钢筋切断机特制斜刀片的设计与分析

张 宇，肖 强

（太原科技大学工程训练中心，太原　030024）

钢筋切断机特制斜刀片的设计与分析

张 宇，肖 强

（太原科技大学工程训练中心，太原030024）

在钢筋切断机对钢筋的切断过程中，由于刀片对钢筋的剪切和挤压作用，得到的断口截面多为马蹄形。当用户对断口的截面有特殊要求时，传统刀片将无法加工出该截面。因而本文针对此情形，设计了切断断口为45°夹角的特制斜刀片，为加工特殊用途的钢筋提供了解决方法。同时，通过Solid Works对切断刀片、冲切刀座等零部件进行建模，并导入ANSYS Workbench进行有限元分析，分析设计的可行性。

钢筋切断机；斜刀片；建模；有限元分析

钢筋切断机作为建筑施工中常用的钢筋加工机械，被广泛用于房屋建筑、桥梁、隧道、电站、大型水利等工程中对钢筋的定长切断。它具有重量轻、耗能少、工作可靠、效率高等特点，适用于建筑工程上各种普通碳素钢、热轧圆钢、螺纹钢、扁钢、方钢的切断，工作效率要比高速切割机高几十倍，且无材料损耗。由于它的众多优点，因此近年来逐步被机械加工和小型轧钢厂等广泛采用。

在钢筋切断机对钢筋的切断过程中，由于切刀对钢筋的剪切和挤压作用，得到的断口截面多为马蹄形。当用户对断口的截面有特殊要求时，传统刀片将无法加工出该截面。

1　设计要点

根据用户的特殊要求，设计制作用于锚杆加工的切断面与钢筋呈45°夹角的专用设备。由于锚杆材质的要求，故采用了现在广泛使用的“金牛”牌GQ40F型钢筋切断机，其整机质量优越，售后服务也有保障。针对用户的要求我们考虑通过对设备的刀片、冲切刀座、机体、挡料装置等部分进行相应改进，以达到用户使用要求。本文着重针对设备关键部位（如刀片、冲切刀座等）展开理论与有限元分析，探究其是否能满足使用的要求。

2　改进的方法

2.1刀片的改进方法

普通切断机使用的刀片外形多为长方形，如图1所示，厚度方向上为一平面，剪切下来的断面和钢筋呈90°夹角，如图2所示。要想将断面切成一定角度，刀片的外形不论怎样改变都很难实现。

图1　普通刀片Fig.1 Ordinary blade

故而设想，如果在刀片厚度方向上开一斜刃，就可以解决这个问题。于是在原有刀片基础上，设计了45°角的斜刃。对于斜刃的深度，考虑到用户要求最大切断φ25 mm的螺纹钢，于是把深度定为25 mm，如图3所示。改进工艺路线为［1］：

图2　普通刀片切断钢筋的断口Fig.2 The fracture of ordinary steel cutting blade

安装到设备上试车，剪切效果非常理想，如图4所示。但考虑到在热处理淬火过程中由于应力集中，斜刃的尖部和根部会产生裂纹影响刀片使用寿命，于是在加工斜刃时用圆角和台阶进行过渡，然后再进行淬火处理，以延长刀片使用寿命。

图3　特制斜刀片Fig.3 Special oblique blade

图4　特制斜刀片切断钢筋的断口Fig.4 The fracture of special oblique blade cutting steel

在刀片的改制中，由于斜刃的长度有限，因此，还将刀片的厚度作了改动，增加了刀片厚度，相应增加了斜刃的有效长度。

2.2冲切刀座的改进方法

冲切刀座是切断机中将动力传递给冲切刀片的重要环节，在更改了刀片尺寸和外形的情况下，冲切刀座的尺寸也必须相应做出改进。安装刀片的台阶由原来的20 mm增加至30 mm.改进前后冲切刀座如图5、图6所示。

图5　改动前的冲切刀座Fig.5 The knife punch before alteration

图6　改动后的冲切刀座Fig.6 The knife punch after alteration

2.3机体和挡料装置的改进

由于刀片厚度增加了10 mm，在机体上安装固定刀片的空间也要相应多加工10 mm，此处不再附图。

考虑到用户要求最大加工φ25 mm的钢筋，可能存在加工较细钢筋的可能。由于刀片的斜刃较短，因此进料时要使钢筋的中心与刀片的刃口处在同一高度上才能将料切断。因此在机体送料虎口处安装了可调高度的垫块，并在送料端安装了一个可调的挡料装置，用以适应不同尺寸的钢筋加工。改进后的送料虎口及挡料装置如图7、图8所示。

图7　改进后的送料虎口Fig.7 The improved feeding the tiger′s mouth

3　有限元分析

在前文理论分析与计算的同时，为进一步验证改进设计方案的有效性，此处进行改进前、后的关键机构有限元分析，并将两种方案的分析结果进行对比，证明改进方案有效可行。

本文在进行有限元分析时，为减少工作量，针对不同直径的钢筋，选最大切断直径φ25 mm，载荷边界条件选为最大冲切力［3］，大小为4.38×105N.

