閘式剪板機刀架剛性的有限元分析

李 塹，王金榮，冷志斌，朱燈林

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022 2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

閘式剪板機刀架剛性的有限元分析

李 塹1，2，王金榮2，冷志斌2，朱燈林1

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022 2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

剪板機刀架的剛性對金屬板材的剪切質量有著重要的影響，刀架剛性過小，將導致加工板材的直線度降低、毛刺變大，嚴重時會引起刀片的崩刃與機床剪切能力的下降。本文結合公司LGSK-6×4050型閘式剪板機新機型研發項目，建立了該機刀架剛性分析的力學模型，采用有限元方法對該機刀架的剛性進行了分析，分析得出了在剪切力與剪切水平推力共同作用下，不同剪切位置時刀架的變形規律，分析結果與實測值具有較好的一致性。該方法對閘式剪板機刀架的設計與剛度校核具有重要的指導意義。

機械制造；刀架；閘式剪板機；有限元分析

1 引言

剪板機廣泛運用于機械制造、汽車、造船、集裝箱制造、金屬結構、鍋爐 容器、家用電器及輕工等制造行業。剪板機刀架是剪板機的一個基本部件，工作時其在剪切力與剪切水平推力的作用下容易產生變形，因此，刀架結構的合理設計，對提高刀架強度和剛度，提升剪板機剪切質量與加工能力，減輕刀架的重量，提高機床的經濟性，都具有直接的影響。

由于剪板機刀架的結構比較復雜，采用經典的材料力學方法很難對其進行求解，有限元技術的發展為刀架剛性分析提供了一個有效的途徑。文獻[1]采用ANSYS中的APPL語言編寫移動載荷各個載荷部的信息，研究了移動載荷作用下刀架的變形、等效應力和等效應變。但在分析時只考慮了剪切力的作用，沒有考慮剪切水平推力的作用，實際上剪板機剪切工作時，剪切水平推力作用下剪板機刀架的撓度變形對板材的剪切質量影響最大。本文以LGSK-6×4050型閘式剪板機為例，采用有限元方法對剪板機刀架剛性進行了分析，得出了剪切力與剪切水平推力作用下刀架的變形規律，為剪板機刀架的結構設計與剛性校核提供了理論指導與依據。

2 剪切力與剪切水平推力的計算

剪板機剪切板材時，刀架要受到剪切力與剪切水平推力的共同作用。目前，斜刃剪切力計算公式普遍采用下式[2，3]：式中：σb——被剪板料的抗拉強度；

δ5——被剪板料的伸長率；

h——被剪板料的厚度；

α——剪切角；

K——刀片磨鈍系數，一般取K=1.2；

Z、X、Y——彎曲系數、壓料角距離系數、刀片間隙系數。

刀架所受的剪切水平推力T為：斜刃剪板機剪切板料時剪切區的示意如圖1所示，在剪切區域，刀片與被剪板料的接觸長度S為：

為簡化計算，認為剪切力在長度為S、寬度為刀片寬度t的長方形區域內均勻分布。

對于剪切水平推力的作用區域，目前國內外尚無相關文獻報道。根據剪切理論，可以認為刀片與被剪材料的彈性接觸區即為剪切水平推力的作用區域。因而設定剪切水平推力的作用范圍為斜邊為S，夾角α所對邊長為剪切板材厚度h的直角三角形區域。為簡化計算，同樣認為剪切水平推力在此區域內均勻分布。

3 研究對象

LGSK-6×4050型閘式剪板機刀架結構見圖2。產品用戶在使用過程中發現，刀架水平方向的變形對被剪板材的剪切質量影響較大。剪板機在剪切高強度板材比如不銹鋼時的毛刺較大。因而，這里主要分析3mm厚不銹鋼板材剪切時刀架水平方向上的變形情況，根據式（1）、（2）計算可得剪切力P與剪切水平推力T分別為158.7kN與47.6kN。

4 有限元模型的建立

4.1 模型簡化

剪板機刀架為焊接件，若考慮各焊接零件之間接觸面的類型、接觸面的摩擦系數、焊縫的位置和類型等因素則會大大增加計算處理的復雜性，不利于模型網格的控制和生成。為了建立合理的有限元力學模型，在保證計算模型的幾何特性、力學特性和真實情況相近的條件下，做如下簡化：

（1）對不重要的零件幾何要素進行簡化。螺栓孔、非受力面的安裝螺孔等在計算中作用小的幾何元素進行簡化。這樣可以減小建模的工作量；提高模型的網格質量；加快計算的速度。

（2）對關鍵受力區域的焊縫按倒角或者倒圓角進行處理，這樣可以更接近實際制造焊接件的情況，以保證計算的準確性。

4.2 邊界條件的添加

閘式剪板機采用三支點滾輪導軌結構支撐刀架，刀架連接在油缸活塞桿上，在導軌之間作往復直線運動，如圖3所示。后兩支點固定在墻板上，前支點為碟簧滾輪支座，固定在壓料梁上，使刀架始終貼合在后兩支點上。調整刃口間隙時，按下間隙調整按鈕，電機經減速機，帶動同步軸轉動，由于上支點為偏心的，就使刀架在下支點上作微量轉動，從而改變刃口間隙值[4，5]。

