滾筒式飛剪機(jī)的剪切性能理論分析及有限元模擬

俞洪杰，馬立峰，冀俊杰，石建輝，楊 博，曹曉琪

(1.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司板帶精整與處理研究所，陜西 西安710032;3.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波315807)

滾筒式飛剪機(jī)的剪切性能理論分析及有限元模擬

俞洪杰1，2，馬立峰1，冀俊杰2，石建輝1，楊 博2，曹曉琪3

(1.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司板帶精整與處理研究所，陜西 西安710032;3.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波315807)

本文對(duì)現(xiàn)有的飛剪剪切力計(jì)算公式進(jìn)行了歸納總結(jié)和理論分析，采用有限元法對(duì)滾筒式飛剪的剪切過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，結(jié)果表明剪切力的大小與鋼板的厚度、寬度、速度和材料的強(qiáng)度極限有密切關(guān)系:鋼板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;鋼板寬度每增加150 mm，剪切力增加約12%;鋼板運(yùn)行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板帶材料強(qiáng)度極限越高，所需剪切力越大。

滾筒式飛剪;剪切力;數(shù)值模擬

0 前言

滾筒式飛剪是連續(xù)軋制生產(chǎn)線上用于剪切板帶材的重要設(shè)備，主要分為熱軋板帶滾筒式飛剪和冷軋板帶滾筒式飛剪。飛剪性能好壞對(duì)板帶質(zhì)量及整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率都有直接影響。到目前為止，國(guó)內(nèi)外有多組飛剪機(jī)剪切力計(jì)算公式，大部分都屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)系數(shù)進(jìn)行不同范圍的修正，筆者在此基礎(chǔ)上對(duì)滾筒式飛剪機(jī)的剪切性能進(jìn)行理論分析，并運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS/LS－DYNA對(duì)滾筒式飛剪的剪切過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行比較分析。

1 滾筒式飛剪機(jī)剪切力能參數(shù)理論分析

1.1 滾筒式飛剪機(jī)剪切過(guò)程分析

滾筒式飛剪機(jī)剪切板帶的過(guò)程分為彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個(gè)階段，也可細(xì)分為剪刃彈性壓入金屬、剪刃塑性壓入金屬、金屬滑移、金屬裂紋萌生和擴(kuò)展、金屬裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展和斷裂六個(gè)階段。

在實(shí)際工作中，滾筒式飛剪機(jī)的上下剪刃剪切面并不始終保持平行，也不與被剪板帶垂直。整個(gè)剪切過(guò)程實(shí)際上是剪切和擠壓并舉，板帶剪切斷面受剪刃擠壓的作用，有一定的倒角，這對(duì)剪切薄板帶而言是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使后續(xù)的卷取工序中不會(huì)劃傷板帶表面，但在剪切較厚帶坯時(shí)使剪切力急劇增加，剪切質(zhì)量也不好，故滾筒式飛剪機(jī)不適合剪切較厚的帶坯，冷剪板帶厚度h＜5.8 mm［1］。

1.2 滾筒式飛剪機(jī)剪切力公式的總結(jié)與分析

目前研究滾筒式飛剪機(jī)剪切力公式的方法有:實(shí)用計(jì)算法，滑移線法，有限元法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法。筆者對(duì)部分平行刃飛剪的剪切力計(jì)算公式進(jìn)行了歸納，如表1。

表1 現(xiàn)有的平行刃飛剪剪切力計(jì)算公式Tab.1 Existing cutting calculation formula for shear force of parallel blade flying shears

實(shí)用計(jì)算法過(guò)于理想化，用于計(jì)算，剪切力勢(shì)必產(chǎn)生一定的誤差，基本上都采用修正系數(shù)，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果;用滑移線法研究飛剪剪切過(guò)程，其精確程度與設(shè)定的滑移線場(chǎng)形狀有關(guān)，當(dāng)采用直觀塑性法繪制滑移線場(chǎng)時(shí)，光刻或機(jī)械刻印法誤差也不小，故滑移線法實(shí)用性也較差［2］;表1中公式均為平行刃飛剪剪切力計(jì)算公式，都屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)系數(shù)進(jìn)行了不同的修正，但方便用于理論計(jì)算，可以作為理論計(jì)算的參考，運(yùn)用理論公式計(jì)算剪切力時(shí)需注意，滾筒式飛剪剪切力最大的位置發(fā)生在板厚切深比約為60%～70%時(shí)［3］。

