擺式剪板機剪切過程中的刀片間隙補償研究

張 進，高建和

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 前言

在擺式剪板機剪板過程實驗測試中發(fā)現，上下刀片刃口間隙量的變化，在整個剪床剪口長度上，中間較兩邊嚴重。這也是剪板機在實際工作中造成加工件斷口不平整、產生翹曲、斷面組織被拉伸扯斷的主要原因，不僅影響到剪切質量，而且影響機床受力及刀片壽命[2]。

本文利用Solidworks進行物理模型的建立，然后導入ANSYS Workbench進行了靜態(tài)有限元分析，分析得到上下刀片的位移變形值，然后利用ANSYS Workbench優(yōu)化方法優(yōu)化工作臺結構，補償下刀片變形，進而補償刀口間隙。

1 擺式剪板機的有限元靜態(tài)分析

1.1 建立有限元模型

本文對擺式剪板機進行靜態(tài)分析采用的有限元軟件為ANSYS Workbench。ANSYS Workbench用來模擬復雜的多物理場環(huán)境的實際工程問題，它在工程項目頁面引入了項目流程圖，通過各個分析系統(tǒng)間的連接，將分析過程結合在一起，每個分析系統(tǒng)的數值模擬過程一般采用簡化假定或者真實的模型，將CAD模型構造成有限元網格模型，再通過施加載荷和邊界條件后，運行求解得到分析結果，分析系統(tǒng)之間通過共同變量建立關聯(lián)[4]。

在本文中，不影響擺式剪板機剛度及強度的情況下，對一些結構進行忽略，如結構中的倒角、圓角及圓孔等。擺式剪板機的有限元模型如圖1所示。

圖1 擺式剪板機有限元模型

1.2 材料參數

由于只需對剪板機進行靜態(tài)的剛度分析，所以只需將材料的彈性模量及泊松比等參數賦予相應部件即可，剪板機材料為Q235鋼，取彈性模量為210GPa，泊松比 0.3。

1.3 網格劃分

網格劃分是有限元分析最關鍵的一個步驟，網格劃分的質量和優(yōu)劣直接影響到解算的精度和速度。它不僅繁瑣、費時，而且在許多地方依賴于操作者的經驗和技巧。

對本模型一些不規(guī)則體進行切割以期劃分網格時可以采用掃掠型網格劃分方法，得到六面體網格，可以節(jié)約計算時間，減少成本。網格劃分后的模型如圖2所示。

圖2 網格劃分

1.4 載荷與約束的處理

1.4.1 載荷施加

擺式剪板機剪切力計算大多是依據刀架做直線運動剪板機剪切力算式進行的，即采用前蘇聯(lián)學者諾沙里公式[1]

式中：σb——金屬板材的強度極限，MPa；

δx——金屬板材的延展率；

h——金屬板材的厚度，mm；

k——刀片磨鈍系數；

φ——剪切角，°；

X、Y、Z——分別為彎曲系數、剪刃側向間隙相對值、壓料系數。

剪切力計算后，由經驗公式算得水平推力及壓料力，再由力平衡公式得到兩個剪切油缸的作用力大小。計算所得載荷大小如表1所示。

表1 載荷大小

1.4.2 約束的處理

有限元實際計算中必須對約束條件的處理給予足夠重視，若處理不當，就不可能獲得符合實際的結果，甚至方程出現畸性。本文中機架主要由左右兩墻板底面通過地腳螺栓與地面進行固定連接，所以對機架的底面地腳螺栓處施加固定約束；刀架與機架的連接處是鋼與鋼有潤滑的摩擦，取摩擦系數0.05，刀架尾部端面限制Y、Z方向的自由度。

1.5 計算結果分析

剪切力隨著剪切位置的變化，剪切力施加位置點也在發(fā)生變化，其他的載荷施加點位置不變。所以在本次有限元計算中，剪切力從距刀座左側100mm處開始施加，共施加8處。

1.5.1 上刀片

從位移云圖中可看到，當剪切力施加在刀片中間位置的時候，上刀片沿著X軸負方向變形且中間位置位移變形量較大，影響剪切質量。圖3是剪切力施加在距刀座左側1700mm處的上刀片位移云圖。

