熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊受力研究

張康武，景群平，李 偉，董航喆，呂陽陽

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.遼寧忠旺集團有限公司設(shè)備部，遼寧 遼陽 111003；3.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

0 前言

在熱軋帶鋼的生產(chǎn)過程中，帶鋼邊部經(jīng)常會由于金屬流動特性的原因造成邊部減薄問題，圓盤剪作為熱軋帶鋼生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備之一，通常設(shè)置在帶鋼的剪切線上，用來剪切帶鋼邊部，改善帶鋼的邊部質(zhì)量[1-4]，而剪下的那一部分帶鋼則被稱為廢邊。廢邊通過圓盤剪剪刃下面的溜槽進入碎邊剪，經(jīng)剪碎后再通過導(dǎo)槽進入廢料倉。廢邊的運行通常是不規(guī)律的，不但會造成溜槽磨損嚴重，而且還容易在圓盤剪與溜槽銜接處或在溜槽內(nèi)部造成不同程度的堵倉現(xiàn)象，甚至需要停機修理，影響工作效率和企業(yè)效益。傳統(tǒng)現(xiàn)場對于熱軋帶鋼圓盤剪的研究主要集中于剪切力、剪切功率的計算以及間隙與重疊量的設(shè)置等[5-8]，而對廢邊受力的研究則較少。本文采用分析廢邊的運行機理與有限元模擬結(jié)合的方法，對廢邊在剪切過程中的受力展開研究。

1 熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊運行機理分析

熱軋帶鋼圓盤剪是依靠上下兩個圓盤形剪刃在連續(xù)旋轉(zhuǎn)中，對帶鋼邊部進行滾動剪切，帶鋼速度等于剪刃做圓周運動的速度，隨著帶鋼的運行，上下刀刃的帶鋼不斷被擠壓切入，使板帶材料發(fā)生塑性變形直至切斷[9-10]，剪切狀態(tài)如圖1、圖2所示。為了保證板邊的脆性切斷，上下剪刃必須有足夠的重疊量Δ，Δ一般以帶鋼的厚度h的1/3左右為宜。由于Δ的存在，板邊剪切中產(chǎn)生向前下方的作用力，邊部斷裂時由于剪切應(yīng)力作用，板邊會伴有向外側(cè)及下側(cè)彎曲[11]。

圖1 板邊切斷時的狀態(tài)

圖2 廢邊運行狀況

熱軋帶鋼經(jīng)圓盤剪切邊后，為了有效快速的收集廢邊，剪下的廢邊會隨著帶鋼的運行，進入與圓盤剪剪刃相配合的溜槽，通過碎邊剪剪碎后進入料倉。廢邊在溜槽內(nèi)會先與溜槽上板發(fā)生滑動摩擦，在受到的合力的作用下首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)達到帶鋼的屈服強度后，廢邊會發(fā)生塑性變形，帶鋼不斷的重復(fù)發(fā)生形變，圖3為應(yīng)力應(yīng)變曲線。之后廢邊通過碎邊剪，碎邊剪將廢邊連續(xù)切碎，然后再通過溜槽底部，進入廢料倉，圓盤剪與溜槽的位置關(guān)系如圖4所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 圓盤剪與溜槽的位置關(guān)系