2 滾筒飛剪剪切過(guò)程有限元模擬

2.1 剪切斷裂準(zhǔn)則

要對(duì)材料的斷裂過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，斷裂準(zhǔn)則的選取至關(guān)重要，斷裂準(zhǔn)則不僅要能對(duì)各種裂紋進(jìn)行合理地描述，還必須運(yùn)用到有限元程序中。在模擬中，選取Cockroft＆Lathem準(zhǔn)則［8］，其函數(shù)描述如下:

2.2 研究對(duì)象

本文以某大型鋼鐵集團(tuán)冷軋廠生產(chǎn)線上的滾筒式飛剪為研究對(duì)象，圖1為冷軋板帶滾筒式飛剪機(jī)，其主要基本參數(shù)見(jiàn)表2，該飛剪剪刃為平行刀片。

圖1 某鋼廠滾筒式飛剪機(jī)圖Fig.1 Axonometric drawing of drum flying shears

表2 滾筒式飛剪機(jī)主要基本參數(shù)Tab.2 Main parameters of drum flying shears

2.3 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元軟件，運(yùn)用LS－DYNA模塊，針對(duì)滾筒式飛剪的剪切過(guò)程建立三維有限元模型，如圖2所示。上下滾筒、剪刃定義為剛體，鋼板采用塑性隨動(dòng)材料模型，都采用SOLID164實(shí)體單元。因?yàn)榧羟羞^(guò)程是大變形過(guò)程，故采用單點(diǎn)積分算法，并進(jìn)行沙漏控制以得到比較好的模擬結(jié)果。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite elementmodel

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖3a、3b分別反映了厚4mm，寬1 680 mm的45號(hào)鋼、不銹鋼304在剪切過(guò)程中所受剪切力的變化情況?？梢钥闯觯诎鍘Ъ羟兴矔r(shí)剪切力急劇增大，剪切后剪切力急劇減小到0N，剪切時(shí)間極短，約為0.02 s，這是因?yàn)闈L筒式飛剪機(jī)的剪切速度很快。

選取材料45鋼、速度260 m/min、寬度1 680 mm，對(duì)不同厚度鋼板進(jìn)行有限元模擬，并運(yùn)用表1中計(jì)算公式計(jì)算理論值，計(jì)算結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 同種材料(45#)不同厚度剪切力Tab.3 Shear force of samematerial(45#)with different thickness

由圖4可以看出，隨著鋼板厚度的增加，剪切鋼板所需的剪切力隨之增加，理論公式計(jì)算值與有限元計(jì)算剪切力變化趨勢(shì)相同，且模擬值居于三組公式計(jì)算值中間。

選取材料45鋼、速度260 m/min、厚度4 mm，對(duì)不同寬度鋼板進(jìn)行有限元模擬，同時(shí)運(yùn)用表1中計(jì)算公式計(jì)算理論值，計(jì)算結(jié)果如表4和圖5所示。

表4 同種材料不同寬度剪切力Tab.4 Shear force of samematerialwith differentwidth

b/mm最大剪切力/104N模擬值 公式1公式2公式3 1 600 145.25 183.13 166.48 193.02 1 680 199.17 218.81 174.81 224.48

圖5 同種材料不同寬度剪切力比較圖Fig.5 Curves for shear force of samematerialwith differentwidth

由圖5可以看出，隨著鋼板寬度的增加，剪切鋼板所需的剪切力隨之增加，理論公式計(jì)算值與有限元計(jì)算剪切力變化趨勢(shì)相同，較寬鋼板有限元模擬值增幅較大，但與理論計(jì)算值偏差不大。

選取材料45鋼，材料規(guī)格4.0 mm×1680 mm，采用不同剪切速度對(duì)其進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算結(jié)果如表5和圖6所示。

從圖6可知，隨著剪切速度的增加，剪切力隨之增加，但其增加的幅度不是很大，剪切速度從100 m/min增加到260 m/min，其剪切力只增加了7%，說(shuō)明剪切速度對(duì)滾筒式飛剪機(jī)剪切力的影響不是很大。

表5 同種材料不同速度剪切力Tab.5 Shear forces of samematerialwith different velocities

選取材料規(guī)格4.0 mm×1680 mm、剪切速度260 m/min，對(duì)不同材料的鋼板進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算結(jié)果如表6和圖7所示，可知隨著鋼板材料強(qiáng)度極限的增加，剪切力增加。

表6 同種規(guī)格不同材料鋼板的剪切力Tab.6 Shear forces of differentmaterials with same specification

