combined with increased C-frame rigidity

110 38 4.6.1. Ribbed and shortened C-frame

110 38 4.6.2. Ribbed and pre-stressed C-frame

111 38 4.6.3. Shortened and pre-stressed C-frame

112 39 4.6.4. Ribbed, shortened and pre-stressed C-frame

112 39 4.7. The codification of new constructive solutions of C-frame open

stiffness increased 113 39 4.8. Conclusions

115 40 5. CAD RESEARCH REGARDING STRAINS AND STRESS OF NEW

FRAMEWORKS CONSTRUCTIVE SOLUTIONS 118 42


8

5.1. Studies regarding strains and stress of the reference design solution 119 42

5.2. Studies regarding strains and stress of the walls thickness modification 123 --

5.3. Studies regarding strains and stress of the ribbed side walls 125 43

5.3.1. Studies regarding strains and stress of the C-frame with vertical ribs 125 44

5.3.2. Studies regarding strains and stress of the C-frame with horizontal ribs 133 46

5.3.3. Studies regarding strains and stress of the C-frame with tilted ribs 139 47

5.3.4. Studies regarding strains and stress of the C-frame with intersected ribs 146 48

5.3.5. Studies regarding strains and stress of the C-frame with curved ribs 149 49

5.4. Studies regarding strains and stress of the shorter C-frame 151 49

5.5. Studies regarding strains and stress of the pre-stressed C-frame 153 50

5.6. Studies regarding strains and stress of constructive solutions combined with increased C-frame rigidity 157 51

5.6.1. Ribbed and shortened C-frame 157 51

5.6.2. Ribbed and pre-stressed C-frame 160 52

5.6.3. Shortened and pre-stressed C-frame 163 53

5.6.4. Ribbed, shortened and pre-stressed C-frame 165 53

5.7. Conclusions 168 54

5.7.1. Increased stiffness 169 54

5.7.2. Stress state 172 55

5.7.3. Research directions identified 173 56

6. EXPERIMENTAL RESEARCH REGARDING ELASTIC DEFORMATION OF CRANK MECHANICAL PRESS PAI 25 175 57 6.1. Experimental research objectives

175 57 6.2. Used devices

177 57 6.3. Carrying out measurements

181 58 6.4. The obtained results

182 59 6.5. Statistical processing of the results

186 59 6.6. Results interpretation

192 61 6.6.1. Analysis of experimental data 192 61 6.6.2. The correspondence between the experimental data and the results

obtained through modeling 193 61 6.7. Conclusions

196 63 7. ORIGINAL CONTRIBUTIONS, RESEARCH FORMS

VALORISATION AND FINAL CONCLUSIONS 198 64 7.1. Original contributions

198 64


9

7.2. Research of recovery forms 202 66

7.3. Future research directions 203 67

7.4. Final conclusions 205 67

BIBLIOGRAPHY 208 70

Annex 1. Ribbed C-frame. Patent description 215 --

Annex 2. Open C-frame. Patent description 223 --

Annex 3. The number of nodes and elements in the mesh of the C-frame models studied 229 --

Annex 4. Mass, stiffness, mass coefficient (kM), stiffness coefficient (kC) and general performance characteristics (KΠ and KΣ(1;1)) of the C-frame models studied 231 --

Annex 5. Estimated displacements by finite element analysis in measuring points 1 … 7 (see picture 6.1), for some of C-frame mechanical crank presses deformations and stresses research 235 --

Annex 6. Brief summary of thesis 237 72 Annex 7. Curriculum Vitae 239 74 Statement of authenticity 242 --


10

Capitolul 1. GENEZA TEMEI ŞI OBIECTIVELE TEZEI

1.1. Geneza temei

Studiile şi cercetările care s-au finalizat prin prezenta teză de doctorat au început sub coordonarea domnului profesor universitar doctor inginer Ion Tureac, conducătorul ştiinŃific iniŃial al tezei de doctorat, sub a cărui îndrumare s-au conturat cercetările desfăşurate pe parcursul programului de pregătire şi care se reflectă în cele trei referate elaborate susŃinute. Tema tezei este în evidentă legătură cu …. dorinŃa puternică de a contribui la reducerea impactului negativ asupra frumuseŃii şi diversităŃii naturale datorat iresponsabilităŃii ce însoŃeşte adesea dezvoltarea economică umană.

Titlul ini Ńial al tezei – „Studii şi cercetări asupra batiului preselor mecanice în vederea reducerii consumului de metal la fabricarea acestuia” – pune în evidenŃă două aspecte majore: 1) dezvoltarea societăŃii umane trebuie să continue, inclusiv prin realizarea de bunuri materiale,

în particular realizarea de maşini cu ajutorul cărora să se obŃină bunurile necesare în condiŃii tehnice şi economice cât mai favorabile, şi

2) dezvoltarea trebuie şi se poate face în mod responsabil, cu consumuri materiale cât mai mici. În urma ieşirii din activitate a domnului profesor universitar doctor inginer Ion Tureac,

conducătorul ştiinŃific ini Ńial, coordonarea lucrării a fost asumată de domnul profesor universitar doctor inginer Romeo Cioară. Cu această ocazie s-a propus şi s-a acceptat un nou titlu al tezei – „Cercetări inovative privind construcŃia batiului deschis al preselor mecanice” – prin care obiectivul iniŃial major al lucrării, reducerea consumului de metal la fabricarea batiului preselor mecanice, a fost reconsiderat, cercetările fiind orientate către soluŃii constructive inovative noi de batiuri deschise pentru prese mecanice care să asigure minimizarea consumurilor materiale de realizare a lor şi energetice de exploatare a maşinilor din care vor face parte cel puŃin pentru un ciclu de viaŃă. În această abordare reducerea consumului de metal necesar realizării batiului nu mai este o condiŃie imperativă, ci doar o posibilă modalitate de a atinge obiectivul general.

Tema devenea cu atât mai incitantă cu cât presupunea „cercetări inovative”, activitate de inovare-inventare, dezvoltarea de abilităŃi creative şi aplicarea lor, parcurgerea unui drum în anumită măsură necunoscut. Titlul tezei de doctorat – „Cercetări inovative privind construcŃia batiului deschis al preselor mecanice” – reflectă fidel subiectul acesteia – batiuri deschise pentru prese mecanice – şi principala modalitate de acŃiune, inovarea-inventarea.

Cercetarea a fost orientată în mod explicit către minimizarea costurilor cumulate date de realizarea batiului şi de consumul energetic de exploatare datorat deformării elastice a acestuia ce însoŃeşte fiecare operaŃie executată de presă.

1.2. Obiectivele tezei

În acord cu cele prezentate anterior şi chiar cu titlul (nou al) lucrării, obiectivul principal al tezei de doctorat este conceperea de noi soluŃii constructive de batiuri deschise turnate pentru prese mecanice, prin inovare-inventare, superioare calitativ celor existente. Superioritatea vizată se referă la minimizarea consumurilor cumulate de metal necesar realizării unui batiu şi de energie de exploatare a presei pentru care respectivul batiu este structură de rezistenŃă.

Atingerea cu succes a obiectivului principal enunŃat, precum şi a problemelor conexe ce contribuie la realizarea acestuia, presupune: � studiul unor soluŃii constructive moderne performante de batiuri pentru prese, în special ale

celor mecanice deschise realizate prin turnare; � identificarea modalităŃilor în genere cunoscute de creştere a rigidităŃii batiurilor deschise ale

preselor şi studiul soluŃiilor constructive novative corespunzătoare;


11

� adoptarea ca soluŃie de referinŃă batiul deschis al unei prese mecanice, de preferinŃă una competitivă de producŃie autohtonă, aflată în dotarea unuia dintre laboratoarele didactice şi de cercetare ale UniversităŃii Transilvania din Braşov, şi studiul detaliat al acestei soluŃii;

� identificarea unor posibile modalităŃi noi, inovative, de creştere a rigidităŃii batiului deschis turnat al preselor mecanice, aplicabile la batiul de referinŃă adoptat;

� conceperea unei prime soluŃii constructive (sau familie de soluŃii constructive) noi de batiu deschis turnat cu rigiditate crescută, dezvoltată inovativ, concordantă cu modalităŃile cunoscute de creştere a rigidităŃii identificate în literatură;

� evaluarea originalităŃii soluŃiei şi, dacă este cazul, redactarea unei descrieri de brevet de invenŃie şi înregistrarea cererii la OSIM în vederea obŃinerii protecŃiei prin brevet;

� analiza procesului de creaŃie desfăşurat şi identificarea diverselor tehnici şi metode de creaŃie tehnică utilizate;

� studiul şi însuşirea unor noi tehnici şi metode de creaŃie tehnică, de preferinŃă unele logico-determinate şi logice1, adecvate şi utile pentru conceperea unor noi soluŃii constructive de batiuri deschise turnate cu rigiditate crescută pentru prese mecanice;

� conceperea de noi soluŃii constructive de batiuri deschise turnate cu rigiditate crescută pentru prese mecanice, adecvate modalităŃilor noi inovative identificate de autor, prin utilizarea explicită a tehnicilor şi metodelor de creaŃie tehnică însuşite;

� evaluarea originalităŃii noilor soluŃii, identificarea celor cu mare potenŃial de brevetare, redactarea descrierilor de brevet de invenŃie corespunzătoare şi înregistrarea la OSIM a cererilor respective în vederea obŃinerii protecŃiei prin brevet;

� complexitatea construcŃiei unui batiu deschis, dar mai ales dificultatea determinării analitice a valorilor cedărilor elastice şi a stărilor de tensiuni în diverse puncte ale batiului impun utilizarea unui sau a unor medii avansate de proiectare 3D adecvate. Ca urmare, toate noile soluŃii de batiuri elaborate vor fi modele 3D, perfect compatibile din punct de vedere al dimensiunilor de gabarit, al solicitării externe şi al constrângerilor;

� orice soluŃie nouă, cu atât mai mult una complexă cum este batiul deschis al unei prese mecanice, necesită verificarea şi validarea practică. Pentru aceasta se are în vedere, în funcŃie de resursele disponibile, proiectarea, realizarea şi testarea unui model funcŃional sau a unui model experimental;

� aducerea la cunoştinŃa comunităŃii ştiinŃifice, la nivel naŃional şi internaŃional, a aspectelor noi relevante rezultate pe parcursul desfăşurării cercetării.

Toate activităŃile precizate mai sus se constituie în cel puŃin tot atâtea obiective derivate

ale tezei, în căi şi mijloace de atingere a obiectivului principal enunŃat. Pe de altă parte, activităŃile identificate ca fiind necesare pentru elaborarea tezei

conturează în mod direct structura acesteia, capitolele avute în vedere fiind: � „Studiu privind stadiul actual al construcŃiei batiurilor preselor”; � „Evaluarea energiei de deformare elastică a batiului”; � „SoluŃii constructive inovative noi de batiuri turnate deschise pentru prese mecanice”; � „Studii în mediu virtual privind stările de tensiuni şi de deformaŃii ale soluŃiilor

constructive noi de batiuri”; � „Cercetări experimentale privind deformarea elastică a unei prese mecanice cu batiu

deschis şi compararea rezultatelor cu cele estimate în urma studiului prin metoda elementului finit”;

� „Concluzii finale şi contribuŃii originale”. Lucrarea va cuprinde, evident, un capitol introductiv, un cuprins, o bibliografie şi,

eventual, un număr de anexe.

1 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992


12

Capitolul 2. STUDIU PRIVIND STADIUL ACTUAL AL CONST RUCłIEI

BATIURILOR PRESELOR

Prezenta teză de doctorat …. este focalizată asupra construcŃiei batiului deschis al preselor, urmărind găsirea de soluŃii constructive care să asigure, cel puŃin luând în considerare un întreg ciclu de viaŃă utilă, optimizarea simultană şi corelată a consumului de metal necesar la realizarea acestuia şi a consumului de energie datorată deformării sale elastice. Ca urmare, o bună poziŃionare a cercetării trebuie să se bazeze pe o adecvată cunoaştere a stadiului actual referitor la subiectul studiat. Aceasta presupune studiul unor aspecte relevante privind:

� locul şi destinaŃia preselor (mecanice) în cadrul marii familii a maşinilor-unelte; � prezentarea diversităŃii şi evoluŃiei acestor maşini; � unele soluŃii constructive reprezentative de prese, fiind vizat predilect batiul acestora; � materiale şi tehnologii utilizate pentru realizarea batiului; � cercetări referitoare la construcŃia şi optimizarea preselor şi/sau a unor importante

elemente de structură ale acestora; � unele deficienŃe (carenŃe) ale construcŃiilor actuale; � tendinŃe privind proiectarea, construcŃia şi optimizarea preselor şi/sau a batiului acestora.

2.4. SoluŃii constructive cunoscute şi frecvent utilizate pentru batiurile preselor

Marea majoritate a preselor existente în prezent în exploatare (peste 80%) este constituită din următoarele trei subgrupe:

� prese cu manivelă; � prese hidraulice şi � prese cu şurub. Presele mecanice cu manivelă sunt maşini-unelte de prelucrat prin deformare cu

destinaŃie extinsă, deci cu grad ridicat de universalitate, capabile să realizeze în condiŃii bune de calitate şi cu frecvenŃă mare o largă diversitate de piese, în condiŃiile utilizării unor scule deseori specifice şi direct dependente de piesele prelucrate.

Presele verticale reprezintă exemplele tipice, fiind cel mai frecvent întâlnite. Este de precizat faptul că presele cu şurub, cel puŃin cele mecanice, acŃionate prin fricŃiune, sunt exclusiv verticale. Presele cu şurub moderne sunt maşini cu forŃe nominale mari şi ca urmare se construiesc cu batiul închis.

Presele „înclinate”, adică cu batiul dispus înclinat şi nereglabil ca orientare, sunt foarte rare. Un exemplu în acest sens, figura 2.4, se propune prin brevetul US 31240191, despre care nu s-au găsit informaŃii referitoare la aplicarea sa în practică. Prin brevetul menŃionat se propun mai multe soluŃii constructive foarte interesante, atât la nivel de ansambluri, cât şi la nivel de detaliu.

În contextul lucrării de faŃă sunt de reŃinut şi de subliniat trei aspecte referitoare la batiu: 1) construcŃia multicorp a batiului (specifică preselor de mari dimensiuni, având forŃe nominale

mari şi batiu închis) reduce costurile de execuŃie, inclusiv prin eliminarea în mare măsură a necesităŃii unor maşini de mare gabarit destinate prelucrării corpurilor mari;

2) nu este afectată rigiditatea presei, forŃa tehnologică solicitând doar acea parte a batiului care ghidează culisorul, parte pretensionată prin tiranŃii 24;

3) dispunerea înclinată a părŃii batiului prin care se ghidează culisorul favorizează evacuarea pieselor obŃinute prin presare.

Această ultimă facilitate este frecvent întâlnită la multe prese mecanice cu batiul deschis, „verticale”, cu batiul înclinabil, figura 2.5 a. Batiul maşinii, format dintr-un postament şi batiul propriu-zis, este realizat cel mai adesea prin turnare. Înclinarea batiului propriu-zis se poate face într-un număr de poziŃii discrete – de regulă trei, cu înclinarea batiului la 10°, 20° şi 30° – sau sub orice unghi cuprins în domeniul 0° … 30°. Evident, la astfel de maşini poziŃia verticală a batiului este cea normală.

1 Chatfield, H.B.: Cold forming machine. Brevet US 3124019 (Feb. 2, 1962)


13

Figura 2.4. Presă cu genunchi, cu batiu multicorp,

partea care ghidează culisorul fiind detaşabilă şi dispusă înclinat

2.8. SoluŃii constructive particulare, inovative, de batiuri (deschise) cu rigiditate crescută şi/sau cu deformaŃie de încovoiere mult redusă

Indiferent de tip, de modul de antrenare şi de destinaŃie, orice presă are caracteristic un batiu, care constituie structura de rezistenŃă a maşinii. Sub acŃiunea forŃei dezvoltată în timpul procesului de presare, batiul se deformează elastic, ceea ce determină abateri ale poziŃiei reciproce dintre părŃile fixă şi mobilă ale sculei, cu consecinŃe negative cel puŃin asupra preciziei de prelucrare, durabilităŃii sculei şi consumului energetic.

Micşorarea deformaŃiei elastice a batiului, deci creşterea rigidităŃii acestuia, prin creşterea cantităŃii de metal înglobat în acesta este o soluŃie tot mai puŃin agreată. O alternativă eficientă o constituie pretensionarea batiului, pasivă sau activă. Nu se întâlnesc la prese batiuri turnate cu pereŃi nervuraŃi, deşi soluŃia se întâlneşte destul de frecvent la diverse batiuri pentru maşini-unelte aşchietoare1, 2, 3.

Pretensionarea batiurilor deschise conduce la reducerea apreciabilă, de până la 50%, a abaterii de perpendicularitate faŃă de masa maşinii a direcŃiei de deplasare a culisorului. În literatură s-au identificat atât soluŃii de pretensionare pasivă, prin tiranŃi, permanentă şi constantă, cât şi soluŃii de pretensionare activă, prin sisteme hidraulice, cu forŃă variabilă liniar dependentă de forŃa tehnologică4. În literatură nu s-au identificat soluŃii constructive de batiuri monobloc presolicitate, realizate prin turnare.

2.8.1. Batiuri închise pretensionate

La presele cu batiul închis acesta nu este monobloc, ci format din mai multe părŃi. Un exemplu tipic de structură a batiului pentru multe dintre presele cu batiu deschis moderne este 1 Ispas, C., ş.a.: Maşini unelte. Elemente de structură. Editura Tehnică, ISBN 973-31-1029-0, Bucureşti, 1997 2 Schwerd, F,: Spanende Werkzeugmaschinen. Grundlagen und Konstruktionen. Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg,

1956 3 Ananin, S.G., Acerkan, N.S. (coord), ş.a.: Metallorejuşkie stanki. Maşgiz, Moskva, 1957 4 Dan, I., Cioară, R.: A Study on the Pre-Stressed C-Frames of the Presses / Un studiu privind batiurile deschise pretensionate

ale preselor. RECENT, ISSN 1582-0246, vol. 14, nr. 1(37), martie 2013, p. 12-24, Braşov, România


14

cel prezentat în figura 2.211. Cei patru tiranŃi (57) asigură asamblarea generală şi pretensionarea întregii structuri.

Figura 2.21. Exemplu tipic de structură a batiului închis utilizat la prese (mecanice) moderne

Trebuie făcută precizarea că la batiurile închise pretensionarea prin tracŃiune a tiranŃilor

este necesară doar pentru a asambla batiul. 2.8.2. Batiuri deschise cu pretensionare pasivă

Deformarea elastică sub forŃa tehnologică a batiurilor deschise este importantă şi conduce la o abatere de perpendicularitate faŃă de masa maşinii a direcŃiei de deplasare a culisorului, organ executor mobil al presei. DeformaŃia elastică devine maximă sub sarcină maximă, deformaŃia fiind liniar dependentă de solicitare. Prin pretensionare se reduce, de preferat la jumătate, valoarea în modul a acestei abateri, creşterea de calitate a sistemului fiind evidentă.

Pretensionarea pasivă a batiurilor deschise se realizează cu ajutorul unor tiranŃi. Un exemplu sugestiv, ilustrat în figura 2.25, îl constituie soluŃia propusă prin brevetul US 5,482,4542. Batiul este format dintr-un corp superior (3), turnat, şi un corp inferior (7), care îndeplineşte şi rolul de masă a maşinii. Pretensionarea se realizează prin intermediul a doi tiranŃi (10), solicitaŃi la întindere cu ajutorul unor piuliŃe (13).

Prin presolicitare pasivă se asigură permanent o importantă solicitare (de compresiune) a batiului. Pe măsură ce se manifestă forŃa tehnologică efectul presolicitării asupra batiului se reduce progresiv, iar starea de solicitare la compresiune (manifestată în vecinătatea tiranŃilor) a acestuia se schimbă într-una de întindere. În modul, valorile extreme ale deformaŃiilor elastice (de preferabil egale) ale unui astfel de batiu sunt mult mai mici decât valoarea maximă a deformaŃiei elastice a unui batiu deschis fără pretensionare.

În literatură se identifică şi batiuri deschise pretensionate cu înfăşurare cu fir. Ca exemplu poate fi dat brevetul US 3,884,1423. La exteriorul batiului se dispune, într-o poziŃie adecvată, figura 2.29, un brâu (12) din sârmă, obŃinut prin înfăşurare pe mai multe straturi. Tensionarea batiului se asigură prin două perechi de pene, (17) - (18) şi (19) - (20). 1 Voorhees, J.E., Hemmelgarn, D.J.: Press structure. Brevet US 3,858,432 (Ian. 7, 1975) 2 Miyahara, M., Nakamura, N., Takizawa, K.: C-type frame for die tightening units mounted for an injection molding machine.

Brevet US 5,482,454 (Ian. 9, 1996) 3 Jonsson, F.L.: Machine frame, having a biased wire girdle, and a method for biasing such a girdle. Brevet US 3,884,142 (Mai

20, 1975)


15

Figura 2.25. Presă cu batiu deschis pretensionat prin tiranŃi1

Figura 2.29. Presă cu batiu deschis pretensionat cu brâu din sârmă multistrat2

2.8.3. Batiuri deschise cu tensionare activă

Pentru tensionarea activă a batiurilor deschise ale preselor se utilizează sisteme hidraulice, care dezvoltă forŃe compensatorii proporŃionale cu forŃa rezistentă opusă de piesa prelucrată.

Pentru o presă cu batiu deschis acŃionată mecanic tensionarea activă3 se asigură ca urmare a unei uşoare deplasări a mesei 4, solidară cu plungerul unui motor hidraulic liniar, figura 2.31. Un motor hidraulic similar, dar nu neapărat identic ca arie utilă, permite tensionarea părŃii din spate a batiului. Cele două motoare hidraulice sunt legate printr-un circuit închis, cu volum constant. Volumul de fluid dislocat de plungerul solidar cu masa presei este transferat către motorul hidraulic liniar ce asigură tensionarea batiului, compensând deformarea elastică de încovoiere datorată forŃei tehnologice.

În vederea tensionării active, presele cu batiu deschis acŃionate hidraulic se echipează suplimentar cu încă un motor hidraulic liniar destinat explicit solicitării batiului în sensul compensării deformaŃiei elastice de încovoiere ce apare ca urmare a aplicării asupra

1 idem 2 idem 3 Shiokawa, S.: Open-sided press. Brevet US 3,303,774 (Feb. 14, 1967)


16

semifabricatului a forŃei tehnologice. În acest sens se dau ca exemple relevante soluŃiile propuse prin brevetele US 2,296,0511 şi US 4,018,1502.

Figura 2.31. Presă mecanică, cu batiu deschis, cu tensionare activă3

La primul exemplu, figura 2.32, partea superioară a batiului este solicitată ca o pârghie de

ordinul I, iar la al doilea exemplu, figura 3.33, partea superioară a batiului este solicitată ca o pârghie de ordinul II (se consideră că forŃa tehnologică este forŃă activă, iar forŃa de tensionare este forŃă rezistentă).

Figura 2.32. Presă hidraulică, cu batiu deschis, cu tensionare activă (tip pârghie de ordinul I)4

1 Pocock, P.C., Ernst, W.: Balancing column for horn presses. Brevet US 2,296,051 (Sep. 15, 1942) 2 Shiokawa, S.: Open-sided press. Brevet US 4,018,150 (Apr. 19, 1977) 3 idem 4 Pocock, P.C., Ernst, W.: Balancing column for horn presses. Brevet US 2,296,051 (Sep. 15, 1942)


17

Figura 2.33. Presă hidraulică, cu batiu deschis, cu tensionare activă (tip pârghie de ordinul II)1

2.8.4. O soluŃie particulară

FaŃă de ansamblul soluŃiilor constructive care vizează reducerea deformaŃiei elastice a batiului deschis al unei prese, soluŃii ce vizează în mod explicit reducerea influenŃei acestei deformaŃii asupra direcŃiei de deplasare a culisorului şi, implicit, diminuarea consecinŃelor negative conexe, presa ce face obiectul brevetului US 3,991,6022, figura 2.34, se diferenŃiază în mod net.

Figura 2.34. Presă la care structura de rezistenŃă este distinctă de structura de ghidare3

La această construcŃie este nulă preocuparea pentru micşorarea deformaŃiei elastice sau

pentru compensarea ei. „Problema” este eliminată prin divizare, o tehnică de creaŃie, întâlnită uneori în inventica aplicată4, care aplicată corect conduce la soluŃii deosebite. În cazul de faŃă 1 Shiokawa, S.: Open-sided press. Brevet US 4,018,150 (Apr. 19, 1977) 2 Harcuba, S., Dits, H.: Press for cold forming of workpieces from a metal sheet. Brevet US 3,991,602 (Nov. 16, 1976) 3 idem 4 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, România, 1992


18

structura de rezistenŃă a maşinii este distinctă de structura (3) care asigură ghidarea culisorului (4) şi astfel direcŃia de translaŃie a acestuia nu mai este influenŃată de deformarea elastică a batiului (1). În plus, calitatea superioară a ghidării este asigurată şi prin utilizarea unor ghidaje cu elemente intermediare de rostogolire (7).

2.10. Concluzii şi direcŃii de cercetare proprii

O aceeaşi piesă poate fi obŃinută prin procedee diverse, fiind evident diferite costurile, consumurile materiale şi energetice, calitatea şi precizia suprafeŃelor piesei şi durata de realizare a acesteia, deci productivitatea. Consumul energetic este semnificativ dependent de materialul piesei şi de procedeul de prelucrare adoptat. Procedeul de prelucrare determină în foarte mare măsură natura şi caracteristicile sculelor utilizate. Prelucrarea prin deformare plastică a metalelor este plasată pe cel de al doilea loc, după aşchiere, reprezentând peste 35-40% din totalul prelucrărilor mecanice executate în prezent. Folosirea maşinilor-unelte de prelucrat prin deformare plastică este avantajoasă în producŃii de serie şi masă. Se folosesc şi în producŃii de serie mică în anumite condiŃii

Marea majoritate a preselor existente în prezent în exploatare (peste 80%) este alcătuită din prese cu manivelă, prese hidraulice şi prese cu şurub. Cel mai adesea acestea sunt verticale. Batiu deschis au presele cu forŃe nominale mici şi medii. Batiu deschis înclinabil se întâlneşte exclusiv la prese mecanice cu manivelă.

Batiul deschis este în marea majoritate a cazurilor unul monobloc, realizat prin turnare sau în construcŃie sudată. Batiurile închise sunt multicorp, cel mai adesea realizate în construcŃie sudată. Batiurile închise se asamblează prin pretensionare cu tiranŃi, rar altfel.

