滚筒式飞剪机的剪切性能理论分析及有限元模拟

俞洪杰，马立峰，冀俊杰，石建辉，杨 博，曹晓琪

(1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中国重型机械研究院有限公司板带精整与处理研究所，陕西 西安710032;3.宁波钢铁有限公司，浙江 宁波315807)

滚筒式飞剪机的剪切性能理论分析及有限元模拟

俞洪杰1，2，马立峰1，冀俊杰2，石建辉1，杨 博2，曹晓琪3

(1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中国重型机械研究院有限公司板带精整与处理研究所，陕西 西安710032;3.宁波钢铁有限公司，浙江 宁波315807)

本文对现有的飞剪剪切力计算公式进行了归纳总结和理论分析，采用有限元法对滚筒式飞剪的剪切过程进行有限元数值模拟，并与理论计算结果进行对比与分析，结果表明剪切力的大小与钢板的厚度、宽度、速度和材料的强度极限有密切关系:钢板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;钢板宽度每增加150 mm，剪切力增加约12%;钢板运行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板带材料强度极限越高，所需剪切力越大。

滚筒式飞剪;剪切力;数值模拟

0 前言

滚筒式飞剪是连续轧制生产线上用于剪切板带材的重要设备，主要分为热轧板带滚筒式飞剪和冷轧板带滚筒式飞剪。飞剪性能好坏对板带质量及整条生产线的生产效率都有直接影响。到目前为止，国内外有多组飞剪机剪切力计算公式，大部分都属于半经验公式，对系数进行不同范围的修正，笔者在此基础上对滚筒式飞剪机的剪切性能进行理论分析，并运用大型有限元软件ANSYS/LS－DYNA对滚筒式飞剪的剪切过程进行数值模拟，对模拟结果与理论计算进行比较分析。

1 滚筒式飞剪机剪切力能参数理论分析

1.1 滚筒式飞剪机剪切过程分析

滚筒式飞剪机剪切板带的过程分为弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段，也可细分为剪刃弹性压入金属、剪刃塑性压入金属、金属滑移、金属裂纹萌生和扩展、金属裂纹失稳扩展和断裂六个阶段。

在实际工作中，滚筒式飞剪机的上下剪刃剪切面并不始终保持平行，也不与被剪板带垂直。整个剪切过程实际上是剪切和挤压并举，板带剪切断面受剪刃挤压的作用，有一定的倒角，这对剪切薄板带而言是个优点，使后续的卷取工序中不会划伤板带表面，但在剪切较厚带坯时使剪切力急剧增加，剪切质量也不好，故滚筒式飞剪机不适合剪切较厚的带坯，冷剪板带厚度h＜5.8 mm［1］。

1.2 滚筒式飞剪机剪切力公式的总结与分析

目前研究滚筒式飞剪机剪切力公式的方法有:实用计算法，滑移线法，有限元法和现场试验法。笔者对部分平行刃飞剪的剪切力计算公式进行了归纳，如表1。

表1 现有的平行刃飞剪剪切力计算公式Tab.1 Existing cutting calculation formula for shear force of parallel blade flying shears

实用计算法过于理想化，用于计算，剪切力势必产生一定的误差，基本上都采用修正系数，以获得更加准确的结果;用滑移线法研究飞剪剪切过程，其精确程度与设定的滑移线场形状有关，当采用直观塑性法绘制滑移线场时，光刻或机械刻印法误差也不小，故滑移线法实用性也较差［2］;表1中公式均为平行刃飞剪剪切力计算公式，都属于半经验公式，对系数进行了不同的修正，但方便用于理论计算，可以作为理论计算的参考，运用理论公式计算剪切力时需注意，滚筒式飞剪剪切力最大的位置发生在板厚切深比约为60%～70%时［3］。

2 滚筒飞剪剪切过程有限元模拟

2.1 剪切断裂准则

要对材料的断裂过程进行准确模拟，断裂准则的选取至关重要，断裂准则不仅要能对各种裂纹进行合理地描述，还必须运用到有限元程序中。在模拟中，选取Cockroft＆Lathem准则［8］，其函数描述如下:

2.2 研究对象

本文以某大型钢铁集团冷轧厂生产线上的滚筒式飞剪为研究对象，图1为冷轧板带滚筒式飞剪机，其主要基本参数见表2，该飞剪剪刃为平行刀片。

图1 某钢厂滚筒式飞剪机图Fig.1 Axonometric drawing of drum flying shears

表2 滚筒式飞剪机主要基本参数Tab.2 Main parameters of drum flying shears

2.3 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元软件，运用LS－DYNA模块，针对滚筒式飞剪的剪切过程建立三维有限元模型，如图2所示。上下滚筒、剪刃定义为刚体，钢板采用塑性随动材料模型，都采用SOLID164实体单元。因为剪切过程是大变形过程，故采用单点积分算法，并进行沙漏控制以得到比较好的模拟结果。

图2 有限元模型Fig.2 Finite elementmodel

2.4 计算结果分析

图3a、3b分别反映了厚4mm，宽1 680 mm的45号钢、不锈钢304在剪切过程中所受剪切力的变化情况。可以看出，在板带剪切瞬时剪切力急剧增大，剪切后剪切力急剧减小到0N，剪切时间极短，约为0.02 s，这是因为滚筒式飞剪机的剪切速度很快。

选取材料45钢、速度260 m/min、宽度1 680 mm，对不同厚度钢板进行有限元模拟，并运用表1中计算公式计算理论值，计算结果如表3和图4所示。

表3 同种材料(45#)不同厚度剪切力Tab.3 Shear force of samematerial(45#)with different thickness

