闸式剪板机刀架刚性的有限元分析

李 堑，王金荣，冷志斌，朱灯林

（1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 江都 225200）

闸式剪板机刀架刚性的有限元分析

李 堑1，2，王金荣2，冷志斌2，朱灯林1

（1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 江都 225200）

剪板机刀架的刚性对金属板材的剪切质量有着重要的影响，刀架刚性过小，将导致加工板材的直线度降低、毛刺变大，严重时会引起刀片的崩刃与机床剪切能力的下降。本文结合公司LGSK-6×4050型闸式剪板机新机型研发项目，建立了该机刀架刚性分析的力学模型，采用有限元方法对该机刀架的刚性进行了分析，分析得出了在剪切力与剪切水平推力共同作用下，不同剪切位置时刀架的变形规律，分析结果与实测值具有较好的一致性。该方法对闸式剪板机刀架的设计与刚度校核具有重要的指导意义。

机械制造；刀架；闸式剪板机；有限元分析

1 引言

剪板机广泛运用于机械制造、汽车、造船、集装箱制造、金属结构、锅炉 容器、家用电器及轻工等制造行业。剪板机刀架是剪板机的一个基本部件，工作时其在剪切力与剪切水平推力的作用下容易产生变形，因此，刀架结构的合理设计，对提高刀架强度和刚度，提升剪板机剪切质量与加工能力，减轻刀架的重量，提高机床的经济性，都具有直接的影响。

由于剪板机刀架的结构比较复杂，采用经典的材料力学方法很难对其进行求解，有限元技术的发展为刀架刚性分析提供了一个有效的途径。文献[1]采用ANSYS中的APPL语言编写移动载荷各个载荷部的信息，研究了移动载荷作用下刀架的变形、等效应力和等效应变。但在分析时只考虑了剪切力的作用，没有考虑剪切水平推力的作用，实际上剪板机剪切工作时，剪切水平推力作用下剪板机刀架的挠度变形对板材的剪切质量影响最大。本文以LGSK-6×4050型闸式剪板机为例，采用有限元方法对剪板机刀架刚性进行了分析，得出了剪切力与剪切水平推力作用下刀架的变形规律，为剪板机刀架的结构设计与刚性校核提供了理论指导与依据。

2 剪切力与剪切水平推力的计算

剪板机剪切板材时，刀架要受到剪切力与剪切水平推力的共同作用。目前，斜刃剪切力计算公式普遍采用下式[2，3]：式中：σb——被剪板料的抗拉强度；

δ5——被剪板料的伸长率；

h——被剪板料的厚度；

α——剪切角；

K——刀片磨钝系数，一般取K=1.2；

Z、X、Y——弯曲系数、压料角距离系数、刀片间隙系数。

刀架所受的剪切水平推力T为：斜刃剪板机剪切板料时剪切区的示意如图1所示，在剪切区域，刀片与被剪板料的接触长度S为：

为简化计算，认为剪切力在长度为S、宽度为刀片宽度t的长方形区域内均匀分布。

对于剪切水平推力的作用区域，目前国内外尚无相关文献报道。根据剪切理论，可以认为刀片与被剪材料的弹性接触区即为剪切水平推力的作用区域。因而设定剪切水平推力的作用范围为斜边为S，夹角α所对边长为剪切板材厚度h的直角三角形区域。为简化计算，同样认为剪切水平推力在此区域内均匀分布。

3 研究对象

LGSK-6×4050型闸式剪板机刀架结构见图2。产品用户在使用过程中发现，刀架水平方向的变形对被剪板材的剪切质量影响较大。剪板机在剪切高强度板材比如不锈钢时的毛刺较大。因而，这里主要分析3mm厚不锈钢板材剪切时刀架水平方向上的变形情况，根据式（1）、（2）计算可得剪切力P与剪切水平推力T分别为158.7kN与47.6kN。

4 有限元模型的建立

4.1 模型简化

剪板机刀架为焊接件，若考虑各焊接零件之间接触面的类型、接触面的摩擦系数、焊缝的位置和类型等因素则会大大增加计算处理的复杂性，不利于模型网格的控制和生成。为了建立合理的有限元力学模型，在保证计算模型的几何特性、力学特性和真实情况相近的条件下，做如下简化：

（1）对不重要的零件几何要素进行简化。螺栓孔、非受力面的安装螺孔等在计算中作用小的几何元素进行简化。这样可以减小建模的工作量；提高模型的网格质量；加快计算的速度。

（2）对关键受力区域的焊缝按倒角或者倒圆角进行处理，这样可以更接近实际制造焊接件的情况，以保证计算的准确性。

4.2 边界条件的添加

闸式剪板机采用三支点滚轮导轨结构支撑刀架，刀架连接在油缸活塞杆上，在导轨之间作往复直线运动，如图3所示。后两支点固定在墙板上，前支点为碟簧滚轮支座，固定在压料梁上，使刀架始终贴合在后两支点上。调整刃口间隙时，按下间隙调整按钮，电机经减速机，带动同步轴转动，由于上支点为偏心的，就使刀架在下支点上作微量转动，从而改变刃口间隙值[4，5]。