Pentru batiurile turnate se utilizează în mod uzual fonte cenuşii (FcX 250, FcX 300) sau modificate sau oŃel turnat OT 350. Batiurile sudate se realizează din table laminate din oŃel OL30 cu grosimi variind între 20 şi 50 mm.

Există o largă diversitate de soluŃii constructive de batiuri, atât deschise, cât şi închise. DiferenŃele esenŃiale sunt determinate de gabarit, destinaŃia specifică şi tehnologia de realizare.

Este evidentă preocuparea multor specialişti de a concepe batiuri deschise cu performanŃe tehnice superioare. Propunerile identificate sunt în mare majoritate orientate către reducerea valorii încovoierii batiului deschis, fie prin pretensionare pasivă, de regulă prin utilizarea de tiranŃi, fie prin interesante soluŃii de tensionare activă utilizând sisteme hidraulice adecvate. Nu s-au identificat soluŃii constructive de batiuri deschise turnate cu pereŃi nervuraŃi, ca soluŃie de creştere a rigidităŃii pe baza unui consum suplimentar minim de material.

Cercetările orientate către îmbunătăŃirea construcŃiei preselor, în particular a batiului acestora, sunt motivate de unele carenŃe – masă mare, randament relativ mic de utilizare a energiei disponibile, luarea în considerare doar a unui singur ciclu de viaŃă utilă, neincluderea rigidităŃii ca parametru de catalog – a căror eliminare treptată va avea urmări ce vor contribui la extinderea utilizării acestei grupe de maşini în industrie şi la sporirea avantajelor pe care le oferă utilizatorilor.

Sunt identificate tendinŃe evidente importante privind proiectarea, construcŃia, exploatarea şi postutilizarea preselor. Multe dintre acestea sunt concordante cu cerinŃele de dezvoltare durabilă şi fac apel la ecoproiectare.

Cercetările originale ce fac obiectul prezentei teze sunt focalizate asupra construcŃiei batiului deschis al preselor, urmărind găsirea de soluŃii constructive care să asigure, cel puŃin luând în considerare un întreg ciclu de viaŃă utilă, optimizarea simultană şi corelată a consumului de metal necesar la realizarea acestuia şi a consumului de energie datorat deformării elastice. Sunt avute în vedere atât soluŃii îmbunătăŃite, concordante cu construcŃiile actuale performante aflate în uz, dar mai ales soluŃii constructive novatoare, inclusiv rezonante cu unele dintre cele de această natură identificate în literatura de specialitate mondială.


19

Capitolul 3. ENERGIA DE DEFORMARE ELASTIC Ă A BATIULUI

3.1. Solicitarea batiului

De fiecare dată când presa execută o operaŃie (tehnologică) de presare se dezvoltă asupra piesei de prelucrat o anumită forŃă, egală cu forŃa rezistentă opusă de aceasta în procesul de deformare la care este supusă. ForŃa rezistentă este chiar forŃa tehnologică Ft (la care se adaugă forŃele de frecare, şi nu numai), care are o variaŃie specifică în funcŃie de natura operaŃiei care se execută, reprezentabilă grafic.

ForŃa rezistentă, la care se adaugă forŃe de frecare şi forŃe de natură dinamică, solicită structura de rezistenŃă a maşinii, inclusiv batiul. Întreaga maşină se dimensionează astfel încât solicitarea datorată forŃei rezistente să determine doar deformaŃii elastice ale componentelor maşinii, acestea revenind la forma iniŃială după ce au fost temporar deformate.

Este realist a considera că, pentru fiecare operaŃie (i), forŃa totală instantanee (FT)i ce solicită batiul este proporŃională cu forŃa tehnologică instantanee (Ft)i

( ) ( )itFiT FkF ⋅= , (3.1)

unde kF = (FT)i/(Ft)i > 1 este un factor de proporŃionalitate. Evident, forŃa totală maximă (FT max)i ce solicită maşina atunci când aceasta execută

operaŃia (i) se află în aceeaşi relaŃie faŃă de forŃa tehnologică maximă (Ft max)i:

( ) ( )itFiT FkF maxmax ⋅= . (3.3)

La un batiu închis forŃa rezistentă determină deformarea elastică a acestuia prin întindere şi încovoiere. În corpul batiurilor deschise – cele care fac obiectul lucrării de faŃă – se manifestă în anumite zone şi semnificative tensiuni de compresiune. Dacă rezultanta forŃei rezistente nu se află în planul (vertical) median al batiului deschis se manifestă şi solicitări de torsiune, dar acestea sunt mult mici şi se pot neglija.

3.3. Modele analitice pentru calculul deformaŃiei elastice a unui batiu deschis

Pentru o presă cu batiu deschis se pot lua în considerare, în vederea determinării expresiei analitice a deformaŃiei elastice a acestuia pe direcŃia axei de presare, diverse modele simplificatoare. Un model utilizat este cel de tip cadru deschis1, figura 3.2.

NotaŃiile din figură reprezintă: - l1 = l3 – distanŃa dintre axa de presare şi planul vertical al centrului de greutate al secŃiunii

stâlpilor frontali ai batiului; - l2 – lungimea stâlpilor frontali, măsurată între planul orizontal al centrului de greutate al părŃii

inferioare a cadrului, care corespunde mesei maşinii, şi planul similar superior al cadrului, cel corespunzător zonei alezajului arborelui principal al maşinii;

- I1 – modulul de inerŃie al secŃiunii părŃii superioare a cadrului, dusă vertical prin axa alezajului arborelui principal al maşinii;

- I2 – modulul de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii verticale a cadrului, cea care conŃine şi stâlpii frontali;

- I3 – modulul de inerŃie al secŃiunii părŃii inferioare a cadrului, cea corespunzătoare mesei maşinii, dusă prin planul vertical ce conŃine axa alezajului arborelui principal;

- FN – forŃa nominală capabilă a maşinii (de interes este deformaŃia elastică maximă a batiului, δmax ≡ δN, care se obŃine atunci când forŃa tehnologică ce solicită maşina ia valoarea maximă admisă, egală cu forŃa nominală, (Ft)max = FN.

1 Dan, I., Cioară, R.: Methods to Increase the Rigidity of the C-frame of a Press. Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1662-

7482, Vol. 371 (2013), p. 183-187, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland, doi:10.4028/www.scientific.net/ AMM.371.183


20

a) b) Figura 3.2. Model simplificat al cadrului presei PAI 25

a) dimensiuni şi solicitare; b) deformarea elastică sub sarcina F Se consideră că influenŃa torsiunii generale a batiului, în caz că există, asupra deformaŃiei

elastice a acestuia este nesemnificativă. Se neglijează influenŃa variaŃiei de temperatură. În aceste condiŃii energia de deformare a batiului se exprimă prin relaŃia

( ) ( )∑ ∫∫

⋅+

⋅=

j

l

j

ji

j

jjjl

dxIE

Mdx

AE

NL

0

2

0

2

22, (3.7)

unde l j reprezintă lungimile barelor modelului. După integrare, relaŃia obŃinută poate fi pusă într-o formă care surprinde dependenŃa

liniară a deformaŃiei elastice totale δtot de forŃa F ce solicită sistemul şi de distanŃa dm–a dintre masa presei şi axa arborelui principal1, puncte de aplicaŃie a forŃei F:

( )23213211amtot ;;;;;; AIIIlllCdE

F ⋅⋅=δ − , (3.10)

caracteristicile geometrice ale modelului fiind luate în considerare prin constanta C1. Se impune a sublinia că dm–a ≠ l1. De interes pentru lucrarea de faŃă este luarea în considerare şi a unui model de batiu

deschis presolicitat, chiar dacă o asemenea situaŃie caracterizează de regulă batiurile închise. Modelul de batiu cu presolicitare, figura 3.3, este un caz mai general2, important mai ales prin aceea că subliniază posibilitatea realizării de batiuri presolicitate şi incită la găsirea de soluŃii tehnice adecvate.

Pentru un model de batiu presolicitat la compresiune cu forŃa FP = ct., la care l4 = l5 este distanŃa dintre axa de presare şi planul versorilor forŃelor de pretensionare FP, deformaŃia elastică pe direcŃia forŃei tehnologice este

+⋅++⋅−

+⋅++⋅=δ−δ=δ

2

2

2

224

3

35

1

34

2

2

2

221

3

33

1

31

tot 3333 A

l

I

ll

I

l

I

l

E

F

A

l

I

ll

I

l

I

l

E

F PNPN , (3.13)

iar energia de deformare elastică

+⋅++⋅−

+⋅++⋅=

2

2

2

224

3

35

1

34

2

2

2

2

221

3

33

1

31

2

332332 A

l

I

ll

I

l

I

l

E

F

A

l

I

ll

I

l

I

l

E

FL PN . (3.14)



2 Dan, I., Cioară, R.: Research on increasing mechanical press C-frame stiffness by shortening. Academic Journal of Manufacturing Engineering, ISSN 1583-7904, vol. 11, nr. 3(2013), p. 120-125, Cluj-Napoca, România, 2013


21

a)

b)

c) Figura 3.3. Model simplificat al cadrului presei PAI 25, cu presolicitarea stâlpilor frontali

a) dimensiuni şi solicitare; b) deformarea sub forŃa de presolicitare; c) deformarea cumulată totală Trebuie făcută precizarea că forŃa de pretensionare este permanentă, iar forŃa tehnologică

Ft, în particular cea maximă admisibilă, forŃa nominală FN, este aplicată ciclic. Ca urmare: - deformaŃia elastică datorată forŃei de pretensionare FP este permanentă (şi constantă); - deformaŃia elastică datorată aplicării forŃei tehnologice apare ciclic, de fiecare dată când unui

ciclu cinematic al maşinii îi este asociat un ciclu tehnologic; - energia de deformare elastică datorată pretensionării este nulă pe tot parcursul exploatării

maşinii; - se consumă energie pentru deformarea elastică a batiului datorată forŃei tehnologice de fiecare

dată când această forŃă se manifestă. Energia de deformare elastică consumată de batiu de fiecare dată când unui ciclu

cinematic al presei i se asociază un ciclu tehnologic are aceeaşi valoare indiferent dacă batiul este presolicitat sau nu.

O eventuală pretensionare a batiului (deschis) al unei prese nu are ca efect reducerea energiei de deformare elastică a acestuia, dar starea de tensiuni din corpul batiului se îmbunătăŃeşte semnificativ. Avantajele pretensionării unui batiu deschis ar fi în principal de natură calitativă. Se impune validarea acestor ipoteze, prin cercetare experimentală în mediu virtual şi, eventual, pe model fizic.

Un model analitic mai realist pentru batiul deschis al presei PAI 25 ia în considerare raze de racordare între ramurile drepte1. Şi în acest caz expresia analitică a cedării elastice a batiului, relativ complexă, poate fi pusă într-o formă care surprinde dependenŃa liniară a deformaŃiei elastice totale δtot de forŃa F ce solicită sistemul şi de distanŃa dm–a dintre masa presei şi axa arborelui principal, puncte de aplicaŃie a forŃei F:

( )4254321425312amtot ;;;;;;;;;;; AAIIIIIRRlllCdE

F ⋅⋅=δ − , (3.18)

caracteristicile geometrice ale modelului fiind luate în considerare prin constanta C2. Un model mai general al batiului poate fi considerat cel la care segmentul vertical, l3, este

amplasat înclinat faŃă de masa presei2, sub un unghi θ.



2 Dan, I., Cioară, R.: Methods to Increase the Rigidity of the C-frame of a Press. Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1662-7482, Vol. 371 (2013), p. 183-187, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland, doi:10.4028/www.scientific.net/ AMM.371.183


22

Analiza particularităŃilor geometrice ale batiului presei PAI 25 a condus la luarea în considerare şi a unui model cu mai multe segmente şi arce de cerc1. Şi în acest caz expresia analitică a deformaŃiei elastice capătă o formă complexă, dar relevant pentru studiul de faŃă este că şi în acest caz deformaŃia elastică totală δtot depinde liniar de forŃa F ce solicită sistemul şi de distanŃa dm–a dintre masa presei şi axa arborelui principal, puncte de aplicaŃie a forŃei F.

Toate modelele analitice prezentate anterior pun în evidenŃă faptul că energia de deformare elastică a batiului datorată încovoierii, importantă ca valoare, este proporŃională cu cea datorată întinderii, ceea ce se poate exprima printr-o relaŃie de tipul:

îLkL ⋅= ϕϕ , (3.22)

unde kϕ este un coeficient de proporŃionalitate. Ca urmare, neglijând sau nu energia de deformare elastică datorată solicitării de torsiune,

în caz că aceasta există, şi pe cea datorată variaŃiei de temperatură a corpului batiului, energia totală de deformare elastică a batiului, pentru un singur ciclu cinematic care are asociat un ciclu tehnologic (i), se poate exprima prin proporŃionalitate directă în raport cu energia de deformare elastică datorată solicitării de întindere:

( ) ( )iîLiT LkL ⋅= . (3.23)

Poate fi luat în considerare lucrul mecanic de deformare elastică prin întindere al unei bare de lungime dm–a, caz căruia îi corespunde un coeficient kL(m-a).

3.4. Lucrul mecanic de deformare elastică al unei prese

La o presă, în particular o presă mecanică cu batiu deschis, lucrul mecanic de deformare elastică pentru o operaŃie ce necesită forŃa tehnologică Ft se determină cu o relaŃie similară relaŃiei (3.8)

tp FL ⋅δ⋅=2

1, (3.24)

unde δp este deformaŃia elastică a maşinii pe direcŃia aplicării forŃei tehnologice. Evident, deformaŃia elastică totală (δt) se obŃine ca sumă dintre deformaŃia elastică a

sculei (δs), a mecanismului executor (δme) şi a batiului (δb):

bmespst δ+δ+δ=δ+δ=δ . (3.25) În această abordare, relaŃia (3.24) se exprimă sub forma

( ) bmestbmesttt LLLFFL ++=⋅δ+δ+δ⋅=⋅δ⋅=2

1

2

1, (3.26)

care pune în evidenŃă componentele lucrului mecanic total de deformare elastică, şi anume lucrul mecanic de deformare elastică a sculei (Ls), lucrul mecanic de deformare elastică a mecanismului executor al maşinii (Lme) şi lucrul mecanic de deformare elastică a batiului (Lb).

În mod uzual deformaŃia elastică δ a unui corp sau sistem de corpuri se poate exprima în funcŃie de rigiditatea C a acestuia şi de forŃa F care determină respectiva deformaŃie, δ = F / C. Ca urmare se poate vorbi de „rigiditatea presei” Cp, „rigiditatea sculei” Cs, „rigiditatea mecanismului executor” Cme, „rigiditatea batiului” Cb. Evident

b

t

me

t

s

t

p

t

s

t

t

tt C

F

C

F

C

F

C

F

C

F

C

F ++=+==δ . (3.27)

Pentru utilizatori de interes sunt caracteristicile generale ale unei prese, adică rigiditatea Cp şi lucrul mecanic Lp de deformare elastică a acesteia.




23

La proiectare se impune a se acorda atenŃia cuvenită fiecărei subdiviziuni a maşinii, în particular rigidităŃilor Cb, Cme şi chiar Cs.

Lucrarea de faŃă se focalizează asupra batiului preselor mecanice, deschis şi realizat în construcŃie turnată, şi ca urmare prezintă interes deformaŃia elastică, rigiditatea şi lucrul mecanic de deformare elastică asociate acestei componente foarte importante a unei prese.

OpŃiunea de a fi mărită rigiditatea preselor în scopul reducerii energiei de deformare elastică a acestora trebuie pusă în aplicare pe baza stabilirii unor limite ale creşterii consumului de metal până la limita la care soluŃia identificată este eficientă tehnic, economic şi ecologic. În acest scop pot fi luate în considerare şi următoarele constatări: 1. De regulă, rigiditatea nu este precizată între caracteristicile de prospect ale preselor, deşi parte

dintre performanŃele acestor maşini sunt foarte fidel descrise de aceasta. 2. Unele lucrări de specialitate dau recomandări simultan pentru rigiditatea presei şi pentru

rigiditatea batiului. De exemplu1, pentru prese cu batiul deschis având Cp = 200 ... 1200 MN/m se recomandă batiuri cu Cb = 800 … 1500 MN/m.

3. Se impune un bun echilibru între rigiditatea maşinii în ansamblu şi rigiditatea batiului. 4. Încărcarea cu forŃă a preselor se face astfel încât să fie folosită cât mai mult din capacitatea

disponibilă a acestora. Încărcarea presei cu forŃa tehnologică Ft = 0,8⋅FN este considerată foarte bună, iar folosirea a (30-40)% din forŃa nominală este numai satisfăcătoare. Utilizarea a (60-80)% din capacitatea maximă a presei poate fi considerată o încărcare bună.

5. Lucrul mecanic consumat pentru deformarea elastică a presei este diferit în funcŃie de tipul operaŃiilor tehnologice. Astfel, la prelucrările caracterizate prin forŃe tehnologice mari şi curse de presare mici, aşa cum sunt tăierile, lucrul mecanic pentru deformare elastică raportat la cel pentru executarea prelucrării este mai mare decât cel necesar prelucrărilor efectuate cu forŃe tehnologice mai mici şi curse de presare mai lungi.

6. Pe presele cu batiul deschis se execută preponderent operaŃii finalizate cu separare de material. La acestea consumul de lucru mecanic pentru deformarea elastică a maşinii este semnificativ mai mare în raport cu cel util.

7. Se recomandă creşterea rigidităŃii preselor pentru a se asigura în acest mod reducerea consumului de energie la un nivel satisfăcător actualelor cerinŃe privind protejarea resurselor naturale şi poluarea necesită redimensionarea batiului.

8. Redimensionarea batiului în vederea creşterii rigidităŃii trebuie astfel realizată încât să se armonizeze – pe termen mediu şi lung – cerinŃele tehnice, economice şi ecologice impuse de dezvoltarea economică durabilă2, 3, 4. Un astfel de obiectiv poate fi atins prin includerea cerinŃelor de mediu între condiŃiile de proiectare.

Chiar dacă pentru creşterea rigidităŃii preselor este necesară mărirea masei acestora prin sporirea cantităŃii de metal înglobat în unele elemente de structură mecanică a lor, este de aşteptat ca avantajele ce decurg din reducerea astfel obŃinută a consumului de energie să compenseze inconvenientele generate de consumul suplimentar de metal şi, per ansamblu, să fie eficientă economic inclusiv din punct de vedere al dezvoltării durabile.

Prezenta lucrare îşi propune creşterea rigidităŃii batiului preselor printr-un consum suplimentar minim de material, prin mărirea secŃiunilor puternic solicitate ale batiului şi prin redistribuirea materialului înglobat în acesta. Sunt în mod explicit vizate soluŃii constructive noi, inovative.

1 idem 2 Gheorghe, C.: Dimensionarea ecologică a produselor industriale. Editura „TEHNICA-INFO”, ISBN 978-9975-63-303-1,

Chişinău, Republica Moldova, 2009 3 Gheorghe, C.: Optimizarea multicriterială a componentelor de bază din structura maşinilor-unelte. Teză de doctorat.

Universitatea Transilvania din Braşov, 2006 4 Tureac, I., ş.a.: Reconsideration brought to matter and energy consumption as regards products design in machine-tools

construction industry. InternaŃional Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, ICEEMS 2003, ISBN 973-635-215-3, p. 436-440, 23-24 October 2003, Braşov, România


24

3.5. Capacitatea totală reală şi teoretică de producŃie a unei prese (mecanice) pentru întreaga sa durată de viaŃă utilă

Prezervarea resurselor şi utilizarea lor cu eficienŃă crescută este un element central, fundamental, al conceptului de dezvoltare durabilă şi al modelelor de dezvoltare economică bazat pe acesta. Printre altele, aceasta presupune minimizarea consumurilor materiale şi energetice, pe de o parte, şi „maximizarea” consumului de informaŃie, resursă a cărei utilizare conduce la dezvoltarea ei, în principal prin cercetare.

Pentru consumul energetic de exploatare nu s-a identificat în literatură un model adecvat. Ca urmare s-a impus elaborarea unui asemenea model1, care se prezintă în cele ce urmează.

Fie o presă mecanică (cu batiu deschis) caracterizată de forŃa nominală FN [N], rigiditatea C [N/mm] şi frecvenŃa maximă de lucru ncd [min–1].

Exploatarea normală a presei presupune realizarea de operaŃii de presare (i) diverse, fiecăreia corespunzându-i o forŃă totală instantanee maximă (FT max)i = kF ⋅(Ft max)i ≤ FN, unde (Ft max)i este forŃa tehnologică instantanee maximă. Se poate lua în considerare un coeficient de proporŃionalitate care pune în evidenŃă, pentru fiecare operaŃie (i), corespondenŃa liniară directă dintre forŃa totală instantanee maximă (FT max)i respectivă şi forŃa nominală FN a presei:

( ) NiiT FkF ⋅=max . (3.31)

Este realist a presupune că nu toate operaŃiile (i) de presare se realizează, la o maşină dată, cu frecvenŃa maximă capabilă a acesteia.

Se poate lua în considerare un coeficient (ku)i, de utilizare per schimb a capacităŃii de lucru a maşinii, care permite exprimarea numărului de piese realizabile pe maşina respectivă într-un schimb.

Maşina poate lucra unu, două sau trei schimburi pe zi lucrătoare, integrale sau parŃiale. Ciclul de viaŃă utilă al maşinii se exprimă în ani, NA fiind numărul de ani de bună

funcŃionare a maşinii, prevăzuŃi sau estimaŃi. Într-un an sunt NZL/an zile lucrătoare. Numărul total de operaŃii (i) executate de către maşină este

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) AanZLcdicdiuisiZipiZLip NNnkkkkNNN ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅= //zi480 . (3.45)

Este foarte puŃin probabil ca o presă să execute o aceeaşi operaŃie (i) pe parcursul întregii ei durate de viaŃă utilă. La anumite intervale de timp se schimbă tipul operaŃiei care se execută pe maşină, ceea ce presupune schimbarea sculelor şi, eventual, a unor mecanisme auxiliare, reglarea adecvată a maşinii (lungime cursă, poziŃie cursă etc.) şi altele. Evident, noua operaŃie are caracteristice alte valori pentru (kZ)i, (ks)i, (ku)i, (kcd)i, (Ft max)i.

Una sau mai multe dintre operaŃiile efectuate anterior de maşină se pot realoca acesteia o dată sau de mai multe ori, la diferite intervale de timp.

Numărul total al operaŃiilor de presare executate de o presă pe parcursul întregii ei durate de viaŃă utilă se obŃine ca sumă a numerelor de operaŃii (i) efectuate de aceasta.

( ) ( ) .480 /1

Total TAanZLcd

m

iipp KNNnNN ⋅⋅⋅⋅== ∑

= (3.46)

Se pot pune în evidenŃă coeficienŃii

( ) ( ) ( ) ( )icdiuisiZi kkkkK ⋅⋅⋅= , (3.47)

şi

( ) ( ) ( ) ( )∑∑==

⋅⋅⋅==m

iicdiuisiZ

m

iiT kkkkKK

11. (3.48)

1 Cioară, R., Dan, I.: Estimation model of the total number of work cycles at a press / Model de estimare a numărului total de

cicluri de lucru la o presă. RECENT, ISSN 1582-0246, Vol.15, nr. 2(42), Braşov, România, 2014 (în curs de publicare)


25

Este oportun şi posibil a exprima numărul total de piese realizate prin operaŃia (i) doar ca produs dintre frecvenŃa de lucru ncd a maşinii şi un coeficient corectat, K*

i:

( ) *icdip KnN ⋅= . (3.51)

Expresia coeficientului corectat K*i are expresia

( ) ( ) ( ) ( ) iAanZLAanZLicdiuisiZi KNNNNkkkkK ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅= //* 480480 . (3.52)

În această abordare relaŃia (3.46) se poate rescrie sub forma

( ) ( ) *

1

**

11Total Tcd

m

iicdi

m

icd

m

iipp KnKnKnNN ⋅=⋅=⋅== ∑∑∑

===, (3.53)

unde *TK este un coeficient total corectat. łinând cont de relaŃiile (3.48) şi (3.52), relaŃia anterioară se poate scrie sub forma

TAanZL

m

iiAanZL

m

iiT KNNKNNKK ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅== ∑∑

==/

1/

1

** 480480 . (3.55)

Evident,

( ) ( ) AanZLTAanZLT NNKNNK ⋅⋅=⋅⋅⋅= /max/max* 1440480 , (3.56)

ceea ce permite a scrie că

( )[ ] ( )maxmaxTotal*Tcdp K nN ⋅= . (3.57)

Se impune a preciza că frecvenŃa medie generală de lucru a maşinii, (ncd)med, şi implicit coeficientul de utilizare corectat, nu este o caracteristică tehnică explicită a maşinii, ci este reflectarea activităŃilor de managementul producŃiei, de utilizare cât mai judicioasă şi eficientă a maşinilor şi echipamentelor aflate în dotarea unei companii anume.

RelaŃiile (3.46), (3.53) şi (3.57) sunt reflectate grafic în figura 3.9.

