閘式剪板機(jī)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022 2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

閘式剪板機(jī)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022 2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

剪板機(jī)刀架的剛性對(duì)金屬板材的剪切質(zhì)量有著重要的影響，刀架剛性過小，將導(dǎo)致加工板材的直線度降低、毛刺變大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起刀片的崩刃與機(jī)床剪切能力的下降。本文結(jié)合公司LGSK-6×4050型閘式剪板機(jī)新機(jī)型研發(fā)項(xiàng)目，建立了該機(jī)刀架剛性分析的力學(xué)模型，采用有限元方法對(duì)該機(jī)刀架的剛性進(jìn)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(shí)刀架的變形規(guī)律，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。該方法對(duì)閘式剪板機(jī)刀架的設(shè)計(jì)與剛度校核具有重要的指導(dǎo)意義。

機(jī)械制造；刀架；閘式剪板機(jī)；有限元分析

1 引言

剪板機(jī)廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造、汽車、造船、集裝箱制造、金屬結(jié)構(gòu)、鍋爐 容器、家用電器及輕工等制造行業(yè)。剪板機(jī)刀架是剪板機(jī)的一個(gè)基本部件，工作時(shí)其在剪切力與剪切水平推力的作用下容易產(chǎn)生變形，因此，刀架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)提高刀架強(qiáng)度和剛度，提升剪板機(jī)剪切質(zhì)量與加工能力，減輕刀架的重量，提高機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性，都具有直接的影響。

由于剪板機(jī)刀架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用經(jīng)典的材料力學(xué)方法很難對(duì)其進(jìn)行求解，有限元技術(shù)的發(fā)展為刀架剛性分析提供了一個(gè)有效的途徑。文獻(xiàn)[1]采用ANSYS中的APPL語(yǔ)言編寫移動(dòng)載荷各個(gè)載荷部的信息，研究了移動(dòng)載荷作用下刀架的變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變。但在分析時(shí)只考慮了剪切力的作用，沒有考慮剪切水平推力的作用，實(shí)際上剪板機(jī)剪切工作時(shí)，剪切水平推力作用下剪板機(jī)刀架的撓度變形對(duì)板材的剪切質(zhì)量影響最大。本文以LGSK-6×4050型閘式剪板機(jī)為例，采用有限元方法對(duì)剪板機(jī)刀架剛性進(jìn)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(guī)律，為剪板機(jī)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與剛性校核提供了理論指導(dǎo)與依據(jù)。

2 剪切力與剪切水平推力的計(jì)算

剪板機(jī)剪切板材時(shí)，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(jì)算公式普遍采用下式[2，3]：式中：σb——被剪板料的抗拉強(qiáng)度；

δ5——被剪板料的伸長(zhǎng)率；

h——被剪板料的厚度；

α——剪切角；

K——刀片磨鈍系數(shù)，一般取K=1.2；

Z、X、Y——彎曲系數(shù)、壓料角距離系數(shù)、刀片間隙系數(shù)。

刀架所受的剪切水平推力T為：斜刃剪板機(jī)剪切板料時(shí)剪切區(qū)的示意如圖1所示，在剪切區(qū)域，刀片與被剪板料的接觸長(zhǎng)度S為：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為剪切力在長(zhǎng)度為S、寬度為刀片寬度t的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)均勻分布。

對(duì)于剪切水平推力的作用區(qū)域，目前國(guó)內(nèi)外尚無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。根據(jù)剪切理論，可以認(rèn)為刀片與被剪材料的彈性接觸區(qū)即為剪切水平推力的作用區(qū)域。因而設(shè)定剪切水平推力的作用范圍為斜邊為S，夾角α所對(duì)邊長(zhǎng)為剪切板材厚度h的直角三角形區(qū)域。為簡(jiǎn)化計(jì)算，同樣認(rèn)為剪切水平推力在此區(qū)域內(nèi)均勻分布。

3 研究對(duì)象

LGSK-6×4050型閘式剪板機(jī)刀架結(jié)構(gòu)見圖2。產(chǎn)品用戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)，刀架水平方向的變形對(duì)被剪板材的剪切質(zhì)量影響較大。剪板機(jī)在剪切高強(qiáng)度板材比如不銹鋼時(shí)的毛刺較大。因而，這里主要分析3mm厚不銹鋼板材剪切時(shí)刀架水平方向上的變形情況，根據(jù)式（1）、（2）計(jì)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(jiǎn)化

