基于DEFORM-3D液壓剪剪切棒料剪切質(zhì)量影響因素的研究

李彬彬， 傅波， 衛(wèi)平

(1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065，2.成都萊克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司，成都610041)

0 引 言

隨著加工制造業(yè)不斷發(fā)展，工業(yè)對(duì)金屬板材的質(zhì)量要求不斷提高[1]。有限元技術(shù)的不斷進(jìn)步，也推進(jìn)了金屬加工領(lǐng)域的研究[2]。應(yīng)用DEFORM有限元軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，時(shí)間短、效率高[3]，且對(duì)材料三維流動(dòng)性有專門的分析模塊，可通過模擬分析得出材料的流動(dòng)性和溫度流動(dòng)性的特點(diǎn)[4-5]，因此本文應(yīng)用DEFORM軟件，分析影響金屬板材剪切質(zhì)量的因素，尋找獲得最佳剪切質(zhì)量的刀具，為實(shí)際剪切提供理論依據(jù)[6]。

1 有限元模擬仿真

棒料的幾何尺寸為220 mm×190 mm×1000 mm; 棒料材料剪切鋼種包括合金結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、45鋼等；剪刃間隙為0.001mm；重疊量為1.4mm；剪切速度為70mm/s。

根據(jù)材料成型及生產(chǎn)制造工藝，采用兩種常用的剪刃進(jìn)行模擬。先用SolidWorks三維建模軟件對(duì)液壓剪剪刃和金屬棒料建模，其液壓剪切機(jī)新型剪刃的圖形如圖1所示。在CAD/CAE協(xié)同環(huán)境的連接技術(shù)與SolidWorks進(jìn)行共享，將實(shí)體模型導(dǎo)入到DEFORM軟件中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真的同步。

材料受到剪切力時(shí)會(huì)經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、斷裂三個(gè)階段，如圖2～圖4所示。

1）彈性變形階段。此階段剪刃在接觸到金屬棒料時(shí)，剪刃擠壓材料產(chǎn)生彈性變形，材料內(nèi)部產(chǎn)生拉伸和彎曲力使材料變形增大。

2）塑性變形階段。剪刃進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)擠壓，材料變形量逐漸增大，進(jìn)入屈服強(qiáng)度狀態(tài)；當(dāng)材料受到剪切力產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度極限時(shí)，材料發(fā)生塑性變形。

3）金屬斷裂階段。隨著剪刃不斷深入，材料抗剪切面不斷減小，兩剪刃間的材料產(chǎn)生裂紋。剪刃運(yùn)動(dòng)微小裂紋擴(kuò)大，當(dāng)變形到金屬棒料不能再承受變形時(shí)，裂紋擴(kuò)展，直至棒料斷裂分離。

2 剪切質(zhì)量的影響因素

在剪切過程中材料發(fā)生了復(fù)雜變化，主要發(fā)生在金屬棒料與剪刃相接觸面積的周圍，產(chǎn)生扭曲或局部翹頭，斷面易產(chǎn)生毛刺。材料剪切產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變較為復(fù)雜，對(duì)質(zhì)量有較難的掌控。本文主要在刀刃間隙、重疊量和刀刃傾斜角一定的條件下，研究刀刃形狀和材料放置方式對(duì)剪切質(zhì)量的影響[6]。

2.1 材料放置的影響

材料放置方式對(duì)剪切質(zhì)量有很大的影響，選用合理的加工工藝，可有效提高斷面質(zhì)量，減小剪切力消耗。棒料材料為45鋼；刀刃斜角為15°。

用對(duì)稱式剪刃分別對(duì)棒料進(jìn)行對(duì)角切、長(zhǎng)邊切、短邊切3種情況進(jìn)行仿真分析，如圖5～圖7所示。

對(duì)剪切的結(jié)果借助于Stress-Effective、Strain-Effective、Velocity-Total vel、Damage四點(diǎn)破壞程度圖，綜合分析剪切斷面發(fā)生扭曲和局部翹曲斷裂的程度，如圖8～圖10所示。

由圖中可知, 在3種剪切形式中材料受到的最大等效應(yīng)力分別為667、669、667 MPa，3種剪切方式中，其長(zhǎng)邊剪切受到的等效應(yīng)力(669 MPa)最大，當(dāng)最大剪力增大時(shí)，不利于剪切過程的進(jìn)行，但其最大剪力與其它兩種形式的最大剪力相差不大，其Strain-Effective如圖11～圖13所示。

由分析結(jié)果的等效應(yīng)變分布云圖可知，3種剪切形式的最大等效應(yīng)變分別為10.1、14.3、10.8 mm/mm，3種剪切方式中其長(zhǎng)邊剪切受到的等效應(yīng)變(14.3 mm/mm)最大，其Velocity-Total vel如圖14～圖16所示。