3.6. Consumul energetic de exploatare asociat deformării elastice a batiului unei prese Cunoscând expresia lucrului mecanic (energiei) de deformare elastică a batiului

corespunzătoare unei operaŃii (i), relaŃia (3.34), energia de deformare elastică consumată de batiu pentru toate operaŃiile (i) este

( )[ ] ( ) ( ) ( ) ( )C

FkNLNL it

FipiTipiT

2max2

Total 2

1 ⋅⋅⋅=⋅= , (3.60)

iar energia totală de deformare elastică consumată de batiu pe întreaga sa durată de viaŃă utilă este

( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( ) ( )∑∑∑===

⋅⋅=⋅⋅⋅==m

iitip

Fm

i

itFip

m

iiTT FN

C

k

C

FkNLL

1

2max

2

1

2max2

1TotalTotal 22

1. (3.61)

Luând în considerare aceeaşi relaŃie (3.34), expresiile anterioare (3.60) şi (3.61) se pot rescrie doar în funcŃie de forŃa nominală FN şi coeficientul ki:

( )[ ] ( ) ( ) ( )C

FkkNLNL NiFipiTipiT

222

Total 2

1 ⋅⋅⋅=⋅= , (3.62)

( ) ( )[ ] ( ) ( )∑∑∑===

⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅==m

iiip

NF

m

i

NiFip

m

iiTT kN

C

Fk

C

FkkNLL

1

22

2

1

222

1TotalTotal 2

1

2

1. (3.63)

Se poate imagina un regim de exploatare a maşinii pentru care toate operaŃiile se execută cu o aceeaşi forŃă tehnologică maximă, egală cu forŃa nominală, Ft max ≡ FN, iar numărul total de cicluri tehnologice realizate de maşină este unul „echivalent” (Np)echiv. Ca urmare relaŃia (3.63) se scrie sub forma


26

( ) ( )C

FNL N

pT

2

echivTotal 2

1 ⋅⋅= , (3.64)

unde

( ) ( )∑=

⋅⋅=m

iiipFp kNkN

1

22echiv

. (3.65)

Figura 3.9. O reprezentare grafică a evoluŃiei numărului (total) de piese realizat

pe întreaga durată de viaŃă utilă a maşinii

Evident

( ) ( ) ( ) ( ) ( )TotalTotal

2

1

2

1

22echiv ppF

m

iipF

m

iFipFp NNkNkkNkN <⋅=⋅<⋅⋅= ∑∑

==. (3.66)

Notă. Este de luat în considerare faptul că

( ) ( )Totalechiv pp NN << . (3.67)

RelaŃia (3.66) permite punerea în evidenŃă a unui coeficient kp echiv

( ) ( )Totalechivechiv ppp NkN ⋅= , (3.68)

care permite rescrierea relaŃiei (3.64) sub forma

( ) ( )C

FNkL N

ppT

2

TotalechivTotal 21 ⋅⋅⋅= . (3.69)

Într-o altă abordare, se poate „conserva” numărul total (Np)Total de operaŃii de presare executate de maşină pe parcursul întregii sale durate de viaŃă utilă şi se consideră că toate operaŃiile de presare efectuate se realizează cu o forŃă tehnologică maximă „medie”, Ft med. În acest caz

( ) ( )C

FNL t

pT

2med

TotalTotal 21 ⋅⋅= . (3.70)

Din egalitatea relaŃiilor (3.64) şi (3.70) se obŃine expresia pentru Ft med:

( )( ) N

p

pt F

N

NF ⋅=

Total

echivmed , (3.71)

care permite punerea în evidenŃă a unui coeficient kF med


27

( )( )

Total

echivmed

p

pF N

Nk = . (3.72)

Ca urmare expresia (3.70) se poate scrie sub forma

( ) ( )C

FkNL N

FpT

22

medTotalTotal 21 ⋅⋅⋅= . (3.73)

DependenŃa liniară directă dintre numărul total de operaŃii de presare şi frecvenŃa de lucru a maşinii, relaŃia (3.53), se transferă asupra expresiei energiei totale de deformare elastică consumată de batiu pe parcursul întregii durate de viaŃă utilă a acestuia. Luând în considerare şi relaŃia (3.58), expresia (3.73) a lucrului mecanic total de deformare elastică a batiului se scrie sub forma

( ) ( )C

FknKK

C

FknKL N

FcdTuN

FcdTT

22

medmax**

22

med*

Total 2

1

2

1 ⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅= . (3.74)

RelaŃia anterioară, dar şi relaŃia (3.69) pusă sub forma

( ) ( )C

FnKKkL N

cdTupT

2

max**

echivTotal 2

1 ⋅⋅⋅⋅⋅= , (3.75)

prezintă avantajul că permite o reprezentare liniară în raport cu timpul a consumului energetic de deformare elastică cumulat al batiului, figura 3.10.

Figura 3.10. O reprezentare grafică liniarizată a evoluŃiei numărului (total) de piese realizat

pe întreaga durată de viaŃă utilă a maşinii 3.7. ModalităŃi de creştere a rigidităŃii batiului deschis turnat al unei prese

Creşterea rigidităŃii structurii de rezistenŃă a unei prese, în particular a batiului acesteia, are efecte pozitive (calitative şi cantitative) cunoscute1, 2, putând fi menŃionate creşterea duratei de viaŃă utilă, creşterea duratei de serviciu a sculelor, îmbunătăŃirea condiŃiilor de efectuare a operaŃiilor de presare şi, implicit, creşterea calităŃii operaŃiilor efectuate, reducerea consumului energetic de exploatare. Ultimul aspect este în mod explicit vizat în cadrul lucrării de faŃă.

1 Tabără, V., Tureac, I.: Maşini pentru prelucrări prin deformare. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1984 2 Iancu, C.: Optimizarea dimensională a preselor mecanice. Editura MJM Craiova, ISBN 973-8156-49-1, 2002


28

Analizând expresia (3.9) rezultă că deformaŃia elastică maximă a batiului se reduce dacă1: - modulul de elasticitate longitudinal E are valoare mare. Ca urmare este de preferat, din acest

motiv, a realiza batiul din oŃel şi nu din fontă; - modulele de inerŃie I1, I2 şi/sau I3 au valori mari. Este de subliniat că rareori este oportună

creşterea valorilor pentru I1 şi/sau I3, dar creşterea lui I2 este posibilă şi benefică; - se măreşte aria A2 a secŃiunii 2, cea corespunzătoare stâlpilor frontali. O astfel de acŃiune ar

conduce implicit la o (semnificativă) creştere de volum, deci la o creştere a cantităŃii de material necesar realizării batiului;

- se micşorează lungimile l3. Este de precizat că reducerea lungimilor l1 şi l2 este greu de acceptat, efectul imediat fiind reducerea spaŃiului de lucru disponibil pentru sculele cu care maşina urmează a fi dotată.

Analizând şi expresia (3.13) rezultă că, în modul, deformaŃia elastică maximă a batiului, exprimată în modul, se reduce suplimentar dacă: - forŃa de pretensionare FP ia valori mari, de preferat aproximativ egală cu jumătate din forŃa

nominală; - versorul forŃei de pretensionare este cât mai depărtat de centrul de masă al secŃiunii 2, deci

dimensiunile l4 = l5 iau valori cât mai mari. Cele prezentate anterior indică, în vederea creşterii rigidităŃii batiului deschis turnat al

unei prese şi îmbunătăŃirii performanŃei de exploatare a acestuia, cel puŃin următoarele direcŃii de studiu:

1.- creşterea modulului de inerŃie I2 al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, parte care include stâlpii frontali ai acestuia, de preferinŃă fără creşterea ariei acestei secŃiuni;

2.- scurtarea “batiului”, adică reducerea distanŃei dm-a dintre masa presei şi axa alezajului arborelui principal, ceea ce, referitor la modelul din figura 3.2, presupune reducerea lungimii l1 a barei “verticale” a modelului de tip cadru deschis, cea care este direct asociată cu stâlpii frontali ai batiului;

3.- pretensionarea batiului, fiind vizată în mod explicit pretensionarea stâlpilor frontali.

3.8. Concluzii Batiul deschis al unei prese mecanice poate fi asimilat unei bare curbe, sau unei "sume"

de bare drepte şi/sau curbe, solidare rigid între ele. În cazul general, când o bară este solicitată simultan la întindere (sau compresiune),

încovoiere, forfecare, torsiune şi variaŃie de temperatură, energia totală de deformare acumulată de bară se determină prin însumarea energiilor corespunzătoare fiecărei solicitări. Sunt cunoscute relaŃiile generale pentru calculul energiei de deformare elastică a unei bare supusă la astfel de solicitări.

Având în vedere modul caracteristic de funcŃionare al unei prese şi de solicitare al batiului acesteia, solicitările de torsiune (în caz că există) şi cele datorate variaŃiei de temperatură sunt mici şi se pot neglija.

Pentru batiul deschis al unei prese se pot lua în considerare, în vederea determinării expresiei analitice a deformaŃiei elastice a acestuia pe direcŃia axei de presare, diverse modele simplificatoare. Indiferent de model, expresia deformaŃiei elastice totale δtot poate fi pusă într-o formă care surprinde dependenŃa liniară a acesteia de forŃa F ce solicită sistemul şi de distanŃa dm–a dintre masa presei şi axa arborelui principal, puncte de aplicaŃie a forŃei F.

Pentru indiferent ce caz, expresia deformaŃiei elastice totale permite identificarea unui număr de direcŃii logice de acŃiune în vederea creşterii rigidităŃii batiului studiat. Cercetările desfăşurate în cadrul prezentei teze s-au focalizat către trei direcŃii de studiu: rigidizarea pereŃilor




29

laterali ai batiului (ceea ce are ca efect creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului), scurtarea batiului (reducerea distanŃei dintre masa presei şi axa alezajului arborelui principal) şi pretensionarea acestuia.

Prezervarea resurselor şi utilizarea lor cu eficientă crescută este un element central, fundamental, al conceptului de dezvoltare durabilă şi al modelelor de dezvoltare economică bazat pe acesta. Printre altele, aceasta presupune minimizarea consumurilor materiale şi energetice, pe de o parte, şi „maximizarea” consumului de informaŃie, resursă al cărei consum conduce la dezvoltarea ei, în principal prin cercetare. Minimizarea consumurilor de realizare şi de exploatare ale unei prese, în particular ale batiului acesteia, se poate realiza prin optimizarea raportului dintre consumurile materiale şi consumurile energetice.

OpŃiunea de a fi mărită rigiditatea preselor în scopul reducerii energiei de deformare elastică a acestora trebuie pusă în aplicare pe baza stabilirii unor limite ale creşterii consumului de metal până la limita la care soluŃia identificată este eficientă tehnic, economic şi ecologic. Se impune un bun echilibru între rigiditatea maşinii în ansamblu şi rigiditatea batiului.

Chiar dacă pentru creşterea rigidităŃii preselor este necesară mărirea masei acestora prin sporirea cantităŃii de metal înglobat în unele elemente de structură mecanică a lor, este de aşteptat ca avantajele ce decurg din reducerea astfel obŃinută a consumului de energie să compenseze inconvenientele generate de consumul suplimentar de metal şi, per ansamblu, să fie eficientă economic inclusiv din punct de vedere al dezvoltării durabile.

Redimensionarea batiului în vederea creşterii rigidităŃii trebuie astfel realizată încât să se armonizeze – pe termen mediu şi lung – cerinŃele tehnice, economice şi ecologice impuse de dezvoltarea economică durabilă. Un astfel de obiectiv poate fi atins prin includerea cerinŃelor de mediu între condiŃiile de proiectare.

Creşterea rigidităŃii preselor are nemijlocit şi alte efecte. De exemplu, mărimea rigidităŃii se reflectă pozitiv atât în privinŃa creşterii durabilităŃii sculelor de presare, cât şi în cea a asigurării preciziei de prelucrare.

Pentru evaluarea consumului energetic de exploatare s-a elaborat un model analitic original. Acesta presupune estimarea numărului total de piese (Np)Total realizate de maşină pe întreaga sa durată de viaŃă utilă, cu luarea în considerare pentru diversele operaŃii (i) efectuate a unor forŃe tehnologice diferite.

S-a demonstrat că expresia lucrului mecanic de deformare total poate fi liniarizată în funcŃie de frecvenŃa de lucru a maşinii, dacă se ia în considerare un coeficient de utilizare (corectat) K*

u. Acesta nu este o caracteristică tehnică explicită a maşinii, ci poate fi apreciat drept un indicator ce reflectă performanŃa activităŃilor de managementul producŃiei, de utilizare cât mai judicioasă şi eficientă a maşinilor şi echipamentelor aflate în dotarea unei companii anume. Coeficientul K*

u exprimă gradul de utilizare a numărului de curse duble posibil de realizat de maşină pe parcursul vieŃii sale utile şi permite, în măsura în care este sugestiv, calculul frecvenŃei medii de lucru a presei, (ncd)med.


30

Capitolul 4. SOLUłII CONSTRUCTIVE INOVATIVE NOI DE BATIURI TURNATE

DESCHISE CU RIGIDITATE CRESCUT Ă PENTRU PRESE MECANICE CU MANIVEL Ă

Obiectivul principal al prezentei teze de doctorat este elaborarea de soluŃii constructive

noi de batiuri deschise turnate, dezvoltate inovativ, cu rigiditate crescută şi care să nu necesite volum sporit de material pentru realizarea lor, destinate echipării preselor mecanice cu manivelă. Întreaga cercetare este orientată către minimizarea costurilor de realizare şi de exploatare a acestor prese, fiind vizat în mod explicit reducerea consumului energetic de exploatare.

Concluziile capitolului 3 au permis enunŃarea argumentată a unor direcŃii de acŃiune, trei dintre ele fiind reŃinute cu prioritate:

1.- creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, parte care include stâlpii frontali ai acestuia;

2.- scurtarea “batiului”, adică reducerea distanŃei dintre masa presei şi axa alezajului arborelui principal, ceea ce presupune reducerea lungimii barei “verticale”, cea care este direct asociată cu stâlpii frontali ai batiului;

3.- pretensionarea batiului, fiind vizată în mod explicit pretensionarea stâlpilor frontali. În cadrul primei direcŃii de acŃiune, soluŃia de principiu la care s-a apelat şi care a condus

la soluŃii originale a fost nervurarea pereŃilor laterali ai batiului. SoluŃia nu este întâlnită la batiurile deschise turnate ale preselor şi presupune un consum suplimentar mic de material.

A doua direcŃie de acŃiune presupune conceperea de batiuri cu înălŃime redusă, în principal ca urmare a reducerii distanŃei dintre masa presei şi axa alezajului arborelui principal. Este o cercetare exploratorie care vizează doar batiul, nu şi consecinŃele acestei reduceri de distanŃă asupra soluŃiei constructive a întregului mecanism manivelă-bielă-culisor de transformare a mişcării de rotaŃie a arborelui principal în mişcare de translaŃie rectilinie-alternativă a culisorului. Se anticipează că aceste consecinŃe pot fi relativ mari, chiar ample.

În cadrul celei de-a treia direcŃie de acŃiune s-a optat pentru pretensionare pasivă, cu tiranŃi. Se face precizarea că soluŃii constructive de acest tip1, 2, 3, identificate în literatură în principal în urma cercetării de brevet, nu vizează pretensionarea pasivă a batiurilor deschise monobloc obŃinute prin turnare.

În acord cu tehnica combinării, frecvent întâlnită ca mijloc eficient de creaŃie tehnică originală4, 5, 6, cercetarea a evoluat şi către studiul soluŃiilor combinate posibile, tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. SoluŃiile de bază şi obŃinute prin combinare ale batiurilor elaborate inovativ

Batiu nervurat (Bn) Batiu scurtat (Bs) Batiu pretensionat (Bp) Tip 1 � - - Bn 2 - � - Bs 3 - - � Bp 4 � � - Bn+s 5 � - � Bn+p 6 - � � Bs+p 7 � � � Bn+s+p

1 Miyahara, M., Nakamura, N., Takizawa, K.: C-type frame for die tightening units mounted for an injection molding machine.

Brevet US 5,482,454 (Ian. 9, 1996) 2 Marando, R.A., Schrack, E.M., Larkin, J.C., Drost, E., Dziki, J.P., Vasalani, J.J., Hunter, D.E.: Apparatus for performing a

hydroforming operation. Brevet US 7,047,780 (Mai 23, 2006) 3 Jonsson, F.L.: Machine frame, having a biased wire girdle, and a method for biasing such a girdle. Brevet US 3,884,142 4 Belous, V., Plăhteanu, B.: Fundamentele creaŃiei tehnice. Editura Performantica, ISBN 973-730-138-2, Iaşi, 2005 5 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992 6 Stănciulescu, T.D., Belous, V., Moraru, I.: Tratat de creatologie. Editura Performantica, ISBN 973-97813-8-1, Iaşi, 1998


31

4.1. SoluŃia constructivă de referinŃă Pentru a asigura unitatea necesară, s-a impus ca întreaga cercetare să se facă în raport cu

soluŃia constructivă a batiului unei prese cu bune performanŃe, validate în timp, cunoscută şi recunoscută ca atare. S-a optat pentru batiul presei PAI 25 (Presa Automată Inclinabilă, cu forŃa nominală FN = 25 tf), produsă de Întreprinderea Mecanică Sibiu şi destul de frecvent întâlnită în dotarea întreprinderilor constructoare de maşini din România. Confruntând caracteristicile geometrice ale batiului cuprinse în documentaŃia tehnică primită de la firma constructoare cu caracteristicile geometrice ale presei PAI 25 aflată în laboratorul de Maşini-

Unelte pentru Prelucrări prin Deformare, s-au constatat unele diferenŃe. Acestea au fost consemnate riguros şi pe baza lor s-a elaborat şi modelul 3D al acestei variante de batiu pentru PAI 25. Pentru a surprinde mai bine diferenŃele, în figura 4.7 se prezintă ambele variante constructive.

Batiul presei PAI 25 aflată în dotarea laboratorului este unul îmbunătăŃit, figura 4.7b, cu rigiditate mult crescută. FaŃă de varianta iniŃială se identifică diferenŃe exclusiv referitoare la geometria stâlpilor frontali şi la pereŃii transversali de rigidizare din zona mediană a batiului.

Grosimea pereŃilor laterali şi a pereŃilor transversali de rigidizare se păstrează la 20 mm. Stâlpii frontali sunt mult îngroşaŃi, figura 4.8. Ca urmare a modificării geometriei stâlpilor frontali, distanŃa dintre partea frontală a

stâlpilor părŃii mediane a batiului şi planul vertical ce conŃine axa alezajului arborelui principal scade la 200 mm, dar fără să afecteze amplasarea ghidajelor şi spaŃiul necesar deplasării culisorului presei. Creştere de rigiditate a batiului este asigurată şi prin prevederea încă a unui perete transversal orizontal (peretele n, figura 4.7b) în imediata vecinătate a alezajului arborelui principal.

a) b) Figura. 4.7. Batiul presei PAI 25

a) conform cu documentaŃia furnizată de constructor (varianta iniŃială); b) variantă îmbunătăŃită, cu rigiditate mult crescută (cu stâlpi frontali îngroşaŃi)

4.2. SoluŃii constructive noi bazate pe modificarea grosimii pereŃilor laterali

Toate modelele noi elaborate în cadrul cercetării desfăşurate au respectat riguros modelul de referinŃă al batiului presei PAI 25, modificările fiind doar punctuale şi în acord cu direcŃiile de studiu deja enunŃate. Această abordare permite ca rezultatele obŃinute să poată fi extrapolate pentru orice altă tipodimensiune de batiu deschis turnat.


32

a) b) Figura 4.8. Geometria secŃiunii stâlpilor frontali ai batiului

a) varianta iniŃială; b) variantă îmbunătăŃită Toate modelele au fost elaborate în mod unitar, utilizând mediul de proiectare avansat

Pro/ENGINEER Wildfire 4.01. Primele soluŃii noi elaborare au fost unele exploratorii, acestea urmărind a identifica

influenŃa grosimii pereŃilor laterali asupra rigidităŃii batiului, precum şi asupra stării de tensiuni şi de deformaŃii ce se manifestă în corpul acestuia.

În raport cu varianta de referinŃă a batiului, notată B0, la care pereŃii laterali au o grosime g = 20 mm, s-au elaborat patru variante noi, de studiu, la care grosimea pereŃilor a fost modificată. Modificările au vizat exclusiv grosimea pereŃilor. Codurile acestor variante şi grosimile pereŃilor acestora se prezintă în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Codurile variantelor noi, cu grosime modificată a pereŃilor, volumul total şi masa batiului

Cod B–2 B–1 B0

(varianta de referinŃă)

B+1 B+2

Grosime pereŃi laterali 18 mm 19 mm 20 mm 21 mm 22 mm Volumul total al batiului [dm3] 144,329 145,261 146,185 147,079 147,985

Masa batiului [kg] 1132,9 1140,3 1147,5 1154,6 1161,7 DiferenŃa de masă [kg] – 14,6 – 7,2 0 + 7,1 + 14,2

4.3. Batiuri cu pereŃi laterali nervura Ńi

În vederea creşterii rigidităŃii batiului, prima direcŃie rezultată în urma studiilor teoretice efectuate în legătură cu mai multe modele analitice constă în creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, parte care include stâlpii frontali ai acestuia. Cercetările au evoluat către elaborarea de modele noi de batiu turnat la care partea interioară a pereŃilor laterali este nervurată. La toate modelele elaborate nervurile au aceea;i geometrie.

Evident, densitatea de dispunere a nervurilor are influenŃă asupra rigidităŃii batiului şi asupra stării de tensiuni şi de deformaŃii ce se manifestă în corpul acestuia. Pentru studiul acestei influenŃe s-au elaborat 40 de modele de batiuri nervurate diferite, cu nervurile dispuse orizontal sau vertical, echidistante, amplasate la distanŃele l ∈ {50, 75, 100}, în mm.

4.3.2. Batiuri cu nervuri verticale

S-au elaborat 20 modelele de batiuri cu nervuri verticale, direcŃia de dispunere a acestora fiind perpendiculară faŃă de suprafaŃa de lucru a mesei presei. Modelele se diferenŃiază prin distanŃa dintre două nervuri vecine şi prin grosimea pereŃilor laterali.

În figura 4.12 se dă un exemplu de batiu cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri verticale1, dispuse echidistant la 50 mm, iar în figura 4.13 se dă un exemplu de batiu cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri verticale, dispuse neechidistant.

1 * * *: Fundamentals of Design. Pro/ENGINEER Wildfire. PTC (Parametric Technology Corporation)


33

Figura 4.12. Un model 3D al batiului presei PAI 25 cu nervuri verticale dispuse echidistant la 50 mm

Figura 4.13. Un model 3D al batiului presei PAI 25 cu nervuri verticale dispuse neechidistant

4.3.3. Batiuri cu nervuri orizontale

O altă grupă de soluŃii constructive abordată o constituie batiurile cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri dispuse orizontal2 orientate paralel cu suprafaŃa de lucru a mesei presei.

Au fost elaborate tot 20 variante, ca şi în cazul batiurilor cu nervuri verticale, diferenŃiate prin distanŃa dintre nervuri şi grosimea pereŃilor laterali.

În figura 4.14 se dă un exemplu de batiu cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri orizontale, dispuse echidistant la 50 mm. Au fost elaborate şi cinci modele de batiu cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri orizontale, dispuse neechidistant.

Figura 4.14. Un model 3D al batiului presei PAI 25 cu nervuri orizontale dispuse echidistant la 50 mm

1 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013 2 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013


34

4.3.4. Batiuri cu nervuri înclinate Dispunerea nervurilor după direcŃie "verticală" sau "orizontală" a fost una normală,

naturală, în acord cu practica curentă în ceea ce priveşte nervurarea pereŃilor la elemente de structură ale unor maşini-unelte1. Atât intuitiv, dar şi în acord cu metode specifice creaŃiei tehnice originale2, s-a constatat că dispunerea nervurilor se poate face şi altfel. Explorarea unor asemenea soluŃii s-a considerat necesară pentru identificarea celei mai bune variante de rigidizare prin nervurare a pereŃilor laterali ai unui batiu deschis turnat3.

O primă variantă abordată a fost dispunerea nervurilor "înclinat"4, 5, 6. Modelele elaborate au luat în considerare o variaŃie din 10 în 10 grade ale înclinării nervurilor. Modelele cu α ∈ {10º, 20º, 30º, 40º, 50º, 60º, 70º, 80º} sunt cu înclinare "spre stânga", adică spre faŃa frontală a batiului, iar modelele cu β ∈ {100º, 110º, 120º, 130º, 140º, 150º, 160º, 170º} sunt cu înclinare "spre dreapta", adică spre spatele batiului.

La toate aceste noi modele grosimea pereŃilor s-a luat de 20 mm, iar distanŃa dintre nervuri de 75 mm, dispuse echidistant. Un model de batiu cu pereŃi nervuraŃi cu nervuri înclinate orientate spre stânga se prezintă în figura 4.17, iar în figura 4.18 se prezintă unul cu nervurile înclinate spre dreapta.

Figura 4.17. Un model 3D al batiului presei PAI 25

cu nervuri înclinate spre stânga la 80º Figura 4.18. Un model 3D al batiului presei PAI 25

cu nervuri înclinate spre dreapta la 130º 4.3.5. Batiuri cu nervuri intersectate

Utilizând tehnica combinării 7, frecvent utilizată în inventică ca metodă de creaŃie tehnică, a rezultat că este posibilă dispunerea nervurilor "intersectat"1, 2, combinând astfel nervurile orizontale

1 Ispas, C. ş.a.: Maşini-unelte. Elemente de structură. Editura Tehnică, ISBN 973-31-1029-0, Bucureşti, 1997 2 Belous, V.: Manualul inventatorului. Editura Tehnică, Bucureşti, 1990 3 Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses. Proceedings in Manufacturing Systems

ICMaS, ISSN 2067-9238, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, Editura Academiei Române, Bucureşti, România, 2011 4 Dan, I., Cioară, R.: New Studies about Crank Mechanical Press PAI 25 Frame. Proceedings of the 9th International Conference

on “Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, Vol. 9 (edited by T. Tashev, R. Deliyski, B. Lăpădătescu), Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 272-275, Sofia, 2011

5 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013 6 Dan, I.: Cercetări privind influenŃa nervurilor înclinate şi curbe asupra rigidităŃii presei PAI 25 / Research on the influence of

tilted and curved ribbing on the stiffness of PAI 25 Presses. RECENT, ISSN 1582-0246, Vol.12, nr. 2(32), p. 103-111, Iulie, Braşov, România, 2011

7 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992


35

cu cele verticale sau a celor înclinate spre stânga cu cele înclinate spre dreapta. Înclinarea nervurilor poate fi caracterizată fie prin valorile unghiurilor pe care cele două grupe de nervuri le au faŃă de orizontală, figura 4.19a, fie prin valoarea unghiului faŃă de orizontală a nervurilor înclinate spre stânga şi prin valoarea unghiului dintre acestea şi cele înclinate spre dreapta, figura 4.19b. În prezenta lucrare s-a adoptat prima variantă, cea corespunzătoare figurii 4.19a.

a) b) Figura 4.19. Unghiul de inclinare al nervurilor la batiuri cu nervuri intersectate

Diversele soluŃii constructive de batiuri elaborate anterior au fost combinate între ele. A

rezultat o întreagă familie de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervurile intersectate. S-au luat în considerare diverse valori ale înclinării nervurilor, precum şi diferite valori ale unghiului dintre acestea. Nervurile pot fi perpendiculare între ele sau nu.

La toate modelele de batiu cu nervuri intersectate grosimea pereŃilor s-a luat de 20 mm, iar distanŃa dintre nervuri de 75 mm, dispuse echidistant. În figura 4.20 se prezintă modelul de batiu cu nervuri intersectate dispuse orizontal şi vertical.

