基于Deform的寬厚板滾切式雙邊剪碎邊剪剪切力分析

劉益俏 方威

摘 要：滾切式雙邊剪廣泛應(yīng)用于寬厚板生產(chǎn)線，采用斜刃剪方式對(duì)切邊后的廢料進(jìn)行碎斷處理，目前對(duì)雙邊剪主剪剪切機(jī)構(gòu)及剪切力研究者頗多，相關(guān)文獻(xiàn)已有不少可參考，而對(duì)于碎邊剪的剪切力研究文獻(xiàn)甚少。本文利用常用的斜刃剪剪切力計(jì)算公式即富姆公式及deform仿真軟件對(duì)碎邊剪剪切力進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明富姆公式只適用于小間隙的剪切力計(jì)算。

關(guān)鍵詞：雙邊剪;碎邊剪;剪切力;仿真;deform

Abstract： The double side trimming shear is widely used in wide and heavy plate production line， and the waste material after edge cutting is broken by oblique blade shearing. At present， there are many researchers on the main shearing mechanism and shearing force of bilateral shears， and there are many relevant literatures for reference， while there are few literatures on the shearing force of side shears. In this paper， the shear force of slanting edge shearing is analyzed by means of Fumm formula and DEFORM software. The analysis results show that Fumms formula is only applicable to the calculation of shear force for small gaps.

Keywords： double side triming shear;scrap shear;cutting force;simulation;deform;

中圖分類號(hào)：TF762，TG335.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：

0.前言

滾切式雙邊剪用于將寬厚板生產(chǎn)線軋制后的鋼板切除兩側(cè)不齊的邊部至成品寬度，是寬厚板精整區(qū)的主要設(shè)備之一。目前使用較多的滾切式雙邊剪為三軸三偏心式滾切剪，兼顧了切邊和廢料碎斷。其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，精度較高，布局緊湊。由于采用了滾切式剪切原理，剪切過程中上下剪刃重合度變化極小，剪切質(zhì)量和剪切能力相比其它類型剪機(jī)要高 [1]。雙邊剪模型圖參考圖1。

雙邊剪碎邊剪剪刃間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)是雙邊剪的重要部件之一，用于調(diào)整碎邊剪的剪刃間隙。碎邊剪剪刃間隙關(guān)系到剪切的質(zhì)量和剪刃的磨損。實(shí)際生產(chǎn)中生產(chǎn)方更關(guān)心雙邊剪主剪的剪切質(zhì)量，而對(duì)碎邊剪的剪切質(zhì)量并不關(guān)心，只需要能將主剪剪切后的廢料碎斷即可。目前對(duì)雙邊剪主剪剪切力研究者頗多，而對(duì)碎邊剪剪切研究者甚少，本文將對(duì)其進(jìn)行研究探討。

1.碎邊剪剪切力分析

雙邊剪碎邊剪采用的是斜刃剪結(jié)構(gòu)。其上剪結(jié)構(gòu)見圖1，采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。主減速機(jī)的三軸三偏心結(jié)構(gòu)中有一根偏心軸作為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄給予動(dòng)力。

雙邊剪的廢料規(guī)格為：厚度6～50mm，寬度20～150 mm。碎邊剪剪切力按富姆公式計(jì)算[2]，見下式：

上式中：F—剪切力（N）;h—鋼板厚度（mm）;α—上碎邊剪傾斜角（°）;σb—鋼板冷態(tài)抗拉強(qiáng)度（Mpa）;此外f按下式計(jì)算：

上式中：c—上、下剪刃間隙（mm）。

根據(jù)雙邊剪設(shè)計(jì)可知：h=6～50mm;α=3.5°;c=0.5～8mm 。分別計(jì)算不同間隙c值時(shí)的f值，見表1和圖3。，在不考慮剪切質(zhì)量的情況下取c=0.4mm為固定值，不隨鋼板厚度進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)f=1.06。

