鋼筋切斷機(jī)特制斜刀片的設(shè)計(jì)與分析

張 宇，肖 強(qiáng)

（太原科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，太原　030024）

鋼筋切斷機(jī)特制斜刀片的設(shè)計(jì)與分析

張 宇，肖 強(qiáng)

（太原科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，太原030024）

在鋼筋切斷機(jī)對(duì)鋼筋的切斷過(guò)程中，由于刀片對(duì)鋼筋的剪切和擠壓作用，得到的斷口截面多為馬蹄形。當(dāng)用戶對(duì)斷口的截面有特殊要求時(shí)，傳統(tǒng)刀片將無(wú)法加工出該截面。因而本文針對(duì)此情形，設(shè)計(jì)了切斷斷口為45°夾角的特制斜刀片，為加工特殊用途的鋼筋提供了解決方法。同時(shí)，通過(guò)Solid Works對(duì)切斷刀片、沖切刀座等零部件進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析，分析設(shè)計(jì)的可行性。

鋼筋切斷機(jī)；斜刀片；建模；有限元分析

鋼筋切斷機(jī)作為建筑施工中常用的鋼筋加工機(jī)械，被廣泛用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。它具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，適用于建筑工程上各種普通碳素鋼、熱軋圓鋼、螺紋鋼、扁鋼、方鋼的切斷，工作效率要比高速切割機(jī)高幾十倍，且無(wú)材料損耗。由于它的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用。

在鋼筋切斷機(jī)對(duì)鋼筋的切斷過(guò)程中，由于切刀對(duì)鋼筋的剪切和擠壓作用，得到的斷口截面多為馬蹄形。當(dāng)用戶對(duì)斷口的截面有特殊要求時(shí)，傳統(tǒng)刀片將無(wú)法加工出該截面。

1　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)用戶的特殊要求，設(shè)計(jì)制作用于錨桿加工的切斷面與鋼筋呈45°夾角的專用設(shè)備。由于錨桿材質(zhì)的要求，故采用了現(xiàn)在廣泛使用的“金?！迸艷Q40F型鋼筋切斷機(jī)，其整機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)越，售后服務(wù)也有保障。針對(duì)用戶的要求我們考慮通過(guò)對(duì)設(shè)備的刀片、沖切刀座、機(jī)體、擋料裝置等部分進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以達(dá)到用戶使用要求。本文著重針對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部位（如刀片、沖切刀座等）展開(kāi)理論與有限元分析，探究其是否能滿足使用的要求。

2　改進(jìn)的方法

2.1刀片的改進(jìn)方法

普通切斷機(jī)使用的刀片外形多為長(zhǎng)方形，如圖1所示，厚度方向上為一平面，剪切下來(lái)的斷面和鋼筋呈90°夾角，如圖2所示。要想將斷面切成一定角度，刀片的外形不論怎樣改變都很難實(shí)現(xiàn)。

圖1　普通刀片F(xiàn)ig.1 Ordinary blade

故而設(shè)想，如果在刀片厚度方向上開(kāi)一斜刃，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。于是在原有刀片基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了45°角的斜刃。對(duì)于斜刃的深度，考慮到用戶要求最大切斷φ25 mm的螺紋鋼，于是把深度定為25 mm，如圖3所示。改進(jìn)工藝路線為［1］：

圖2　普通刀片切斷鋼筋的斷口Fig.2 The fracture of ordinary steel cutting blade

安裝到設(shè)備上試車，剪切效果非常理想，如圖4所示。但考慮到在熱處理淬火過(guò)程中由于應(yīng)力集中，斜刃的尖部和根部會(huì)產(chǎn)生裂紋影響刀片使用壽命，于是在加工斜刃時(shí)用圓角和臺(tái)階進(jìn)行過(guò)渡，然后再進(jìn)行淬火處理，以延長(zhǎng)刀片使用壽命。