În figura 4.21 se dă un exemplu de model de batiu cu nervuri intersectate, dispuse perpendicular unele faŃă de celelalte, nervurile fiind înclinate faŃă de orizontală la 45º şi 135º (45º spre stânga şi la 45º spre dreapta).


cu nervuri verticale şi orizontale Figura 4.21. Un model 3D al batiului presei PAI 25

cu nervuri intersectate, înclinate la 45º şi 135º

1 Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses. Proceedings in Manufacturing Systems

ICMaS, Bucureşti, România, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, 2011 2 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013


36

4.3.6. Batiuri cu nervuri curbe Utilizând o altă metodă de creaŃie tehnică, inversia1, s-a identificat şi o altă posibilitate de

dispunere a nervurilor, una originală, neîntâlnită în practică. Formulând întrebarea "de ce nervurile să fie drepte?", unul dintre răspunsuri a fost "nervurile pot fi şi curbe".

Pentru cazul particular al batiurilor deschise ale preselor, având în vedere în principal distribuŃia stării de tensiuni ce se manifestă în corpul acestora, o orientare justificată a nervurilor este de-a lungul unor izocline ale stării de tensiuni ce se manifestă în pereŃii batiului în timpul solicitării acestuia. Evident, nervurile curbe dispuse de-a lungul unor izocline nu sunt paralele între ele2. DistanŃa curentă (în orice punct) dintre oricare două nervuri vecine este variabilă.

Un exemplu de model de batiu cu pereŃi nervuraŃi cu nervuri curbe dispuse de-a lungul unor izocline ale stării de tensiuni se prezintă în figura 4.233.

4.4. Batiuri scurtate

Scurtarea batiului (deschis) are ca efect direct reducerea deformaŃiei elastice a acestuia. În cadrul prezentei teze s-a elaborat şi studiat un singur model de batiu scurtat4, figura

4.24, la care distanŃa dintre suprafaŃa mesei şi axa alezajului arborelui principal este de 720 mm, mai mică cu 250 mm în raport cu soluŃia constructivă de referinŃă.

Scurtarea batiului are o consecinŃă constructivă semnificativă (posibil, dar nu neapărat, negativă): impune modificarea amplă a construcŃiei mecanismului manivelă-bielă-culisor. Ca urmare, deşi din punct de vedere teoretic scurtarea batiului este o soluŃie logic avantajoasă pentru creşterea rigidităŃii acestuia, ea trebuie abordată cu reŃinere şi dezvoltată abia după identificarea cu suficientă claritate a modificărilor de natură constructivă ale bielei, culisorului şi cuplei de legătură dintre acestea, precum şi a posibilităŃilor tehnologice de realizare a lor.


cu nervuri curbe Figura 4.24. Un model 3D al unui batiu scurtat,

pentru presa PAI 25

1 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992 2 Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses. Proceedings in Manufacturing Systems

ICMaS, Bucureşti, România, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, 2011 3 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013 4 Dan, I.: Shorter C-Frame for the Crank Mechanical Press. Study of the Stress and Strain State. Proceedings of the 16th

International Conference Modern Technologies, Quality and Inovation, Iaşi-Chişinău-Belgrad, ModTech 2012, New Face of T.M.C.R., Vol. I, ISSN 2069-6736, p. 261-264, 24-26 Mai, 2012, Sinaia, România


37

4.5. Batiuri pretensionate Pretensionarea este specifică batiurilor închise ale preselor, dar există şi propuneri de

aplicare asupra unor batiuri deschise, relevante exemple în acest sens fiind prezentate în capitolul 2 al tezei. Scopul declarat al pretensionării batiurilor deschise ale preselor este micşorarea deformaŃiei de încovoiere a batiului, cea care determină abateri de perpendicularitate dintre axa de translaŃie a culisorului şi planul mesei, influenŃele negative conexe fiind cunoscute1.

Cercetările desfăşurate pe parcursul elaborării prezentei lucrări au abordat pretensionarea batiurilor deschise ale preselor ca modalitate de creştere a rigidităŃii acestora, deci de reducere a deformaŃiei elastice pe direcŃia forŃei tehnologice, în scopul reducerii energiei de exploatare asociat acestor maşini-unelte. Au fost elaborate mai multe soluŃii constructive de batiuri pretensionate, toate făcând obiectul unei cereri de brevet de invenŃie2. La acestea modificările faŃă de soluŃia constructivă de referinŃă a batiului presei PAI 25 au vizat doar stâlpii frontali, zonă unde este prevăzută amplasarea tiranŃilor de pretensionare.

O primă soluŃie, cea mai "naturală", propune ca fiecare stâlp frontal să fie prevăzut cu câte un alezaj, realizat direct din turnare sau (şi) prelucrat ulterior, care să fie străbătut de un tirant de pretensionare, figura 4.26.

Figura 4.26. Un model 3D de batiu pentru presa PAI 25, pretensionat

Într-o etapă imediat ulterioară s-au studiat şi alte soluŃii constructive ale stâlpilor frontali3, mai uşor de realizat, care să nu necesite prelucrări specifice şi care să fie favorizante în ceea ce priveşte amplasarea tiranŃilor. SoluŃiile constructive noi au rezultat aplicând unele tehnici şi metode de creaŃie tehnică specifice inventicii4, 5, 6, unele dintre ele aplicate cu succes şi în alte etape ale prezentei cercetări. Au fost reŃinute ca soluŃii viabile eficiente stâlpi cu secŃiune "L", "Γ", "F" şi "U". În acest context, prima soluŃie elaborată, prezentată anterior, poate fi caracterizată drept una la care stâlpii frontali au secŃiune "O".

1 Tabără, V., Tureac, I.: Maşini pentru prelucrări prin deformare. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1984 2 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu deschis. Cbi A 2013 00006 din 07.01.2013 3 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu deschis. Cbi A 2013 00006 din 07.01.2013 4 Belous, V.: Manualul inventatorului. Editura Tehnică, Bucureşti, 1990 5 Paicu, G.: Creativitatea. Fundamente, secrete şi strategii. EdiŃia a II-a, Editura PIM, ISBN 978-606-13-0502-5, Iaşi, 2011 6 Stănciulescu, T.D., Belous, V., Moraru, I.: Tratat de creatologie. Editura Performantica, ISBN 973-97813-8-1, Iaşi, 1998


38

4.6. SoluŃii constructive combinate de batiuri cu rigiditate crescută Analizând realitatea, practica curentă de inovare-inventare şi de promovare a noilor

soluŃii în tehnică, în tratatele de inventică1, 2, 3 se subliniază că "Majoritatea ideilor noi apar prin combinare, în aşa măsură încât sinteza este în general considerată ca fiind însăşi esenŃa creativităŃii. O bună parte din invenŃii reprezintă combinaŃii noi de elemente cunoscute pentru a forma ansambluri cu funcŃii superioare unora existente sau pentru a realiza anumite funcŃii impuse". Prin combinare s-a urmărit cumularea efectelor pozitive potenŃiale asigurate de către cele trei grupe de soluŃii constructive distincte noi de batiuri descrise anterior, obŃinute prin nervurare, scurtare şi pretensionare. Sunt 4 grupe soluŃii posibil de obŃinut prin combinarea celor trei grupe distincte, acestea fiind: batiuri nervurate şi scurtate; batiuri nervurate şi pretensionate; batiuri scurtate şi pretensionate; batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate.

Într-o etapă ulterioară se urmăreşte a se studia dacă şi în ce măsură creşterea de rigiditate asigurată de fiecare tip de soluŃie constructivă se cumulează la soluŃiile noi obŃinute prin combinare. Studiul se va realiza în mediu virtual, prin metoda elementului finit.

4.6.1. Batiuri nervurate şi scurtate

În etape anterioare ale cercetării au fost elaborate 66 modele de batiuri nervurate – cu nervuri drepte dispuse orizontal, vertical, înclinat (sub diverse unghiuri) şi intersectate, precum şi cu nervuri curbe orientate de-a lungul izoclinelor stării de tensiuni ce se manifestă în corpul batiului – şi un singur model de batiu "scurtat". Prin combinare rezultă 66 × 1 = 66 modele de batiuri nervurate şi scurtate.

În figura 4.29 se dă un exemplu de model 3D de batiu "nervurat şi scurtat".

4.6.2. Batiuri nervurate şi pretensionate Cele 66 modele de batiuri nervurate pot fi combinate cu cele 5 modele de batiuri

pretensionate, acestea fiind diferenŃiate prin forma secŃiunii transversale a stâlpilor frontali (secŃiuni "O", "L", "Γ", "F" sau "U"). Prin combinare rezultă 66 × 5 = 330 modele de batiuri nervurate şi scurtate.

Un exemplu de model 3D de batiu "nervurat şi pretensionat" se prezintă în figura 4.30.

Figura 4.29. Model 3D de batiu nervurat şi scurtat Figura 4.30. Model 3D de batiu nervurat şi

pretensionat

1 Belous, V.: Manualul inventatorului. Editura Tehnică, Bucureşti, 1990 2 Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992 3 Stănciulescu, T.D., Belous, V., Moraru, I.: Tratat de creatologie. Editura Performantica, ISBN 973-97813-8-1, Iaşi, 1998


39

4.6.3. Batiuri scurtate şi pretensionate Prin combinarea singurului model de batiu scurtat cu cele 5 modele de batiu pretensionat

rezultă 5 modele distincte de batiu "scurtat şi pretensionat", un exemplu fiind redat în figura 4.31.

4.6.4. Batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate Prin combinarea celor trei grupe de soluŃii noi inovative de batiuri deschise turnate

elaborate pe parcursul elaborării prezentei teze, adică 66 soluŃii de batiuri nervurate, o soluŃie constructivă de batiu scurtat şi 5 variante constructive de batiu nervurat, se pot obŃine în total 66 × 1 × 5 = 330 soluŃii constructive de batiuri "nervurate, scurtate şi pretensionate". Un exemplu sugestiv de astfel de batiu se prezintă în figura 4.32.

Figura 4.31. Model 3D de batiu scurtat şi

pretensionat Figura 4.32. Model 3D de batiu nervurat, scurtat şi

pretensionat

4.7. Codificarea noilor soluŃii constructive de batiuri deschise cu rigiditate crescută Referirile la mulŃimea şi diversitatea soluŃiilor noi inovative descrise în cele de mai sus

este relativ dificil de făcut de fiecare dată prin exprimare descriptivă uzuală. Pe parcursul elaborării de noi şi noi modele şi variante s-a conturat necesitatea codificării lor. Este cunoscut şi faptul că un astfel de demers contribuie apreciabil la sintetizarea şi sistematizarea cercetării 1, confirmat şi în cadrul unor cercetări de valoare2, 3 finalizate în cadrul UniversităŃii Transilvania din Braşov, instituŃie sub auspiciile căreia s-a desfăşurat şi cercetarea de faŃă.

S-a optat pentru o codificare prin şir alfanumeric. În vederea codificării s-au analizat aspectele specifice relevante care caracterizează

soluŃiile constructive inovative nou elaborate. S-au impus a fi luate în considerare: - tipul presei căreia îi este destinat batiul; - grosimea pereŃilor laterali; - distanŃa dintre nervurile dispuse echidistant; - unghiul pe care nervurile identic orientate îl fac cu orizontala, măsurat în sens orar faŃă de

aceasta;

1 Redeş, A, ş.a.: Merceologie industrială. Editura Eficient, ISBN 973-936-614-7, Bucureşti, 1999 2 Răceu, R.Al.: Cercetări inovative privind dezvoltarea unor noi automate de presare la rece. Teză de doctorat. Universitatea

Transilvania din Braşov, 2013 3 Cioară, Maria-Ruxandra: ContribuŃii teoretice şi experimentale la dezvoltarea echipamentelor pentru tăiere de precizie a

barelor prin deformare plastică. Teză de doctorat. Universitatea Transilvania din Braşov, 2009


40

- distanŃa dintre suprafaŃa de lucru a mesei şi axa alezajului arborelui principal (sau valoarea cu care această cotă se scurtează faŃă de soluŃia constructivă de referinŃă);

- tipul secŃiunii stâlpilor frontali (pentru cazurile de batiuri pretensionate). În această abordare, şirul alfanumeric ce constituie codul unui batiu se constituie dintr-o

succesiune de secvenŃe de cod, exemplificate în tabelul 4.6.

Tabelul 4.6. Câmpurile de cod propuse pentru codificarea batiurilor noi elaborate şi exemple

Tipul presei

Grosimea pereŃilor laterali

DistanŃa dintre nervurile

echidistante

Unghiul de înclinare a nervurilor

Valoarea scurtării batiului

Profilul secŃiunii stâlpilor frontali

1 B-PAI25 g20 e75 α10 s250 pO 2 B-PAI25 g20 e100+e100 α10+β100 s250 pU 3 B-PAI25 g20 var. curb. s0 pF

Codurile de batiu ce corespund exemplelor date în tabelul anterior, precum şi

semnificaŃia acestora sunt: 1) B-PAI25_g20_e75_α10_s250_pO ⇔ „batiu pentru presa PAI 25, cu pereŃi laterali de

grosime g = 20 mm, cu pereŃi laterali nervuraŃi la interior, nervuri paralele dispuse echidistant la distanŃa de 75 mm, înclinate sub un unghi α = 10° măsurat în sens orar faŃă de orizontală, scurtat faŃă de batiul de referinŃă cu o cotă s = 250 mm, pretensionat, stâlpii frontali având profil O”;

2) B-PAI25_g20_e100+e100_α10+β100_s250_pU ⇔ „batiu pentru presa PAI 25, cu pereŃi laterali de grosime g = 20 mm, cu pereŃi laterali nervuraŃi la interior, nervuri paralele intersectate, ambele grupe de nervuri dispuse echidistant la distanŃa de 100 mm, un set de nervuri înclinate sub un unghi α = 10° măsurat în sens orar faŃă de orizontală şi celălalt set de nervuri înclinate sub un unghi β = 100° (nervuri perpendiculare), scurtat faŃă de batiul de referinŃă cu o cotă s = 250 mm, pretensionat, stâlpii frontali având profil U”;

3) B-PAI25_g20_var._curb._s0_pF ⇔ „batiu pentru presa PAI 25, cu pereŃi laterali de grosime g = 20 mm, cu pereŃi laterali nervuraŃi la interior, nervuri neechidistante (distanŃă variabilă între nervuri) dispuse curbiliniu, nescurtat (de înălŃime normală) (s = 0 mm), pretensionat, stâlpii frontali având profil F”.

Acolo unde este cazul una sau mai multe secvenŃe de cod pot lipsi. De exemplu, codul B-PAI25_g20_s0_pU corespunde unui „batiu pentru presa PAI 25, cu pereŃi laterali de grosime g = 20 mm, cu pereŃi laterali fără nervuri, nescurtat, pretensionat, stâlpii frontali având profil U”.

Se poate considera că la batiurile nepretensionate profilul secŃiunii este „P” (profil plin).

4.8. Concluzii Ca urmare a studiilor teoretice, dar şi având drept exemple diverse soluŃii constructive de

batiuri deschise propuse de-a lungul timpului de cercetători din întreaga lume, în vederea creşterii rigidităŃii batiurilor deschise turnate destinate ca structură de rezistenŃă pentru prese mecanice s-au identificat mai multe direcŃii de acŃiune, trei dintre ele fiind reŃinute cu prioritate: creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, scurtarea “batiului”, adică reducerea distanŃei dintre masa presei şi axa alezajului arborelui principal, şi pretensionarea batiului, fiind vizată în mod explicit pretensionarea stâlpilor frontali.

În cadrul primei direcŃii de acŃiune, soluŃia de principiu la care s-a apelat şi care a condus la soluŃii originale a fost nervurarea pereŃilor laterali ai batiului. Pentru nervuri s-au luat în considerare mai multe variante constructive, diferite prin grosimea şi înălŃimea nervurilor, precum şi prin distanŃa dintre două nervuri vecine. S-au elaborat 20 modelele de batiuri cu nervuri verticale, direcŃia de dispunere a acestora fiind perpendiculară faŃă de suprafaŃa de lucru a mesei


41

presei. Modelele se diferenŃiază prin distanŃa dintre două nervuri vecine şi prin grosimea pereŃilor laterali. Patru dintre aceste soluŃii constructive noi au grosimea pereŃilor laterali egală cu cea a batiului de referinŃă. O altă grupă de soluŃii constructive, tot 20 variante, o constituie batiurile cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri dispuse orizontal orientate paralel cu suprafaŃa de lucru a mesei presei. Ca şi în cazul batiurilor cu nervuri verticale, doar la patru dintre noile soluŃii se păstrează aceeaşi grosime a pereŃilor laterali ca şi la batiul de referinŃă. O consistentă grupă de soluŃii constructive noi, inovative, o reprezintă cea cu nervurile dispuse "înclinat". Modelele elaborate, în număr de 16, au luat în considerare o variaŃie din 10 în 10 grade ale înclinării nervurilor. Toate noile modele au grosimea pereŃilor laterali de 20 mm.

În acord cu tehnica combinării, frecvent întâlnită ca mijloc eficient de creaŃie tehnică originală, cercetarea a evoluat şi către studiul soluŃiilor combinate posibile. Diversele soluŃii constructive de batiuri nervurate au fost combinate între ele. A rezultat o întreagă familie de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervurile intersectate. S-au luat în considerare diverse valori ale înclinării nervurilor, precum şi diferite valori ale unghiului dintre acestea. Nervurile pot fi perpendiculare între ele sau nu, simetric înclinate faŃă de verticală sau nu.

S-a identificat şi o altă posibilitate de dispunere a nervurilor, una originală, neîntâlnită în practică. Având în vedere în principal distribuŃia stării de tensiuni ce se manifestă în corpul acestora, o orientare justificată a nervurilor este de-a lungul unor izocline ale stării de tensiuni ce se manifestă în pereŃii batiului în timpul solicitării acestuia. Evident, nervurile curbe dispuse de-a lungul unor izocline nu sunt paralele între ele şi nici echidistante.

SoluŃiile constructive de batiu nervurat fac subiectul unei cereri de brevet de invenŃie. A doua direcŃie de acŃiune presupune conceperea de batiuri cu înălŃime redusă. Este o

cercetare exploratorie care vizează doar batiul, nu şi consecinŃele acestei reduceri de distanŃă asupra construcŃiei celorlalte elemente componente ale unei astfel de prese. A fost elaborat un singur model de batiu „scurtat”.

În cadrul celei de-a treia direcŃie de acŃiune s-a optat pentru pretensionare pasivă, cu tiranŃi. S-a reŃinut şi că în literatura de specialitate, în principal în brevetoteca mondială, se regăsesc interesante soluŃii de pretensionare activă a batiurilor deschise. Au fost elaborate cinci noi soluŃii constructive inovative de batiuri deschise pretensionate pasiv cu tiranŃi, diferenŃiate prin forma secŃiunii transversale a stâlpilor frontali. Toate aceste soluŃii constructive noi fac subiectul unei cereri de brevet de invenŃie.

Într-o etapă ulterioară s-a urmărit cumularea efectelor pozitive potenŃiale asigurate de către cele trei grupe de soluŃii constructive distincte noi de batiuri, obŃinute prin nervurare, scurtare şi pretensionare. Au rezultat 66 soluŃii constructive de batiuri nervurate şi scurtate, 330 batiuri nervurate şi pretensionate, 5 batiuri scurtate şi pretensionate, precum şi 330 batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate. Dintre acestea, cele la care grosimea pereŃilor laterali este de 20 mm, identică cu cea de la batiul de referinŃă, sunt în număr de 34 soluŃii constructive de batiuri nervurate şi scurtate, 170 batiuri nervurate şi pretensionate, 5 batiuri scurtate şi pretensionate, precum şi 170 batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate.

Majoritatea soluŃiilor constructive noi, originale, necesită un volum suplimentar de material. La batiurile cu pereŃi laterali simplu nervurate creşterea este de 0,7 – 1,4% (o creştere de masă de 8,15 – 16,5 kg), la batiurile cu nervuri intersectate creşterea este de aprox. 1,626% (aprox. 19 kg), iar la batiurile cu nervuri curbe creşterea este de aprox. 1,833% (21,5 kg). La batiurile pretensionate creşterea de volum este de 2,88% (34 kg). Doar la batiurile scurtate se identifică o scădere de volum de material, de aprox. 1,38% (15,6 kg). Efectele se cumulează algebric la batiurile combinate.

Pe parcursul elaborării de noi şi noi modele şi variante de batiuri cu rigiditate crescută s-a conturat necesitatea codificării lor, demers care contribuie apreciabil la sintetizarea şi sistematizarea cercetării. S-a optat pentru o codificare prin şir alfanumeric care reŃine aspectele specifice relevante care caracterizează soluŃiile constructive inovative nou elaborate.


42

Capitolul 5. STUDII ÎN MEDIU VIRTUAL PRIVIND ST ĂRILE DE DEFORMA łII ŞI

DE TENSIUNI ALE SOLU łIILOR CONSTRUCTIVE NOI DE BATIURI Obiectivul principal al cercetării – acela de a elabora soluŃii constructive noi, dezvoltate

inovativ, de batiuri deschise turnate, cu rigiditate crescută şi care să nu necesite volum sporit de material pentru realizarea lor – a fost îndeplinit cu succes. În capitolul anterior au fost prezentate şi descrise detaliat cele opt grupe de bază de soluŃii constructive noi dezvoltate inovativ, o parte dintre cele peste optzeci de variante ale acestora, precum şi câteva exemple relevante dintre cele aproape 900 de soluŃii constructive noi obŃinute prin combinări ale tipurilor de bază şi ale variantelor acestora. Cercetarea nu a urmărit doar „cantitate”, exprimată prin număr mare al tipurilor de bază de soluŃii constructive noi dezvoltate inovativ şi prin număr foarte mare al variantelor constructive obŃinute prin combinare, ci şi „calitate”, adică soluŃii constructive noi cu performanŃe specifice superioare unei soluŃii „de referinŃă” utilizată în practică şi validată de aceasta. Calitatea vizată de cercetarea desfăşurată în vederea elaborării prezentei teze de doctorat se referă la minimizarea costurilor de realizare şi de exploatare a preselor (mecanice) cu batiu deschis realizat prin turnare prin utilizarea de batiuri cu rigiditate crescută – ceea ce determină direct scăderea consumului energetic de exploatare – care să nu necesite creştere suplimentară de material în raport cu o soluŃie constructivă de referinŃă.

În acest context, a devenit imperativ studiul în condiŃii identice de solicitare a soluŃiei constructive de referinŃă şi a tuturor soluŃiilor constructive noi elaborate – de bază, variante ale acestora şi combinaŃiile lor – pentru a determina pentru fiecare dintre ele volumul de material necesar, rigiditatea, starea de deformaŃii şi starea de tensiuni. Analiza comparată a rezultatelor, în principal faŃă de soluŃia constructivă de referinŃă, va pune în evidenŃă dacă şi care dintre soluŃiile constructive noi elaborate inovativ sunt superioare soluŃiei de referinŃă din punct de vedere al performanŃelor vizate.

5.1. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de referinŃă

Aşa cum s-a precizat deja în capitolul anterior, soluŃia constructivă de referinŃă adoptată în cadrul cercetării de faŃă este batiul presei PAI 25, variantă îmbunătăŃită, cu rigiditate mult crescută (cu stâlpi frontali îngroşaŃi), figura 4.6, figura 4.7b şi figura 4.9. Acesta are un volum total de 146,185 dm3, şi o masă de 1147,5 kg, fiind realizat din fontă cenuşie FcX 250.

În vederea determinării stărilor de deformaŃii şi de tensiuni, modelul 3D al soluŃiei constructive de referinŃă a fost discretizat utilizând elemente tetraedrice1. S-au obŃinut 55912 noduri şi 29743 elemente, figura 5.1. „Solicitarea” modelului 3D al soluŃiei constructive de referinŃă s-a făcut realist, prin forŃă uniform distribuită ce solicită atât suprafaŃa de lucru a mesei, suprafaŃă de sprijin pentru sculele utilizate de maşină, cât şi partea superioară a alezajelor pentru asamblarea arborelui principal2, figura 5.2, organ de maşină prin intermediul căruia forŃa ce solicită mecanismul executor al presei se descarcă în batiul acesteia. Valoarea forŃei „tehnologice” s-a luat egală cu forŃa nominală, forŃă maximă admisă, Ft = FN = 250 kN.

Constrângerile batiului reflectă legătura sa prin patru bolŃuri cu postamentul presei. Modul de solicitare, mărimea solicitării şi constrângerile prevăzute pentru modelul 3D al

soluŃiei constructive de referinŃă se regăsesc în mod identic la toate soluŃiile constructive noi inovative elaborate, aspect care asigură corectitudinea analizei comparate a rezultatelor.

1 Dan, I.: CAD Research Regarding the Influence of Wall Thickness and Ribbing on the Frame of PAI25 Crank Mechanical

Press. Proceedings of the 15th International Conference on Modern Technologies, Quality and Inovation, ModTech 2011, vol. II, 25-27 May, 2011, Vadul lui Vodă, Republic of Moldova, p. 517-520, ISSN 2069-6736

2 Dan, I.: CAD Research on the Tilted Ribs Influence upon Press Frame PAI 25. Proceedings of the 9th International Conference on “Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, vol. 9, Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 276-279


43

Figura 5.1. Modelul discretizat al PAI 25, soluŃia

constructivă de referinŃă Figura 5.2. Solicitarea cu forŃe şi constrângerile la

soluŃia constructivă de referinŃă

Starea de deformaŃii a batiului astfel solicitat poate fi vizualizată şi analizată în ansamblul ei sau numai după una dintre direcŃiile axelor de coordonate într-un sistem cartezian1. Toate soluŃiile constructive de batiuri modelate 3D pe parcursul cercetării – toate soluŃiile constructive noi elaborate inovativ, toate variantele acestora, precum şi batiul de referinŃă – au fost orientate faŃă de axele sistemului cartezian de coordonate astfel încât axa Ox să fie paralelă cu axa alezajului pentru arborele principal, axa Oy să fie simultan paralelă cu planul median al batiului şi cu planul de lucru al mesei, iar axa Oz să fie perpendiculară pe planul suprafeŃei de lucru a mesei.

Starea de deformaŃii a modelului 3D al batiului de referinŃă se prezintă în figura 5.3. Studiul distribuŃiei stării de deformaŃii şi concluziile rezultate constituie punctul de

plecare pentru optimizarea constructivă a corpului sau ansamblului studiat. În cazul cercetării de faŃă prezintă cu prioritate interes cunoaşterea cedării maxime a batiului pe direcŃia aplicării forŃei tehnologice, mai precis între axa alezajului arborelui principal şi planul mesei batiului.