在圓盤剪的剪切過程中，廢邊從開始接觸溜槽上導(dǎo)板到被傳送到碎邊剪會經(jīng)歷兩個階段。撞擊階段和彎曲變形階段，撞擊階段如圖5所示。

圖5 撞擊階段受力示意圖

經(jīng)過圓盤剪剪下的廢邊頭部是微微向下彎曲的，隨著帶鋼的運行，廢邊頭部率先碰到溜槽頂部，在溜槽的任意一點，廢邊受到溜槽對其的推力和溜槽導(dǎo)板對其的作用力，隨著廢邊向后移動，上導(dǎo)板對廢邊的作用力逐漸增大，并向廢邊的反方向轉(zhuǎn)移，而合力的方向則逐漸偏離廢邊的運動方向，指向溜槽底部，廢邊在合力的作用下發(fā)生彈性變形。彎曲變形階段，如圖6所示，廢邊由于剛度小，在不斷前進的過程中受到的作用力不斷增大，隨著變形量的不斷積累，如果達到帶鋼的屈服強度，就會發(fā)生塑性變形；隨著帶鋼不斷運行，廢邊產(chǎn)生塑性變形的彎曲部位與溜槽的上表面繼續(xù)接觸受力，然后不斷的在溜槽內(nèi)發(fā)生彈性變形，進而產(chǎn)生塑性變形，就會產(chǎn)生波形折疊，然后隨著帶鋼的運行，廢邊被傳送到碎邊剪處[12-14]。

圖6 彎曲變形階段受力示意圖

2 典型規(guī)格熱軋帶鋼剪切過程受力模擬

本節(jié)利用有限元分析軟件ANSYS[15]對帶鋼剪切過程及剪切下的廢邊在溜槽內(nèi)的受力和變形進行模擬，并對模擬結(jié)果進行詳細分析。

帶鋼材料在剪切過程中包含彈性變形過程和塑性變形過程，而且還伴隨著剪切斷裂過程，本文采用非線性彈性模型中的隨動塑性材料模型[16-17]。為了縮短時間，簡化分析過程，本文將刀軸何刀盤視為剛體，因此在建模過程中只需建立上下刀盤的模型[18-19]，材料為合金工具鋼Cr12MoV[20]，設(shè)置帶鋼速度為2 000 mm/s,刀盤圓周速度為95.5 r/min。簡化模型如圖7所示。

圖7 圓盤剪剪切簡化模型

為了縮短計算時間，因此將帶鋼尺寸減小，本文模擬所用帶鋼尺寸為1 000 mm×100 mm的兩個典型規(guī)格產(chǎn)品進行模擬。其中，1#典型規(guī)格產(chǎn)品的厚度為2.1 mm；2#典型規(guī)格產(chǎn)品厚度為4 mm。兩個典型規(guī)格產(chǎn)品所剪下的廢邊寬度均為10 mm，帶鋼材料均為45#鋼，其材料參數(shù)見表1。

表1 45#鋼的材料參數(shù)

2.1 典型規(guī)格熱軋帶鋼廢邊剪切過程受力模擬

如圖8、圖9所示，分別給出1#及2#典型規(guī)格的帶鋼在不同時段廢邊的力學(xué)狀態(tài)。

圖8 1#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊剪切過程受力圖

圖9 2#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊剪切過程受力圖

從圖8及圖9所示的典型規(guī)格產(chǎn)品在剪切過程中廢邊的等效應(yīng)力分布云圖可以看出：塑性應(yīng)變只出現(xiàn)在剪切區(qū)范圍內(nèi)，離剪縫較遠的邊部未發(fā)現(xiàn)塑性變形，剪切斷面縫隙處的等效應(yīng)力達到最大值，隨著剪切的進行，最大應(yīng)力向前擴展，始終在與剪刃接觸處，剪切結(jié)束后帶鋼及剪切斷面依然存在著一定的殘余應(yīng)力，這也同實際的剪切過程的帶鋼受力情況一致，應(yīng)力由剪縫向兩邊逐漸減小，帶鋼邊部的等效應(yīng)力最小。由圖可以看出帶鋼被剪刃剪切后，帶鋼向上翹曲，在實際剪切過程中由于有壓輥的存在會抵消掉帶鋼向上翹曲的力[20]。剪切后的廢邊向下運動，隨著剪切時間和廢邊長度的增加，由于自身重力的原因，廢邊頭部會出現(xiàn)輕微的向下彎曲，與圓盤剪實際剪切現(xiàn)象基本類似。

2.2 典型規(guī)格熱軋帶鋼廢邊溜槽內(nèi)的受力模擬

為了模擬出不同厚度的典型規(guī)格產(chǎn)品在剪切過程中廢邊進入溜槽之后的狀態(tài)，如圖10～圖15所示，給出1#、2#典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊進入溜槽內(nèi)的三個典型位置的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及接觸狀態(tài)。在模擬過程中，為了減少計算容量對溜槽只建立接觸部分，設(shè)定溜槽參數(shù)：溜槽兩板間的距離為80 mm，長度為2 000 mm，與水平面的角度為30°；設(shè)定廢邊參數(shù)：長1 000 mm，寬10 mm，只建立初始進入溜槽的部分；設(shè)定圓盤剪剪刃參數(shù)：剪刃直徑為400 mm，剪口距離溜槽30 mm。

