飛剪機(jī)剪刃磨損數(shù)值模擬分析

石登仁 尹忠俊 任德國(guó)

(1:北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083;2:首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北唐山063200)

1 引言

飛剪機(jī)作為現(xiàn)今生產(chǎn)工業(yè)中重要的輔助設(shè)備，在各行業(yè)的生產(chǎn)與加工中，尤其是帶鋼生產(chǎn)線上均得到廣泛的應(yīng)用，有著不可替代的位置［1］。滾筒式飛剪機(jī)因?yàn)橛兄Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，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，其剪刃壽命不高，平均使用周期縮短，由于剪刃較貴，而且換剪刃時(shí)需要冷卻、更換、校對(duì)、試切、調(diào)整等工藝過(guò)程，停機(jī)較長(zhǎng)的時(shí)間，影響了生產(chǎn)的連續(xù)性，給企業(yè)造成較大損失［2］。以國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)在熱軋作業(yè)線上利用滾筒式飛剪機(jī)進(jìn)行熱軋帶鋼切頭時(shí)，發(fā)生剪刃壽命較短的現(xiàn)象，探究影響剪刃磨損因素。

對(duì)于傳統(tǒng)的分析往往無(wú)法得出剪刃應(yīng)力分布及剪刃磨損的變化規(guī)律，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)滾筒式飛剪剪切系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到了剪刃應(yīng)力分布情況，根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合理論知識(shí)分析得出了有關(guān)剪切參數(shù)與剪刃最大磨損量之間的影響，為提高剪刃壽命、優(yōu)化剪切工藝和刃形參數(shù)提供理論依據(jù)［3］。

2 飛剪機(jī)的工作原理與主要技術(shù)參數(shù)

滾筒式飛剪機(jī)主要部件包括電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、機(jī)架、上下滾筒和剪刃等。剪刃安裝在上下滾筒上，隨上下滾筒做圓周運(yùn)動(dòng)，帶鋼水平穿過(guò)上下滾筒時(shí)完成剪切過(guò)程，如圖1a)所示。上下剪刃存在的剪刃間隙和剪刃重合度(見(jiàn)圖1b))是飛剪機(jī)在工作時(shí)經(jīng)常需要調(diào)整的重要參數(shù)，適當(dāng)?shù)募羧兄睾隙饶鼙ＷC帶鋼能被順利剪切，剪刃間隙可以防止上下剪刃發(fā)生碰刀。飛剪機(jī)的主要技術(shù)性能如表1所示。

圖1 飛剪機(jī)剪切原理

表1 飛剪主要技術(shù)性能

3 有限元模型的建立

剪刃的磨損模型要根據(jù)熱軋帶鋼被剪切的工藝過(guò)程和在計(jì)算機(jī)上的可實(shí)現(xiàn)性來(lái)選取。選用由英國(guó)著名的摩擦學(xué)學(xué)者J.F.Archard教授提出的粘著磨損理論:Archard磨損模型，其表達(dá)式為

式中 ω—磨損深度;

P—磨具(刀具)表面正壓力;

v—滑動(dòng)速度;

a、b、c—標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對(duì)鋼而言，a、b 取 1，c取2;

K—與材料特性相關(guān)的常數(shù);

H—磨具初始硬度(HRC)［4］。帶鋼的斷裂準(zhǔn)則選用當(dāng)今和有限元代碼結(jié)合最好的 Cockcroft＆ Latham 準(zhǔn)則［5］。

被剪切帶鋼材料選用45#鋼，選取材料庫(kù)中的材料:Steel AISI－1045［1650－2200F(900～1200℃)］;剪刃材料選用 AISI－H －13［6－7］。

圖2 剪刃網(wǎng)格劃分、帶鋼剪切與應(yīng)力分布

在帶鋼和剪刃的寬度方向上的剪切過(guò)程和參數(shù)完全相同，所以在寬度方向上一個(gè)單位長(zhǎng)度(在此取40mm)進(jìn)行剪切模擬分析即可。有限單元體在剪切時(shí)變形嚴(yán)重，為了使計(jì)算能順利進(jìn)行，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。由于滾筒式飛剪機(jī)剪切工藝的特殊性，下剪刃的磨損更為嚴(yán)重，取下剪刃為研究對(duì)象，對(duì)刀尖進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，共57126個(gè)單元體，如圖2a)所示。

上下剪刃做半徑為640mm的圓周運(yùn)動(dòng)，帶鋼做水平直線勻速運(yùn)動(dòng)，剪刃的線速度和帶鋼運(yùn)動(dòng)速度相同。

4 工況仿真及分析

熱軋帶鋼剪切如圖2b)所示，帶鋼被剪切時(shí)工況比較復(fù)雜，不同的剪切速度、帶鋼厚度、剪切溫度、剪刃重合度和剪刃間隙都會(huì)對(duì)剪刃的應(yīng)力和磨損有不同的影響。剪刃磨損云圖如圖2c)所示，剪刃最大磨損量在刀尖，離刀尖越遠(yuǎn)，則應(yīng)力越小，磨損也越小。在刀尖磨損最大區(qū)域取一追蹤點(diǎn)，可以獲得該點(diǎn)的磨損量隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示，可以看到剪切過(guò)程十分短暫，帶鋼在2m/s的運(yùn)行速度下，僅在極短的時(shí)間內(nèi)便完成剪切過(guò)程，剪刃磨損量趨于定值。開(kāi)始時(shí)剪刃與帶鋼并未接觸，磨損量為零，當(dāng)剪刃與帶鋼接觸開(kāi)始剪切時(shí)，磨損量急劇上升，快速磨損，之后進(jìn)入一個(gè)緩慢的正常磨損期，直到剪切結(jié)束。

