金屬板高速剪切斷裂數(shù)值模擬的研究

聶靜良，李玉貴，徐玉蕊

(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)

0 前言

剪切機(jī)是軋鋼生產(chǎn)線上用于剪切金屬板的關(guān)鍵設(shè)備，通常布置在矯直機(jī)之后，主要用于剪切定尺、切頭、切尾、取樣及切除金屬板的局部缺陷等［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度金屬板的產(chǎn)量和種類也在不斷增加，市場競爭日益激烈，要求鋼板生產(chǎn)向連續(xù)化、高速化方式發(fā)展，同時，對剪切機(jī)高效、節(jié)能和高精度方面提出了更高的要求。雖然國內(nèi)許多中厚板生產(chǎn)線都裝備了國外先進(jìn)的滾切剪設(shè)備，但是缺乏對剪切理論、剪切力能參數(shù)計算、剪切工藝參數(shù)等基礎(chǔ)理論的研究，導(dǎo)致很多鋼廠生產(chǎn)出的鋼板質(zhì)量很難達(dá)到國際水平，缺乏國際競爭力［2］。

為了提高滾切剪的剪切效率和剪切斷面質(zhì)量，降低剪切所需的能耗，國內(nèi)外研究人員做了大量的研究工作，提出了一些關(guān)于滾切剪剪切機(jī)構(gòu)和剪切工藝參數(shù)的優(yōu)化方案。太原科技大學(xué)為臨鋼、酒鋼、唐鋼和漢冶特鋼等大型鋼鐵企業(yè)配備了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單軸雙偏心滾切剪設(shè)備，并成功應(yīng)用于邯鄲鋼鐵廠的中厚板生產(chǎn)線上［3］。孫復(fù)森［4］等通過對滾切式定尺剪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了剪切過程中剪刃重疊量的均勻性問題，從而提高了鋼板剪切斷面的質(zhì)量。

本文以液壓驅(qū)動高速滾切剪剪切機(jī)為研究對象，對帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切斷裂過程進(jìn)行了DEFORM-3D 有限元模擬，重點分析整個剪切過程中上剪刃幾何參數(shù)和剪切速度對鋼板等效應(yīng)力分布、剪切斷面質(zhì)量和剪切力的影響，解決了剪切能耗大和剪切斷面質(zhì)量差的問題，為高速滾切剪剪切機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1 液壓驅(qū)動高速剪切機(jī)理

目前國內(nèi)常用的金屬板剪切技術(shù)與裝備由于沒有考慮剪刃幾何參數(shù)，并且鋼板剪切工藝通常采用機(jī)械式剪切，導(dǎo)致無法獲得良好的剪切斷面質(zhì)量。鑒于此種原因，提出了一種帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切方法。該種剪切方法改變了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，采用液壓缸驅(qū)動和縱向壓緊裝置，通過改變兩個液壓缸的伸出速度來調(diào)節(jié)剪切速度，縱向壓緊裝置可以防止剪切過程中鋼板發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)了高速精密剪切的目的。

液壓驅(qū)動高速滾切剪是以左右兩個液壓缸帶動復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)運動，復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)帶動上刀架完成滾動剪切運動［5］。在整個剪切過程中，上刀架一直做左右擺動和垂直往復(fù)的復(fù)合運動，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個剪切過程由切入階段、滾切階段、切離階段構(gòu)成。該剪切設(shè)備采用液壓傳動剪切方案，具有結(jié)構(gòu)簡易、維護(hù)方便和生產(chǎn)效率高等特點［6］。同時，此種剪切方式改善了關(guān)鍵剪切部件的受力狀況，提高了剪切設(shè)備的可靠性［7］。

2 剪切工藝參數(shù)

圖1 液壓驅(qū)動高速滾切剪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of hydraulic high-speed rolling shear

影響金屬板剪切斷面質(zhì)量和剪切力的因素很多，主要有上剪刃幾何參數(shù)、剪切間隙、剪切速度和縱向壓緊力等。本文主要通過理論分析和有限元模擬對剪切工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究。

2.1 上剪刃幾何參數(shù)

在滾切剪設(shè)備上，圓弧上剪刃在中厚板滾動剪切過程中起著至關(guān)重要的作用，它作為剪切的“刀具”，除了具有長度、高度、厚度、圓弧半徑等幾何尺寸外，也應(yīng)具有上剪刃刀尖處的前角γ、后角α、刀尖圓角r 等上剪刃幾何參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 上剪刃幾何參數(shù)的描述圖Fig.2 The description of upper blade geometric parameters