剪板機(jī)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(shù)、焊縫的位置和類型等因素則會(huì)大大增加計(jì)算處理的復(fù)雜性，不利于模型網(wǎng)格的控制和生成。為了建立合理的有限元力學(xué)模型，在保證計(jì)算模型的幾何特性、力學(xué)特性和真實(shí)情況相近的條件下，做如下簡(jiǎn)化：

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

（2）對(duì)關(guān)鍵受力區(qū)域的焊縫按倒角或者倒圓角進(jìn)行處理，這樣可以更接近實(shí)際制造焊接件的情況，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4.2 邊界條件的添加

閘式剪板機(jī)采用三支點(diǎn)滾輪導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)支撐刀架，刀架連接在油缸活塞桿上，在導(dǎo)軌之間作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。后兩支點(diǎn)固定在墻板上，前支點(diǎn)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(diǎn)上。調(diào)整刃口間隙時(shí)，按下間隙調(diào)整按鈕，電機(jī)經(jīng)減速機(jī)，帶動(dòng)同步軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于上支點(diǎn)為偏心的，就使刀架在下支點(diǎn)上作微量轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變?nèi)锌陂g隙值[4，5]。

刀架的三支點(diǎn)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)限定刀架只能在導(dǎo)軌之間往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，因而在有限元分析時(shí)，限定在導(dǎo)軌面上添加約束條件為滾柱滑動(dòng)，限定其只能沿導(dǎo)軌面上下移動(dòng)。刀架經(jīng)油缸支座連接到油缸活塞桿上，限制刀架上下移動(dòng)，但允許其繞銷軸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，因而在油缸支座銷軸孔上添加約束條件為鉸鏈。

根據(jù)式（1）、（2）計(jì)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(qū)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(tǒng)分析剪切位置不同時(shí)刀架的變形規(guī)律，本文選取有代表性的三個(gè)剪切位置進(jìn)行了分析（圖5）。其中A和C為后擋料安裝位置，為設(shè)置后擋料裝置，在刀架水平板以及斜板上進(jìn)行了開孔，這些孔會(huì)減小刀架的強(qiáng)度與剛性。B點(diǎn)為立板的中間位置，剪切力作用在此位置時(shí)，刀架的剛性最差，變形最大。

5 分析結(jié)果

對(duì)上面建立的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與迭代求解，得到3mm不銹鋼板材剪切時(shí)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(zhì)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(duì)剪切質(zhì)量的影響較小，因而主要對(duì)刀架下端水平方向的變形進(jìn)行分析。不同位置剪切時(shí)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(shí)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(diǎn)時(shí)，刀架水平方向的撓曲變形最大，C點(diǎn)次之，A點(diǎn)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(shè)置了一些孔洞，這些孔洞導(dǎo)致刀架局部剛性的減弱。實(shí)踐生產(chǎn)中，此處刀架的剛性過差常會(huì)引起剪切刀片崩刃，在設(shè)計(jì)中要特別注意。

6 結(jié)論

本文采用有限元方法對(duì)公司新開發(fā)的LGSK-6×4050型剪板機(jī)刀架的剛性進(jìn)行了分析。在剪切力與剪切水平推力的共同作用下，刀架會(huì)產(chǎn)生較大的水平方向的位移，此位移會(huì)引起上、下刀片之間的間隙加大，導(dǎo)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(huì)引起剪切刀片的崩刃，應(yīng)在設(shè)計(jì)中特別注意。作者根據(jù)分析得到的結(jié)果以及設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)剪板機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，取得了較好的效果，具體請(qǐng)見后續(xù)報(bào)道。本文中建立的基于有限元的剪板機(jī)刀架剛性分析方法，對(duì)剪板機(jī)刀架的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析以及強(qiáng)度校核具有一定的指導(dǎo)意義。

表1 不同剪切位置時(shí)刀架水平方向的最大撓度/mm

[1]劉營(yíng)營(yíng)，王 強(qiáng)，楊晉穗，徐濟(jì)聲.基于ANSYS的液壓剪板機(jī)刀架有限元分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009，（6）:35-39.

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

[3]張慧光.剪板機(jī)設(shè)計(jì)[M].沈陽(yáng)鍛壓機(jī)床廠編譯，1978:2-13.

[4]何應(yīng)東，岳金成，馬會(huì)元.閘式剪板機(jī)三點(diǎn)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(jī)滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，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(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)與制造的教學(xué)與科研

1672－0121（2011）06－0033－04