φ 407 mm冷轧圆盘剪切机间隙和重合度对剪切质量的影响分析

杨 竞，刘书浩，范 云

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

0 前言

剪切机作为钢铁加工工业中重要的辅助设备，不但决定带钢剪切质量的高低，也对随后加工流程起着重要的作用。圆盘剪切机剪切效率高，因而被广泛应用。但是由于工作参数配合等因素的限制，其剪切质量较差。本文针对国内某钢铁企业在冷轧作业线上，利用φ 407 mm的双边圆盘剪(图1所示)进行切边时，发生切边不齐现象，探究影响剪切质量的原因。

本文借助计算机辅助分析手段，利用Deform-3D有限元分析软件对该剪切系统进行CAE分析，得到了被剪切带钢的边界应力分布情况。根据仿真结果并结合理论知识分析，得出了剪切参数与剪切质量之间的影响关系及规律［1］。

1 圆盘剪切机工作原理

图1 圆盘剪实际工作图Fig.1 Picture of disc shearing machine

圆盘剪切机工作原理如图2所示，带钢受到张紧力的作用，水平向右移动，通过压紧辊并持续向前运动(由于剪切过程中存在带钢与剪刃之间的摩擦，会使带钢受力不平衡而产生上下跳动，所以必须通过压紧辊使带钢不能上下跳动，压紧辊与带钢之间是只接触不受力)。最后通过存在侧向间隙和竖直方向重合度的上下剪刃，使带钢边缘被剪切下来，由于是无动力圆盘剪(剪刃是没有动力驱动的)，所以在剪切过程中，带钢与剪刃之间的摩擦力使圆盘剪被动旋转［1］。

图2 工作原理图Fig.2 Working principle of disc shearing machine

2 有限元模型的建立

在Pro/E软件中建立与实际比例为1:1的实体模型。利用圆盘剪切机几何对称、工作对称特性建立半边模型，不但可以减少计算量，还可以加密剪切区网格，使仿真数据更接近真实数据，系统模型如图3所示。

2.1 模型几何尺寸

模型尺寸按1:2建立，尺寸见表1。

表1 剪刃和带钢尺寸表Tab.1 List of cutting blade and strip dimensions

图3 模型图Fig.3 Diagram of shearing model

2.2 材料特性

被剪切带钢材料选用45#钢，选取材料库中的 AISI－1045，COLD［70F(20C)］。断裂准则选用当今和有限元代码结合最好的Cl准则，选取软件 Fracture 中的 Cockcroft＆Latham［2-3］。

式中，εf是断裂的等效应变;εmax是最大等效拉伸应力;d ε是等效应变增量;c是由压缩实验得到的材料常数。

2.3 网格划分及载荷施加

采用Deform提供四面体网格单元对带钢进行网格划分。约束如下:

(1)带钢头部施加300 mm/s的速度以及施加1000 N的张紧力;

(2)带钢左侧(剪切测)水平位移约束;

(3)带钢右侧(远离剪切侧)竖直位移约束;

(4)剪刃5自由度位移约束(只可以做绕中心的回转运动);

(5)剪刃与带钢接触面摩擦系数为0.12。剪切效果如图4所示。

图4 剪切效果图Fig.4 Shearing effect chart

3 工况仿真及分析

3.1 剪刃重合度对带钢剪切影响

在实际剪切过程中，带钢与剪刃之间的冲击、进给过程中带钢速度均匀性以及张紧力的平稳性等都会对剪切质量造成影响。其中重合度、间隙是影响剪切质量最为重要的参数，本文以重合度、间隙为变量建立重合度工况表进行分析，见表2。

(1)剪刃重合度对带钢边部应力分布及其弯曲影响。图5为从表2的1A、1D、1G三组工况中取第18－22，28－32，38－42三组数据的应力分布图。从图5的三组应力分布图的对比中可以看出，当重合量增大时，边部所受应力减小，边部受力后弯曲的程度明显。

(2)剪刃重合度对剪切力的影响。根据图5对应工况下的剪切力随剪刃重合度的变化历程可以得出表3。

表2 重合度变量工况表Tab.2 working condition of contact ratio variables

表3 剪切力大小随重合度变化表Tab.3 Variation of shearing force with contact ratio

图5 剪刃重合度对带钢边部应力分布图Fig.5 Stress distribution at strip cutting edge at different contact ratio