为了缩短有限元软件的分析时间，提高分析效率，需将将改进前后的刀片三维模型进行适当简化［2］，然后导入有限元分析软件ANSYS Workbench中，定义材料属性［2］，如表1所示：

图8　改进后的挡料装置Fig.8 The improved gauge means

表1　刀片材料属性Tab.1 Blade Material Properties

设置加载和约束，刀片一端面所受载荷为冲切力，大小为4.38×105N，近似处理［4］为集中力（Force），约束为两处螺孔及刀片另一端面，近似处理为固定约束（Fixed Support），加载和约束分别如图9、图10所示。

图9　改进前刀片加载和约束图Fig.9 The improved front blade loading and constraint Figure

图10　改进后刀片加载和约束图Fig.10 The improved blade loading and constraint

划分网格后，进行后处理运算，得到改进前后刀片应变云图分别如图11、图12所示，应力云图分别如图13、图14所示。

图11　改进前刀片应变云图Fig.11 The strain cloud of front blade before improvement

图12　改进后刀片应变云图Fig.12 The strain cloud of improved blade

由以上应变云图分析可知，改进前刀片最大变形量为0.000 3 mm，出现在受力端面附近；改进后刀片最大变形量为0.001 5 mm，出现在圆角附近。该变形量是由于在钢筋切断过程中剪切和挤压作用产生的，且形变量很小，不足以影响刀片的正常使用。

图13　改进前刀片应力云图Fig.13 The stress cloud of front blade before improvement

图14　改进后刀片应力云图Fig.14 The stress cloud of improved blade

由以上应力云图分析可知，改进前刀片所受最大应力为62.1 MPa，出现在受力端面附近；改进后刀片所受最大应力为303 MPa，出现在圆角附近。刃具钢屈服极限σb=785 MPa，取安全因数ns=1. 2，则许用应力［σ］=σb/ns=654.17，可知，改进前后刀片所受最大应力均低于材料的许用应力，故不存在安全隐患［5］。

根据以上有限元分析的结果，可知，该改进设计方案可行，并能满足客户的定制要求。

最终，产品如期交付用户使用，较好的满足了用户的要求。在其后一年多的使用回访中，用户反映良好，并再次采购了数台相同型号设备和数十套斜刃刀片。

4　结语

4.1优点

此设备最大限度应用了市场上已有的成型切断机作为改进的基础，改动量小，零部件的备件充足，后期使用成本低，且效率高，无损耗。

4.2缺点

4.2.1切断直径受限

刀片制作好后，就限制住了其最大切断的钢筋的直径。如：此次制造的刀片只能切断最大φ25 mm的钢筋，如果切断直径大于φ25 mm的钢筋，会造成钢筋不能完全切断，料头夹在固定刀片和活动刀片之间，严重时甚至会损坏设备。

4.2.2切断不同直径钢筋需对机器进行调整

刀片斜刃，也就是有效切断部分较短，使用时要将钢筋的中心与斜刃的中心对齐后才能进行切断，用户需根据情况自行调整进料装置。

总之，服务于用户，满足其对产品的不同要求，是今后发展的方向，我们不但要有常规的通用的设备，还要有符合用户特殊要求的特制设备进行补充，这样才能最大限度的占领市场，促进企业的长足发展。

［1］ 赵汝嘉.机械加工工艺手册［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［3］ 高蕊.钢筋切断机切断过程分析及最大冲切力的计算［J］.建筑机械，1995（10）：23-25.

［4］ 肖强.GQ40F钢筋切断机偏心轴-连杆接触分析与研究［J］.太原：太原科技大学学报，2015，36（2）：132-136.

［5］ 黄华.基于ANSYS_WORKBENCH的气门偏摆落座力研究［J］.上海：机械制造，2010，48：36-39.

Design and Analysis on Oblique Blade for Reinforcing Steel Cutting Machine

ZHANG Yu，XIAO Qiang
（Taiyuan University of Science and Technology，Engineering Training Center，Taiyuan 030024，China）

In the cutting steel process of reinforcing steel cutting machine，steel fracture cross-sections are mostly horseshoes resulting in shear and compression of blade.When the user of the fracture cross-section has special requirements，the traditional blade will not be useful.Thus，this paper provides a solution for special-purpose steel processing，i.e.，that is the design of 45°cutting angle oblique blade.Meanwhile，a 3-D model integrating with blade，punching knife blocks.etc.，was built by Solid works，and the model was imported to finite element software ANSYS Workbench，the design feasibility was proposed.

reinforcing steel cutting machine，oblique blade，modeling，finite element analysis.

TH113

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.02.010

1673-2057（2016）02-0130-05

2015-12-10

张宇（1972-），男，中级，主要研究方向为机械工艺研究。