La soluŃia constructivă de referinŃă, cod B-PAI25_g20_s0_pP, valoarea acestei cedări este δ0 = 160,153 µm, adică batiul presei PAI 25 are o rigiditate C0 = 1561 MN/m.

Studiul prin metoda elementului finit facilitează şi cunoaşterea stării de tensiuni, practic în orice punct al corpului sau ansamblului studiat. Pentru lucrarea de faŃă studiul stării de tensiuni la batiurile inovative noi elaborate pe parcursul cercetării constituie un obiectiv secundar, dar este relevant pentru a descrie din punct de vedere calitativ aceste noi soluŃii constructive2.

5.3. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali nervura Ńi

O grupă importantă de soluŃii constructive noi de batiuri dezvoltate inovativ, în scopul obŃinerii unora cu rigiditate crescută în condiŃiile utilizării unui volum suplimentar minim de material, o constituie cele cu pereŃi laterali nervuraŃi, grupă de soluŃii descrisă pe larg în capitolul anterior al acestei teze de doctorat. În toate cazurile nervurile sunt plasate pe partea dinspre interiorul batiului a pereŃilor laterali, feŃele laterale exterioare rămânând plane.

În cadrul acestei grupe se identifică în principal soluŃii constructive cu nervuri drepte, orientate „vertical”(paralele cu normala la suprafaŃa de lucru a mesei), „orizontal” sau „înclinat”, 1 Mogan, Gh.: Analiza cu elemente finite în inginerie. Editura UniversităŃii Transilvania Braşov, ISBN 978-973-598-159-4,

Braşov, România, 2007 2 Dan, I.: CAD Research Regarding the Influence of Wall Thickness and Ribbing on the Frame of PAI25 Crank Mechanical

Press. Proceedings of the 15th International Conference ModTech 2011, Iaşi-Chişinău-Belgrad, New Face of T.M.C.R., vol. II, 25-27 May, 2011, Vadul lui Vodă, Republic of Moldova, p. 517-520, ISSN 2069-6736


44

egal distanŃate între ele sau nu, precum şi cu nervuri drepte intersectate în varii configuraŃii. A fost elaborată şi descrisă şi o soluŃie constructivă cu nervuri curbe.

În ceea ce priveşte soluŃiile constructive cu nervuri drepte echidistante au fost elaborate şi descrise doar variante la care distanŃa dintre nervuri este de 50, 75 sau 100 mm.

a) b)

c) d) Figura 5.3. Starea de deformaŃii pentru soluŃia constructivă de referinŃă

a) numai deformaŃiile pe direcŃia Ox; b) numai deformaŃiile pe direcŃia Oy; c) numai deformaŃiile pe direcŃia Oz; d) starea integrală de deformaŃii

5.3.1. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la batiurile cu pereŃi laterali cu nervuri verticale

Au fost elaborate 3×5 = 15 soluŃii constructive de batiuri cu nervuri verticale echidistante, cu distanŃe între nervuri de 50, 75 sau 100 mm şi cu grosimi ale pereŃilor laterali de 18, 19, 20, 21 şi 22 mm. A fost elaborată şi o soluŃie constructivă de batiu cu nervuri verticale neechidistante şi cu grosime a pereŃilor laterali de 20 mm, grosime egală cu cea a pereŃilor laterali de la soluŃia constructivă de referinŃă.

Starea de deformaŃii a unui astfel de batiu este exemplificată în figura 5.7, iar valorile cedărilor, ale rigidităŃilor şi tensiunilor maxime în zonele critice se dau în tabelele 5.2, 5.3 şi 5.4.


45

Tabelul 5.2. Valori relevante ale cedărilor, rigidităŃilor şi tensiunilor la batiuri cu pereŃi laterali cu nervuri verticale egal distanŃate la 50 mm

Tensiuni relevante [N/mm2] Cod batiu

δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125 B1 B-PAI25_g18_e50_α90_s0_pP 159,945 -0,208 1563,0 11,333 8,88 4,185

B2 B-PAI25_g19_e50_α90_s0_pP 158,945 -1,21 1572,9 11,3 8,7867 4,07

B3 B-PAI25_g20_e50_α90_s0_pP 156,915 -3,238 1593,2 11,193 8,5567 4,248

B4 B-PAI25_g21_e50_α90_s0_pP 156,37 -3,783 1598,8 11,633 8,5433 4,063

B5 B-PAI25_g22_e50_α90_s0_pP 154,023 -6,13 1623,1 11,39 8,5167 4,23



δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125 B1 B-PAI25_g18_e75_α90_s0_pP 160,508 0,355 1557,6 12,9 8,84 4,11

B2 B-PAI25_g19_e75_α90_s0_pP 159,48 -0,673 1567,6 11,407 8,7867 4,083

B3 B-PAI25_g20_e75_α90_s0_pP 157,33 -2,823 1589 12,1 8,71 4,21

B4 B-PAI25_g21_e75_α90_s0_pP 155,65 -4,503 1606,2 11,467 8,6433 4,125

B5 B-PAI25_g22_e75_α90_s0_pP 154,068 -6,085 1626,6 11,25 8,5133 4,133



δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125 B1 B-PAI25_g18_e100_α90_s0_pP 162,188 2,035 1541,4 12,6 8,8167 4,363

B2 B-PAI25_g19_e100_α90_s0_pP 160,43 0,277 1558,3 11,2 8,8467 4,253

B3 B-PAI25_g20_e100_α90_s0_pP 158,61 -1,543 1576,2 11,277 8,76 4,273

B4 B-PAI25_g21_e100_α90_s0_pP 156,858 -3,295 1593,8 11,733 8,5367 4,048

B5 B-PAI25_g22_e100_α90_s0_pP 155,353 -4,8 1609,2 11,463 8,563 3,923

Scăderea deformaŃiei elastice odată cu creşterea grosimii pereŃilor laterali la batiurile cu nervuri verticale echidistante este evidentă în toate cazurile, iar evoluŃia este aproape liniar dependentă de grosimea pereŃilor laterali pentru fiecare dintre cele trei distanŃe dintre nervuri.

Rezultatele obŃinute pun în evidenŃă şi influenŃa distanŃei dintre nervuri asupra scăderii deformaŃiei elastice, dar această influenŃă nu este una liniar dependentă de distanŃa dintre nervuri. La variantele cu nervuri dispuse la distanŃe de 50 mm şi de 100 mm se obŃin rezultate sensibil egale pentru fiecare grosime de perete, dar mai puŃin bune decât la variantele cu nervuri dispuse la distanŃa de 75 mm. S-a reŃinut această constatare şi s-a urmărit dacă şi la alte variante de batiuri nervurate se obŃin rezultate de aceeaşi natură.

Cea mai mare rigiditate pentru variantele de batiu cu grosime a pereŃilor laterali de 20


46

mm, identică cu cea a soluŃiei constructive de referinŃă, se obŃine la varianta constructivă cu nervurile egal distanŃate la 75 mm1. În toate cazurile variantele cu grosimea cea mai mare a pereŃilor laterali a asigurat rigiditatea cea mai mare pentru o aceeaşi distanŃă dintre nervuri. Creşterea maximă de rigiditate corespunde soluŃiei constructive cu nervuri la 75 mm şi grosime a pereŃilor laterali de 22 mm. Pentru o aceeaşi grosime a pereŃilor laterali, densitatea de dispunere a nervurilor nu asigură rezultate similare.

Figura 5.7. Starea de deformaŃii la batiul

B-PAI25_g20_e50_α90_s0_pP Figura 5.20. Starea de deformaŃii pentru o soluŃie

constructivă de batiu cu nervuri orizontale

5.3.2. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri orizontale

Ca şi în cazul grupului anterior de soluŃii constructive noi de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, au fost elaborate 3×5 = 15 soluŃii constructive de batiuri cu nervuri orizontale echidistante, cu distanŃe între nervuri de 50, 75 sau 100 mm şi cu grosimi ale pereŃilor laterali de 18, 19, 20, 21 şi 22 mm. A fost elaborată şi o soluŃie constructivă de batiu cu nervuri verticale neechidistante şi cu grosime a pereŃilor laterali de 20 mm, egală cu cea a pereŃilor laterali de la soluŃia constructivă de referinŃă. Starea de deformaŃii a unui batiu cu pereŃi nervuraŃi cu nervuri orizontale dispuse echidistant este exemplificată în figura 5.20.

La batiurile cu nervuri orizontale echidistante este evidentă în toate cazurile scăderea deformaŃiei elastice odată cu creşterea grosimii pereŃilor laterali, dar evoluŃia diferă în funcŃie de distanŃa dintre nervuri. Cea mai bună evoluŃie se identifică la variantele constructive cu nervurile dispuse la distanŃe de 50 mm.

Nervurarea cu nervuri orizontale asigură batiurilor cu grosimea pereŃilor laterali de 20 mm o creştere a rigidităŃii de 0,5 … 1,16% în funcŃie de distanŃa dintre nervuri. Pentru g = 20 mm şi e = 75 mm creşterea de rigiditate este de 0,8%. Bună performanŃă se obŃine pentru batiurile cu grosimea pereŃilor de 21 mm, la care creşterea de rigiditate este de aprox. 2% pentru oricare dintre distanŃele dintre nervuri.

1 Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses. Proceedings in Manufacturing Systems ICMaS,

ISSN 2067-9238, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, Editura Academiei Române, Bucharest, Romania, 2011


47

5.3.3. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri înclinate

Au fost elaborate 16 variante constructive de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervurile dispuse înclinat (opt „spre stânga” şi alte opt „spre dreapta”1, 2). La toate aceste variante grosimea pereŃilor laterali fiind egală cu cea de la batiul de referinŃă, adică g = 20 mm, iar distanŃa dintre nervuri are luat în toate cazurile valoarea de 75 mm. Toate cele 16 variante au fost supuse studiului prin metoda elementului finit3, în condiŃii de solicitare externă şi de constrângeri identice cu cele de la soluŃia constructivă de referinŃă. Starea de deformaŃii a unuia dintre batiurile cu pereŃi nervuraŃi cu nervuri înclinate „spre stânga”, „văzută” atât dinspre exteriorul batiului, cât şi dinspre interiorul acestuia, se prezintă în figura 5.31.

Figura 5.31. Starea de deformaŃii pentru o soluŃie constructivă de batiu cu nervuri echidistante la 75 mm,

înclinate „spre stânga” (B-PAI25_g20_e75_α40_pP) La toate aceste batiuri, valorile cedărilor elastice pe direcŃia forŃei tehnologice, măsurate

între suprafaŃa de lucru a mesei şi axa alezajului arborelui principal, sunt mai mici decât la soluŃia constructivă de referinŃă, adică în toate cazurile s-a obŃinut o creştere de rigiditate. Cel mai bun rezultat corespunde variantei cu nervurile înclinate sub un unghi de 20º. Variantele cu nervuri înclinate la 30º şi la 40º, cu rezultate practic identice, ocupă un loc doi la foarte mică diferenŃă. Concluzia firească este că dispunerea nervurilor sub o înclinaŃie de 20º ... 40º asigură, cel mai probabil, cele mai bune rezultate în ceea ce priveşte creşterea de rigiditate.

Ca şi în cazul batiurilor cu nervuri înclinate „spre stânga” („spre faŃă”), la toate variantele de batiu cu nervuri înclinate „spre dreapta” („spre spate”) se identifică scăderi ale cedărilor elastice pe direcŃia forŃei tehnologice, destul de apropiate ca valori. Acestea se situează în plaja 1,2 … 2,6 µm, ceea ce reprezintă o creştere de rigiditate de 0,75 … 1,63%, figura 5.36. Valorile sunt complet comparabile cu cele ale batiurilor cu nervuri înclinate „spre stânga”.

1 Dan, I., Cioară, R.: New Studies about Crank Mechanical Press PAI 25 Frame. Proceedings of the 9th International Conference on

“Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, Vol. 9 (edited by T. Tashev, R. Deliyski, B. Lăpădătescu), Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 272-275, Sofia, 2011

2 Dan, I.: CAD Research on the Tilted Ribs Influence upon Press Frame PAI 25. Proceedings of the 9th International Conference on “Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, Vol. 9 (edited by T. Tashev, R. Deliyski, B. Lăpădătescu), Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 276-279, Sofia, 2011

3 Mogan, Gh.: Analiza cu elemente finite în inginerie. Editura UniversităŃii Transilvania Braşov, ISBN 978-973-598-159-4, Braşov, România, 2007


48

Notă. O privire sintetică asupra creşterii de rigiditate asigurată de nervurarea pereŃilor laterali la batiuri de tip PAI25_g20_e75_α…_pP, cu α ∈ {0º, 10º, …, 170º, 180º}, este surprinsă în figura 5.38, în ordonată fiind precizate valorile în grade ale înclinaŃiei nervurilor.

0,81%

1,16%

1,62%

1,42%1,43%

0,81%

1,11%

0,80%

0,65%

1,79%

1,27%

1,63%

1,25%1,23%

0,93%0,92%

0,76%

0,99%

0,81%

0,0%

0,2%

0,4%

0,6%

0,8%

1,0%

1,2%

1,4%

1,6%

1,8%

2,0%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Figura 5.39. VariaŃia creşterii de rigiditate la batiuri cu pereŃi nervuraŃi, în funcŃie de înclinarea nervurilor

Diagrama anterioară pune clar în evidenŃă că varianta de batiu cu pereŃi nervuraŃi care

asigură cea mai mare creştere de rigiditate, de aproape 1,8%, este cea cu nervuri verticale. Alte două variante, cele cu nervuri înclinate la 20º şi la 110º, asigură creşteri de rigiditate apropiate, de peste 1,6%. La majoritatea variantelor creşterea de rigiditate este de peste 1%, iar media creşterii de rigiditate este de 1,14%.

5.3.4. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive cu pereŃi laterali cu nervuri

drepte intersectate Pentru o anume grosime (de ex. g = 20 mm) a pereŃilor laterali ai batiului şi pentru o

anume distanŃă constantă între nervurile drepte (de ex. e = 75 mm), au fost elaborate 18 variante de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi: o variantă cu nervuri verticale, o variantă cu nervuri orizontale, opt variante cu nervuri înclinate spre faŃă şi încă opt variante cu nervuri înclinate spre spate. Prin combinarea acestor variante se pot obŃine 135 variante distincte de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri drepte intersectate. Au fost modelate 3D şi studiate doar nouă dintre acestea, şi anume cele cu nervuri intersectate perpendiculare, cu nervurile echidistante la 75 mm şi cu grosimea pereŃilor laterali de 20 mm. Pentru câteva dintre acestea, la care se adaugă o variantă cu nervurile înclinate la 45° şi la 135°, se prezintă în tabelul 5.12 valorile cedărilor, rigidităŃilor şi tensiunilor maxime în zonele critice A, B şi C.

Tabelul 5.12. Valori relevante ale cedărilor, rigidităŃilor şi tensiunilor la unele batiuri cu pereŃi laterali cu

grosimea de 20 mm, cu nervuri intersectate egal distanŃate la 75 mm Tensiuni maxime relevante [N/mm2] Cod batiu

δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125 B1 B-PAI25_g20_e75_α20+β160_pP 156,77 -3,383 1594,7 12,41 8,7867 4,2 B2 B-PAI25_g20_e75_α30+β150_pP 155,845 -4,308 1604,2 12,8 8,7167 4,118 B3 B-PAI25_g20_e75_α45+β135_pP 155,828 -4,325 1604,3 12,613 8,63 4,233 B4 B-PAI25_g20_e75_α70+β110_pP 155,823 -4,33 1604,4 11,9 8,7167 4,058 B5 B-PAI25_g20_e75_α0+β90_pP 155,353 -4,8 1609,2 11,423 8,46 4,045


49

Starea de deformaŃii a unuia dintre batiurile cu pereŃi nervuraŃi cu nervuri intersectate perpendiculare, „văzută” atât dinspre exteriorul batiului, cât şi dinspre interiorul acestuia, se prezintă în figura 5.40.

Figura 5.40. Starea de deformaŃii pentru o soluŃie constructivă de batiu cu nervuri echidistante la 75 mm,

intersectate perpendiculare (B-PAI25_g20_e75_α30+β120_pP) La toate variantele de batiu cu nervuri intersectate studiate se identifică scăderi ale

cedărilor elastice pe direcŃia forŃei tehnologice, majoritatea valorilor cedărilor fiind mai mici cu mai mult de 4 µm decât la batiul de referinŃă, ceea ce reprezintă o creştere de rigiditate de peste 2,5%. La variantele cu nervuri drepte intersectate studiate diferenŃa de cedare este practic egală cu suma diferenŃelor de cedare determinate la variantele ce formează combinaŃia. De exemplu, pentru B-PAI25_g20_e75_α0+β90_pP, ∆ = – 4,1 µm ≅ (– 2,823 – 1,275 =) – 4,098 µm. Creşterea de rigiditate este avantajată în toate cazurile, rezultatul obŃinut prin combinare fiind superior variantelor independente.

Dintre variantele cuprinse în tabelul 5.12, cea mai favorabilă este cea cu nervuri verticale şi orizontale intersectate, B-PAI25_g20_e75_α0+β90_pP. La aceasta se identifică cea mai mare creştere de rigiditate, de peste 3%, şi cea mai bună stare de tensiuni, cel puŃin pentru zonele critice.

5.3.5. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă cu pereŃi laterali cu nervuri curbe

A fost elaborată şi modelată 3D o singură soluŃie constructivă de batiu cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri curbe, care a şi fost supusă studiului prin metoda elementului finit1.

În raport cu soluŃia constructivă de referinŃă se constată că apare o creştere de rigiditate importantă, de peste 3,64%, superioară oricăreia dintre variantele de batiu cu nervuri drepte studiate şi prezentate anterior, chiar şi celor cu nervuri intersectate.

5.4. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de batiu scurtat

Având în vedere implicaŃiile de natură constructivă asupra culisorului şi mecanismului executor, a fost elaborată o singură variantă constructivă de batiu deschis scurtat. Studiul prin metoda elementului finit efectuat asupra acestei variante2 confirmă predicŃiile de natură teoretică.

1 Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses. Proceedings in Manufacturing Systems

ICMaS, Bucureşti, România, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, 2011 2 Dan, I.: Shorter C-Frame for the Crank Mechanical Press. Study of the Stress and Strain State. Proceedings of the 16th

International Conference Modern Technologies, Quality and Inovation, Iaşi-Chişinău-Belgrad, ModTech 2012, New Face of


50

În figura 5.46 este redată starea de deformaŃii a batiului scurtat, având alături, pentru comparaŃie, pe cea a batiului de referinŃă. Creşterea de rigiditate este impresionantă, de peste 29%, net superioară oricăreia dintre variantele de batiu cu pereŃi laterali nervuraŃi. Acest rezultat constituie un argument puternic care motivează căutarea şi găsirea de soluŃii constructive adecvate care să elimine sau să atenueze apreciabil implicaŃiile anticipate enunŃate deja.

a) b) Figura 5.46. Starea de deformaŃii la batiul scurtat (a), comparativ cu cea a batiului de referinŃă (b)

5.5. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃia constructivă de batiu pretensionat

A fost concepută o familie de batiuri cu stâlpii frontali pretensionaŃi, diferenŃiaŃi prin forma secŃiunii stâlpilor frontali1. Toate aceste variante au fost modelate 3D, dar studiul prin metoda elementului finit s-a focalizat asupra variantei cu secŃiune „O” a stâlpilor frontali2.

Studiul efectuat a luat în considerare trei valori ale forŃei de pretensionare Fp, acestea fiind de 50 kN, 62,5 kN şi 100 kN. În complet acord cu predicŃiile teoretice, la toate variantele de batiuri pretensionate se constată o nesemnificativă modificare a rigidităŃilor în raport cu cea de referinŃă, în principal determinată de o (uşoară) scădere a ariei secŃiunii stâlpilor frontali şi de necompensarea ei prin tiranŃii de pretensionare. Este nerelevant calculul rigidităŃii batiului pe baza deformaŃiei elastice datorată forŃei de pretensionare. Pentru unul dintre batiurile pretensionate, cele două stări extreme de deformaŃii se prezintă în figura 5.48.

Datele obŃinute în urma studiului, precum şi interpretările de mai sus, constituie argumente solide în sprijinul recomandării ca pretensionarea stâlpilor frontali să se facă la un nivel de aproximativ 50% din sarcina nominală ce solicită fiecare dintre stâlpii frontali ai batiului deschis. Pentru cazul studiat, al batiurilor pentru o presă de tip PAI 25, forŃa de pretensionare optimă pentru fiecare tirant este (Fp)optim = FN / 2 = 62,5 kN.

Pretensionarea batiului nu are ca efect o creştere de rigiditate a acestuia, dar determină o spectaculoasă creştere de calitate în ceea ce priveşte starea de tensiuni3, 4 deci o comportare mult mai bună a batiului în timpul exploatării acestuia.

T.M.C.R., Vol. I, ISSN 2069-6736, p. 261-264, 24-26 Mai, 2012, Sinaia, România 1 Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu deschis. Cbi A 2013 00006 din 07.01.2013 2 Dan, I., Cioară, R.: Pre-tensioned C-frame for the crank mechanical press. Study of the stress and strain state. Proceedings in

Manufacturing Systems, Vol. 7, Issue 4, 2012, p. 211-216, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, 2012 3 Dan, I., Cioară, R.: Pre-tensioned C-frame for the crank mechanical press. Study of the stress and strain state. Proceedings in

Manufacturing Systems, Eds. George Constantin & Adrian Gheonea, Bucharest, Romania, Vol. 7, Issue 4, 2012, p. 211-216, ISSN 2067-9238, Editura Academiei Române, 2012

4 Dan, I., Cioară, R.: A Study on the Pre-Stressed C-Frames of the Presses / Un studiu privind batiurile deschise pretensionate ale preselor. RECENT, ISSN 1582-0246, Vol. 14, no. 1(37), p. 12-24, Martie, Braşov, România, 2013


51

a) Fp = 62,5 kN

b) Fp = 62,5 kN şi Ft = FN = 250 kN

Figura 5.48. Starea de deformaŃii la batiul doar pretensionat (a) şi la batiul pretensionat şi solicitat cu forŃă tehnologică maximă admisă (b)

5.6. Starea de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive combinate de batiuri cu

rigiditate crescută

5.6.1. Batiuri nervurate şi scurtate Pentru batiul B-PAI25_g20_e75_α10_s250_pP starea de deformaŃii se prezintă în figura

5.52. Se constată o creştere de rigiditate de 31,177%, ceea ce constituie o creştere mai mare decât valoarea cumulată a creşterii de 29,226% proprie batiului scurtat şi a creşterii de 1,163% proprie batiului nervurat B-PAI25_g20_e75_α10_s0_pP.

Figura 5.52. Starea de deformaŃii la batiul B-PAI25_g20_e75_α10_s250_pP, scurtat şi nervurat


52

Rezultate de aceeaşi natură se constată şi la batiul B-PAI25_g20_e75_α100_s250_pP, dar mai bune. Creşterea de rigiditate este 31,64%, mai mare decât valoarea cumulată a creşterii de 1,273% proprie batiului nervurat B-PAI25_g20_e75_α100_s0_pP şi a creşterii de 29,226% proprie batiului scurtat B-PAI25_g20_s250_pP.

Cele două exemple conturează ideea că efectul cumulat al scurtării batiului şi nervurării pereŃilor laterali este mai mare decât suma algebrică a efectelor separate.

5.6.2. Batiuri nervurate şi pretensionate

Studiul stărilor de deformaŃii şi de tensiuni s-a făcut doar pentru câteva variante constructive de batiuri nervurate şi pretensionate. S-a optat pentru combinaŃiile rezultate din batiuri nervurate cu nervuri înclinate la 10º şi 100º cu batiuri pretensionate cu secŃiune "O" a stâlpilor frontali, cu luarea în considerare pentru forŃa de pretensionare la fiecare tirant a valorilor de 50 kN, 62,5 kN şi 100 kN. Valorile cedărilor, rigidităŃilor şi tensiunilor maxime din zonele critice, rezultate în urma studiului, se regăsesc în tabelele 5.19 şi 5.20.

Tabelul 5.19. Valori ale cedării, rigidităŃii şi tensiunilor maxime la un batiu nervurat şi pretensionat,

cu nervuri înclinate la 10º şi valori diverse ale pretensionării Tensiuni maxime

[N/mm2] Cod batiu δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125

B1 B-PAI25_g20_s0_α10_pO

Fp = 50 kN 18,941 139,158 -2,054

1581,29

1,93 10,343

2,43 6,17

0,048 4,225


Fp = 62,5 kN 23,68

134,793 -1,68

1577,56 2,41

9,93 3,033

5,563 0,066

4,243

B3 B-PAI25_g20_s0_α10_pO Fp = 100 kN

38,0025 121,703 -0,453

1565,38

3,86 8,643

4,85 4,1067

0,105 3,853

Tabelul 5.20. Valori ale cedării, rigidităŃii şi tensiunilor maxime la un batiu nervurat şi pretensionat,

cu nervuri înclinate la 100º şi valori diverse ale pretensionării Tensiuni maxime

[N/mm2] Cod batiu δ [µm]

∆ [µm]

C [MN/m]

σA σB σC B0 B-PAI25_g20_s0_pP 160,153 0 1561 11,29 8,8367 4,125


Fp = 50 kN 22,242 132,143 -5,668

1618,28

1,93 10,613

2,427 5,81

0,048 4,083


Fp = 62,5 kN 27,802 128,775 -3,576

1596,66

2,41 10,107

3,033 5,24

0,066 3,988


Fp = 100 kN 44,543 113,703 -1,907

1579,82

3,86 8,68

4,85 3,427

0,105 3,975

Pentru batiul B-PAI25_g20_s0_α100_pO, pretensionat cu forŃa Fp = 62,5 kN, stările

extreme de deformaŃii se prezintă în figura 5.54, iar stările de tensiuni în figurile 5.55 şi 5.56. La ambele variante, indiferent de nivelul de pretensionare, creşterea de rigiditate este

redusă, de până la 3,7%, şi datorată practic doar nervurării pereŃilor laterali. Varianta cu nervuri înclinate la 100° asigură creşteri de rigiditate mai mari decât cea cu nervuri înclinate la 10°, valorile fiind de 1,2% … 3,7% şi respectiv 0,28% … 1,3%. Se confirmă astfel, încă o dată, că pretensionarea stâlpilor frontali nu contribuie la creşterea de rigiditate a batiului.