由图4可以看出，随着钢板厚度的增加，剪切钢板所需的剪切力随之增加，理论公式计算值与有限元计算剪切力变化趋势相同，且模拟值居于三组公式计算值中间。

选取材料45钢、速度260 m/min、厚度4 mm，对不同宽度钢板进行有限元模拟，同时运用表1中计算公式计算理论值，计算结果如表4和图5所示。

表4 同种材料不同宽度剪切力Tab.4 Shear force of samematerialwith differentwidth

b/mm最大剪切力/104N模拟值 公式1公式2公式3 1 600 145.25 183.13 166.48 193.02 1 680 199.17 218.81 174.81 224.48

图5 同种材料不同宽度剪切力比较图Fig.5 Curves for shear force of samematerialwith differentwidth

由图5可以看出，随着钢板宽度的增加，剪切钢板所需的剪切力随之增加，理论公式计算值与有限元计算剪切力变化趋势相同，较宽钢板有限元模拟值增幅较大，但与理论计算值偏差不大。

选取材料45钢，材料规格4.0 mm×1680 mm，采用不同剪切速度对其进行有限元模拟，计算结果如表5和图6所示。

从图6可知，随着剪切速度的增加，剪切力随之增加，但其增加的幅度不是很大，剪切速度从100 m/min增加到260 m/min，其剪切力只增加了7%，说明剪切速度对滚筒式飞剪机剪切力的影响不是很大。

表5 同种材料不同速度剪切力Tab.5 Shear forces of samematerialwith different velocities

选取材料规格4.0 mm×1680 mm、剪切速度260 m/min，对不同材料的钢板进行有限元模拟，计算结果如表6和图7所示，可知随着钢板材料强度极限的增加，剪切力增加。

表6 同种规格不同材料钢板的剪切力Tab.6 Shear forces of differentmaterials with same specification

2.5 有限元模拟值与理论计算值比较与分析

从图4、图5和图7中可以直观看出，有限元计算剪切力和公式2的计算剪切力的值较小，公式1和公式3的计算值较大，且公式1计算值最大。这是因为公式1中考虑了系统的功率、剪刃的磨钝、摩擦、温度的损失等因素对剪切力的影响，公式3中考虑了剪刃间隙对剪切力的影响，故这两组公式更加切合实际情况。由于有限元模拟飞剪剪切的钢板是理想弹塑性模型，故模拟值偏小。公式2用于计算滚筒式飞剪剪切力其值偏小，还需进一步对系数进行修正。

选取表3中有限元模拟值和公式3计算值进行定量比较分析，结果见表7。模拟值与计算值的误差在一定范围内(≤17.43%)。

表745钢剪切力计算值与模拟值比较Tab.7 Comparison between calculated and simulated values of 45#steel shear force

厚度/mm宽度/mm 计算值 模拟值 差值 误差%剪切力/104N 2 1 680 132.24 113.27 18.97 14.34 2.5 1 680 140.3 130.04 10.26 7.31 3 1 680 168.36 140.66 27.7 16.45 3.5 1 680 196.42 170.93 25.49 12.989 4 1 680 224.48 199.17 25.31 11.27

3 结论

(1)根据滚筒式飞剪的剪切特点，建立了剪切过程的有限元模型，并采用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟。

(2)滚筒式飞剪剪切力的大小与钢板的厚度、宽度、速度和材料的强度极限有密切关系。钢板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;钢板宽度每增加150 mm，剪切力增加约12%;钢板运行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板带材料强度极限越高，所需剪切力越大。

(3)经过修正后的理论公式和有限元模拟都可以得到比较准确的飞剪剪切力，可以作为设计制造滚筒式飞剪机的依据。

［1］柳冉，蒋继中，赵建刚等．滚筒机构螺旋剪刃飞剪静态剪切力计算公式探讨［J］．重型机械，2001(3)．

［2］鄂世伟，胡高举，王宇．滚筒飞剪剪切力计算研究［J］．重庆工学院学报(自然科学版)，2007，(7)．

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［9］Livermore Software Technology Corporation．LS－DYNA keyword user＇smanual，Volume 1［M］．US:Livermore Software Technology Corporation，2007．

［10］黄庆学，肖宏．轧钢机械设计［M］．北京:冶金工业出版社，2007．

Cutting performance analysis and finite element simulation of rotating drum flying shears

YU Hong-jie1，2，MA Li-feng1，JIJun-jie2，SHIJian-hui1，YANG Bo2，CAO Xiao-qi3
(1．Heavy Industry Engineering Center of MOE，Taiyuan University of Science andTechnology，Taiyuan 030024，China;2．Strip Institute for Finish Processing，China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd，Xi'an 710032，China;3．Ningbo Steel Co．，Ltd．，Ningbo 315807，China)

The existing shear force calculation formulas are summarized and analyzed theoretically in this paper．The shearing process of drum flying shears is simulated numerically with FEM．The result is compared with thatof theoretical calculation．It shows that shear force has a close relationship with strip thickness，width，velocity and thematerial strength:whenever the thickness of the steel strip increases every 0.5 mm，the shear force will increase by 25.2%;whenever the steel strip width increases every 150 mm，the shear force will increase by 12%;the running speed of the steel strip increases every 40 m/min，the shear force will increase by 1.7%;the strip strength is higher，the shear force is bigger．

drum flying shear;shear force;numerical simulation

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0046－05

2011－12－11;

2012－03－16

俞洪杰(1986－)，男，太原科技大学硕士研究生。