上刀片位移變形計算結果如表2所示。

1.5.2 下刀片

從下刀片位移云圖中可以看到，當剪切力施加在刀片中間位置時，下刀座沿著X軸正方向變形，同上刀架類似，中間位置的位移變形量較大，這樣直接導致上下刀刃之間間隙量的變大，影響了剪切質量，嚴重時會磨損刀片，降低刀片的使用壽命。圖4是剪切力施加在距刀座左側1700mm處的下刀片位移云圖。

圖3 剪切力1700mm加載點位移云圖

表2 上刀片計算位移變形量

圖4 剪切力1700mm加載點位移云圖

下刀片位移變形計算結果如表3所示。

表3 下刀片計算位移變形量

為了直觀形象地表示出擺式剪板機剪切過程中上下刀片變形量的變化從而導致間隙的變化，將所得數據繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 上下刀片變形量

由于本文中的剪板機剪切間隙為0.42mm，剪板機剪切過程中的上下刀片變形量的絕對值加上剪切間隙即為剪板機剪切過程中的間隙量。

2 剪板機間隙補償

圖6 工作臺下刀片受力分析

根據擺式剪板機的結構，工作臺處的刀片主要承受水平推力F1和剪切力F2，而且工作臺易于改造，對間隙的補償較易實現。如圖6所示，在剪切力F2的作用下，下刀片有沿著X正方向變形的趨勢，在水平推力F1的作用下，下刀片有沿著X負方向變形的趨勢，為使下刀片在F1和F2綜合作用下X方向上變形最小，本文采用ANSYS Workbench中的DOE技術（基于Workbench平臺的設計變量研究及多目標優(yōu)化工具，優(yōu)化設計的主要數據處理工作由DesignXplorer完成）來減小剪板機剪切過程中間隙量的變化，盡量使間隙趨于常值。

以下刀片的位移變形量為優(yōu)化目標，可以給出最優(yōu)化問題的數學模型如下式[5]：

式中，X={α，β，m，n}T稱為設計向量或設計變量，S（X）為目標函數，gi（x）為約束條件，這是組成約束函數的基礎，而δ則為約束條件的最大值。根據設計要求，約束條件可以是結構的應力或位移，也可以是整個結構的固有頻率值。

根據擺式剪板機工作臺的結構特點及在工作時的受 力狀態(tài)，工作臺處的兩斜板角度及斜板厚度進行優(yōu)化（圖7），得到優(yōu)化結果如表4所示。

表4 下刀片改進前后結果比較

由優(yōu)化后的數據得知，下刀片的最大位移變形為0.143mm，而優(yōu)化前分析計算的最大變形為0.182mm，優(yōu)化后比優(yōu)化前的位移變形減小了21%，有效降低了下刀片的變形量，在一定程度上減小了刀刃間隙量。如圖8所示更為直觀形象地表示出改進的效果。

以圖表和響應面的方式顯示研究目標隨著設計參數的變化情況，主要檢驗單個或多個參數變化對模型結果產生的綜合影響，并分析每個參數及參數之間的相互作用對模型的影響。

圖8 優(yōu)化前后比較

從圖9可以看到單個參數變化的影響，從圖10可以看到兩角度參數對機床剛度的響應面。

圖9 單個角度設計參數的影響

3 結論

圖10 兩個角度設計參數的影響

通過對擺式剪板機整機模型的有限元靜態(tài)分析，得到上刀片、下刀片的位移變形，以及上、下刀刃之間間隙量的變化，利用ANSYS Workbench中的DOE技術補償下刀片位移變形，減小了上、下刀刃之間的間隙量，提高了剪切質量。

[1] 沈陽鍛壓機床廠.剪板機設計[M].1978.

[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] 張永樣.剪板機最佳剪切間隙的研究[J].海軍工程學院學報，1995，（1）：49-52.

[4] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術.北京：中國水利水電出版社，2012.

[5] 馬立峰，黃慶學，李 穎，等.新型滾切剪空間剪切機構優(yōu)化數學模型的建立及應用[J].四川大學學報（工程科學版），2008，（2）.

[6] 周 桓，陳 伶，胡建民.擺式剪板機刀架設計.鍛壓裝備與制造技術，2004，39（1）：20-21.