圖3 追蹤點(diǎn)的磨損曲線

圖4 不同剪切速度下的剪刃最大磨損量

4.1 剪切速度的影響

剪切速度越快則帶鋼的變形速度越快，對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)也將增大。在溫度為1000℃下分別取剪切速度為1m/s、2m/s和3m/s，結(jié)果如圖4所示，可以看出，從1m/s上升到2m/s時(shí)，最大磨損量增大19.5%，再上升到3m/s時(shí)，增大5.0%，隨剪切速度的增大，最大磨損量也增大。

4.2 剪切帶鋼厚度的影響

帶鋼的厚度增大時(shí)，在相同的速度下剪切時(shí)間變長(zhǎng)。取厚度為30mm、40mm和50mm的帶鋼在相同的條件下進(jìn)行分析，如圖5所示。厚度從30mm增大到40mm，最大磨損量上升22.0%，厚度變?yōu)?0mm時(shí)，上升26.1%，隨帶鋼厚度的增加，剪刃磨損量近似成比例增加。

圖5 不同帶鋼厚度下的剪刃最大磨損量

4.3 剪切帶鋼溫度的影響

溫度對(duì)帶鋼的流動(dòng)性和塑性具有決定性的影響。溫度升高，金屬流動(dòng)性增大，剪切抗力變小，塑性增加，剪刃的磨損量下降。950℃、1000℃和1050℃下的剪刃最大磨損曲線如圖6所示。帶鋼溫度從950℃增大到1000℃后最大磨損量下降19.8%，溫度再升高50℃后，僅下降7.5%。

圖6 不同溫度下的剪刃最大磨損量

4.4 剪刃重合度的影響

剪刃重合度是飛剪機(jī)最重要的剪切參數(shù)之一，合適的重合度能以較小的剪切力和較小的剪刃磨損量將帶鋼成功剪斷，如果剪刃沒(méi)有重合度或者重合度太小時(shí)，剪刃就不能剪斷帶鋼，造成粘連、剪不斷等問(wèn)題。取剪刃重合度為1mm、3mm和5mm進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示，剪刃重合度與剪刃磨損量成線性關(guān)系，在滿足切斷和斷面質(zhì)量的前提下，更小的剪刃重合度能提過(guò)剪刃的壽命。

圖7 不同剪刃重合度下的最大磨損量

4.5 剪刃間隙的影響

滾筒式飛剪機(jī)工作時(shí)的剪刃間隙是一個(gè)需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)，如果其值選擇不合理，在帶鋼斷面會(huì)形成針狀毛刺和帶尾等問(wèn)題。為研究剪刃間隙對(duì)剪刃磨損量的影響，選取不同的剪刃間隙進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)如圖8所示，可以看出剪刃磨損曲線存在較大的波動(dòng)，剪刃間隙對(duì)剪刃磨損的影響比較復(fù)雜，但是總體趨勢(shì)是剪刃間隙增大，剪刃磨損量增大，所以在滿足斷面質(zhì)量的前提下減小剪刃間隙可以延長(zhǎng)剪刃工作時(shí)間。

圖8 不同剪刃間隙下的剪刃最大磨損量

圖9 不同剪刃截面角度下的剪切最大磨損量

表2 不同角度的剪切力和安全系數(shù)

4.6 剪刃截面角度的影響

剪刃橫截面存在一個(gè)角度(圖1b))，當(dāng)α增大時(shí)剪刃變鈍，反之，剪刃變鋒利。為研究不同角度下的剪刃磨損規(guī)律，分別取α為55°、65°和75°進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示，可以看出，設(shè)計(jì)剪刃時(shí)，截面角度α值越小，剪刃越鋒利，剪刃磨損量越大，更換周期越短，反之，剪刃壽命越長(zhǎng)，但是α角度越大，剪刃越鈍，則需要更大的剪切力，對(duì)設(shè)備也提出了更高的要求，所以在剪切力范圍內(nèi)，可以適當(dāng)增大α角度值。目前，熱軋廠常用的滾筒式飛剪機(jī)最大剪切力為11750kN，為此考慮在不同角度下的剪切1200mm長(zhǎng)度的帶鋼的剪切力和安全系數(shù)，如表2所示，刀具α角度值可以綜合考慮磨損、安全系數(shù)等因素來(lái)選取。

5 結(jié)論

設(shè)備零部件的磨損一般都要經(jīng)過(guò)磨合磨損階段、正常磨損階段和快速磨損階段，難以用精確的模型來(lái)對(duì)其服役壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。本文用剪切工藝分析與仿真分析相結(jié)合的手段，分析了剪切工藝參數(shù)對(duì)剪刃磨損的影響規(guī)律，得出結(jié)論如下:

1)剪刃最大磨損區(qū)域在刀尖，離刀尖越遠(yuǎn)，磨損量越小。剪刃剪切過(guò)程十分短暫，完成剪切后，剪刃不再磨損。

2)剪刃的磨損曲線開(kāi)始時(shí)有一個(gè)較快的磨損期，之后磨損速度降低，進(jìn)入正常磨損階段。

3)減小剪切速度、帶鋼厚度、剪刃間隙、剪刃重合度與增大剪切溫度、剪刃截面角度均可以減小剪刃的磨損，延長(zhǎng)剪刃更換周期。

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