圖3　特制斜刀片F(xiàn)ig.3 Special oblique blade

圖4　特制斜刀片切斷鋼筋的斷口Fig.4 The fracture of special oblique blade cutting steel

在刀片的改制中，由于斜刃的長(zhǎng)度有限，因此，還將刀片的厚度作了改動(dòng)，增加了刀片厚度，相應(yīng)增加了斜刃的有效長(zhǎng)度。

2.2沖切刀座的改進(jìn)方法

沖切刀座是切斷機(jī)中將動(dòng)力傳遞給沖切刀片的重要環(huán)節(jié)，在更改了刀片尺寸和外形的情況下，沖切刀座的尺寸也必須相應(yīng)做出改進(jìn)。安裝刀片的臺(tái)階由原來(lái)的20 mm增加至30 mm.改進(jìn)前后沖切刀座如圖5、圖6所示。

圖5　改動(dòng)前的沖切刀座Fig.5 The knife punch before alteration

圖6　改動(dòng)后的沖切刀座Fig.6 The knife punch after alteration

2.3機(jī)體和擋料裝置的改進(jìn)

由于刀片厚度增加了10 mm，在機(jī)體上安裝固定刀片的空間也要相應(yīng)多加工10 mm，此處不再附圖。

考慮到用戶要求最大加工φ25 mm的鋼筋，可能存在加工較細(xì)鋼筋的可能。由于刀片的斜刃較短，因此進(jìn)料時(shí)要使鋼筋的中心與刀片的刃口處在同一高度上才能將料切斷。因此在機(jī)體送料虎口處安裝了可調(diào)高度的墊塊，并在送料端安裝了一個(gè)可調(diào)的擋料裝置，用以適應(yīng)不同尺寸的鋼筋加工。改進(jìn)后的送料虎口及擋料裝置如圖7、圖8所示。

圖7　改進(jìn)后的送料虎口Fig.7 The improved feeding the tiger′s mouth

3　有限元分析

在前文理論分析與計(jì)算的同時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的有效性，此處進(jìn)行改進(jìn)前、后的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)有限元分析，并將兩種方案的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明改進(jìn)方案有效可行。

本文在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為減少工作量，針對(duì)不同直徑的鋼筋，選最大切斷直徑φ25 mm，載荷邊界條件選為最大沖切力［3］，大小為4.38×105N.

為了縮短有限元軟件的分析時(shí)間，提高分析效率，需將將改進(jìn)前后的刀片三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化［2］，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，定義材料屬性［2］，如表1所示：

圖8　改進(jìn)后的擋料裝置Fig.8 The improved gauge means

表1　刀片材料屬性Tab.1 Blade Material Properties

設(shè)置加載和約束，刀片一端面所受載荷為沖切力，大小為4.38×105N，近似處理［4］為集中力（Force），約束為兩處螺孔及刀片另一端面，近似處理為固定約束（Fixed Support），加載和約束分別如圖9、圖10所示。

圖9　改進(jìn)前刀片加載和約束圖Fig.9 The improved front blade loading and constraint Figure

圖10　改進(jìn)后刀片加載和約束圖Fig.10 The improved blade loading and constraint

劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行后處理運(yùn)算，得到改進(jìn)前后刀片應(yīng)變?cè)茍D分別如圖11、圖12所示，應(yīng)力云圖分別如圖13、圖14所示。

圖11　改進(jìn)前刀片應(yīng)變?cè)茍DFig.11 The strain cloud of front blade before improvement

圖12　改進(jìn)后刀片應(yīng)變?cè)茍DFig.12 The strain cloud of improved blade

由以上應(yīng)變?cè)茍D分析可知，改進(jìn)前刀片最大變形量為0.000 3 mm，出現(xiàn)在受力端面附近；改進(jìn)后刀片最大變形量為0.001 5 mm，出現(xiàn)在圓角附近。該變形量是由于在鋼筋切斷過(guò)程中剪切和擠壓作用產(chǎn)生的，且形變量很小，不足以影響刀片的正常使用。

圖13　改進(jìn)前刀片應(yīng)力云圖Fig.13 The stress cloud of front blade before improvement