Starea de tensiuni este însă mult îmbunătăŃită, cel puŃin în zonele critice A şi B, efectul fiind datorat, în mod evident, de pretensionarea stâlpilor frontali.


53

5.6.3. Batiuri scurtate şi pretensionate SoluŃiile constructive de acest tip pot fi luate în considerare numai în măsura în care se

identifică soluŃii constructive adecvate pentru culisor şi pentru mecanismul executor aflate în concordanŃă cu modificările pe care scurtarea batiului le impune. Ca urmare studiul batiurilor scurtate, în varianta simplă sau în oricare variantă combinată, este unul exploratoriu.

S-a studiat o singură soluŃie constructivă de batiu scurtat şi pretensionat, cea având codul B-PAI25_g20_s250_pO, cu luarea în considerare a trei forŃe de pretensionare distincte, cu valori de 50 kN, 62,5 kN şi 100 kN. Creşterea de rigiditate este apreciabilă, de aprox. 31,12%, şi se datorează în foarte mare măsură scurtării batiului, dar mai mare cu aproape 2% decât creşterea de rigiditate determinată la batiul scurtat. Acest rezultat nu a fost anticipat şi nu este susŃinut de modelele analitice. Ca urmare se impune reŃinere şi dezvoltarea studiului.

5.6.4. Batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate

Prin combinarea într-o singură construcŃie a tuturor celor trei tipuri de soluŃii constructive inovative de batiuri deschise turnate – cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu distanŃă redusă între suprafaŃa de lucru a mesei şi axa alezajului pentru arborele principal şi cu pretensionarea stâlpilor frontali – se obŃin soluŃiile constructive cele mai complexe studiate pe parcursul cercetărilor desfăşurate în vederea elaborării prezentei teze de doctorat. Pentru studiul batiurilor triplu combinate – nervurate, scurtate şi pretensionate –, cele mai complexe, s-au reŃinut doar batiurile B-PAI25_g20_s250_α10_pO şi B-PAI25_g20_s250_α100_pO, cu trei nivele de pretensionare pentru fiecare dintre ele.

Figura 5.59. Stările extreme de deformaŃii la batiul B-PAI25_g20_s250_α100_pO (Fp = 62,5 kN)

Se constată o creştere importantă de rigiditate, chiar mai mare decât suma creşterilor de

rigiditate determinate la variantele „independente”, cele de batiu doar nervurat, doar scurtat şi doar pretensionat. De exemplu, la batiul B-PAI25_g20_s250_α10_pO, pretensionat cu forŃa Fp = 62,5 kN, creşterea de rigiditate este de 30,52%, mai mare decât suma 29,226% + 1,163% – 0,718% = 29,671%, care reprezintă suma creşterilor de rigiditate datorate scurtării batiului, nervurării (înclinate la 10°) pereŃilor laterali şi pretensionării stâlpilor frontali. Se face şi observaŃia că pentru batiul B-PAI25_g20_s250_α100_pO pretensionat cu forŃa Fp = 62,5 kN valoarea determinată a creşterii de rigiditate este chiar mai mare, de 32,55%.


54

5.7. Concluzii Studiul tuturor soluŃiilor constructive nou concepute analizate s-a realizat în condiŃii

identice de solicitare cu cea prevăzută la soluŃia constructivă de referinŃă, pentru fiecare determinându-se rigiditatea, starea de deformaŃii şi starea de tensiuni. Pe baza acestor mărimi, prin analiză comparată s-a putut stabili dacă şi care dintre soluŃiile constructive noi elaborate inovativ sunt superioare soluŃiei de referinŃă din punct de vedere al performanŃelor vizate.

Modelele 3D pentru soluŃia constructivă de referinŃă şi pentru toate noile soluŃii constructive dezvoltate inovativ – de bază, variante ale acestora şi combinaŃiile lor – au fost elaborate în Pro/ENGINEER Wildfire 4.0, iar studiul prin metoda elementului finit a stărilor de deformaŃii şi de tensiuni a fost realizat în Catia V5R16, în condiŃii riguros identice de solicitare şi de restricŃii pentru toate soluŃiile constructive studiate.

5.7.1. Creşterea de rigiditate

Primele soluŃii constructive noi elaborate au fost unele exploratorii, cu rolul de a identifica influenŃa grosimii pereŃilor laterali asupra rigidităŃii batiului, precum şi asupra stării de tensiuni şi de deformaŃii ce se manifestă în corpul acestuia. Rezultatele obŃinute au confirmat aşteptările, în sensul că odată cu creşterea grosimii pereŃilor laterali creşte rigiditatea batiului, variaŃia nefiind liniară; creşterea grosimii pereŃilor laterali de la 20 mm la 22 mm a determinat o creştere de rigiditate de 1,96%, dar bazată pe o creştere a masei batiului de peste 2%.

O grupă importantă de soluŃii constructive noi de batiuri dezvoltate inovativ a constituit-o cea cu pereŃi laterali nervuraŃi. În toate cazurile nervurile sunt plasate pe partea dinspre interiorul batiului a pereŃilor laterali, feŃele laterale exterioare rămânând plane. Exceptând o soluŃie constructivă cu nervuri curbe, toate celelalte sunt caracterizate de nervuri drepte, orientate „vertical”(paralele cu normala la suprafaŃa de lucru a mesei), „orizontal” sau „înclinat”, egal distanŃate între ele (la 50, 75 sau 100 mm) sau nu, precum şi cu nervuri drepte intersectate în varii configuraŃii. Toate batiurile cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri drepte, au rigiditate crescută, cu (0,65 … 1,8)% mai mare decât la batiul de referinŃă. Varianta de batiu cu nervuri drepte care asigură cea mai mare creştere de rigiditate, de aproape 1,8%, este cea cu nervuri verticale. Alte două variante, cele cu nervuri înclinate la 20º şi la 110º, asigură creşteri de rigiditate apropiate, de peste 1,6%. La majoritatea variantelor creşterea de rigiditate este de peste 1%, iar media creşterii de rigiditate este de 1,14%.

Prin combinarea variantelor de batiuri cu pereŃi laterali cu nervuri drepte se obŃine o mare familie de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervuri drepte intersectate. La toate variantele de batiu cu nervuri intersectate studiate s-au identificat bune creşteri de rigiditate, în plaja (2,16 … 3,09)%, majoritatea fiind de peste 2,5%. La variantele cu nervuri drepte intersectate studiate creşterea de rigiditate este practic egală cu suma creşterilor de rigiditate determinate la variantele ce formează combinaŃia.

La batiul cu nervuri curbe, dispuse de-a lungul izoclinelor stării de tensiuni, apare o creştere de rigiditate importantă, de peste 3,64%, superioară oricăreia dintre variantele de batiu cu nervuri drepte studiate, chiar şi celor cu nervuri intersectate.

A fost elaborată şi studiată o singură variantă constructivă de batiu deschis scurtat. La acesta reducerea deformaŃiei elastice apare în principal ca urmare a reducerii alungirii părŃii de batiu ce conŃine stâlpii frontali. AfirmaŃia este susŃinută matematic de modelele analitice elaborate şi analizate. La soluŃia constructivă studiată creşterea de rigiditate este impresionantă, de peste 29%, net superioară oricăreia dintre variantele de batiu cu pereŃi laterali nervuraŃi. Acest rezultat constituie un argument puternic care motivează căutarea şi găsirea de soluŃii constructive adecvate care să elimine sau să atenueze apreciabil implicaŃiile anticipate enunŃate.

A fost concepută o familie de batiuri cu stâlpii frontali pretensionaŃi, diferenŃiaŃi prin forma secŃiunii stâlpilor frontali. Studiul prin metoda elementului finit s-a focalizat asupra variantei cu secŃiune „O” a stâlpilor frontali. Studiul efectuat a luat în considerare trei valori ale


55

forŃei de pretensionare Fp. În complet acord cu predicŃiile teoretice, la toate variantele de batiuri pretensionate studiate se constată o nesemnificativă scădere a rigidităŃii acestora, de ≈ 0,8%, în principal determinată de o (uşoară) scădere a ariei secŃiunii stâlpilor frontali şi de necompensarea ei prin tiranŃii de pretensionare.

În cadrul prezentei cercetări s-a urmărit şi cumularea efectelor pozitive potenŃiale asigurate de către cele trei grupe de soluŃii constructive distincte noi de batiuri, obŃinute prin nervurare, scurtare şi pretensionare. Prin combinarea acestora s-au obŃinut patru noi grupe de soluŃii constructive, şi anume batiuri nervurate şi scurtate, batiuri nervurate şi pretensionate, batiuri scurtate şi pretensionate, şi batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate.

La batiurile nervurate şi scurtate s-a constatat o creştere de rigiditate de 31,41% (±0,23%), ceea ce constituie o creştere mai mare decât valoarea cumulată a creşterii proprie batiului scurtat şi a creşterii proprie batiului nervurat ce formează combinaŃia.

La batiurile nervurate şi scurtate studiate, indiferent de nivelul de pretensionare, creşterea de rigiditate este redusă, de nici 0,8%, fiind practic rezultatul sumei algebrice dintre creşterea de rigiditate datorată nervurării şi uşoarei scăderi de rigiditate ce însoŃeşte, din considerente constructive, pretensionarea batiului. Se confirmă astfel, încă o dată, că pretensionarea stâlpilor frontali nu contribuie la creşterea de rigiditate a batiului.

Creşterea de rigiditate la batiul scurtat şi pretensionat este apreciabilă, de aprox. 31,12%, şi se datorează în foarte mare măsură scurtării batiului, fiind însă mai mare cu aproape 2% decât creşterea de rigiditate determinată la batiul scurtat. Acest rezultat nu a fost anticipat şi nu este susŃinut de modelele analitice. Ca urmare se impune reŃinere şi dezvoltarea studiului.

La batiurile cele mai complexe studiate, nervurate, scurtate şi pretensionate, se constată cea mai importantă creştere de rigiditate, de (31,65 … 33,07)%, chiar mai mare decât suma creşterilor de rigiditate determinate la variantele „independente”.

În ceea ce priveşte creşterea de rigiditate, se poate concluziona că cea mai bună soluŃie constructivă nouă elaborată inovativ şi studiată pe parcursul cercetărilor este batiul cu nervuri curbe. Orice variantă de batiu scurtat nu este de reŃinut în absenŃa unei soluŃii constructive performante adecvate pentru culisor şi mecanismul executor.

Având în vedere faptul că soluŃiile constructive combinate cumulează pozitiv efectele soluŃiilor constructive independente, este de aşteptat ca un batiu cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri curbe intersectate cu unele înclinate la 20º şi echidistante la 75 mm, să asigure o creştere de rigiditate de peste 5%. Se face precizarea că această soluŃie constructivă este încă nemodelată şi nestudiată.

Pe baza valorilor pentru rigiditate şi masă, pentru a putea ierarhiza noile soluŃii constructive au fost definiŃi şi s-au calculat valorile pentru următorii coeficienŃi: �� Coeficientul de masă kM – este definit ca raport între masa batiului de referinŃă (batiul presei

PAI 25) şi masa batiului nou elaborat. Din punct de vedere al coeficientului de masă se consideră mai performante batiurile noi cu kM > 1.

�� Coeficientul de rigiditate kC – se defineşte ca raport între rigiditatea batiului nou elaborat şi rigiditatea batiului de referinŃă (batiul presei PAI 25). Din punct de vedere al coeficientului de rigiditate se consideră mai performante batiurile noi cu kC > 1.

�� Coeficientul de performanŃă „produs” KΠ – se defineşte ca produs între coeficientul de masă kM şi coeficientul de rigiditate kC. Se consideră mai performante batiurile noi cu KΠ > 1.

�� Coeficientul de performanŃă „sumă” KΣ(a;b) – se defineşte în general ca sumă ponderată între coeficientul de masă kM şi coeficientul de rigiditate kC.

Se consideră mai performante batiurile noi cu KΣ > 1.

5.7.2. Starea de tensiuni Studiul stărilor de tensiuni ce se manifestă la soluŃiile constructive noi de batiuri elaborate

inovativ nu a constituit o prioritate în cadrul prezentei cercetări, dar constituie un excelent instrument de analiză calitativă pentru evaluarea tuturor batiurilor studiate.


56

În cazul batiurilor cu pereŃi laterali nervuraŃi valorile maxime ale tensiunilor manifestate în zonele critice au atât o variaŃie neliniară alternată, cât şi diferită pentru fiecare dintre ele.

La batiurile cu nervuri drepte intersectate creşterea valorilor maxime ale tensiunilor în zona critică A a fost apreciabilă, de 10% sau chiar mai mult.

La batiul scurtat se remarcă scăderea deosebită a valorii maxime a tensiunii din zona critică C, cu peste 22%. Este rezultatul poziŃionării implicite a alezajului pentru arborele principal în imediata vecinătate a stâlpilor frontali, deci într-o zonă foarte rigidă a pereŃilor laterali puŃin afectată de încovoierea laterală a pereŃilor ca urmare a unei solicitări de tip flambaj.

Pretensionarea batiului determină o spectaculoasă creştere de calitate în ceea ce priveşte starea de tensiuni, deci o comportare mult mai bună a batiului în timpul exploatării acestuia.

La batiurile „combinate” starea de tensiuni este efectul cumulat, în sens algebric, al stărilor de tensiuni ce se manifestă la soluŃiile constructive „independente” ce contribuie la soluŃiile constructive combinate respective.

5.7.3. DirecŃii de cercetare identificate

Pe parcursul studiului stărilor de deformaŃii şi de tensiuni la soluŃiile constructive noi de batiuri cu rigiditate crescută elaborate inovativ s-au identificat unele aspecte particulare destul de interesante pentru a fi luate în considerare ca direcŃii viitoare de studiu. Dintre acestea se menŃionează următoarele: � în timpul solicitării batiului, pereŃii laterali ai acestuia se deformează inegal, rezultatul fiind

o uşoară vălurire a planului iniŃial al fiecărui perete. Un asemenea efect este datorat solicitărilor de încovoiere sau/şi de flambaj. Fenomenul este interesant şi deloc sau prea puŃin studiat. Se are în vedere dezvoltarea unor cercetării viitoare referitoare la „stabilitatea” pereŃilor laterali ai batiurilor deschise ale preselor;

� creşterea de rigiditate a batiului este însoŃită şi de creşterea valorilor tensiunilor maxime în anumite zone critice ale batiului. Cel mai probabil se manifestă o redistribuire a stării de tensiuni, o „migrare” a acestora către zone nerigidizate. Un studiu ulterior ar trebui să vizeze măcar identificarea unor soluŃii constructive care să determine migrarea tensiunilor către zone „neutre” suficient de depărtate de cele critice;

� creşterea tensiunilor maxime din zona alezajelor pentru arborele principal este însoŃită (poate chiar determinată) de înclinarea în plan vertical a axelor celor două alezaje. Acest fenomen nu se întâlneşte la batiurile scurtate, soluŃii constructive la care zona alezajelor pentru arborele principal este deplasată într-un areal foarte rigid, cel al stâlpilor frontali. Un studiu ulterior poate viza atât soluŃii constructive de creştere a rigidităŃii batiului în zona alezajelor pentru arborele principal, cât şi compararea valorii înclinării axelor alezajelor cu valoarea înclinării axei arborelui principal în zona lagărului, înclinare manifestată ca urmare a deformaŃiei elastice a acestuia sub acŃiunea forŃei tehnologice;

� pretensionarea pasivă a batiului deschis turnat este o soluŃie constructivă ce determină o creştere importantă de calitate în ceea ce priveşte comportarea acestuia în timpul exploatării. Ar fi util un studiu detaliat care să stabilească nivelul optim al pretensionării, de preferat în relaŃie cu o valoare medie cel mai probabilă a forŃei tehnologice maxime la care presa este supusă;

� cea mai mare creştere de rigiditate şi o bună evoluŃie a stării de tensiuni este asigurată de scurtarea batiului. Dar o astfel de soluŃie constructivă are implicaŃii majore asupra construcŃiei culisorului şi a întregului mecanism manivelă-bielă-culisor, de transformare a mişcării de rotaŃie a arborelui principal în mişcare de translaŃie a culisorului. O posibilă direcŃie de cercetare viitoare este căutarea de soluŃii constructive adecvate pentru culisor şi pentru mecanismul de transformare, fiecare dintre acestea trebuind a avea rigiditate cel puŃin egală cu cea a soluŃiilor constructive actuale.


57

Capitolul 6. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND DEFORMAREA ELASTICĂ

A BATIULUI PRESEI PAI 25 Studiul unor soluŃii constructive novatoare de batiuri cu rigiditate crescută şi analiza

modelelor analitice de batiuri deschise au condus la identificarea unor grupe de direcŃii de acŃiune în vederea conceperii de noi batiuri deschise turnate cu rigiditate sporită, în condiŃiile unui consum suplimentar minim de material. Au fost elaborate, în mod sistematic, un număr mare de soluŃii constructive noi de astfel de batiuri, iar pentru un număr însemnat dintre acestea a fost dezvoltat un studiu extins referitor la stările lor de deformaŃii şi de tensiuni folosind analiza cu element finit. Au fost identificate astfel cele mai performante dintre soluŃiile constructive noi elaborate. Însă pentru a avea certitudine se impune validarea rezultatelor prin cercetare experimentală pe model real.

6.1. Obiectivele cercetării experimentale

Realizarea efectivă (prin turnare din fontă sau oŃel) a unuia dintre noile batiuri concepute, fie şi la scară redusă, în vederea cercetării experimentale este scumpă şi excede resurselor dedicate elaborării prezentei teze. A fost luată în discuŃie posibilitatea realizării din material plastic, prin rapid prototyping, a unui model la scară redusă şi testarea acestuia, cu luarea în considerare a tuturor parametrilor de corespondenŃă pe care îi presupune teoria modelării.

Cercetările desfăşurate în vederea elaborării tezei au avut ca referinŃă batiul presei PAI 25, care a fost riguros modelat 3D şi supus analizei cu element finit. Este chiar membrul iniŃial al familiei, prototipul, modelul de referinŃă al acesteia. Cercetarea experimentală este la fel de relevantă dacă se face având ca subiect unul dintre noile modele concepute inovativ sau având ca subiect chiar batiul presei PAI 25. În acest context, existenŃa în laborator a unei prese PAI 25 a constituit o oportunitate care s-a impus a fi exploatată.

Prin analiza cu element finit s-a urmărit cu prioritate determinarea cedării elastice a batiurilor studiate, inclusiv al batiului presei PAI 25 luat ca referinŃă, măsurată în axa alezajului destinat asamblării arborelui principal al presei şi orientată pe direcŃie verticală. Evident, este posibilă determinarea cu uşurinŃă a cedării elastice a oricărui batiu studiat în orice punct al său. În consecinŃă, cercetarea experimentală a urmărit măsurarea cedării elastice a batiului presei PAI 25 într-un număr de puncte ale acestuia, suficient de relevante.

Au fost selectate ca relevante şapte puncte de măsurare a cedării elastice a batiului presei PAI 25, reprezentate în figura 6.1.

6.2. Aparatura utilizată

Pentru efectuarea măsurătorilor au fost utilizate, figura 6.2: � presa PAI 25, poziŃia 1, existentă în laboratorul de Maşini-unelte de prelucrat prin deformare

al Departamentului de Inginerie şi Management Industrial de la Facultatea de Inginerie Tehnologică şi Management Industrial;

� un cric hidraulic industrial, poziŃia 2, cu forŃă suficient de mare pentru a putea desfăşura în bune condiŃii încercările. Cricul este cu acŃionare manuală şi dotat cu un manometru capabil să măsoare o presiune de până la 60 bar, cu o precizie de 0,2 bar. Diametrul interior al cilindrului cricului este de 195,44 mm şi are o arie de 30000 mm2. Ca urmare relaŃia dintre presiunea fluidului din cilindru şi forŃa dezvoltată de cric este dată de corespondenŃa 1 bar ↔ 3 kN, deci poate fi măsurată o forŃă de cel mult 180 kN (18 tf). ForŃa maximă reală capabilă a fi dezvoltată de cricul menŃionat este semnificativ mai mare;

� un traductor de deplasare, digital, incremental, poziŃia 3. S-a utilizat un traductor inductiv HEIDENHAIN, având cursa totală de 25 mm şi o precizie de măsurare de 0,2 µm;

� o placă de achiziŃie date, poziŃia 4, echipată cu afişaj numeric;


58

� un alimentator de curent continuu, poziŃia 5, care deserveşte simultan traductorul de deplasare şi placa de achiziŃie date;

� un suport vertical poziŃia 6, cu braŃ radial. Suportul este necesar pentru prinderea traductorului şi asigurarea pentru acesta a unei poziŃii fixe externă batiului, pentru oricare dintre punctele de măsurare avute în vedere.

Figura 6.1. Punctele selectate pentru măsurarea cedării elastice a batiului presei PAI 25

Figura 6.2. Echipamentul utilizat pentru măsurările efectuate în cadrul cercetării experimentale

6.3. Desfăşurarea măsurătorilor

Rând pe rând s-a amplasat traductorul în punctele de măsurare selectate, exemplu în figura 6.7, cu respectarea strictă a direcŃiei tijei traductorului în acord cu direcŃia de măsurare


59

corespunzătoare punctului respectiv. Asigurarea corectitudinii orientării tijei traductorului s-a făcut cu ajutorul unei rigle de nivel, de fiecare dată în două plane perpendiculare.

Figura 6.7. Amplasarea traductorului în punctul de măsurare 4

Amplasarea traductorului în fiecare dintre punctele de măsurare s-a realizat cu maşina

destinsă elastic, deci în absenŃa solicitării exterioare a acesteia. Pentru fiecare punct de măsurare s-au făcut mai multe serii de măsurători şi s-au

înregistrat mai multe valori ale deformaŃiei elastice pentru fiecare dintre valorile selectate ale forŃei de solicitare a batiului. Pentru toate măsurătorile efectuate s-au făcut înregistrări ale deformaŃiilor elastice pentru valori de 10, 15, 20, 25, 30, 35 şi 40 bar ale presiunii indicate de manometrul cricului, adică pentru forŃe externe de 30, 45, 60, 75, 90, 105 şi 120 kN.

Pentru fiecare punct de măsurare s-au reŃinut valorile rezultate în cadrul a trei serii de măsurători. În cadrul fiecăreia dintre acestea, pentru punct de măsurare şi fiecare valoare a forŃei externe de solicitare a batiului s-au reŃinut cinci valori ale deformaŃiei elastice afişate.

Sistemul de solicitare a batiului maşinii a permis înregistrarea de valori ale deformaŃiilor elastice atât odată cu creşterea graduală a valorii forŃei externe, cât şi odată cu scăderea valorii acesteia.

6.4. Rezultatele obŃinute

Rezultatele obŃinute şi reŃinute în cadrul măsurătorilor efectuate se regăsesc în tabelele, aşa cum este tabelul 6.4. Acestea cuprind atât valorile rezultate în urma măsurătorilor efectuate, cât şi valorile estimate rezultate în urma analizei cu element finit a modelului 3D al batiului presei PAI 25, determinate pentru punctele pentru care s-au făcut şi măsurătorile.

Reprezentarea grafică a valorilor obŃinute pentru diferitele serii de măsurare şi puncte de măsurare (figurile 6.12 şi 6.13) indică faptul că valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate determinate pentru nivele reduse ale forŃei externe au, de regulă, abateri importante faŃă de cele obŃinute pentru valori crescute ale forŃei externe, deci pot fi considerate mai puŃin relevante. Această variaŃie este mai puŃin evidentă în punctele de măsurare 6 şi 7.

6.5. Prelucrarea statistică a rezultatelor

În fiecare punct de măsurare cele xi valori obŃinute în urma celor n = 15 măsurători au fost obŃinute în condiŃii identice. Pentru fiecare punct de măsurare datele experimentale au fost prelucrate în acord cu STAS 7122-721. Parametrii determinaŃi, pentru care se precizează semnificaŃiile şi relaŃiile de calcul, sunt următorii2: 1 STAS 7122-72: Statistică matematică. Prezentarea şi prelucrarea datelor experimentale şi de observaŃie 2 Theocaris, P.S., ş.a.: Analiza experimentală a tensiunilor. Vol. II, Editura Tehnică, Bucureşti, 1977


60

Tabelul 6.4. Valori măsurate ale cedării elastice a batiului presei PAI 25 în punctul 4 Seria de

citire F

[kN] δ1

[µm] δ2

[µm] δ3

[µm] δ4

[µm] δ5

[µm] δmed [µm]

δestimat [µm]

Cp4 (δmed / δestimat)

30 103,4 104,2 102,6 105,4 107,8 104,68 12,96 8,077 45 174,6 175,2 173,4 175,8 174,8 174,76 19,44 8,990 60 227,6 226,8 225,0 228,2 229,2 227,36 25,92 8,772 75 292,4 295,4 298,6 293,4 296,2 295,20 32,4 9,111 90 345,0 344,2 341,6 343,2 348,2 344,44 38,88 8,859 105 403,2 405,2 405,4 408,6 409,4 406,36 45,36 8,959

I

120 463,2 465,2 463,6 465,8 458,6 463,28 51,84 8,937 30 104,2 105,2 106,8 105,2 104,4 105,16 12,96 8,114 45 175,6 174,2 170,4 171,4 170,6 172,44 19,44 8,870 60 228,8 230,8 222,4 225,2 226,6 226,76 25,92 8,748 75 297,2 292,4 285,2 287,6 288,4 290,16 32,4 8,956 90 344,2 349,2 343,0 338,6 340,6 343,12 38,88 8,825 105 408,6 406,6 408,2 409,4 402,6 407,08 45,36 8,974

II

120 459,6 458,6 451,2 457,4 457,0 456,76 51,84 8,811 30 105,8 107,4 104,4 106,2 103,4 105,44 12,96 8,136 45 169,8 169,6 168,6 164,2 167,6 167,96 19,44 8,640 60 227,6 229,6 227,6 229,4 228,2 228,48 25,92 8,815 75 286,6 286,8 287,8 288,4 290,0 287,92 32,4 8,886 90 343,8 340,8 347,6 338,0 342,2 342,48 38,88 8,809 105 403,2 403,2 405,4 401,4 406,4 403,92 45,36 8,905

III

120 451,4 457,4 456,6 455,6 458,8 455,96 51,84 8,796

12

34

56

7

Cp1(I)Cp1(II)

Cp1(III)

0

1

2

3

4

Cp1(I)

Cp1(II)

Cp1(III)

12

3 4 5 6 7

Cp2(I)

Cp2(II)

Cp2(III) 0

1

2

3

4

5

6

Cp2(I)

Cp2(II)

Cp2(III)

Figura 6.12. EvoluŃia în funcŃie de forŃă a

coeficientului de proporŃionalitate Cp1, pentru toate cele trei serii de măsurare

Figura 6.13. EvoluŃia în funcŃie de forŃă a coeficientului de proporŃionalitate Cp2, pentru toate cele trei serii de măsurare

– Media aritmetică de sondaj a şirului de date; – Media pătratică simplă; – Mediana de sondaj a şirului de date; – Modul de sondaj al şirului de date; – Valoarea centrală a şirului de date; – Abaterea medie pătratică de sondaj (abaterea standard); – Dispersia şirului de date; – Amplitudinea şirului de date; – Coeficientul de variaŃie al şirului de date; – Abaterea medie absolută a şirului de date; – Coeficientul de asimetrie al şirului de date;


61

– Indicele de aplatizare (coeficient de boltire). Rezultatele obŃinute prin prelucrarea statistică a datelor înregistrate (aşa cum este tabelul

6.4) se regăsesc în tabele corespondente (ca de exemplu tabelul 6.12).

