飛剪剪刃的刃口形狀和剪刃副側(cè)隙對剪切力及剪切斷面質(zhì)量的影響

鄔明均 劉增民 顧煬

摘要：為避免飛剪切頭過程中出現(xiàn)加工事故以及提高熱軋鋼筋切頭后的斷面質(zhì)量，通過采用商業(yè)有限元分析軟件建立飛剪剪切模型，研究了飛剪剪刃的刃口形狀和剪刃副側(cè)隙等相關(guān)參數(shù)對剪切力的大小和切頭后軋件斷面質(zhì)量的影響，為合理選擇剪刃刃口形式及剪切工藝參數(shù)提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：切頭 有限元 剪刃刃口形式 剪刃副側(cè)隙 剪切力 斷面質(zhì)量

引言

我國是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國之一，現(xiàn)如今除了建筑以外，鐵路、隧道、橋梁等各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也普遍采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼材年消費量十分可觀。熱軋帶肋HRB400Ⅲ級鋼筋是目前國家重點推廣的建筑用鋼更新?lián)Q代產(chǎn)品，材料的各項性能優(yōu)異，且作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的增強材料而被廣泛使用，逐漸成為鋼材中消耗最多的產(chǎn)品[1]。飛剪作為連續(xù)式熱軋鋼筋生產(chǎn)線上不可或缺且復(fù)雜的設(shè)備，主要用來對運動中的軋件進(jìn)行切頭、切尾、切定（倍）尺，以及事故處理和樣品剪切等。在實際剪切過程中，剪刃作為飛剪機上的關(guān)鍵零部件之一，不合理的參數(shù)設(shè)置往往會制約軋件的成品率。目前針對飛剪剪切力及剪切斷面質(zhì)量開展的相關(guān)模擬研究大都基于平剪刃，異型剪刃的研究較少，組合式剪刃尚未看到相關(guān)報導(dǎo)[2-4]。

1 飛剪切頭有限元模型建立

本論文的研究主要針對曲柄連桿式飛剪機對熱軋帶肋HRB400Ⅲ級鋼筋進(jìn)行粗軋切頭的情況，仿真模擬前提條件：飛剪機曲柄半徑205mm，剪刃重合量3mm，剪切溫度900℃。仿真時以鋼筋規(guī)格、切頭速度、剪刃刃口形式、剪刃副側(cè)隙為變量（模擬試驗中選取了兩種粗軋鋼筋規(guī)格：Φ90mm及Φ120mm，兩種飛剪剪切速度：0.6m/s、1.5m/s，三種剪刃組合形式：平剪刃、三角剪刃、組合剪刃，五種剪刃副側(cè)隙：0mm、0.15mm、0.3mm、0.5mm、1mm），研究這四個因素對剪切力及剪切斷面質(zhì)量的影響。

在UG中對兩種刃口形式的飛剪剪刃（平剪刃及三角剪刃）進(jìn)行三維模型的繪制，剪刃除刃口形式不相同以外，其余尺寸參數(shù)均一致，對上述剪刃進(jìn)行兩兩組合，產(chǎn)生了上述三種不同的剪刃副形式，具體剪刃刃口形式及其與軋件間的放置關(guān)系如下圖1所示。

由于在實際剪切時，鋼筋產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域會生成較大的應(yīng)變，距離刀具越遠(yuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變越小，故在使用商業(yè)有限元分析軟件模擬飛剪對粗軋鋼筋切頭時，采用了在軋件應(yīng)力較為集中的部位——上、下剪刃刃口附近網(wǎng)格劃分較為密集，其余區(qū)域比較稀疏的網(wǎng)格劃分形式，從而能夠更好地反映出軋件變化梯度較大的部分?jǐn)?shù)據(jù)的變化規(guī)律。為了防止飛剪在對鋼筋的一端切頭時，另一端發(fā)生翹起和跑偏，在仿真過程中對被剪軋件遠(yuǎn)離刀具的一端進(jìn)行了約束處理，以便更加真實地還原熱軋鋼筋粗軋切頭時的過程。

鋼筋切頭屬于韌性斷裂，而韌性斷裂是一個非常復(fù)雜的過程，與很多參數(shù)如應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、摩擦、溫度以及材料參數(shù)、空穴、第二相粒子等有關(guān)，只有建立合理的材料局部斷裂準(zhǔn)則才能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料加工成型過程中的斷裂情況[5]。Normalized C&L斷裂準(zhǔn)則預(yù)示韌性斷裂不僅依存于剪切應(yīng)力，而且與拉伸應(yīng)力有關(guān)，只有最大主應(yīng)力是拉伸應(yīng)力的區(qū)域才對局域破壞起作用，與飛剪實際切頭過程中軋件在塑性變形狀態(tài)下發(fā)生剪切分離，變形后期剪切帶出現(xiàn)巨大拉應(yīng)力導(dǎo)致軋件斷裂的情況相吻合，因此，本論文在進(jìn)行飛剪剪切有限元分析時采用了Normalized C&L斷裂準(zhǔn)則[6-7]。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1剪切參數(shù)的變化對剪切力的影響

