同周速飛剪與異周速飛剪力能參數(shù)對(duì)比研究

朱文豪，高文輝，高洪軍，王俊萍

(1．鞍鋼集團(tuán)公司，遼寧 鞍山 114033;2．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;3．鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021)

1 前言

滾筒式飛剪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，一般裝設(shè)在連續(xù)式軋機(jī)的軋制作業(yè)線上或橫切機(jī)組上，主要對(duì)軋件進(jìn)行切頭和切尾。異周速飛剪是在同周速雙滾筒飛剪機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與同周速滾筒式飛剪機(jī)相比，其本質(zhì)區(qū)別是上滾筒刀刃回轉(zhuǎn)半徑大于下滾筒刀刃回轉(zhuǎn)半徑。目前已有學(xué)者對(duì)滾筒式飛剪機(jī)的結(jié)構(gòu)及力能參數(shù)方面作過(guò)研究，如日本學(xué)者采用模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)同周速滾筒式切頭飛剪的剪切機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，并對(duì)其力能參數(shù)的影響因素做了較為深入的研究;文獻(xiàn)［1］主要運(yùn)用有限元的方法分析了側(cè)間隙、板厚及溫度對(duì)異周速飛剪力能參數(shù)的影響。本文利用有限元軟件DEFORM－2D研究同周速飛剪和異周速飛剪的力能參數(shù)的差異，為滾筒式飛剪的設(shè)計(jì)研究提供了合理的依據(jù)。

2 韌性斷裂理論與斷裂準(zhǔn)則

在飛剪的剪切過(guò)程中，涉及到材料的斷裂分離，首先需要有高溫和高應(yīng)變率下的材料曲線;在剪切過(guò)程中，不同的工藝參數(shù)會(huì)引起不同的斷面質(zhì)量，剪切過(guò)程模擬起來(lái)比較困難，因此還需要選擇合理的斷裂準(zhǔn)則。

在剪切的數(shù)值模擬中，韌性斷裂準(zhǔn)則的選取對(duì)模擬結(jié)果的精度有非常大的影響［2］。上海交通大學(xué)國(guó)家模具CAD工程研究中心對(duì)不同樣式的45#鋼試件進(jìn)行了拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等材料試驗(yàn)［2］，對(duì)工程中使用的11個(gè)韌性斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)比研究，并利用專(zhuān)業(yè)塑性成形分析軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行二維和三維的數(shù)值模擬。

對(duì)于大多數(shù)韌性斷裂準(zhǔn)則，在拉伸和剪切兩種斷裂方式下的閾值差別不大，因此以拉伸試驗(yàn)代替剪切試驗(yàn)是可行的。通過(guò)查取相關(guān)資料，Normalized Cockcroft＆Latham是最常用的斷裂準(zhǔn)則，因此選用Normalized Cockcroft＆Latham準(zhǔn)則，同時(shí)將Normalized Cockcroft＆Latham閾值代入有限元軟件中對(duì)拉伸和剪切過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬出來(lái)的斷面形狀與真實(shí)斷面形狀也比較接近。Normalized Cockcroft＆Latham斷裂準(zhǔn)則的函數(shù)表達(dá)式為［3］

式中，C斷裂閾值;εf材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)變;ε等效應(yīng)變;σ等效應(yīng)力，MPa;σ*最大主應(yīng)力，MPa。

當(dāng)最大主應(yīng)力 σ1≥0時(shí)，σ*=σ1;σ1≤0時(shí)，σ*=0。

斷裂閾值C的求取主要通過(guò)高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)合有限元法求的，參考文獻(xiàn)［2］采用這種方法計(jì)算得到溫度為950℃時(shí)斷裂閾值為3.4。

3 同周速飛剪和異周速飛剪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文所用到的異周速滾筒式飛剪機(jī)是參照參考文獻(xiàn)［2］，同周速飛剪和異周速飛剪的主要參數(shù)如表1所示。

4 同周速飛剪和異周速飛剪力能參數(shù)結(jié)果分析

4.1 剪切力及剪切功對(duì)比研究

剪切力是飛剪機(jī)的重要參數(shù)，驅(qū)動(dòng)飛剪機(jī)的電機(jī)功率與充分發(fā)揮飛剪機(jī)的能力都與剪切力有關(guān)。正確地計(jì)算在各種具體條件下的剪切力，對(duì)于合理的設(shè)計(jì)剪切機(jī)是非常重要的。通過(guò)有限元計(jì)算同周速和異周速飛剪得到的單位剪切抗力曲線如圖1所示。

表1 異周速飛剪和同周速飛剪主要參數(shù)