Tabelul 6.12. Valorile indicatorilor statistici corespunzătoare punctului de măsurare 4, pentru fiecare dintre valorile forŃei de tensionare

ForŃa de tensionare a batiului [kN]

30 45 60 75 90 105 120 x [µm] 105,09 171,72 227,53 291,09 343,35 405,79 458,67

px [µm] 105,1 171,75 227,54 291,12 343,36 405,4 458,67

Me [µm] 105,2 171,4 227,6 290 343,2 405,4 458,6 M0 [µm] 105,41 170,76 227,73 287,81 342,91 404,63 458,47 xc [µm] 104,8 171,4 227,3 291,4 342,2 404,2 460,3 s [µm] 1,459 3,318 2,055 4,156 3,162 2,568 4,224 s2 [µm] 2,279 11,793 4,524 18,508 10,711 7,066 19,112

R [µm] 5,2 11,4 8,4 13,4 11,2 8 14,6 Cv [%] 1,388 1,932 0,903 1,428 0,921 0,633 0,921

Am [µm] 1,2071 2,8747 1,5556 3,7262 2,5031 2,2258 3,2267 β1 0,2473 -0,5556 -0,8298 0,3596 0,1977 -0,0602 0,0084 β2 1,913 2,145 3,001 1,547 2,033 1,48 2,088

Pentru toate cazurile s-a constatat că valorile măsurate au repartiŃie normală sau suficient

de apropiată de aceasta. 6.6. Interpretarea rezultatelor

Interpretarea rezultatelor vizează două obiective, şi anume: - stabilirea gradului de încredere în valorile măsurate experimental, şi - identificarea tipului de corespondenŃă dintre datele experimentale şi rezultatele obŃinute în

mediu virtual prin analiză cu element finit.

6.6.1. Analiza datelor experimentale Valorile înregistrate au fost analizate pentru a stabili nivelul de încredere în acestea. S-a avut în vedere că pentru oricare dintre punctele de măsurare cele n (n = 15)

măsurători s-au efectuat cu aceeaşi precizie şi că rezultatele măsurătorilor se supun unei legi normale de repartiŃie.

Pentru toate punctele de măsurare şi pentru toate valorile forŃei de solicitare a batiului media aritmetică a rezultatelor măsurătorilor este cu nivel de încredere de peste 0,98 adevărata valoare a mărimii respective, fiind nedeplasată, consistentă şi eficientă1.

Toate şirurile de date, pentru toate punctele de măsurare şi valori ale forŃei de solicitare a batiului, sunt omogene, fiecare fiind caracterizat de un coeficient de variaŃie cu o valoare semnificativ mai mică de 10%, foarte adesea mai mică de 1%.

6.6.2. CorespondenŃa dintre datele experimentale şi rezultatele obŃinute prin modelare

Conform teoriei modelării 2, între prototip şi model există o corespondenŃă biunivocă dacă mărimile care se referă la model permit determinarea unică a mărimilor care se referă la prototip, sau (şi) invers.

În general, corespondenŃa dintre mărimile scalare, vectoriale sau tensoriale referitoare la prototip şi la modelul acestuia se poate exprima matematic sub forma 1 Theocaris, P.S., ş.a.: Analiza experimentală a tensiunilor. Vol. II, Editura Tehnică, Bucureşti, 1977 2 idem


62

{ } mAp AKA~~

~ ⋅= , (6.15)

unde { }AK ~ este un operator care realizează transformarea, componentele sale fiind numite

factori de scară. Rezultatul aşteptat, cel puŃin intuitiv, era de proporŃionalitate între datele experimentale şi

cele obŃinute în urma analizei cu element finit, deci o corespondenŃă prin similitudine (asemănare). Se constată că valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate Cpx determinate pentru diversele

puncte de măsurare nu numai că nu sunt egale sau apropiate, ci sunt mult diferite între ele: în cele şapte puncte de măsurare selectate pentru cercetarea experimentală, valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate Cpx iau valori în domeniul 1,876 … 22,882. Valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate Cpx sunt diferite în puncte diferite chiar şi pentru aceleaşi direcŃii şi chiar sensuri de măsurare. Ca urmare nu poate fi aplicată nici corespondenŃa afină.

Relativ larga dispersie a valorilor coeficienŃilor de proporŃionalitate Cpx poate fi cauzată de erori de modelare, ipoteză ce nu poate fi exclusă. Totuşi, se impune a sublinia că: � toate batiurile au fost modelate riguros, în deplină concordanŃă cu caracteristicile geometrice

ale batiului de referinŃă, cel al presei PAI 25; � toate modelele 3D supuse analizei cu element finit au fost în mod identic solicitate cu forŃe

externe şi supuse aceloraşi constrângeri, similare cu cele întâlnite la presa de referinŃă; � toate modelele 3D supuse analizei cu element finit au fost în mod identic discretizate, micile

diferenŃe în ceea ce priveşte numărul de noduri şi de elemente dintre diversele modele 3D (a se revedea Anexa 3) fiind datorate particularităŃilor constructive specifice ale acestora, particularităŃi ce caracterizează diversele soluŃii constructive noi elaborate în cadrul tezei;

� cedările elastice estimate în urma analizei cu element finit pentru puncte similare de la modele 3D diferite au valori comparabile (a se vedea Anexa 5), diferenŃele de valoare fiind exclusiv datorate particularităŃilor constructive ce caracterizează modelele studiate;

� măsurările experimentale s-au desfăşurat riguros şi repetat, abaterile valorilor cedărilor măsurate pentru un acelaşi punct şi o aceeaşi valoare a solicitării externe fiind foarte reduse.

ConsecinŃa firească este că ori eroarea de modelare este sistematică şi se regăseşte identic la toate modelele elaborate şi supuse analizei cu element finit, ori rezultatele obŃinute sunt corecte şi ca urmare valorile determinate ale coeficienŃilor de proporŃionalitate Cpx au grad ridicat de încredere. În acest din urmă caz se poate lua în considerare modelarea prin corespondenŃă funcŃională, care este o generalizare a corespondenŃei prin asemănare în sensul că factorul de scară AK ~ rămâne acelaşi pentru toate componentele unui vector sau tensor, însă este

variabil în timp şi spaŃiu:

( )zyxtKK AA ,,,~~ = . (6.17)

Pentru cazul studiat, cel al deformării elastice a unui batiu în diverse puncte şi după diverse direcŃii, nu este plauzibilă variaŃia în timp a factorului de scară, deci corespondenŃa funcŃională ar trebui aplicată sub forma

( )zyxKK AA ,,~~ = . (6.18)

Este de precizat că nu se impune determinarea valorilor factorului de scară pentru orice punct al modelului şi pentru orice direcŃie de măsurare, ci numai pentru acele puncte de măsurare şi pentru acele direcŃii care prezintă interes din punct de vedere practic. Cele şapte puncte de măsurare selectate în cadrul cercetării experimentale efectuate pot fi considerate relevante şi suficiente. În caz contrar, sau în cazul unor cerinŃe speciale sau particulare, se pot selecta noi puncte de măsurate relevante şi necesare.

Într-o altă abordare, deoarece valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate (ale factorilor de scară) sunt invarianŃi în timp, măsurările pot fi ori de câte ori refăcute inclusiv în scopul creşterii gradului de încredere în valorile respectivilor coeficienŃi.


63

6.7. Concluzii Realizarea efectivă a unuia dintre noile batiuri concepute în vederea cercetării

experimentale excede resurselor dedicate elaborării prezentei teze. S-a constatat că cercetarea experimentală este la fel de relevantă dacă se face având ca

subiect unul dintre noile modele concepute inovativ sau având ca subiect chiar batiul presei PAI 25,.acesta din urmă fiind modelat 3D şi studiat în mod similar cu toate celelalte batiuri. Batiul presei PAI 25 este chiar membrul iniŃial al familiei, prototipul, modelul de referinŃă al acesteia.

Cercetarea experimentală a urmărit măsurarea cedării elastice a batiului presei PAI 25 într-un număr de puncte ale acestuia. Au fost selectate ca relevante şapte puncte de măsurare a cedării elastice a batiului presei PAI 25.

Pentru măsurarea deformaŃiilor elastice ale batiului s-a reutilizat un traductor de deplasare digital incremental de bună calitate, cu precizie de măsurare de 0,2 µm, care a asigurat o bună precizie a datelor obŃinute. Pentru accesul la această aparatură de calitate se aduc mulŃumiri deosebite doamnei prof.dr.ing. Mihaela Baritz şi domnului ş.l.dr.ing. Barbu Braun, ambii de la Facultatea de Design de Produs şi Mediu a UniversităŃii Transilvania din Braşov.

Cercetarea experimentală s-a desfăşurat în cadrul Departamentului de Inginerie şi Management Industrial, în laboratorul de Maşini-Unelte de Prelucrat prin Deformare Plastică.

Pentru fiecare punct de măsurare s-au reŃinut valorile rezultate în cadrul a trei serii de măsurători. În cadrul fiecăreia dintre acestea, pentru punct de măsurare şi fiecare valoare a forŃei externe de solicitare a batiului s-au reŃinut cinci valori ale deformaŃiei elastice afişate. Sistemul de solicitare a batiului maşinii a permis înregistrarea de valori ale deformaŃiilor elastice atât odată cu creşterea graduală a valorii forŃei externe, cât şi odată cu scăderea valorii acesteia.

Datele experimentale au fost prelucrate statistic adecvat. Încrederea în valorile măsurate este foarte mare, iar numărul de măsurători efectuate pentru fiecare punct de măsurare şi valoare a forŃei cu care a fost solicitat batiul este suficient. Toate şirurile de date, pentru toate punctele de măsurare şi valori ale forŃei de solicitare a batiului, sunt omogene, fiecare fiind caracterizat de un coeficient de variaŃie cu o valoare semnificativ mai mică de 10%, foarte adesea mai mică de 1%.

Valorile coeficienŃilor de proporŃionalitate determinate pentru diversele puncte de măsurare nu numai că nu sunt egale sau apropiate, ci sunt mult diferite între ele. Valorile sunt diferite în puncte diferite chiar şi pentru aceleaşi direcŃii şi chiar sensuri de măsurare. În acest context se consideră cea mai adecvată modelarea prin corespondenŃă funcŃională, însă fără variaŃie în timp a factorilor de scară.

Se ia în considerare, cu grad de încredere redus, şi posibilitatea unei erori de modelare, care este sistematică şi se regăseşte identic la toate modelele elaborate şi supuse analizei cu element finit.


64

Capitolul 7. CONTRIBUłII ORIGINALE, FORME DE VALORIFICARE A

CERCETĂRII ŞI CONCLUZII FINALE

7.1. ContribuŃii originale Cele mai importante contribuŃii originale pe care autorul consideră că le-a adus prin

prezenta teză de doctorat sunt următoarele:

� Asumarea temei tezei de doctorat, atât în forma sa iniŃială, cât şi a formei finale rezultată ca urmare a detalierii şi rafinării unora dintre obiectivele avute în vedere la începutul cercetării. Tema tezei este în evidentă relaŃie cu preocupări ştiinŃifice desfăşurate de conducătorii ştiinŃifici ai lucrării, perfect integrate conceptului de dezvoltare durabilă, concept susŃinut şi promovat de Universitatea Transilvania din Braşov. Pe parcursul cercetării s-a identificat potenŃialul inovativ al temei şi s-au conturat câteva direcŃii de acŃiune originale. Obiectivele întrevăzute iniŃial au fost dezvoltate, detaliate şi completate pe parcursul cercetărilor.

� Realizarea unei cercetări bibliografice şi a sintezei informaŃiilor referitoare la stadiul actual al cunoaşterii şi practicii în domeniul construcŃiei batiului preselor mecanice. Cercetarea bibliografică s-a concentrat asupra batiurilor deschise realizate în construcŃie turnată. S-au consultat cu prioritate bazele de date internaŃionale pentru brevete de invenŃie.

� EvidenŃierea faptului că în practica construcŃiei elementelor de structură ale maşinilor-unelte se utilizează frecvent nervurarea pereŃilor în vederea creşterii rigidităŃii, soluŃie care nu este însă întâlnită la construcŃia batiurilor turnate ale preselor mecanice. Această constatare, în bună măsură surprinzătoare, a constituit punctul de plecare pentru o parte însemnată a cercetărilor desfăşurate în cadrul tezei.

� Elaborarea şi analiza mai multor modele teoretice pentru calculul deformaŃiei elastice şi implicit a rigidităŃii unui batiu deschis de tipul celor studiate. S-a demonstrat că deformaŃia elastică a batiului depinde liniar de distanŃa dintre masa batiului şi axa alezajului arborelui principal. Acest rezultat a determinat în mod logic una dintre direcŃiile importante de cercetare în cadrul tezei, şi anume studiul scurtării batiului asupra rigidităŃii acestuia.

� Luarea în considerare şi a unor modele teoretice de batiuri pretensionate pasiv, inclusiv ca reflectare a informaŃiilor acumulate în etapa de documentare pentru fundamentarea tezei. RelaŃiile matematice demonstrate pun cu claritate în evidenŃă faptul că lucrul mecanic consumat pentru deformarea elastică a batiului datorată sarcinii tehnologice are aceeaşi valoare indiferent dacă batiul este sau nu presolicitat, deci că presolicitarea nu conduce la o creştere de rigiditate.

� Elaborarea un model detaliat de evaluare a capacităŃii totale reale şi teoretice de producŃie a unei prese (mecanice) pentru întreaga sa durată de viaŃă utilă, acesta fiind imperativ necesar în vederea evaluării consumului energetic de exploatare asociat deformării elastice a batiului (deschis al) unei prese tipul considerat. Modelul a pus cu claritate în evidenŃă că frecvenŃa medie generală de lucru a maşinii nu este o caracteristică tehnică explicită a acesteia, ci este reflectarea activităŃilor de managementul producŃiei, de utilizare cât mai judicioasă şi eficientă a maşinilor şi echipamentelor din dotarea unei companii anume.

� Elaborarea unui model de evaluare a consumului energetic de exploatare asociat deformării elastice a batiului (deschis al) unei prese. Prin toate relaŃiile care îi sunt caracteristice, modelul demonstrează şi confirmă dependenŃa invers proporŃională a consumului energetic de exploatare de rigiditatea structurii de rezistenŃă a presei. Creşterea de rigiditate determină reducerea consumului energetic de exploatare, dar presupune unele costuri suplimentare, chiar dacă acestea sunt numai unele de cercetare-proiectare.


65

� Identificarea mai multor direcŃii de acŃiune în vederea creşterii rigidităŃii batiurilor deschise turnate destinate ca structură de rezistenŃă pentru prese mecanice, trei dintre ele fiind reŃinute cu prioritate: creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, „scurtarea” batiului şi pretensionarea batiului, fiind vizată în mod explicit pretensionarea stâlpilor frontali.

Luarea ca soluŃie constructivă de referinŃă a batiului turnat al presei PAI 25, produsă de Întreprinderea Mecanică Sibiu şi frecvent întâlnită în dotarea întreprinderilor constructoare de maşini din România. S-a asigurat astfel unitatea de cercetare o bază de comparaŃie explicită. Batiul acestei prese a fost riguros modelat geometric utilizând Pro/ENGINEER Wildfire 4.0. Toate noile soluŃii constructive concepute şi studiate au fost elaborate utilizând acelaşi mediu de proiectare şi respectând în cât mai mare măsură această soluŃie constructivă de referinŃă, modificările fiind punctuale şi vizând aspectele relevante ale cercetării efectuate.

� Primele soluŃii noi elaborare (patru variante constructive) au fost unele exploratorii, acestea urmărind a identifica influenŃa grosimii pereŃilor laterali asupra rigidităŃii batiului, precum şi asupra stării de tensiuni şi de deformaŃii ce se manifestă în corpul acestuia.

�� În vederea creşterii rigidităŃii batiului, prima direcŃie abordată a urmărit creşterea modulului de inerŃie al secŃiunii orizontale a părŃii mediane a batiului, soluŃia abordată fiind nervurarea pereŃilor laterali ai batiului. Pentru nervuri s-au luat în considerare mai multe variante constructive, diferite prin grosimea şi înălŃimea nervurilor, precum şi prin distanŃa dintre două nervuri vecine. A fost concepută o întreagă familie de batiuri cu pereŃi nervuraŃi, cu nervuri drepte dispuse vertical, orizontal sau înclinat. Cercetarea a evoluat şi către studiul soluŃiilor combinate posibile. A rezultat o întreagă familie de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, cu nervurile intersectate. Nervurile pot fi perpendiculare între ele sau nu, simetric înclinate faŃă de verticală sau nu.

�� Ansamblul de soluŃii constructive de batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi a fost apreciat ca fiind unul original şi s-a iniŃiat protejarea lor prin brevet de invenŃie.

�� Una dintre soluŃiile constructive de batiu cu pereŃi laterali nervuraŃi este una originală foarte specifică, încă neîntâlnită în practică: nervurile sunt curbilinii. SoluŃia constructivă s-a conturat în urma analizei stării de tensiuni ce se manifestă în pereŃii batiului în timpul solicitării acestuia. A rezultat că o orientare justificată a nervurilor este de-a lungul unor izocline ale stării de tensiuni.

�� A fost concepută o (singură) soluŃie constructivă de batiu deschis turnat, cu distanŃă mult redusă între suprafaŃa de lucru a mesei şi axa alezajului pentru arborele principal. Este o soluŃie constructivă exploratorie, având în vedere implicaŃiile constructive ample pe care le impune asupra construcŃiei culisorului şi asupra mecanismului cu manivelă.

�� A fost conceput un batiu cu pretensionare pasivă a stâlpilor frontali, în cinci variante constructive diferenŃiate prin forma secŃiunii transversale a stâlpilor frontali. Şi acest grup de soluŃii constructive a fost apreciat ca fiind unul inovativ, cu semnificativ conŃinut de originalitate, şi ca urmare s-a întocmit şi s-a depus la OSIM documentaŃia necesară pentru obŃinerea unui brevet de invenŃie.

�� Urmărind cumularea efectelor pozitive potenŃiale asigurate de către cele trei grupe de soluŃii constructive distincte noi de batiuri, s-au elaborat noi soluŃii constructive originale de batiuri obŃinute prin combinarea soluŃiilor noi deja elaborate. Sunt posibile 66 soluŃii constructive de batiuri nervurate şi scurtate, 330 batiuri nervurate şi pretensionate, 5 batiuri scurtate şi pretensionate, precum şi 330 batiuri nervurate, scurtate şi pretensionate. Este evidentă rezerva de creativitate, precum şi potenŃialul de brevetare.


66

�� Codificarea noilor soluŃii constructive: ca urmare a numărului mare de soluŃii constructive noi de batiuri elaborate, inclusiv cele obŃinute prin combinare, s-a conturat necesitatea codificării lor, demers care a contribuit apreciabil la sintetizarea şi sistematizarea cercetării. S-a optat pentru o codificare prin şir alfanumeric care reŃine aspectele specifice relevante care caracterizează soluŃiile constructive inovative nou elaborate.

�� Ansamblul studiilor în mediu virtual privind determinarea prin metoda elementului finit a stării de deformaŃii, a rigidităŃii şi a stării de tensiuni ce caracterizează soluŃia constructivă de referinŃă, cea a batiului presei PAI 25, toate soluŃiile constructive noi originale obŃinute prin nervurare, scurtare şi pretensionare, precum şi multe dintre soluŃiile constructive noi originale obŃinute prin combinare. Determinarea stărilor de deformaŃii şi a rigidităŃilor au fost cerinŃe imperative în contextul tezei. Determinarea stărilor de tensiuni a generat un ansamblu de informaŃii ce a permis evaluarea calitativă a comportării sub sarcină a noilor soluŃii. La toate modelele 3D studiate – modelul de referinŃă şi toate noile soluŃii constructive propuse – s-au utilizat aceleaşi constrângeri şi solicitări cu forŃe externe.

� Cercetarea experimentală privind starea de deformaŃii a batiului presei PAI 25 şi compararea rezultatelor cu cele obŃinute în urma studiului în mediu virtual prin metoda elementului finit. A fost utilizat un sistem de măsurare modern, având ca element central un traductor de deplasare digital incremental HEIDENHAIN şi o placă de achiziŃie date echipată cu afişaj numeric. Cercetarea experimentală a urmărit în mod explicit stabilirea gradului de încredere pentru rezultatele obŃinute prin metoda elementului finit şi, pe cale de consecinŃă, determinarea unor coeficienŃi de proporŃionalitate pentru validarea practică a rezultatelor obŃinute în mediu virtual pentru toate noile soluŃii constructive studiate. Rezultatele obŃinute sugerează că cea mai adecvată pentru cazul studiat este modelarea prin corespondenŃă funcŃională, dar fără variaŃie în timp a factorilor de scară.

� Activitatea de publicare desfăşurată pe parcursul perioadei de pregătire şi de elaborare a tezei de doctorat. S-a urmărit diseminarea rezultatelor cercetărilor efectuate şi supunerea lor dezbaterii publice în colective de specialişti în domeniu.

7.2. Forme de valorificare a cercetării

O importantă parte din rezultatele obŃinute pe parcursul elaborării prezentei teze de doctorat au fost valorificate până în prezent prin:

� Conceperea a trei grupe de soluŃii constructive noi originale de batiuri deschise pentru prese (mecanice) – nervurate, scurtate şi pretensionate –, într-un număr total de 72 variante, toate respectând în cât mai mare măsură caracteristicile geometrice ale batiului presei PAI 25, presă luată ca maşină de referinŃă în cadrul cercetărilor desfăşurate.

� Înregistrarea la OSIM a două cereri de brevet de invenŃie, una având ca subiect batiuri deschise turnate, cu pereŃi laterali nervuraŃi, iar cealaltă batiuri deschise turnate cu stâlpi frontali pretensionaŃi pasiv.

� Conceperea a altor patru grupe de soluŃii constructive noi originale de batiuri turnate deschise, obŃinute prin combinare: batiuri „nervurate şi scurtate”, „nervurate şi pretensionate”, „scurtate şi pretensionate” şi „nervurate, scurtate şi pretensionate”.

� Publicarea în domeniul temei tezei a 13 comunicări şi articole ştiinŃifice în reviste de specialitate din Ńară şi în buletinele unor conferinŃe ştiinŃifice internaŃionale organizate în Ńară şi străinătate. Dintre cele 13 comunicări şi articole ştiinŃifice 3 sunt indexate ISI, iar 6 sunt incluse în alte baze de date internaŃionale. La 4 dintre lucrările publicate sunt unic autor (2 ISI şi 2 BDI), la 6 prim autor (1 ISI şi 3 BDI), iar la 3 am calitatea de coautor. Ultima lucrare trimisă spre publicare este acceptată şi urmează să apară în luna iulie.


67

7.3. DirecŃii de cercetare ulterioară Pe parcursul cercetărilor s-au identificat câteva direcŃii interesante de dezvoltare şi de

continuare a acestora. Dintre acestea sunt subliniate următoarele: � identificarea unei / unor soluŃii constructive adecvate de mecanism manivelă-bielă-culisor

posibil de utilizat la prese mecanice cu batiu deschis (mult) scurtat. Acest efort este justificat de rezultatele bune obŃinute prin analiză cu element finit privind creşterea de rigiditate a batiului şi, implicit, scăderea consumului energetic de exploatare a maşinii. La noua / noile soluŃii constructive rigiditatea mecanismului executor trebuie să fie comparabilă cu cea a soluŃiei actuale sau chiar mai mare;

� extinderea studiului prin metoda elementului finit şi la celelalte batiuri nervurate şi pretensionate concepute şi descrise, precum şi a câtor mai multe dintre batiurile posibil de obŃinut prin combinare;

� elaborarea unor noi soluŃii constructive de batiuri cu nervuri intersectate neperpendiculare şi studiul stărilor lor de deformaŃii şi de tensiuni;

� dezvoltarea unor cercetării referitoare la „stabilitatea” pereŃilor laterali ai batiurilor deschise ale preselor. În urma studiilor efectuate s-a constatat un fenomen interesant şi deloc sau prea puŃin studiat: în timpul solicitării batiului, pereŃii laterali ai acestuia se deformează inegal, rezultatul fiind o uşoară vălurire a planului iniŃial al fiecărui perete. Un asemenea efect este datorat solicitărilor de încovoiere sau/şi de flambaj;

� creşterea de rigiditate a batiului este însoŃită şi de creşterea valorilor tensiunilor maxime în anumite zone critice ale batiului. Cel mai probabil se manifestă o redistribuire a stării de tensiuni, o „migrare” a acestora către zone nerigidizate. Un studiu ulterior ar trebui să vizeze măcar identificarea unor soluŃii constructive care să determine migrarea tensiunilor către zone „neutre” suficient de depărtate de cele critice;

� creşterea tensiunilor maxime din zona alezajelor pentru arborele principal este însoŃită (poate chiar determinată) de înclinarea în plan vertical a axelor celor două alezaje. Acest fenomen nu se întâlneşte la batiurile scurtate, soluŃii constructive la care zona alezajelor pentru arborele principal este deplasată într-un areal foarte rigid, cel al stâlpilor frontali. Un studiu ulterior poate viza atât soluŃii constructive de creştere a rigidităŃii batiului în zona alezajelor pentru arborele principal, cât şi compararea valorii înclinării axelor alezajelor cu valoarea înclinării axei arborelui principal în zona lagărului, înclinare manifestată ca urmare a deformaŃiei elastice a acestuia sub acŃiunea forŃei tehnologice;

� stabilirea nivelului optim al pretensionării pasive a stâlpilor frontali, de preferat în relaŃie cu o valoare medie cel mai probabilă a forŃei tehnologice maxime la care presa este supusă;

� reluarea analizei cu element finit pentru unele dintre soluŃiile constructive studiate, dar cu rezoluŃii de discretizare mult crescute. Se urmăreşte în principal identificarea valorii optime a rezoluŃiei discretizării unui batiu de tipul celor studiate;

� utilizarea pentru analiză cu element finit şi a altui / altor medii de lucru, care să permită chiar analize dinamice referitoare la încărcarea cu forŃe. Analiza comparată a rezultatelor obŃinute în urma utilizării de medii de lucru diferite poate conduce la concluzii interesante;

� extinderea cercetării experimentale, eventual cu utilizarea şi a altor tipuri de traductoare, în vederea confirmării rezultatelor deja obŃinute şi a creşterii gradului de încredere în valorile coeficienŃilor de corespondenŃă determinaŃi pentru diversele puncte, direcŃii şi sensuri de măsurare.