刀架的三支点导轨结构限定刀架只能在导轨之间往复直线运动，因而在有限元分析时，限定在导轨面上添加约束条件为滚柱滑动，限定其只能沿导轨面上下移动。刀架经油缸支座连接到油缸活塞杆上，限制刀架上下移动，但允许其绕销轴孔转动，因而在油缸支座销轴孔上添加约束条件为铰链。

根据式（1）、（2）计算剪切力与剪切水平推力的大小，在剪切力与剪切水平推力作用区域添加均匀分布的法向载荷。刀架刚性有限元分析的边界条件见图4。

为了系统分析剪切位置不同时刀架的变形规律，本文选取有代表性的三个剪切位置进行了分析（图5）。其中A和C为后挡料安装位置，为设置后挡料装置，在刀架水平板以及斜板上进行了开孔，这些孔会减小刀架的强度与刚性。B点为立板的中间位置，剪切力作用在此位置时，刀架的刚性最差，变形最大。

5 分析结果

对上面建立的有限元模型进行网格划分与迭代求解，得到3mm不锈钢板材剪切时刀架的位移云图与变形形状如图6所示。刀架水平方向的变形与位移云图如图7所示。

由于影响剪切质量的主要是刀架水平方向的位移与变形，而刀架垂直方向的位移对剪切质量的影响较小，因而主要对刀架下端水平方向的变形进行分析。不同位置剪切时刀架下端水平方向的挠曲变形曲线如图8所示。不同剪切位置时刀架水平方向上的最大位移见表1。

从上面分析可见：①剪切位置位于B点时，刀架水平方向的挠曲变形最大，C点次之，A点最小。②刀架水平方向的挠曲变形曲线在后挡料的安装处有一定的突变，这主要是为了安装后挡料，在刀架上设置了一些孔洞，这些孔洞导致刀架局部刚性的减弱。实践生产中，此处刀架的刚性过差常会引起剪切刀片崩刃，在设计中要特别注意。

6 结论

本文采用有限元方法对公司新开发的LGSK-6×4050型剪板机刀架的刚性进行了分析。在剪切力与剪切水平推力的共同作用下，刀架会产生较大的水平方向的位移，此位移会引起上、下刀片之间的间隙加大，导致剪切板材的毛刺较大；后挡料安装处刀架的局部刚性较差，刀架水平方向的变形曲线在后挡料的安装处有一定的突变，增大较多，此处刀架的刚性过差常会引起剪切刀片的崩刃，应在设计中特别注意。作者根据分析得到的结果以及设计目标，对剪板机机构进行了一定的优化设计与结构改进，取得了较好的效果，具体请见后续报道。本文中建立的基于有限元的剪板机刀架刚性分析方法，对剪板机刀架的设计、结构分析以及强度校核具有一定的指导意义。

表1 不同剪切位置时刀架水平方向的最大挠度/mm

[1]刘营营，王 强，杨晋穗，徐济声.基于ANSYS的液压剪板机刀架有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术，2009，（6）:35-39.

[2]徐会彩，李金山.斜刃剪板机剪切力的研究[J].锻压装备与制造技术 ，2010，45（4）:29-31.

[3]张慧光.剪板机设计[M].沈阳锻压机床厂编译，1978:2-13.

[4]何应东，岳金成，马会元.闸式剪板机三点滚轮位置分布与受力分析[J].金属加工，2009，（15）:50-51.

[5]张冠军，王 静，周德宇，王修朝.剪板机滚动导轨设计中的几个问题[J].锻压装备与制造技术，2009，44（5）:44-46.

Finite element analysis of the rigidity of tool carrier on brake type plate shear

LI Qian1，2，WANG Jinrong2，LENG Zhibin2，ZHU Denglin1
（1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hehai Univeristy，Changzhou 213002，Jiangsu China；2.Jiangsu Yawei Machine Tool Co.，Ltd.，Jiangdu 225200，Jiangsu China）

The rigidity of tool carrier on plate shear affects the shear quality greatly.The straightness of the processed plate will decrease and its burr will increase if the rigidity is too low，which even leads to the tipping of the blade and the decrease of shearing ability.The mechanical model of the LGSK-6×4050 new brake type plate shear has been established to study its rigidity.The deformation rules of the tool carrier under different shear position have been obtained by use of a finite element method.The analysis result coincides to the measurement result well.The method proposed in the text provides a guide for the design and intensity alignment of the tool carrier on brake type plate shear.

Tool carrier；Brake type plate shearing machine；Finite element analysis.

TG315.5+5

B

2011-08-30

李 堑（1978-），男，博士，从事数字化设计与制造、锻压机床设计与制造的教学与科研

1672－0121（2011）06－0033－04