2.1.1剪切速度 ? ?當(dāng)剪切速度由0.6m/s上升到1.5m/s時，擬合后的剪切時間與剪切力的關(guān)系曲線如圖2所示，平剪刃、三角剪刃及組合剪刃的剪切時間均有很大程度的下降，平剪刃切頭時的最大剪切力增大幅度大于三角剪刃及組合剪刃。結(jié)果表明隨著剪切速度的增大，剪切力也增大，帶來的沖擊和變形抗力也越大。故對單純使用平剪刃而言，剪切的速度不能太快，但是剪切速度慢又會影響生產(chǎn)效率，所以在允許剪切能力范圍內(nèi)，可以適當(dāng)提高剪切速度。

2.1.2鋼筋規(guī)格 ? ?以0.6m/s的剪切速度在900℃時分別對Φ90mm、Φ120mm兩種規(guī)格的軋件進(jìn)行切頭模擬，從圖3的剪切力分布曲線中可以看出，在相同試驗條件下，三種剪刃組合形式下的剪切力均隨著軋件規(guī)格的增大而增大，說明剪切力與軋件的面積是成正比的。

2.1.3剪刃副側(cè)隙

圖4上所注剪刃1、2、3分別表示平剪刃、三角剪刃、組合剪刃，下剪刃所受最大剪切力大小為上剪刃數(shù)值+增加數(shù)值。對比圖中4種切頭情況，結(jié)果表明，剪刃所受的最大剪切力隨著剪刃副側(cè)隙的變化而變化，而三種組合形式的上剪刃所受剪切力雖有變化但變化程度均不大，側(cè)隙增大對下剪刃所受的剪切力影響較大。主要原因是在對軋件進(jìn)行粗軋切頭時，靠近刀具的被切端部由于沒有外界施加的約束，上刀片壓入后，在剪切力形成的力偶的作用下，軋件被剪部分會向下彎曲、撕裂，造成上剪刃與軋件間的接觸面積逐漸減少，二者間的摩擦也隨之減小，且被剪部分還會對下剪刃有一定的擠壓作用，故下剪刃所受的剪切力大于上剪刃。

2.1.4剪刃刃口形式 ? ?如上圖4所示，一旦選取了合適的剪刃副側(cè)隙，由于軋件在三角剪刃間的塑性變形區(qū)域范圍較大，變形區(qū)域內(nèi)的拉應(yīng)力成分明顯大于平剪刃及組合剪刃，更加有利于軋件裂紋的擴展，故三角剪刃上所受的最大剪切力會明顯小于另外的兩種剪刃副組合形式。

2.2剪切參數(shù)的變化對軋件斷面質(zhì)量的影響

2.2.1剪刃副側(cè)隙 ? ?表1結(jié)果顯示，適當(dāng)?shù)卦龃蠹羧懈眰?cè)隙能一定程度上增大光亮帶的長度，改善軋件斷面的質(zhì)量。

2.2.2剪刃刃口形式 ? ?剪切后的軋件斷面結(jié)果見表2、3，平剪刃剪切的圓鋼斷面垂直，光亮帶較長，毛刺較少，并且在不同的仿真參數(shù)條件下都能保正高且穩(wěn)定的剪切斷面質(zhì)量;三角剪刃剪切的斷面質(zhì)量不夠穩(wěn)定，在大部分試驗仿真條件下，斷面不夠垂直，光亮帶短，產(chǎn)生的毛刺較多且長，但高速剪切大規(guī)格的軋件時，斷面質(zhì)量有所改善。組合剪刃剪切的斷面質(zhì)量情況居于前兩種剪刃形式之間。主要原因是飛剪機在對圓鋼切頭過程中，平剪刃與圓鋼由剛接觸時的點接觸，隨著軋件與剪刃接觸部分的下移切口部分逐漸增大變成線接觸，變形部分隨之增大;而三角剪刃與圓鋼從剛接觸開始就為弧面接觸，變形部分自始至終都很大，體積轉(zhuǎn)移顯著，從而毛刺明顯，導(dǎo)致斷面質(zhì)量不如另外兩種剪刃形式。

3結(jié)論

（1）飛剪在單純使用平剪刃時，切頭速度不能太快，為滿足生產(chǎn)效率可在剪切能力范圍內(nèi)適當(dāng)提高剪切速度。

（2）剪切力會隨著軋件規(guī)格的增大而增大，剪切力與軋件的面積成正比。

（3）剪切力隨著剪刃副側(cè)隙的變化而變化;三種組合形式的下剪刃所受的剪切力均大于上剪刃，上剪刃受剪刃副側(cè)隙變化的影響不大;在合適的剪刃副側(cè)隙條件下，三角剪刃所受的剪切力是三種形式的剪刃中最小的。

（4）多種剪切仿真試驗條件下，平剪刃在多數(shù)情況下都能保持高而穩(wěn)定的剪切質(zhì)量;三角剪刃剪切的斷面不夠垂直，光亮帶短，毛刺較多且長，但高速剪切大規(guī)格的軋件時，斷面質(zhì)量有所改善;組合剪刃剪切的斷面質(zhì)量居于二者之間。

綜上所述，在對小規(guī)格軋件進(jìn)行切頭作業(yè)時，為保證軋件斷面質(zhì)量，應(yīng)盡量選擇平剪刃;高速剪切大規(guī)格軋件時，在斷面質(zhì)量要求不高的情況下可以考慮選用三角剪刃來降低剪刃所受剪切力，從而延長剪刃壽命。

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