上剪刃幾何參數(shù)不僅影響鋼板剪切過程中剪切力和剪切斷面質(zhì)量，而且會影響到剪刃自身的使用壽命。因此，上剪刃幾何參數(shù)的合理選擇在滾切剪中起著非常重要的作用。負(fù)前角和負(fù)后角都會明顯增大剪刃與鋼板的接觸面積，從而增大了剪切過程中的剪切力，而較大的正前角和正后角會縮短剪刃的使用壽命。因此，在保證前刀面與后刀面刃磨質(zhì)量好的條件下，合適的正前角和正后角可以明顯降低剪切力和改善剪切斷面質(zhì)量。另外，較小范圍內(nèi)的刀尖圓角不但不會降低上剪刃的鋒利程度，反而會減小剪切區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中，從而緩解上剪刃的磨損，提高了鋼板剪切的剪切效率。

2.2 剪切速度

剪切速度不但是影響鋼板剪切效率的因素，而且也是影響鋼板斷面質(zhì)量的一個重要因素。隨著剪切速度的增大，材料的塑性變形降低，脆性增加，剪切斷面的變形也會減小，鋼板在剪切過程中會較早開始斷裂，從而縮小了斷裂前的變形程度，導(dǎo)致鋼板呈現(xiàn)出脆性斷裂。斷裂面上呈現(xiàn)出平整光滑、毛刺少等良好斷面質(zhì)量。另外，剪切速度的提高在一定程度上減小了剪切材料的摩擦系數(shù)，剪切材料的變形抗力也會隨之減小，剪切材料變形的均勻性同時得到改善，最終提高了鋼板剪切斷面的質(zhì)量。

2.3 剪切間隙

剪切間隙是指上剪刃和下剪刃之間的縫隙，它是影響剪切精度和剪切鋼板斷面質(zhì)量的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。剪切間隙的大小直接影響著鋼板剪切斷面的質(zhì)量，其大小與金屬板的尺寸和厚度有關(guān)。間隙過大會導(dǎo)致塑性變形提前結(jié)束，從而造成鋼板切不斷，塌邊和毛刺等不良剪切斷面;間隙過小則會導(dǎo)致上下剪刃的重合度降低，從而造成鋼板邊部出現(xiàn)薄而高的毛刺和二次剪切面。通過模擬和試驗分析，剪切間隙的大小與剪切速度，剪切鋼板的材料和尺寸均有關(guān)。對于帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速精密剪切，其間隙可適當(dāng)?shù)販p小，從而提高了鋼板的剪切斷面質(zhì)量。

2.4 縱向壓緊力

縱向壓緊力是指剪切機(jī)的壓緊裝置在縱向方向上對鋼板施加的壓緊力。目前國內(nèi)一般采用液壓壓板，利用液壓缸的壓力把鋼板壓住，使剪切時的鋼板穩(wěn)定，這樣可以保證剪切鋼板的斷面質(zhì)量?？v向壓緊力過小時，鋼板在剪切過程中會發(fā)生偏移，特別是在剪切結(jié)束時滑動變得更加明顯;縱向壓緊力過大則增加了多余的載荷，而且使鋼板表面產(chǎn)生壓痕。合適的縱向壓緊力對剪切面產(chǎn)生的彎曲力矩應(yīng)不小于鋼板斷面塑性彎曲的力矩。通常情況下，縱向壓緊力為最大剪切力的4%～5%左右。

3 滾切剪有限元模擬及結(jié)果分析

3.1 剪切斷裂準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則的選取在金屬板剪切斷裂模擬中起著至關(guān)重要的作用，合適的斷裂準(zhǔn)則應(yīng)符合鋼板實際剪切中所產(chǎn)生的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的斷裂規(guī)律，并能夠?qū)⒃摂嗔褱?zhǔn)則應(yīng)用于有限元程序中。本文的模擬采用Cockroft＆Lathem 準(zhǔn)則［8］，該準(zhǔn)則的函數(shù)表達(dá)式如下:

3.2 有限元模型的建立

采用Pro/E 三維繪圖軟件和DEFORM-3D 有限元軟件，對滾切剪的剪切過程和上剪刃幾何參數(shù)的描述建立滾切剪有限元模型，并對中厚板進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了真實地反映鋼板的剪切變形，減小計算的時間，可對上、下剪刃與鋼板的接觸區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)分，如圖3 所示。

圖3 滾切剪的有限元模型Fig.3 Finite element simulation of rolling shear

上下剪刃定義為剛性材料，中厚板的材料選擇冷狀態(tài)下的Q235A 鋼板，鋼板尺寸為1100 mm×900 mm ×20 mm;剪切溫度一般低于150℃，因此可以不考慮熱影響;網(wǎng)格單元數(shù)為100000～200000;由于鋼板剪切的過程是大變形過程，因此Q235A 鋼板可采用塑性隨動材料模型，該材料模型是與應(yīng)變率相關(guān)的各向同性和隨動硬化的混合模型［10］。詳細(xì)的鋼板材料性能如表1所示。