7.4. Concluzii finale

În industria modernă sunt intens utilizate maşinile-unelte de prelucrat prin deformare, presele mecanice ocupând un segment semnificativ. Există preocupări permanente de realizare a unor noi prese mecanice cu performanŃe superioare celor actuale, mai fiabile, mai precise şi


68

având consumuri energetice de exploatare mai reduse. Acest ultim aspect se conturează deja ca fiind o prioritate în contextul dezvoltării durabile. Acest deziderat se poate atinge prin creşterea rigidităŃii maşini, în particular a rigidităŃii batiului acesteia, de preferat în condiŃiile fără creşterea consumului de metal necesar realizării acestuia sau cu un consum suplimentar minim.

Tema prezentei teze de doctorat a fost propusă de conducătorul ştiinŃific ini Ńial al tezei de doctorat, domnul profesor universitar doctor inginer Ion Tureac, sub a cărui îndrumare au început şi s-au conturat cercetările desfăşurate pe parcursul programului de pregătire. Tema este în evidentă legătură cu conceptul de dezvoltare durabilă, subiect de studiu reprezentativ pentru conducătorul iniŃial al tezei şi în acord cu preocupările domniei sale de a reduce impactul negativ asupra mediului ce însoŃeşte adesea dezvoltarea economică umană. Tema tezei am apreciat-o ca fiind interesantă şi chiar incitantă, concordantă cu pregătirea mea profesională şi mai ales complementară cunoştinŃelor de specialitate acumulate pe parcursul studiilor universitare de licenŃă – specializarea Maşini-unelte – şi cele de master – Dinamica structurilor mecanice. Chiar mai mult decât atât, tema îmi permite să utilizez multe dintre cunoştinŃele avansate de proiectare asistată pe care le-am asimilat în timp, în special cele de modelare 3D şi de analiză cu element finit, şi chiar mă obligă să le dezvolt la un nivel cantitativ şi calitativ mult superior.

Odată cu schimbarea conducătorului ştiinŃific, având în vedere rezultatele obŃinute şi a direcŃiilor de studiu ce s-au conturat treptat în cadrul cercetărilor deja efectuate, titlul iniŃial al tezei – „Studii şi cercetări asupra batiului preselor mecanice în vederea reducerii consumului de metal la fabricarea acestuia” – a fost schimbat. S-a propus şi s-a acceptat un nou titlu al tezei – „Cercetări inovative privind construcŃia batiului deschis al preselor mecanice” – prin care obiectivul iniŃial major al lucrării, reducerea consumului de metal la fabricarea batiului preselor mecanice, a fost reconsiderat, cercetările fiind orientate către soluŃii constructive inovative noi de batiuri (deschise) pentru prese mecanice care să asigure minimizarea consumurilor materiale de realizare a lor şi energetice de exploatare a maşinilor din care vor face parte cel puŃin pentru un ciclu de viaŃă. În această abordare, una integratoare, reducerea consumului de metal necesar realizării batiului nu mai este o condiŃie esenŃială imperativă, ci doar o posibilă modalitate de a atinge obiectivul general. SoluŃiile constructive noi deja identificate au fost atent analizate din punct de vedere al posibilităŃilor de dezvoltare, de realizare şi de aplicare practică. Pentru unele dintre ele s-a identificat potenŃialul lor inovativ, de evoluŃie în sensul obŃinerii cel puŃin a unui brevet de invenŃie. S-au identificat unele posibilităŃi de elaborare a unor noi variante şi chiar a unor noi tipuri de soluŃii constructive originale.

Cercetarea literaturii de specialitate, în particular a bazelor de date internaŃionale pentru brevete de invenŃie, a contribuit la îmbogăŃirea semnificativă a documentării în domeniul studiat şi la identificarea unor noi direcŃii de căutare pentru soluŃii constructive noi de batiuri deschise.

Procesul de elaborare a noilor soluŃii constructive de batiuri deschise turnate pentru prese (mecanice) cu manivelă ce fac obiectul tezei s-au desfăşurat în timp, în primele etape fiind în mare măsură intuitiv. Succesul primelor demersuri creative a motivat şi susŃinut orientarea cercetării către căutare sistematică, logico-determinată, a cât mai multor soluŃii constructive noi, novative, de batiuri deschise, toate respectând în cât mai mare măsură macrogeometria şi cât mai multe dintre detaliile de construcŃie ale batiului presei PAI 25, presă luată ca referinŃă. Elaborarea şi studiul unui grup de modele analitice de calcul a deformaŃiei elastice pentru batiuri deschise de tipul celor ce fac obiectul tezei a contribuit la identificarea logică a unor noi direcŃii de căutare. Modelele analitice amintite sunt abordate detaliat în capitolul 3 al lucrării, în mare măsură original, care mai cuprinde atât un model matematic original pentru determinarea capacităŃii totală reală şi teoretică de producŃie a unei prese (mecanice) pentru întreaga sa durată de viaŃă utilă, cât şi un model original de estimare a consumului energetic de exploatare asociat deformării elastice a batiului unei prese. Aceste două modele constituie contribuŃii teoretice semnificative în cadrul prezentei teze de doctorat.


69

Capitolul 4 al tezei, integral original, are ca obiect prezentarea sistematică şi detaliată a mulŃimii soluŃiilor constructive noi, originale şi novative, de batiuri deschise turnate, cu rigiditate crescută. Sunt abordate în mod explicit trei grupe de soluŃii constructive – batiuri cu pereŃi laterali nervuraŃi, batiuri cu stâlpi frontali pretensionaŃi pasiv şi batiuri scurtate –, precum şi combinaŃii ale acestora. Se evidenŃiază numărul foarte mare de soluŃii constructive noi şi de variante, de ordinul sutelor, grupul batiurilor cu pereŃi laterali nervuraŃi fiind cel mai bogat.

Chiar dacă soluŃiile constructive elaborate sunt caracterizate de noutate şi originalitate, aceste atribute nu garantează prin ele însele îndeplinirea scopului pentru care noile batiuri au fost concepute. PerformanŃele potenŃiale anticipate trebuie dovedite şi validate practic. Nu este eficient a cerceta experimental efectiv toate sau mare parte dintre noile soluŃii concepute, dar este posibil şi se impune studiul în mediu virtual a performanŃelor tuturor acestor noi soluŃii, inclusiv în scopul selectării pentru cercetare experimentală doar a uneia dintre ele. Cercetarea desfăşurată în cadrul tezei a avut acest parcurs. Capitolul 5 este dedicat analizei cu element finit a multora dintre soluŃiile constructive noi, inovative, ca modalitate de determinare şi studiu a stărilor de deformaŃii şi de tensiuni ce se manifestă la acestea. Rezultatele obŃinute asigură evaluarea cu suficientă acurateŃe a performanŃelor urmărite la noile soluŃii constructive, precum şi ierarhizarea soluŃiilor studiate în funcŃie de respectivele performanŃe.

Capitolul 6 este dedicat prezentării modului de desfăşurare şi rezultatelor obŃinute în cadrul cercetării experimentale. Obiectivul iniŃial a fost acela de a selecta una dintre soluŃiile constructive noi cu rigiditate crescută în raport cu soluŃia constructivă de referinŃă, cea a presei PAI 25, de a realiza (prin rapid prototyping) un model la scară cât mai fidel şi de a desfăşura asupra acestuia întreaga cercetare experimentală. S-a conştientizat însă la un moment dat că mulŃimea soluŃiilor constructive de batiuri deschise modelate 3D şi supuse analizei cu element finit cuprinde şi batiul presei PAI 25, el fiind chiar membrul iniŃial al familiei, prototipul, modelul de referinŃă al acesteia. Acesta a fost modelat riguros din punct de vedere geometric, iar toate noile soluŃii constructive concepute şi studiate au fost elaborate conservând în mare măsură construcŃia batiului presei PAI 25, atât la nivel de macrogeometrie, cât şi la nivel de detalii. Ca urmare cercetarea experimentală este la fel de relevantă dacă se face având ca subiect unul dintre noile modele concepute inovativ sau având ca subiect chiar batiul presei PAI 25, cu atât mai mult cu cât o asemenea maşină există în laboratoarele departamentului în cadrul căruia s-a desfăşurat cercetarea. Cercetarea experimentală s-a desfăşurat în bune condiŃii, realizându-se un număr mare de măsurători. Valorile înregistrate au caracteristice deplina repetitivitate şi dispersia mică.

În final îmi exprim convingerea că obiectivele tezei sunt îndeplinite integral. S-a enunŃat justificat un obiectiv principal şi un număr de obiective conexe, s-a realizat o documentare şi o sinteză bibliografică corespunzătoare, s-a elaborat un model original de evaluare a consumului energetic de exploatare pentru o presă mecanică, s-au conceput sute de noi soluŃii constructive originale de batiuri cu rigiditate crescută (grupate în trei grupe de bază şi patru grupe obŃinute prin combinare) – toate respectând în mare măsură macrogeometria şi multe dintre detaliile de construcŃie ale unui batiu luat ca referinŃă, cel al presei PAI 25, zeci dintre aceste noi soluŃii constructive au fost supuse studiului prin analiză cu elemente finite, s-a desfăşurat cu succes o cercetare experimentală asupra batiului presei PAI 25 şi s-a concluzionat că între deformaŃiile elastice măsurate pe batiul real şi valorile estimate în urma analizei cu elemente finite cea mai adecvată este corespondenŃa funcŃională cu factori de scară constanŃi în timp, s-au redactat şi publicat 13 lucrări ştiinŃifice în domeniul tezei, s-au elaborat documentaŃiile necesare pentru două cereri de brevet de invenŃie, deja înregistrate la OSIM, s-au identificat noi direcŃii de cercetare ulterioare.

Braşov, octombrie 2004 – iunie 2014


70

Bibliografie (extras)

a) Articole, monografii, proceedings de conferinŃe, teze de doctorat, rapoarte de cercetare

6. Belous, V.: Inventica. Editura Gh. Asachi, ISBN 973-95650-0-X, Iaşi, 1992 7. Belous, V., Plăhteanu, B.: Fundamentele creaŃiei tehnice. Editura Performantica, ISBN 973-

730-138-2, Iaşi, 2005 11. Botez, E.: Maşini-unelte. Vol. I, Teoria. Editura Tehnică, Bucureşti, 1977 14. Buzdugan, Gh. (coord.): Manualul inginerului mecanic. Editura Tehnică, Bucureşti, 1974 17. Cioară, R.: Maşini-unelte de prelucrat prin deformare. Editura UniversităŃii Transilvania din

Braşov, ISBN 978-973-598-306-2, Braşov, 2008 20. Cioară, R., Dan, I.: Increased rigidity solutions for C-frame mechanichal presses.

Proceedings in Manufacturing Systems ICMaS, ISSN 2067-9238, Vol. 6, issue 2, p. 111-116, Editura Academiei Române, Bucureşti, România, 2011

21. Cioară, R., Dan, I.: Combined Constructive Solutions for Increasing Cast C-Frame Stiffness of Mechanical Presses. Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1662-7482, © (2014) Trans Tech Publications, Switzerland, (lucrare susŃinută şi aflată în curs de publicare)

22. Cioară, R., Dan, I.: Estimation model of the total number of work cycles at a press / Model de estimare a numărului total de cicluri de lucru la o presă. RECENT, ISSN 1582-0246, Vol.15, nr. 2(42), Braşov, România, 2014 (în curs de publicare)

23. Dan, I.: Shorter C-Frame for the Crank Mechanical Press. Study of the Stress and Strain State. Proceedings of the 16th International Conference Modern Technologies, Quality and Inovation, Iaşi-Chişinău-Belgrad, ModTech 2012, New Face of T.M.C.R., ISSN 2069-6736, Vol. I, p. 261-264, 24-26 Mai, 2012, Sinaia, România

24. Dan, I.: Cercetări privind influenŃa nervurilor înclinate şi curbe asupra rigidităŃii presei PAI 25 / Research on the influence of tilted and curved ribbing on the stiffness of PAI 25 Presses. RECENT, ISSN 1582-0246, Vol.12, nr. 2(32), p. 103-111, Iulie, Braşov, România, 2011

25. Dan, I.: CAD Research on the Tilted Ribs Influence upon Press Frame PAI 25. Proceedings of the 9th International Conference on “Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, Vol. 9 (edited by T. Tashev, R. Deliyski, B. Lăpădătescu), Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 276-279, Sofia, 2011

26. Dan, I.: CAD Research Regarding the Influence of Wall Thickness and Ribbing on the Frame of PAI25 Crank Mechanical Press. Proceedings of the 15th International Conference on Modern Technologies, Quality and Inovation, ModTech 2011, Iaşi-Chişinău-Belgrad, New Face of T.M.C.R., vol. II, 25-27 May, 2011, Vadul lui Vodă, Republic of Moldova, p. 517-520, ISSN 2069-6736

27. Dan, I., Cioară, R.: Optimization Studies about Crank Mechanical Press PAI 25 Frame. Proceedings of the 15th International Conference Modern Technologies, Quality and Inovation, Iaşi-Chişinău-Belgrad, ModTech 2011, New Face of T.M.C.R., Vol. II, ISSN 2069-6736, p. 521-524, 25-27 Mai, 2011, Vadul lui Vodă, Republica Moldova

28. Dan, I., Cioară, R.: New Studies about Crank Mechanical Press PAI 25 Frame. Proceedings of the 9th International Conference on “Challanges in Higher Education and Research in the 21st Century”, June 5-8, 2011, Sozopol, Bulgaria, Vol. 9 (edited by T. Tashev, R. Deliyski, B. Lăpădătescu), Heron Press Ltd., ISBN 978-954-580-308-6, p. 272-275, Sofia, 2011

29. Dan, I., Cioară, R.: Pre-tensioned C-frame for the crank mechanical press. Study of the stress and strain state. Proceedings in Manufacturing Systems, ISSN 2067-9238, Vol. 7, Issue 4, 2012, p. 211-216, Editura Academiei Române, 2012


71

30. Dan, I., Cioară, R.: A Study on the Pre-Stressed C-Frames of the Presses / Un studiu privind batiurile deschise pretensionate ale preselor. RECENT, ISSN 1582-0246, vol. 14, nr. 1(37), martie 2013, p. 12-24, Braşov, Romania

31. Dan, I., Cioară, R.: Methods to Increase the Rigidity of the C-frame of a Press. Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1662-7482, Vol. 371 (2013), p. 183-187, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.371.183

32. Dan, I., Cioară, R.: Research on increasing mechanical press C-frame stiffness by shortening. Academic Journal of Manufacturing Engineering, ISSN 1583-7904, vol. 11, nr. 3(2013), p. 120-125, Cluj-Napoca, România, 2013

37. Gheorghe, C.: Optimizarea multicriterială a componentelor de bază din structura maşinilor-unelte. Teză de doctorat. Universitatea Transilvania din Braşov, 2006

38. Gheorghe, C.: Dimensionarea ecologică a produselor industriale. Editura „TEHNICA-INFO”, ISBN 978-9975-63-303-1, Chişinău, Republica Moldova, 2009

39. Hurdu, D.: Cercetări asupra rigidităŃii dinamice a preselor cu excentric, cu batiul deschis. Teză de doctorat. Institutul Politehnic Timişoara, 1979

40. Iancu, C.: ContribuŃii la optimizarea dimensională a preselor mecanice în regim dinamic. Teză de doctorat, Universitatea din Piteşti, 2002

53. Moraru, V.: Teoria şi proiectarea maşinilor-unelte. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985

60. Sorohan, Şt.: Practica modelării şi analizei cu elemente finite. Editura Politehnica Press, Bucureşti, 2003

63. Tabără, V., Tureac, I.: Maşini pentru prelucrări prin deformare. Editura Didactică şi Pedagocică, Bucureşti, 1984

64. Theocaris, P.S., ş.a.: Analiza experimentală a tensiunilor. Vol. II, Editura Tehnică, Bucureşti, 1977

65. Tickoo, S., Maini, D.: CATIA V5R16 for Designers. CADCIM Technologies, ISBN 1-932709-18-5, USA, 2006

66. Tureac, I.: ContribuŃii teoretice şi experimentale la studiul stărilor de solicitare - statică şi dinamică - ale batiului preselor mecanice de tip deschis. Teză de doctorat. Universitatea din Braşov, 1974

71. Tureac, I., Cojocaru, Şt., Bănică, I.: Exploatarea, întreŃinerea şi reglarea preselor. Editura Tehnică, Bucureşti, 1984

73. Tureac, I., Mărăscu-Klein, Vl., Popescu, M., Cioară, R.: Dezvoltarea durabilă a produselor în construcŃia de maşini. Editura UniversităŃii Transilvania, ISBN 973-635-639-6, Braşov, 2006

79. Tureac, I., ş.a.: Sustainable Utilization and Machine Tools Building. Proceedings of International Conference on Economic and Manufacturing Systems ICEMS 2001, ISBN 973-8124-69-7, 22-23 noiembrie 2001, Braşov, România

b) ReferinŃe de tip brevet

102. Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu deschis. Cbi A 2013 00006 din 07.01.2013, solicitant Universitatea „Lucian Blaga” din Sibiu

103. Cioară, R., Dan, I., łîŃu, A.M., Oprean, C.: Batiu nervurat. Cbi A 2013 00014 din 07.01.2013, solicitant Universitatea „Lucian Blaga” din Sibiu


72

Cercetări inovative privind construcŃia batiului deschis al preselor mecanice

Innovative Research regarding the C-frame Construction of Mechanical Presses

Conducător ştiinŃific Doctorand,

Prof.univ.dr.ing. Romeo CIOARĂ ing. DAN Ioan

Scurt rezumat Tema tezei este în relaŃie directă cu conceptul de dezvoltare durabilă, susŃinut în cadrul

UniversităŃii Transilvania din Braşov prin multe contracte de cercetare, teze de doctorat şi lucrări ştiinŃifice. Reducerea consumurilor materiale s-a integrat treptat într-o abordare mai largă, de minimizare a consumurilor materiale şi energetice aferente întregului ciclu de viaŃă al produselor: proiectare, realizare, utilizare, post-utilizare. Din acest punct de vedere, maşinile-unelte, în particular al celor de prelucrat prin deformare, constituie un subiect de actualitate. Cercetarea s-a focalizat asupra batiului deschis turnat al preselor mecanice, care au fost atent analizate din punct de vedere al posibilităŃilor de dezvoltare, de realizare şi de aplicare practică. S-a identificat potenŃialul inovativ, precum şi posibilităŃi de elaborare a unor soluŃii constructive noi, superioare unei soluŃii constructive de referinŃă. Obiectivele întrevăzute iniŃial au fost dezvoltate, detaliate şi completate pe parcursul cercetărilor.

Obiectivele tezei sunt îndeplinite integral. S-a enunŃat justificat un obiectiv principal şi un număr de obiective conexe, s-a realizat o documentare şi o sinteză bibliografică adecvată, s-au conceput zeci de noi soluŃii constructive originale de batiu deschis turnat cu rigiditate crescută, toate conservând în mare măsură o aceeaşi soluŃie constructivă de referinŃă, s-a elaborat un model de estimare a consumului energetic de exploatare, bazat pe estimarea numărului total de cicluri de lucru efectuate de o presă pe parcursul vieŃii sale utile, s-a efectuat o cercetare experimentală pe batiu real şi s-a stabilit modelul de corespondenŃă dintre modelul real şi modelul virtual, s-au redactat şi publicat 13 lucrări ştiinŃifice în domeniul tezei, s-au elaborat documentaŃiile necesare pentru două cereri de brevet de invenŃie, deja înregistrate la OSIM, şi s-au identificat noi direcŃii de cercetare ulterioare.

Brief Summary The theme of the thesis is directly related to the concept of sustainable development,

supported within Transilvania University of Braşov by manifold research contracts, doctoral theses and scientific works. The reduction of material consumptions has gradually integrated into a broader approach, targeting the minimization of the material and energy consumptions afferent to the entire useful cycle of the products: design, manufacturing, utilization, post-utilization. In this view, the machine-tools, especially the cold forming machines, constitute a topical subject. The research focuses on the C-frame of mechanical presses, which have been carefully analyzed in terms of development possibilities, implementation and practical application. Their innovative potential, as well as the possibility to develop cutting-edge constructive solutions, superior to the original one, have been identified. The initially envisioned goals have been developed, detailed and completed, throughout the researches.

The goals of the thesis have been fully met. One main goal and few related goals have been righteously formulated, an adequate bibliographic documentation and synthesis was made, dozens of new original constructive solutions for the C-frame with increased rigidity have been designed, yet complying, to a great extent, with the original constructive solution, a model estimating the energy consumption during exploitation, based on estimating the total number of duty cycles effectuated by a mechanical press throughout its useful life has been developed, an


73

experimental research was conducted on real C-frame and the correspondence model between the real model and the virtual one was established, a number of 13 doctoral thesis-related scientific papers were written and published, the necessary documentation for two patent applications have been prepared and have already been registered at OSIM, and new directions for future research have been identified.


74

Curriculum vitae

InformaŃii personale

Nume / Prenume DAN Ioan

Data naşterii 5 octombrie 1979

NaŃionalitate română

Adresă str. Aleea Mimozei nr. 14, Bl. 63, Sc. A, Ap. 9, jud: Braşov

Telefon mobil 0724372587

e-mail [email protected]

ExperienŃa profesională

01.03.2004-01.02.2005 Inginer la S.C. CERITEX S.A. Braşov

01.02.2005-12.11.2008 Design engineer la S.C. CAMBRIC CONSULTING S.R.L. Braşov

17.11.2008-15.11.2010 Design engineer la S.C. AUTOLIV ROMÂNIA S.RL. Braşov

17.11.2010-prezent Design engineer la S.C. CAMBRIC CONSULTING S.R.L. Braşov

01.10.2004- prezent Universitatea ”Transilvania” din Braşov, doctorand fără frecvenŃă în domeniul Inginerie industrială

PublicaŃii 13 lucrări ştiinŃifice publicate în reviste şi volume ale unor conferinŃe de profil, după cum urmează: 4 lucrări ştiinŃifice publicate ca unic autor; 6 lucrări ştiinŃifice publicate în calitate de prim autor; 3 lucrări ştiinŃifice publicate în calitate de coautor. Dintre aceste lucrări: 3 sunt indexate ISI, iar alte 6 sunt BDI.

Cereri de brevet de invenŃie

A-00006-2013, Batiu deschis A-00014-2014, Batiu nervurat

EducaŃie şi formare

01.10.2004 - 10.07.2014 Universitatea “Transilvania” din Braşov, doctorand fără frecvenŃă în domeniul inginerie industrială, Titlul tezei de doctorat “Cercetări Inovative privind construcŃia batiului deschis al preselor mecanice”

01.10.2006 - 23.02.2008 Universitatea “Transilvania” din Braşov, Master la Facultatea de Inginerie Mecanică, Specializarea: Dinamica Structurilor Mecanice

01.10.1998 -29.07.2004 Universitatea “Transilvania” din Braşov, Facultatea de Inginerie Tehnologică, Specializarea: Maşini - Unelte

1998 - 2000 Grup Şcolar Energetic Braşov, Specializarea: Operator tehnici de calcul

1994 - 1998 Grup Şcolar Industrial “Nicolae Titulescu” Braşov, Liceu absolvit cu Certificat de competenŃe profesionale

Aptitudini şi competenŃe personale

Soft-uri CAD: SolidWorks 2005, Pro Engineer WF 4, Catia (V5R16) CunoştinŃe de operare în Microsoft Office.

Limbi străine cunoscute Engleza intermediar


75

Curriculum Vitae

Personal Information

Surname/ Name DAN Ioan

Date of Birth 5th of October 1979

Nationality Romanian

Addresss str. Aleea Mimozei nr. 14, Bl. 63, Sc. A, Ap. 9, jud: Braşov

Mobile 0724372587

E-mail [email protected]

Work Experience

01.03.2004-01.02.2005 Engineer at S.C. CERITEX S.A. Braşov

01.02.2005-12.11.2008 Design engineer at S.C. CAMBRIC CONSULTING S.RL. Braşov

17.11.2008-15.11.2010 Design engineer at S.C. AUTOLIV ROMÂNIA S.RL. Braşov

17.11.2010 - Present Design engineer at S.C. CAMBRIC CONSULTING S.RL. Braşov

01.10.2004 - Present Transilvania University of Braşov, PhD student in Industrial Engineering

Publications 13 scientific papers delivered at conferences and published in journals in the field, as follows: 4 scientific papers published as single author, 6 scientific papers as first author, 3 papers published as coauthor. Of these works: 3 are ISI, and the other 9 are BDI

Patent Applications A-00006-2013, C-frame A-00014-2014, Ribbed C-frame

Education and Training

01.10.2009 - 30.09.2012 Transilvania University of Braşov, PhD student in Industrial Engineering, Thesis “Innovative Research regarding C-frame Construction of Mechanical Presses”

01.10.2008 - 30.06.2010 Transilvania University of Braşov, Master’s Degree Programme of the Faculty of Mechanical Engineering, Specialization: Dynamics of Mechanical Structures

01.10.2003 -13.06.2008 Transilvania University of Braşov, Faculty of Tehnological Engineering, Specialization: Machine-Tools

01.10.2003 - 30.06.2008 Energy Group School Braşov, Post High-School Specialization: Computer operator

15.09.1999 – 14.07.2003 “Nicolae Titulescu” Industrial School of Braşov, High-School and professional competence certificate

Skills CAD Softs: SolidWorks 2005, Pro Engineer WF 4, Catia (V5R16) good skills in Microsoft Office.

Foreign Languages English intermediate


76

Note.

Dan Ioan

Documents

Transcript of Dan Ioan