圖10 1#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊剛接觸到溜槽時的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖11 1#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊與溜槽接觸后前端向下位移為70 mm時的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖12 1#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊與溜槽上板出現(xiàn)較大程度的貼合時的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖13 2#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊剛接觸到溜槽時的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖15 2#典型規(guī)格產(chǎn)品廢邊與溜槽上板出現(xiàn)較大程度的貼合時的應(yīng)力及應(yīng)變圖

對于1#典型規(guī)格產(chǎn)品而言，如圖10所示，廢邊頭部接觸到溜槽，先撞擊溜槽上板，產(chǎn)生了較大的碰撞力為48 MPa；由圖11可以看出，廢邊頭部在力的作用下，出現(xiàn)彎曲變形，此時變形為彈性變形，廢邊頂端在溜槽內(nèi)摩擦滑行，對上板的作用力降為30 MPa；從圖12可以看出，廢邊與溜槽接觸增大，出現(xiàn)貼合，對溜槽上板的作用力穩(wěn)定在8 MPa左右，隨著廢邊繼續(xù)接觸溜槽，廢邊達到屈服后，發(fā)生了塑性變形，此時貼合長度為210 mm，并且隨著過程進行，貼合長度增加。與此同時，對于2#典型規(guī)格產(chǎn)品而言，如圖13所示，運行的廢邊頭部撞擊到溜槽上板，產(chǎn)生了較大的碰撞力為94 MPa；從圖14可以肯出，廢邊頭部在合力的作用下產(chǎn)生彈性變形，出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，然后廢邊頂端在溜槽上板摩擦滑行，對上板的作用力降為56 MPa；從圖15可以看出，廢邊與溜槽接觸增大，出現(xiàn)貼合，對溜槽上板的作用力穩(wěn)定在16 MPa左右，隨著廢邊繼續(xù)接觸溜槽，廢邊達到屈服后，發(fā)生了塑性變形，此時貼合長度為163 mm，并且隨著過程進行，貼合長度增加。

2.3 模擬結(jié)果分析

通過有限元法對兩種典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊在溜槽內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變及接觸狀態(tài)的模擬，根據(jù)模擬出的等效應(yīng)力應(yīng)變云圖，分析總結(jié)出以下幾點結(jié)論：

(1)廢邊在溜槽內(nèi)的受力主要集中在剛接觸到溜槽上板的時候，反之，溜槽前段容易受到撞擊和磨損。

(2)隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊頭部對溜槽上板的撞擊力增加，增大了對溜槽上板的的磨損；

(3)隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊剛度增大，在溜槽反作用力下不易產(chǎn)生形變，廢邊與內(nèi)壁的貼合程度減小。

3 結(jié)論

(1)通過對熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊受力的分析，得到了帶鋼在剪切斷裂過程中和廢邊在溜槽內(nèi)運行過程中的應(yīng)力及應(yīng)變的變化，以及廢邊的運動規(guī)律，為圓盤剪關(guān)鍵技術(shù)的研究提供理論依據(jù)，也為實際生產(chǎn)中剪切工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化提供科了學(xué)依據(jù)；

(2)圓盤剪剪切帶鋼過程中，剪切應(yīng)力最大的部位是剪縫附近，且應(yīng)力由剪縫向兩邊逐漸減??；

(3)廢邊對溜槽最大的作用力發(fā)生在剛碰撞到溜槽上板的位置，在發(fā)生一系列的彈性變形和塑性變形后，廢邊在溜槽內(nèi)貼合，并摩擦滑行，作用力處于穩(wěn)定狀態(tài)；隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊剛度增大，廢邊頭部對溜槽上板的撞擊力增加，貼合長度減小，且對溜槽上板的磨損增加。