楊 競(jìng)，劉書浩，范 云

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

0 前言

剪切機(jī)作為鋼鐵加工工業(yè)中重要的輔助設(shè)備，不但決定帶鋼剪切質(zhì)量的高低，也對(duì)隨后加工流程起著重要的作用。圓盤剪切機(jī)剪切效率高，因而被廣泛應(yīng)用。但是由于工作參數(shù)配合等因素的限制，其剪切質(zhì)量較差。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)在冷軋作業(yè)線上，利用φ 407 mm的雙邊圓盤剪(圖1所示)進(jìn)行切邊時(shí)，發(fā)生切邊不齊現(xiàn)象，探究影響剪切質(zhì)量的原因。

本文借助計(jì)算機(jī)輔助分析手段，利用Deform-3D有限元分析軟件對(duì)該剪切系統(tǒng)進(jìn)行CAE分析，得到了被剪切帶鋼的邊界應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合理論知識(shí)分析，得出了剪切參數(shù)與剪切質(zhì)量之間的影響關(guān)系及規(guī)律［1］。

1 圓盤剪切機(jī)工作原理

圖1 圓盤剪實(shí)際工作圖Fig.1 Picture of disc shearing machine

圓盤剪切機(jī)工作原理如圖2所示，帶鋼受到張緊力的作用，水平向右移動(dòng)，通過壓緊輥并持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)(由于剪切過程中存在帶鋼與剪刃之間的摩擦，會(huì)使帶鋼受力不平衡而產(chǎn)生上下跳動(dòng)，所以必須通過壓緊輥使帶鋼不能上下跳動(dòng)，壓緊輥與帶鋼之間是只接觸不受力)。最后通過存在側(cè)向間隙和豎直方向重合度的上下剪刃，使帶鋼邊緣被剪切下來，由于是無動(dòng)力圓盤剪(剪刃是沒有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的)，所以在剪切過程中，帶鋼與剪刃之間的摩擦力使圓盤剪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)［1］。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle of disc shearing machine

2 有限元模型的建立

在Pro/E軟件中建立與實(shí)際比例為1:1的實(shí)體模型。利用圓盤剪切機(jī)幾何對(duì)稱、工作對(duì)稱特性建立半邊模型，不但可以減少計(jì)算量，還可以加密剪切區(qū)網(wǎng)格，使仿真數(shù)據(jù)更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)模型如圖3所示。

2.1 模型幾何尺寸

模型尺寸按1:2建立，尺寸見表1。

表1 剪刃和帶鋼尺寸表Tab.1 List of cutting blade and strip dimensions

圖3 模型圖Fig.3 Diagram of shearing model

2.2 材料特性

被剪切帶鋼材料選用45#鋼，選取材料庫(kù)中的 AISI－1045，COLD［70F(20C)］。斷裂準(zhǔn)則選用當(dāng)今和有限元代碼結(jié)合最好的Cl準(zhǔn)則，選取軟件 Fracture 中的 Cockcroft＆Latham［2-3］。

式中，εf是斷裂的等效應(yīng)變;εmax是最大等效拉伸應(yīng)力;d ε是等效應(yīng)變?cè)隽?c是由壓縮實(shí)驗(yàn)得到的材料常數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分及載荷施加

采用Deform提供四面體網(wǎng)格單元對(duì)帶鋼進(jìn)行網(wǎng)格劃分。約束如下:

(1)帶鋼頭部施加300 mm/s的速度以及施加1000 N的張緊力;

(2)帶鋼左側(cè)(剪切測(cè))水平位移約束;

(3)帶鋼右側(cè)(遠(yuǎn)離剪切側(cè))豎直位移約束;

(4)剪刃5自由度位移約束(只可以做繞中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng));

(5)剪刃與帶鋼接觸面摩擦系數(shù)為0.12。剪切效果如圖4所示。

圖4 剪切效果圖Fig.4 Shearing effect chart

3 工況仿真及分析

3.1 剪刃重合度對(duì)帶鋼剪切影響

在實(shí)際剪切過程中，帶鋼與剪刃之間的沖擊、進(jìn)給過程中帶鋼速度均勻性以及張緊力的平穩(wěn)性等都會(huì)對(duì)剪切質(zhì)量造成影響。其中重合度、間隙是影響剪切質(zhì)量最為重要的參數(shù)，本文以重合度、間隙為變量建立重合度工況表進(jìn)行分析，見表2。

(1)剪刃重合度對(duì)帶鋼邊部應(yīng)力分布及其彎曲影響。圖5為從表2的1A、1D、1G三組工況中取第18－22，28－32，38－42三組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖。從圖5的三組應(yīng)力分布圖的對(duì)比中可以看出，當(dāng)重合量增大時(shí)，邊部所受應(yīng)力減小，邊部受力后彎曲的程度明顯。