圖14　改進(jìn)后刀片應(yīng)力云圖Fig.14 The stress cloud of improved blade

由以上應(yīng)力云圖分析可知，改進(jìn)前刀片所受最大應(yīng)力為62.1 MPa，出現(xiàn)在受力端面附近；改進(jìn)后刀片所受最大應(yīng)力為303 MPa，出現(xiàn)在圓角附近。刃具鋼屈服極限σb=785 MPa，取安全因數(shù)ns=1. 2，則許用應(yīng)力［σ］=σb/ns=654.17，可知，改進(jìn)前后刀片所受最大應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力，故不存在安全隱患［5］。

根據(jù)以上有限元分析的結(jié)果，可知，該改進(jìn)設(shè)計(jì)方案可行，并能滿足客戶的定制要求。

最終，產(chǎn)品如期交付用戶使用，較好的滿足了用戶的要求。在其后一年多的使用回訪中，用戶反映良好，并再次采購(gòu)了數(shù)臺(tái)相同型號(hào)設(shè)備和數(shù)十套斜刃刀片。

4　結(jié)語(yǔ)

4.1優(yōu)點(diǎn)

此設(shè)備最大限度應(yīng)用了市場(chǎng)上已有的成型切斷機(jī)作為改進(jìn)的基礎(chǔ)，改動(dòng)量小，零部件的備件充足，后期使用成本低，且效率高，無(wú)損耗。

4.2缺點(diǎn)

4.2.1切斷直徑受限

刀片制作好后，就限制住了其最大切斷的鋼筋的直徑。如：此次制造的刀片只能切斷最大φ25 mm的鋼筋，如果切斷直徑大于φ25 mm的鋼筋，會(huì)造成鋼筋不能完全切斷，料頭夾在固定刀片和活動(dòng)刀片之間，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞設(shè)備。

4.2.2切斷不同直徑鋼筋需對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整

刀片斜刃，也就是有效切斷部分較短，使用時(shí)要將鋼筋的中心與斜刃的中心對(duì)齊后才能進(jìn)行切斷，用戶需根據(jù)情況自行調(diào)整進(jìn)料裝置。

總之，服務(wù)于用戶，滿足其對(duì)產(chǎn)品的不同要求，是今后發(fā)展的方向，我們不但要有常規(guī)的通用的設(shè)備，還要有符合用戶特殊要求的特制設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充，這樣才能最大限度的占領(lǐng)市場(chǎng)，促進(jìn)企業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

［1］ 趙汝嘉.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［3］ 高蕊.鋼筋切斷機(jī)切斷過(guò)程分析及最大沖切力的計(jì)算［J］.建筑機(jī)械，1995（10）：23-25.

［4］ 肖強(qiáng).GQ40F鋼筋切斷機(jī)偏心軸-連桿接觸分析與研究［J］.太原：太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（2）：132-136.

［5］ 黃華.基于ANSYS_WORKBENCH的氣門(mén)偏擺落座力研究［J］.上海：機(jī)械制造，2010，48：36-39.

Design and Analysis on Oblique Blade for Reinforcing Steel Cutting Machine

ZHANG Yu，XIAO Qiang
（Taiyuan University of Science and Technology，Engineering Training Center，Taiyuan 030024，China）

In the cutting steel process of reinforcing steel cutting machine，steel fracture cross-sections are mostly horseshoes resulting in shear and compression of blade.When the user of the fracture cross-section has special requirements，the traditional blade will not be useful.Thus，this paper provides a solution for special-purpose steel processing，i.e.，that is the design of 45°cutting angle oblique blade.Meanwhile，a 3-D model integrating with blade，punching knife blocks.etc.，was built by Solid works，and the model was imported to finite element software ANSYS Workbench，the design feasibility was proposed.

reinforcing steel cutting machine，oblique blade，modeling，finite element analysis.

TH113

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.02.010

1673-2057（2016）02-0130-05

2015-12-10

張宇（1972-），男，中級(jí)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工藝研究。