圖1 不同剪切方式下單位剪切抗力曲線

滾筒式飛剪的剪切功是飛剪電機(jī)功率選擇的重要參數(shù)，單位剪切功等于單位剪切抗力曲線所包圍的面積，即剪切寬度為1 mm。斷面為1 mm試件所需的剪切功。同周速飛剪為45.3 N·mm－2，異周速飛剪為43.5 N·mm－2。

由圖1可知同周速飛剪和異周速飛剪最大單位剪切抗力比較接近，但同周速飛剪的單位剪切功比異周速飛剪大4%。

4.2 側(cè)推力對(duì)比研究

在剪切過(guò)程中側(cè)推力影響剪切質(zhì)量的好壞，同周速飛剪與異周速飛剪的單位側(cè)推力曲線如圖2所示。

由圖2可知同周速飛剪的單位側(cè)推力基本為正，即側(cè)推力使刀刃側(cè)間隙變大，異周速飛剪的單位側(cè)推力基本為負(fù)，即側(cè)推力使側(cè)間隙變小，可見(jiàn)異周速飛剪的側(cè)間隙是有利于剪切質(zhì)量的。

圖2 不同剪切方式下單位側(cè)推力曲線

4.3 剪切扭矩對(duì)比研究

在計(jì)算剪切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)零件強(qiáng)度和電動(dòng)機(jī)功率過(guò)程中，剪切扭矩是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

圖3為計(jì)算剪切扭矩簡(jiǎn)圖，圖中Ds為上剪刃回轉(zhuǎn)直徑，mm;Dx為下剪刃回轉(zhuǎn)直徑，mm;X1為上剪刃水平方向轉(zhuǎn)矩臂長(zhǎng)，mm;X2為下剪刃水平方向轉(zhuǎn)矩臂長(zhǎng)，mm;Y1為上剪刃垂直方向轉(zhuǎn)矩臂長(zhǎng)，mm;Y2為上剪刃垂直方向轉(zhuǎn)矩臂長(zhǎng)，mm;P1、P2為剪切力，N;PTH1，PTH2為側(cè)推力，N;上滾筒剪切扭矩為

圖3 計(jì)算剪切扭矩簡(jiǎn)圖

于是上下滾筒總的剪切扭矩T可以用式(4)計(jì)算

同周速飛剪與異周速飛剪單位剪切扭矩如圖4所示，可知異周速飛剪的總的單位剪切扭矩比同周速飛剪小。

圖4 不同剪切方式下總的單位剪切扭矩曲線

5 同周速飛剪和異周速飛剪剪切斷面質(zhì)量對(duì)比研究

剪切質(zhì)量是評(píng)價(jià)機(jī)器好壞的一個(gè)很重要的因素，切口形狀不好有兩種情況，一是料頭未被切斷，二是切口處有很多的針狀毛刺。軋件在進(jìn)入下道精軋時(shí)，如果切頭形狀不好往往會(huì)損傷軋輥。一般影響切口形狀好壞的最重要的幾個(gè)因素是:(1)刀片側(cè)間隙;(2)板材厚度;(3)剪切溫度;(4)板材材質(zhì)。本文主要對(duì)比了同周速飛剪與異周速飛剪的斷面形狀。圖5為同周速飛剪剪切板厚為30 mm，側(cè)間隙為0.6 mm時(shí)得到的剪切斷面，圖6為異周速飛剪剪切板厚為30 mm，側(cè)間隙為2.5 mm時(shí)得到的剪切斷面。

6 結(jié)論

(1)本文介紹了斷裂理論及斷裂閾值的求取，將得到的斷裂閾值運(yùn)用到剪切過(guò)程的模擬中，結(jié)果表明，兩種飛剪得到力能參數(shù)是有差異的。

(2)同周速飛剪與異周速飛剪的剪切力比較接近，但其單位剪切功比異周速飛剪大4%;同周速飛剪的單位側(cè)推力基本為正，異周速飛剪的單位側(cè)推力基本為負(fù)，可見(jiàn)異周速飛剪的側(cè)間隙能夠阻止剪刃側(cè)間隙變大，有利于剪切質(zhì)量。

［1］ 王勇勤，趙才華．滾筒式飛剪力能參數(shù)研究［J］．重型機(jī)械，2009，(6):27－30．

［2］ 虞松，陳軍．韌性斷裂準(zhǔn)則的試驗(yàn)與理論研究［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2006，17(10):2049－2052．

［3］ Cockcroft MG，Latham D J．Ductility and the Workability of Metals［J］．Journal of The Institute of Metals，1986，(96):33－39．