由流動(dòng)速度圖可知，3種剪切方式在剪切過程中最大的剪切速度分別為71.2、474、441 mm/s, 長(zhǎng)邊切和短邊切的材料最大流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)角切的流動(dòng)速度。較大的金屬流動(dòng)速度有利于斷面的形成，其Damage如圖17～圖19所示。

由破壞程度云圖可知，3種剪切方式在剪切過程中最大的破壞程度分別為16.3、47.3、18.5，其長(zhǎng)邊切方式的最大破壞程度（47.3）最大，易形成較大的毛刺，對(duì)角切的最大破壞程度（16.3）最小，小的破壞程度具有較好的剪切質(zhì)量。

選擇斷面上4個(gè)具有代表性、特殊的點(diǎn)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，分析其各點(diǎn)的破壞的變化過程，其四點(diǎn)破壞程度圖如圖20～22所示。

2.2 刀具形狀對(duì)剪切質(zhì)量的影響

現(xiàn)對(duì)非對(duì)稱式刀刃剪切效果進(jìn)行分析，棒料的幾何尺寸及其相關(guān)基本參數(shù)同上文。用非對(duì)稱式剪刃分別對(duì)棒料進(jìn)行對(duì)角切、長(zhǎng)邊切、短邊切，并對(duì)3種情況進(jìn)行仿真分析，對(duì)剪切的結(jié)果借助于Stress-Effective、Strain-Effective、Velocity-Total vel、Damage四點(diǎn)破壞程度圖分析剪切斷面發(fā)生扭曲和局部翹曲斷裂的程度，其Stress-Effective如圖23～圖25所示。

圖中材料受到的最大等效應(yīng)力分別為676、672、676 MPa，可知非對(duì)稱式剪切的最大等效應(yīng)力都比對(duì)稱式的最大等效應(yīng)力大。但剪切應(yīng)力相差不大，在剪刃口處受到較大的壓應(yīng)力時(shí)，刀刃處發(fā)生的斷裂會(huì)停止擴(kuò)展，斷裂受到抑制，裂紋不會(huì)重合，裂角和翹曲很小，光亮帶很大，導(dǎo)致毛刺和裂角較多，斷面質(zhì)量較差。其Strain-Effective如圖26～圖28所示。

3種剪切形式的最大等效應(yīng)變分別為14.7、41.8、19.1 mm/mm，非對(duì)稱式剪切時(shí)材料受到的最大等效應(yīng)變都比對(duì)稱式剪切時(shí)要大。3種剪切方式中，其長(zhǎng)邊剪切受到的等效應(yīng)變（41.8 mm/mm）最大，較大的應(yīng)變變形易形成毛刺，局部易產(chǎn)生扭曲和變形，材料的剪切質(zhì)量較低，其Velocity-Total vel如圖29～圖31所示。

圖中顯示最大的剪切速度分別為237、453、446 mm/s,長(zhǎng)邊切和短邊切的材料最大流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)角切的流動(dòng)速度。較大的金屬流動(dòng)速度有利于斷面的形成，其Damage如圖32～圖34所示。

圖中顯示最大的破壞程度分別為70.2、15.4、14.1，其中對(duì)角剪切方式的最大的破壞程度（70.2）最大，但對(duì)角剪切的最大破壞程度要比對(duì)稱式對(duì)角剪切最大破壞程度大，由于較大的破壞程度易形成較大的毛刺，短邊剪切的最大破壞程度（14.1）為最小，小的破壞程度具有較好的剪切質(zhì)量，其四點(diǎn)破壞程度如圖35～圖37所示。

選擇斷面上4個(gè)具有代表性、特殊的點(diǎn)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，分析其各點(diǎn)的破壞的變化過程。對(duì)稱式剪切從開始到穩(wěn)定的整個(gè)過程分別用了7 s左右、5 s左右、6 s左右的時(shí)間；而非對(duì)稱式剪切從開始到穩(wěn)定的整個(gè)過程分別用了5 s左右、6 s左右、7 s左右，對(duì)稱式剪切方式從開始到穩(wěn)定的時(shí)間要長(zhǎng)，而長(zhǎng)邊剪切和短邊剪切時(shí)間要短，較高的剪切速度對(duì)于提高剪切質(zhì)量具有較好的作用，能避免毛刺的形成，減少斷面的扭曲和局部翹曲。

3 結(jié) 語

本文以液壓式剪切機(jī)為研究對(duì)象，從Stress-Effective、Strain-Effective、Velocity-Total vel、Damage 四點(diǎn)破壞程度圖綜合分析剪切斷面的發(fā)生扭曲和局部翹曲斷裂的程度，在重疊量、刀刃傾斜角等因素不變的情況下，了解掌握剪刃的類型、剪切方式、材料的放置方式等因素對(duì)金屬棒料剪切質(zhì)量的影響，得出了最佳剪切質(zhì)量的剪刃形式和剪切方式，為金屬材料剪切提供了一定的理論依據(jù)。