模擬普通滾切剪的剪切速度一般為16 次/min，而模擬帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪的剪切速度可達(dá)到30 次/min，優(yōu)化后的上剪刃幾何參數(shù)為前角γ=10°，后角α=5°，刀尖圓角r=0.2 mm。兩種剪切方式的剪切間隙分別為1.0 mm 和0.85 mm，縱向壓緊力均為150 kN，切入角度均為2.5°。

表1 有限元模擬所用材料力學(xué)性能表Tab.1 Material properties in finite element simulation

3.3 等效剪切應(yīng)力分布的模擬研究

圖4 和圖5 分別為普通剪切和帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速剪切下金屬板發(fā)生失穩(wěn)斷裂時的等效剪切應(yīng)力分布情況。

圖4 普通剪切斷裂時等效剪切應(yīng)力分布圖Fig.4 The equivalent stress distribution of normal rolling shear

圖5 高速剪切斷裂時等效剪切應(yīng)力分布圖Fig.5 The equivalent stress distribution of high-speed rolling shear

從圖中可看出，在剪切斷裂瞬間時，等效應(yīng)力主要分布在被剪切鋼板與上下剪刃的接觸區(qū)域，鋼板主要在剪刃刀尖處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。與普通速度剪切相比，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速剪切可以使鋼板上等效應(yīng)力的分布更加均勻。同時，由于優(yōu)化后的上剪刃幾何參數(shù)的影響，鋼板上各區(qū)域的剪切應(yīng)力分布均勻，避免了剪切過程中撕裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而有利于實現(xiàn)鋼板的快速剪切斷裂。

3.4 剪切斷面質(zhì)量的模擬研究

圖6 和圖7 分別為普通滾切剪剪切和帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切下金屬板剪切斷裂后的斷面質(zhì)量圖。

圖6 普通滾切剪的剪切斷面質(zhì)量圖Fig.6 The cross section quality of normal rolling shear

圖7 高速滾切剪的剪切斷面質(zhì)量圖Fig.7 The cross section quality of high-speed rolling shear

從圖6 和圖7 中鋼板斷面質(zhì)量上看，普通剪切速度下鋼板的斷面則會出現(xiàn)毛刺、塌角和撕裂等不良斷面質(zhì)量，這給鋼板的后續(xù)加工帶來了很多的麻煩。而帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切鋼板時，由于剪切速度較高，斷裂韌度較低，鋼板會提前進(jìn)入脆性斷裂階段，應(yīng)力集中區(qū)域的裂紋主要以脆性解理形式擴(kuò)展，從而使得鋼板的剪切斷面質(zhì)量得到明顯的改善。

3.5 剪切力模擬曲線對比分析

圖8 和圖9 分別為普通速度滾切剪剪切和帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切的剪切力變化曲線。

圖8 普通速度滾切剪剪切力變化曲線Fig.8 Normal rolling shearing force curve

圖9 帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪剪切力變化曲線Fig.9 The shear force curve of high-speed rolling shear with the upper blade geometric parameters

從圖8 和圖9 中可看出，兩種剪切方式下的Q235A 鋼板在切入時受到的最大剪切力分別為2.81MN 和2.50 MN，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪所得的最大剪切力為普通滾切剪的88.9%;鋼板在切斷后開始進(jìn)入滾切階段，此時鋼板所受的剪切力在一定程度上隨時間呈現(xiàn)波動變化。相比普通速度下的滾切剪剪切，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪在此階段的剪切力波動較小，當(dāng)鋼板與上剪刃的接觸面積達(dá)到最大時，鋼板所受的剪切力達(dá)到最大值，兩種剪切方式下鋼板所受的最大剪切力分別為1.76 MN 和1.46 MN，此時帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪所得最大剪切力為普通滾切剪的83.0%。由兩種剪切方式下的剪切力峰值可知，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪的最大剪切力在切入階段和滾切階段均有一定程度的減小。

4 結(jié)論

(1)針對滾切剪存在的剪切效率低、剪切斷面質(zhì)量差及高能耗等問題，提出了一種帶有上剪刃幾何參數(shù)的液壓高速滾切剪剪切方法，并對該剪切方法的剪切工藝參數(shù)進(jìn)行了理論分析。

(2)采用DEFORM-3D 有限元軟件分別對兩種剪切方式的剪切斷裂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速剪切可以使等效剪切應(yīng)力比較均勻地分布于剪切區(qū)域，剪斷后的鋼板斷面質(zhì)量明顯得到改善。

(3)通過與普通滾切剪剪切方式進(jìn)行對比得出，帶有上剪刃幾何參數(shù)的高速滾切剪的最大剪切力在切入階段和滾切階段均有一定程度的減小，減小幅度分別為88.9%和83.0%，實現(xiàn)了高效節(jié)能剪切的目的。

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