基于Deform的寬厚板滾切式雙邊剪碎邊剪剪切力分析

劉益俏 方威

摘 要：滾切式雙邊剪廣泛應用于寬厚板生產線，采用斜刃剪方式對切邊后的廢料進行碎斷處理，目前對雙邊剪主剪剪切機構及剪切力研究者頗多，相關文獻已有不少可參考，而對于碎邊剪的剪切力研究文獻甚少。本文利用常用的斜刃剪剪切力計算公式即富姆公式及deform仿真軟件對碎邊剪剪切力進行了分析。分析結果表明富姆公式只適用于小間隙的剪切力計算。

關鍵詞：雙邊剪;碎邊剪;剪切力;仿真;deform

Abstract： The double side trimming shear is widely used in wide and heavy plate production line， and the waste material after edge cutting is broken by oblique blade shearing. At present， there are many researchers on the main shearing mechanism and shearing force of bilateral shears， and there are many relevant literatures for reference， while there are few literatures on the shearing force of side shears. In this paper， the shear force of slanting edge shearing is analyzed by means of Fumm formula and DEFORM software. The analysis results show that Fumms formula is only applicable to the calculation of shear force for small gaps.

Keywords： double side triming shear;scrap shear;cutting force;simulation;deform;

中圖分類號：TF762，TG335.1 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：

0.前言

滾切式雙邊剪用于將寬厚板生產線軋制后的鋼板切除兩側不齊的邊部至成品寬度，是寬厚板精整區的主要設備之一。目前使用較多的滾切式雙邊剪為三軸三偏心式滾切剪，兼顧了切邊和廢料碎斷。其結構較為復雜，精度較高，布局緊湊。由于采用了滾切式剪切原理，剪切過程中上下剪刃重合度變化極小，剪切質量和剪切能力相比其它類型剪機要高 [1]。雙邊剪模型圖參考圖1。

雙邊剪碎邊剪剪刃間隙調整機構是雙邊剪的重要部件之一，用于調整碎邊剪的剪刃間隙。碎邊剪剪刃間隙關系到剪切的質量和剪刃的磨損。實際生產中生產方更關心雙邊剪主剪的剪切質量，而對碎邊剪的剪切質量并不關心，只需要能將主剪剪切后的廢料碎斷即可。目前對雙邊剪主剪剪切力研究者頗多，而對碎邊剪剪切研究者甚少，本文將對其進行研究探討。

1.碎邊剪剪切力分析

雙邊剪碎邊剪采用的是斜刃剪結構。其上剪結構見圖1，采用了曲柄滑塊機構設計形式。主減速機的三軸三偏心結構中有一根偏心軸作為曲柄滑塊機構的曲柄給予動力。

雙邊剪的廢料規格為：厚度6～50mm，寬度20～150 mm。碎邊剪剪切力按富姆公式計算[2]，見下式：

上式中：F—剪切力（N）;h—鋼板厚度（mm）;α—上碎邊剪傾斜角（°）;σb—鋼板冷態抗拉強度（Mpa）;此外f按下式計算：

上式中：c—上、下剪刃間隙（mm）。

根據雙邊剪設計可知：h=6～50mm;α=3.5°;c=0.5～8mm 。分別計算不同間隙c值時的f值，見表1和圖3。，在不考慮剪切質量的情況下取c=0.4mm為固定值，不隨鋼板厚度進行調整，此時f=1.06。

雙邊剪最大剪切力6500kN。鋼板冷態抗拉強度按如下計算：35mm厚度以下時可剪切冷態抗拉強度1200 Mpa鋼板、35 mm-40mm厚度時可剪切冷態抗拉強度750Mpa、40 mm-45mm厚度時可剪切冷態抗拉強度630Mpa、40 mm-45mm厚度時可剪切冷態抗拉強度630Mpa。按0.4mm間隙計算后得出表2數據。按不同剪刃間隙計算后得出表3數據。

根據表2和表3的數據對比可以發現當剪刃間隙變大時，所需要剪切力也極大，表1數據更符合實際剪切能力，由此可見富姆公式適用于小剪刃間隙的計算，而對于大剪刃間隙。

2.剪切力有限元分析

本文采用deform軟件對剪切力進行模擬，利用solidworks建立模型，將上碎邊剪和下碎邊剪的剪刃間隙設置為2mm，鋼板厚度設置為20mm，鋼板材料選擇為Q345，然后將模型格式轉成STL文件，導入到deform內，模型見圖4。

對模型進行設置，將上碎邊剪和下碎邊剪設置為剛體，由于碎邊剪剪切前廢料還連接在剛板上，假定有虛擬壓板將廢料壓在下碎邊剪上，對上剪刃施加向下的剪切力，同時對虛擬壓板施加壓緊力，邊界設置參考圖5。對模型進行網格六面體劃分，共劃分27855個網格，132196個節點。

對剪切力的仿真計算結果見圖6，隨著剪切的逐步進行中，剪切力緩慢爬升，在0.0627s時達到最大剪切力，此時鋼板被剪切部位的應力已達到其抗拉強度極限[3]，最大剪切約為1.35×106N，此后剪切力隨著時間逐漸降低，deform在計算時并不會將廢料切斷，此時仿真中的兩截廢料之間有少許粘連，但廢料已被切斷。最大剪切力相比表2中的剪切力5613kN相差巨大，而和表53中的1960kN比較接近，再次印證富姆公式只適用于小間隙的剪切計算。

仿真過程中的鋼板變形各階段見圖7，從圖中可以發現由于剪刃間隙過大，廢料的上表面剪切部位處出現明顯的塌邊現象，與實際情況相附合。

此外通過對虛擬壓板的載荷跟蹤可以發現其最大壓緊力為7.81×105N，見圖8，壓緊力用抵抗剪切過程中帶來的彎矩。實際剪切過程中由于廢料與鋼板連接，彎矩由鋼板提供。

3.結語

滾切式雙邊剪采用斜刃剪方式對切邊后的廢料進行碎斷處理，本文對碎邊剪剪切力進行了分析。通常用富姆公式對斜刃剪的剪切力進行計算，而大部分文獻在計算時將斜刃剪上、下剪刃的間隙設置過低，與實際應用不符。通過富姆公式對滾切式雙邊剪的碎邊剪切力進行計算發現當間隙設置過大時計算結果失真。本文通過deform軟件對剪切力進了仿真計算，計算結果表明富姆公式只適用于小間隙的計算，在剪切機設計過程中應初步對目標材料所需要最大剪切進行計算，并利用輔助軟件進行模擬。

參考文獻：

[1]周文戰.新型滾切式雙邊剪結構設計 [J].一重技術，2011.03：8-9

[2]徐利璞. 冷軋帶鋼斜刃剪設計及分析[J]. 冶金設備，2014（01）：43-45.

[3]林新波. DEFORM-2D和DEFORM-3DCAE軟件在模擬金屬塑性變形過程中的應用[J]. 模具技術，2000（03）：75-80.

作者簡介：

劉益俏（1984-），男，湖南省湘潭市，漢，專科，助理工程師，從事冶金軋鋼機械專業。