2.5 有限元模擬值與理論計(jì)算值比較與分析

從圖4、圖5和圖7中可以直觀看出，有限元計(jì)算剪切力和公式2的計(jì)算剪切力的值較小，公式1和公式3的計(jì)算值較大，且公式1計(jì)算值最大。這是因?yàn)楣?中考慮了系統(tǒng)的功率、剪刃的磨鈍、摩擦、溫度的損失等因素對(duì)剪切力的影響，公式3中考慮了剪刃間隙對(duì)剪切力的影響，故這兩組公式更加切合實(shí)際情況。由于有限元模擬飛剪剪切的鋼板是理想彈塑性模型，故模擬值偏小。公式2用于計(jì)算滾筒式飛剪剪切力其值偏小，還需進(jìn)一步對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正。

選取表3中有限元模擬值和公式3計(jì)算值進(jìn)行定量比較分析，結(jié)果見(jiàn)表7。模擬值與計(jì)算值的誤差在一定范圍內(nèi)(≤17.43%)。

表745鋼剪切力計(jì)算值與模擬值比較Tab.7 Comparison between calculated and simulated values of 45#steel shear force

厚度/mm寬度/mm 計(jì)算值 模擬值 差值 誤差%剪切力/104N 2 1 680 132.24 113.27 18.97 14.34 2.5 1 680 140.3 130.04 10.26 7.31 3 1 680 168.36 140.66 27.7 16.45 3.5 1 680 196.42 170.93 25.49 12.989 4 1 680 224.48 199.17 25.31 11.27

3 結(jié)論

(1)根據(jù)滾筒式飛剪的剪切特點(diǎn)，建立了剪切過(guò)程的有限元模型，并采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬。

(2)滾筒式飛剪剪切力的大小與鋼板的厚度、寬度、速度和材料的強(qiáng)度極限有密切關(guān)系。鋼板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;鋼板寬度每增加150 mm，剪切力增加約12%;鋼板運(yùn)行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板帶材料強(qiáng)度極限越高，所需剪切力越大。

(3)經(jīng)過(guò)修正后的理論公式和有限元模擬都可以得到比較準(zhǔn)確的飛剪剪切力，可以作為設(shè)計(jì)制造滾筒式飛剪機(jī)的依據(jù)。

［1］柳冉，蔣繼中，趙建剛等．滾筒機(jī)構(gòu)螺旋剪刃飛剪靜態(tài)剪切力計(jì)算公式探討［J］．重型機(jī)械，2001(3)．

［2］鄂世偉，胡高舉，王宇．滾筒飛剪剪切力計(jì)算研究［J］．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，(7)．

［3］李金生譯．帶鋼熱連軋機(jī)中滾筒式切頭飛剪剪切機(jī)理研究［J］．石川島播磨技報(bào)，1978，18(1):67－74．

［4］劉海昌，汪建春，劉抗強(qiáng)．飛剪力能參數(shù)研究［J］．中國(guó)冶金，2006(4)．

［5］趙兵．滾筒式飛剪機(jī)改造及傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析［D］．重慶:重慶大學(xué)，2000．

［6］李曉峰．切頭飛剪動(dòng)態(tài)仿真研究［D］．吉林:吉林工業(yè)大學(xué)，1999．

［7］MATSUOKA Hiroshi，UNOKIKenichi，HASHIMOTO Ritsuo．Drum type flying shear:Japan，JP05345216［P］．1993-12-27．

［8］COCKCROFTM G，LATHAM D J．Ductility and the workability of metals［J］．Journal of the Institute of Metals，1986，96:33-39．

［9］Livermore Software Technology Corporation．LS－DYNA keyword user＇smanual，Volume 1［M］．US:Livermore Software Technology Corporation，2007．

［10］黃慶學(xué)，肖宏．軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

Cutting performance analysis and finite element simulation of rotating drum flying shears

YU Hong-jie1，2，MA Li-feng1，JIJun-jie2，SHIJian-hui1，YANG Bo2，CAO Xiao-qi3
(1．Heavy Industry Engineering Center of MOE，Taiyuan University of Science andTechnology，Taiyuan 030024，China;2．Strip Institute for Finish Processing，China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd，Xi'an 710032，China;3．Ningbo Steel Co．，Ltd．，Ningbo 315807，China)

The existing shear force calculation formulas are summarized and analyzed theoretically in this paper．The shearing process of drum flying shears is simulated numerically with FEM．The result is compared with thatof theoretical calculation．It shows that shear force has a close relationship with strip thickness，width，velocity and thematerial strength:whenever the thickness of the steel strip increases every 0.5 mm，the shear force will increase by 25.2%;whenever the steel strip width increases every 150 mm，the shear force will increase by 12%;the running speed of the steel strip increases every 40 m/min，the shear force will increase by 1.7%;the strip strength is higher，the shear force is bigger．

drum flying shear;shear force;numerical simulation

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0046－05

2011－12－11;

2012－03－16

俞洪杰(1986－)，男，太原科技大學(xué)碩士研究生。