基于ANSYS软件的闸式剪板机刀架优化设计＊

黄 兵，王金荣，龚俊杰，王万杰

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200）

0 引言

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，刀架刚性不足容易产生变形，严重影响板料的剪切质量，因此，刀架结构的合理设计对提高刀架的强度和刚度、提升剪板机的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。

文献［1，2］分别对摆式和闸式剪板机刀架进行了有限元分析，并就刀架的静力学性能进行了分析。刘营营［3］采用ANSYS中的APDL语言对液压剪板机刀架进行有限元分析，并与施加均布载荷时的情况进行了对比。文献［4］采用有限元方法对5种刀架结构改进方案进行了分析，结果发现改进后剪板机的剪板质量得到较大提高。

目前对剪板机刀架的研究主要集中在对刀架的静力学性能分析和结构的改进上，但并未研究组成刀架各部件的尺寸变化对于结构刚性的影响。因此，本文在Solid Works中将刀架各部件的尺寸设置为参数变量，同时使用有限元软件ANSYS Workbench中的参数化模块［5］对影响刀架刚性的各因素进行变量分析，为闸式剪板机刀架提供最优化设计方案。

1 刀架参数化建模

有限元软件ANSYS Workbench中的Design Exploration作为快速优化工具为设计人员进行变量分析寻求最优解提供了极大的便利。本文利用其支持不同CAD系统中的参数的功能，在Solid Works中建立模型并设置参数，然后导入ANSYS Workbench中进行分析。

1.1 建立有限元模型

LGS 8×4050型闸式剪板机刀架原始结构如图1所示，主要由主立板、水平板、加强筋以及侧板等部分组成。为了建立参数化的有限元模型对刀架进行优化设计，选择底板到刀口的距离D、水平板上翻角度α、水平板宽度B作为刀架结构分析的变量，如图2所示。

图1 闸式剪板机原刀架结构

图2 刀架结构变量

在进行参数化分析时，考虑到参数D值过小，模型会发生错误，因此将刀架中的斜板加强筋去掉，从而得到简化后的模型。对其进行自由网格划分，得到如图3所示的有限元模型，模型共有41 513个单元。

1.2 载荷及约束

目前的研究表明，对剪板机剪切质量影响最大的是刀架水平方向的变形，因此，剪板机刀架的有限元计算都是把剪切力［6］作用下刀架刀片水平方向的位移作为衡量标准。

剪切力采用诺莎里公式，当剪板机剪切8 mm厚的Q235钢板时，通过理论计算可以得到垂直剪切力P＝274 k N。再根据经验公式F＝0.3 P，计算得到刀架的水平推力F＝82.2 k N。

刀架与机架之间采用三点滚轮支承［7］，后面的两个导轨板使用位移约束，前滚轮与碟簧压紧，由于该处变形很小，因此模型中采用恒定载荷代替前滚轮与碟簧，根据刀架的平衡条件，计算得到该处的载荷大小为29 k N。

图3 原刀架的有限元模型

2 刀架刚性影响因素分析

为了研究以上3个尺寸参数对于刀架刚性的影响规律，需要对每个参数单独进行优化设计。

对于底板到刀口的距离D，在Solid Works中设置该参数的变化范围为100 mm～220 mm，变量的增量为40 mm，将参数化模型导入到ANSYS Workbench中进行参数化分析，得到刀片中间位置水平方向的位移值如表1所示。

表1 底板到刀口的距离D为变量时的计算结果

计算结果表明，当水平板到刀口下端的距离D为100 mm时，刀架水平方向的变形最小，所以选择该参数为100 mm。

对于水平板上翻角度α，考虑到该角度超过15°会影响机床整体结构及外观，所以设置该参数的变化范围为0～15°，增量为3.75°。计算得到α变化时刀片中间位置水平方向的位移值如表2所示。

表2 水平板上翻角度α为变量时的计算结果

计算发现，水平板的上翻角度α越大，刀架的变形量越小，但是从机床的外观及整体尺寸结构出发应当选取合理的上翻角度，根据上刀架的设计要求，选择上翻角度为15°。

对于水平板宽度B，设置该参数的变化范围为700 mm～800 mm，增量为25 mm。B变化时的刚度计算结果如表3所示。

从表3可以看到，水平板宽度的增加可以提高刀架的刚性，但综合考虑制造成本和刚性要求，最终选择水平板的宽度为800 mm。

表3 水平板宽度B为变量时的计算结果

通过以上3个参数的选择，组成了新的刀架结构形式，重新建立的刀架三维模型如图4所示，并将模型导入到有限元软件ANSYS Workbench中进行静态结构分析。

图4 新刀架结构

图5、图6分别给出了原刀架与新刀架水平方向的变形图。

图5 原刀架水平位移 图6 新刀架水平位移

表4给出了刀架改进前、后质量变化与水平方向上的最大位移。

表4 刀架改进前、后质量与位移变化

对改进前、后两种刀架结构形式的有限元分析结果进行对比后发现，原刀架水平方向变形最大值为0.462 mm，改进后的刀架水平变形最大值为0.251 mm，而刀架质量变化较小，表明改进后的机床刚性得到较大的提高，改进效果明显。

3 小结

本文基于ANSYS Workbench有限元分析软件，针对LGS 8×4050闸式剪板机刀架的底板到刀口的距离D、水平板上翻角度α以及水平板宽度B三个主要变量对刀架变形的影响规律进行了参数化研究。研究结果表明，通过改变结构的尺寸，可以显著提高刀架的刚性；在综合考虑刀架刚性与机床经济性的基础上，选择水平板到刀口下端的距离D为100 mm、水平板的上翻角度为15°以及水平板的宽度为800 mm作为最终的优化设计方案。

［1］ 毛志强，王飞.摆式剪板机刀架的有限元分析［J］.锻压装备与制造技术，2012（1）：31－33.

［2］ 李堑，王金荣，冷志斌，等.闸式剪板机刀架刚性的有限元分析［J］.锻压装备与制造技术，2011（6）：33－36.

［3］ 刘营营，王强，杨晋穗，等.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.

［4］ 王金荣，李堑，乔根荣，等.基于有限元的闸式剪板机刀架结构优化［J］.锻压装备与制造技术，2012（5）：37－38.

［5］ 浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［6］ 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（4）：29－31.

［7］ 王成国，周祥.三点滚轮剪板机刀口间隙调节装置的设计［J］.锻压装备与制造技术，2011（5）：37－39.