雙邊剪最大剪切力6500kN。鋼板冷態(tài)抗拉強(qiáng)度按如下計(jì)算：35mm厚度以下時(shí)可剪切冷態(tài)抗拉強(qiáng)度1200 Mpa鋼板、35 mm-40mm厚度時(shí)可剪切冷態(tài)抗拉強(qiáng)度750Mpa、40 mm-45mm厚度時(shí)可剪切冷態(tài)抗拉強(qiáng)度630Mpa、40 mm-45mm厚度時(shí)可剪切冷態(tài)抗拉強(qiáng)度630Mpa。按0.4mm間隙計(jì)算后得出表2數(shù)據(jù)。按不同剪刃間隙計(jì)算后得出表3數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪刃間隙變大時(shí)，所需要剪切力也極大，表1數(shù)據(jù)更符合實(shí)際剪切能力，由此可見富姆公式適用于小剪刃間隙的計(jì)算，而對(duì)于大剪刃間隙。

2.剪切力有限元分析

本文采用deform軟件對(duì)剪切力進(jìn)行模擬，利用solidworks建立模型，將上碎邊剪和下碎邊剪的剪刃間隙設(shè)置為2mm，鋼板厚度設(shè)置為20mm，鋼板材料選擇為Q345，然后將模型格式轉(zhuǎn)成STL文件，導(dǎo)入到deform內(nèi)，模型見圖4。

對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，將上碎邊剪和下碎邊剪設(shè)置為剛體，由于碎邊剪剪切前廢料還連接在剛板上，假定有虛擬壓板將廢料壓在下碎邊剪上，對(duì)上剪刃施加向下的剪切力，同時(shí)對(duì)虛擬壓板施加壓緊力，邊界設(shè)置參考圖5。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格六面體劃分，共劃分27855個(gè)網(wǎng)格，132196個(gè)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)剪切力的仿真計(jì)算結(jié)果見圖6，隨著剪切的逐步進(jìn)行中，剪切力緩慢爬升，在0.0627s時(shí)達(dá)到最大剪切力，此時(shí)鋼板被剪切部位的應(yīng)力已達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限[3]，最大剪切約為1.35×106N，此后剪切力隨著時(shí)間逐漸降低，deform在計(jì)算時(shí)并不會(huì)將廢料切斷，此時(shí)仿真中的兩截廢料之間有少許粘連，但廢料已被切斷。最大剪切力相比表2中的剪切力5613kN相差巨大，而和表53中的1960kN比較接近，再次印證富姆公式只適用于小間隙的剪切計(jì)算。

仿真過程中的鋼板變形各階段見圖7，從圖中可以發(fā)現(xiàn)由于剪刃間隙過大，廢料的上表面剪切部位處出現(xiàn)明顯的塌邊現(xiàn)象，與實(shí)際情況相附合。

此外通過對(duì)虛擬壓板的載荷跟蹤可以發(fā)現(xiàn)其最大壓緊力為7.81×105N，見圖8，壓緊力用抵抗剪切過程中帶來的彎矩。實(shí)際剪切過程中由于廢料與鋼板連接，彎矩由鋼板提供。

3.結(jié)語

滾切式雙邊剪采用斜刃剪方式對(duì)切邊后的廢料進(jìn)行碎斷處理，本文對(duì)碎邊剪剪切力進(jìn)行了分析。通常用富姆公式對(duì)斜刃剪的剪切力進(jìn)行計(jì)算，而大部分文獻(xiàn)在計(jì)算時(shí)將斜刃剪上、下剪刃的間隙設(shè)置過低，與實(shí)際應(yīng)用不符。通過富姆公式對(duì)滾切式雙邊剪的碎邊剪切力進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)間隙設(shè)置過大時(shí)計(jì)算結(jié)果失真。本文通過deform軟件對(duì)剪切力進(jìn)了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明富姆公式只適用于小間隙的計(jì)算，在剪切機(jī)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)初步對(duì)目標(biāo)材料所需要最大剪切進(jìn)行計(jì)算，并利用輔助軟件進(jìn)行模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1]周文戰(zhàn).新型滾切式雙邊剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].一重技術(shù)，2011.03：8-9

[2]徐利璞. 冷軋帶鋼斜刃剪設(shè)計(jì)及分析[J]. 冶金設(shè)備，2014（01）：43-45.

[3]林新波. DEFORM-2D和DEFORM-3DCAE軟件在模擬金屬塑性變形過程中的應(yīng)用[J]. 模具技術(shù)，2000（03）：75-80.

作者簡介：

劉益俏（1984-），男，湖南省湘潭市，漢，專科，助理工程師，從事冶金軋鋼機(jī)械專業(yè)。