(2)剪刃重合度對(duì)剪切力的影響。根據(jù)圖5對(duì)應(yīng)工況下的剪切力隨剪刃重合度的變化歷程可以得出表3。

表2 重合度變量工況表Tab.2 working condition of contact ratio variables

表3 剪切力大小隨重合度變化表Tab.3 Variation of shearing force with contact ratio

圖5 剪刃重合度對(duì)帶鋼邊部應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution at strip cutting edge at different contact ratio

從表3中可以看出隨著剪刃重合度的增大，剪切力不斷減小。而且?guī)т撌苌霞羧械募羟辛π∮谙录羧?，且波?dòng)程度也沒有下剪刃劇烈，可推出在剪切過程中，帶鋼所受上下剪切力不平衡導(dǎo)致上下剪刃進(jìn)入帶鋼剪切位置不對(duì)稱，是導(dǎo)致產(chǎn)生毛刺的重要原因。此外當(dāng)重合度過小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的剪切力，造成邊部彎曲和叩頭現(xiàn)象［4］。

(3)公式論證。建立如圖6所示的帶鋼被剪切過程力學(xué)模型。

圖6 剪切示意圖Fig.6 Shearing diagram

由文獻(xiàn)［5］可知剪切力p的計(jì)算公式。

式中，p1為純剪切力;α為弦AB與CD間夾角的一半;z1為由被剪掉的板邊寬度與板厚的比值確定的系數(shù);ε為斷裂時(shí)的相對(duì)切入深度;δ為材料的延伸率;a為平行剪單位剪切功;h為鋼板厚度。

當(dāng)重疊量s增加時(shí)，式(3)中cosα減小，說明α變大(0～90°內(nèi))，隨之tgα增加，使式(2)中純剪切力減小，帶入式(1)中可知總剪切力減小，所以當(dāng)重疊量增加時(shí)，剪切力下降［5］。

3.2 剪刃間隙對(duì)帶鋼剪切影響

根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)可知，在剪切過程中剪刃的側(cè)向間隙對(duì)帶鋼的剪切質(zhì)量要比重疊量的影響要敏感得多，所以對(duì)合理的側(cè)隙值的研究是探求提高剪切工藝的關(guān)鍵，建立間隙工況表見表4。

表4 間隙變量工況表Tab.4 Working condition of gap variables

(1)剪刃間隙對(duì)邊部應(yīng)力分布及其彎影響。圖7為從表4的2A、2C、2E三組工況中取第18－22，28－32，38－42步三組數(shù)據(jù)的應(yīng)力分布圖。從以上三組圖上可以直觀看出當(dāng)間隙減小時(shí)時(shí)，邊部所受應(yīng)力增大，使邊部褶皺的程度也更加明顯［6］。

(2)剪刃間隙對(duì)剪切力的影響。根據(jù)圖7對(duì)應(yīng)工況下的剪切力隨剪刃間隙的變化歷程可以得出表5。

由表5看出，隨著剪刃間隙的減小，剪切力不斷增加。說明當(dāng)剪刃間隙減小時(shí)，帶鋼受到的應(yīng)力更大，剪切力也更大，更容易剪斷帶鋼;反之如果剪刃間隙過大時(shí)，帶鋼不容易被剪斷，而是被撕裂。這是因?yàn)楫?dāng)剪刃間隙較小時(shí)，更加接近理論剪切情況，兩個(gè)剪刃之間的間隙減小，就是減小了無效剪切力矩，使上線剪刃對(duì)帶鋼剪切位置更加接近，因此提高了邊部剪切質(zhì)量，減少毛刺、鋸齒形裂紋等現(xiàn)象的發(fā)生;反之如果剪刃間隙過大，上下剪刃對(duì)帶鋼剪切產(chǎn)生的裂縫間距較大，廢鋼側(cè)對(duì)帶鋼內(nèi)側(cè)產(chǎn)生撕裂作用，出現(xiàn)“魚鱗紋”現(xiàn)象，導(dǎo)致切邊質(zhì)量的降低［7-8］。

表5 剪切力大小隨間隙變化表Tab.5 Variation of shearing force with gap

圖7 剪刃間隙對(duì)被剪帶鋼邊部應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution at strip shearing edge at different blade clearances

4 結(jié)論

(1)當(dāng)剪刃重合度增大時(shí)，剪切力、剪切邊界應(yīng)力減小。但如果重合度過小時(shí)，會(huì)使剪切邊部產(chǎn)生叩頭現(xiàn)象;反之，重合度太大，會(huì)造成帶鋼剪不斷而是被撕裂現(xiàn)象。

(2)當(dāng)剪刃間隙減小時(shí)，剪切力、帶鋼邊界應(yīng)力增大。但如果間隙太小時(shí)，由于剪切力過大，由于剪切力過大，會(huì)產(chǎn)生二次剪切現(xiàn)象，在斷面產(chǎn)生兩條光亮帶;反之，如果間隙太大，則會(huì)造成帶鋼被撕裂，產(chǎn)生“撕裂型”毛刺。

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