从表3中可以看出随着剪刃重合度的增大，剪切力不断减小。而且带钢受上剪刃的剪切力小于下剪刃，且波动程度也没有下剪刃剧烈，可推出在剪切过程中，带钢所受上下剪切力不平衡导致上下剪刃进入带钢剪切位置不对称，是导致产生毛刺的重要原因。此外当重合度过小时，会产生很大的剪切力，造成边部弯曲和叩头现象［4］。

(3)公式论证。建立如图6所示的带钢被剪切过程力学模型。

图6 剪切示意图Fig.6 Shearing diagram

由文献［5］可知剪切力p的计算公式。

式中，p1为纯剪切力;α为弦AB与CD间夹角的一半;z1为由被剪掉的板边宽度与板厚的比值确定的系数;ε为断裂时的相对切入深度;δ为材料的延伸率;a为平行剪单位剪切功;h为钢板厚度。

当重叠量s增加时，式(3)中cosα减小，说明α变大(0～90°内)，随之tgα增加，使式(2)中纯剪切力减小，带入式(1)中可知总剪切力减小，所以当重叠量增加时，剪切力下降［5］。

3.2 剪刃间隙对带钢剪切影响

根据以往现场数据及实验可知，在剪切过程中剪刃的侧向间隙对带钢的剪切质量要比重叠量的影响要敏感得多，所以对合理的侧隙值的研究是探求提高剪切工艺的关键，建立间隙工况表见表4。

表4 间隙变量工况表Tab.4 Working condition of gap variables

(1)剪刃间隙对边部应力分布及其弯影响。图7为从表4的2A、2C、2E三组工况中取第18－22，28－32，38－42步三组数据的应力分布图。从以上三组图上可以直观看出当间隙减小时时，边部所受应力增大，使边部褶皱的程度也更加明显［6］。

(2)剪刃间隙对剪切力的影响。根据图7对应工况下的剪切力随剪刃间隙的变化历程可以得出表5。

由表5看出，随着剪刃间隙的减小，剪切力不断增加。说明当剪刃间隙减小时，带钢受到的应力更大，剪切力也更大，更容易剪断带钢;反之如果剪刃间隙过大时，带钢不容易被剪断，而是被撕裂。这是因为当剪刃间隙较小时，更加接近理论剪切情况，两个剪刃之间的间隙减小，就是减小了无效剪切力矩，使上线剪刃对带钢剪切位置更加接近，因此提高了边部剪切质量，减少毛刺、锯齿形裂纹等现象的发生;反之如果剪刃间隙过大，上下剪刃对带钢剪切产生的裂缝间距较大，废钢侧对带钢内侧产生撕裂作用，出现“鱼鳞纹”现象，导致切边质量的降低［7-8］。

表5 剪切力大小随间隙变化表Tab.5 Variation of shearing force with gap

图7 剪刃间隙对被剪带钢边部应力分布图Fig.7 Stress distribution at strip shearing edge at different blade clearances

4 结论

(1)当剪刃重合度增大时，剪切力、剪切边界应力减小。但如果重合度过小时，会使剪切边部产生叩头现象;反之，重合度太大，会造成带钢剪不断而是被撕裂现象。

(2)当剪刃间隙减小时，剪切力、带钢边界应力增大。但如果间隙太小时，由于剪切力过大，由于剪切力过大，会产生二次剪切现象，在断面产生两条光亮带;反之，如果间隙太大，则会造成带钢被撕裂，产生“撕裂型”毛刺。

［1］ 黄文化．提高圆盘剪切质量探讨［J］．梅山科技，2011，(3):1－3．

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［3］ ROSITO V M，BRISOTTO D de S，EDUARDO B．Numberical simulation of cracking in reinforced concrete members by an embedded model［J］．Studies of Crack，2008(5):2-15．

［4］ 吴健强，马乙静，王占军，王占理，王静．圆盘剪的剪切质量分析［J］．技术交流，2008(3):2－3．

［5］ 邹家祥，施东成．轧钢机械理论与结构设计［M］．北京:冶金工业出版社，1993:196－258．

［6］ 吴志斌．圆盘剪最佳剪切间隙调整的研究［J］．南钢科技与管理，2005，(1):1－3．

［7］ 王永强，孙清泉，董凯，圆盘剪间隙调整及切边质量改进［J］．山东冶金，2007，29(3):1－3．

［8］ 王勇勤，吴沙，严兴春，赵才华．剪刃侧隙对飞剪剪切断面质量影响的有限元分析［J］．机械设计与制造，2010(8):3－4．