刀架的三支點導軌結構限定刀架只能在導軌之間往復直線運動，因而在有限元分析時，限定在導軌面上添加約束條件為滾柱滑動，限定其只能沿導軌面上下移動。刀架經油缸支座連接到油缸活塞桿上，限制刀架上下移動，但允許其繞銷軸孔轉動，因而在油缸支座銷軸孔上添加約束條件為鉸鏈。

根據式（1）、（2）計算剪切力與剪切水平推力的大小，在剪切力與剪切水平推力作用區域添加均勻分布的法向載荷。刀架剛性有限元分析的邊界條件見圖4。

為了系統分析剪切位置不同時刀架的變形規律，本文選取有代表性的三個剪切位置進行了分析（圖5）。其中A和C為后擋料安裝位置，為設置后擋料裝置，在刀架水平板以及斜板上進行了開孔，這些孔會減小刀架的強度與剛性。B點為立板的中間位置，剪切力作用在此位置時，刀架的剛性最差，變形最大。

5 分析結果

對上面建立的有限元模型進行網格劃分與迭代求解，得到3mm不銹鋼板材剪切時刀架的位移云圖與變形形狀如圖6所示。刀架水平方向的變形與位移云圖如圖7所示。

由于影響剪切質量的主要是刀架水平方向的位移與變形，而刀架垂直方向的位移對剪切質量的影響較小，因而主要對刀架下端水平方向的變形進行分析。不同位置剪切時刀架下端水平方向的撓曲變形曲線如圖8所示。不同剪切位置時刀架水平方向上的最大位移見表1。

從上面分析可見：①剪切位置位于B點時，刀架水平方向的撓曲變形最大，C點次之，A點最小。②刀架水平方向的撓曲變形曲線在后擋料的安裝處有一定的突變，這主要是為了安裝后擋料，在刀架上設置了一些孔洞，這些孔洞導致刀架局部剛性的減弱。實踐生產中，此處刀架的剛性過差常會引起剪切刀片崩刃，在設計中要特別注意。

6 結論

本文采用有限元方法對公司新開發的LGSK-6×4050型剪板機刀架的剛性進行了分析。在剪切力與剪切水平推力的共同作用下，刀架會產生較大的水平方向的位移，此位移會引起上、下刀片之間的間隙加大，導致剪切板材的毛刺較大；后擋料安裝處刀架的局部剛性較差，刀架水平方向的變形曲線在后擋料的安裝處有一定的突變，增大較多，此處刀架的剛性過差常會引起剪切刀片的崩刃，應在設計中特別注意。作者根據分析得到的結果以及設計目標，對剪板機機構進行了一定的優化設計與結構改進，取得了較好的效果，具體請見后續報道。本文中建立的基于有限元的剪板機刀架剛性分析方法，對剪板機刀架的設計、結構分析以及強度校核具有一定的指導意義。

表1 不同剪切位置時刀架水平方向的最大撓度/mm

[1]劉營營，王 強，楊晉穗，徐濟聲.基于ANSYS的液壓剪板機刀架有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術，2009，（6）:35-39.

[2]徐會彩，李金山.斜刃剪板機剪切力的研究[J].鍛壓裝備與制造技術 ，2010，45（4）:29-31.

[3]張慧光.剪板機設計[M].沈陽鍛壓機床廠編譯，1978:2-13.

[4]何應東，岳金成，馬會元.閘式剪板機三點滾輪位置分布與受力分析[J].金屬加工，2009，（15）:50-51.

[5]張冠軍，王 靜，周德宇，王修朝.剪板機滾動導軌設計中的幾個問題[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（5）:44-46.

Finite element analysis of the rigidity of tool carrier on brake type plate shear

LI Qian1，2，WANG Jinrong2，LENG Zhibin2，ZHU Denglin1
（1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hehai Univeristy，Changzhou 213002，Jiangsu China；2.Jiangsu Yawei Machine Tool Co.，Ltd.，Jiangdu 225200，Jiangsu China）

The rigidity of tool carrier on plate shear affects the shear quality greatly.The straightness of the processed plate will decrease and its burr will increase if the rigidity is too low，which even leads to the tipping of the blade and the decrease of shearing ability.The mechanical model of the LGSK-6×4050 new brake type plate shear has been established to study its rigidity.The deformation rules of the tool carrier under different shear position have been obtained by use of a finite element method.The analysis result coincides to the measurement result well.The method proposed in the text provides a guide for the design and intensity alignment of the tool carrier on brake type plate shear.

Tool carrier；Brake type plate shearing machine；Finite element analysis.

TG315.5+5

B

2011-08-30

李 塹（1978-），男，博士，從事數字化設計與制造、鍛壓機床設計與制造的教學與科研

1672－0121（2011）06－0033－04