擺式剪板機(jī)剪切過(guò)程中的刀片間隙補(bǔ)償研究

張 進(jìn)，高建和

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 前言

在擺式剪板機(jī)剪板過(guò)程實(shí)驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，上下刀片刃口間隙量的變化，在整個(gè)剪床剪口長(zhǎng)度上，中間較兩邊嚴(yán)重。這也是剪板機(jī)在實(shí)際工作中造成加工件斷口不平整、產(chǎn)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(zhì)量，而且影響機(jī)床受力及刀片壽命[2]。

本文利用Solidworks進(jìn)行物理模型的建立，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)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(tái)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償下刀片變形，進(jìn)而補(bǔ)償?shù)犊陂g隙。

1 擺式剪板機(jī)的有限元靜態(tài)分析

1.1 建立有限元模型

本文對(duì)擺式剪板機(jī)進(jìn)行靜態(tài)分析采用的有限元軟件為ANSYS Workbench。ANSYS Workbench用來(lái)模擬復(fù)雜的多物理場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際工程問(wèn)題，它在工程項(xiàng)目頁(yè)面引入了項(xiàng)目流程圖，通過(guò)各個(gè)分析系統(tǒng)間的連接，將分析過(guò)程結(jié)合在一起，每個(gè)分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過(guò)程一般采用簡(jiǎn)化假定或者真實(shí)的模型，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過(guò)施加載荷和邊界條件后，運(yùn)行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過(guò)共同變量建立關(guān)聯(lián)[4]。

在本文中，不影響擺式剪板機(jī)剛度及強(qiáng)度的情況下，對(duì)一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略，如結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角及圓孔等。擺式剪板機(jī)的有限元模型如圖1所示。

圖1 擺式剪板機(jī)有限元模型

1.2 材料參數(shù)

由于只需對(duì)剪板機(jī)進(jìn)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(shù)賦予相應(yīng)部件即可，剪板機(jī)材料為Q235鋼，取彈性模量為210GPa，泊松比 0.3。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和優(yōu)劣直接影響到解算的精度和速度。它不僅繁瑣、費(fèi)時(shí)，而且在許多地方依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

對(duì)本模型一些不規(guī)則體進(jìn)行切割以期劃分網(wǎng)格時(shí)可以采用掃掠型網(wǎng)格劃分方法，得到六面體網(wǎng)格，可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，減少成本。網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)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(jī)剪切力計(jì)算大多是依據(jù)刀架做直線運(yùn)動(dòng)剪板機(jī)剪切力算式進(jìn)行的，即采用前蘇聯(lián)學(xué)者諾沙里公式[1]

式中：σb——金屬板材的強(qiáng)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(shù)；

φ——剪切角，°；

X、Y、Z——分別為彎曲系數(shù)、剪刃側(cè)向間隙相對(duì)值、壓料系數(shù)。

剪切力計(jì)算后，由經(jīng)驗(yàn)公式算得水平推力及壓料力，再由力平衡公式得到兩個(gè)剪切油缸的作用力大小。計(jì)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(shí)際計(jì)算中必須對(duì)約束條件的處理給予足夠重視，若處理不當(dāng)，就不可能獲得符合實(shí)際的結(jié)果，甚至方程出現(xiàn)畸性。本文中機(jī)架主要由左右兩墻板底面通過(guò)地腳螺栓與地面進(jìn)行固定連接，所以對(duì)機(jī)架的底面地腳螺栓處施加固定約束；刀架與機(jī)架的連接處是鋼與鋼有潤(rùn)滑的摩擦，取摩擦系數(shù)0.05，刀架尾部端面限制Y、Z方向的自由度。

1.5 計(jì)算結(jié)果分析

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

1.5.1 上刀片

從位移云圖中可看到，當(dāng)剪切力施加在刀片中間位置的時(shí)候，上刀片沿著X軸負(fù)方向變形且中間位置位移變形量較大，影響剪切質(zhì)量。圖3是剪切力施加在距刀座左側(cè)1700mm處的上刀片位移云圖。

上刀片位移變形計(jì)算結(jié)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(dāng)剪切力施加在刀片中間位置時(shí)，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(dǎo)致上下刀刃之間間隙量的變大，影響了剪切質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(cè)1700mm處的下刀片位移云圖。

圖3 剪切力1700mm加載點(diǎn)位移云圖

表2 上刀片計(jì)算位移變形量

圖4 剪切力1700mm加載點(diǎn)位移云圖

下刀片位移變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 下刀片計(jì)算位移變形量

為了直觀形象地表示出擺式剪板機(jī)剪切過(guò)程中上下刀片變形量的變化從而導(dǎo)致間隙的變化，將所得數(shù)據(jù)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(jī)剪切間隙為0.42mm，剪板機(jī)剪切過(guò)程中的上下刀片變形量的絕對(duì)值加上剪切間隙即為剪板機(jī)剪切過(guò)程中的間隙量。

2 剪板機(jī)間隙補(bǔ)償

圖6 工作臺(tái)下刀片受力分析

根據(jù)擺式剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)處的刀片主要承受水平推力F1和剪切力F2，而且工作臺(tái)易于改造，對(duì)間隙的補(bǔ)償較易實(shí)現(xiàn)。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(shì)，在水平推力F1的作用下，下刀片有沿著X負(fù)方向變形的趨勢(shì)，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(shù)（基于Workbench平臺(tái)的設(shè)計(jì)變量研究及多目標(biāo)優(yōu)化工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)處理工作由DesignXplorer完成）來(lái)減小剪板機(jī)剪切過(guò)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(biāo)，可以給出最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下式[5]：

式中，X={α，β，m，n}T稱為設(shè)計(jì)向量或設(shè)計(jì)變量，S（X）為目標(biāo)函數(shù)，gi（x）為約束條件，這是組成約束函數(shù)的基礎(chǔ)，而δ則為約束條件的最大值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，約束條件可以是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或位移，也可以是整個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率值。

根據(jù)擺式剪板機(jī)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在工作時(shí)的受 力狀態(tài)，工作臺(tái)處的兩斜板角度及斜板厚度進(jìn)行優(yōu)化（圖7），得到優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 下刀片改進(jìn)前后結(jié)果比較

由優(yōu)化后的數(shù)據(jù)得知，下刀片的最大位移變形為0.143mm，而優(yōu)化前分析計(jì)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(jìn)的效果。

以圖表和響應(yīng)面的方式顯示研究目標(biāo)隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的變化情況，主要檢驗(yàn)單個(gè)或多個(gè)參數(shù)變化對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生的綜合影響，并分析每個(gè)參數(shù)及參數(shù)之間的相互作用對(duì)模型的影響。

圖8 優(yōu)化前后比較

從圖9可以看到單個(gè)參數(shù)變化的影響，從圖10可以看到兩角度參數(shù)對(duì)機(jī)床剛度的響應(yīng)面。

圖9 單個(gè)角度設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

3 結(jié)論

圖10 兩個(gè)角度設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)擺式剪板機(jī)整機(jī)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(shù)補(bǔ)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(zhì)量。

[1] 沈陽(yáng)鍛壓機(jī)床廠.剪板機(jī)設(shè)計(jì)[M].1978.

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

[4] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù).北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

[5] 馬立峰，黃慶學(xué)，李 穎，等.新型滾切剪空間剪切機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立及應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2008，（2）.

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