魏周玲，傅 波，衛(wèi) 平

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610065；2.成都萊克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司，四川 成都610041）

0 引言

剪板機(jī)是一種利用上、下兩刀片的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)剪切板材的機(jī)械設(shè)備，隸屬鍛壓機(jī)械[1]，也是軋鋼機(jī)械中重要的輔助設(shè)備之一。通過(guò)合理調(diào)整剪板機(jī)刀片間隙，可對(duì)不同厚度的金屬板材施加剪切力，使板材按照所需要的尺寸斷裂，達(dá)到剪切目的。剪板機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、重型機(jī)械、輕工、冶金以及鋼結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域，能夠完成剪板定尺、切頭、切尾、切邊、切試樣及切除鋼板的局部缺陷等工作[2]。隨著中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械制造業(yè)得到迅猛發(fā)展，使得鋼板成形件和鋼結(jié)構(gòu)焊接件的使用量驟增，剪板機(jī)的需求量隨之加大[3]。這就要求剪板機(jī)制造企業(yè)作出快速響應(yīng)，根據(jù)用戶的不同性能要求，快速設(shè)計(jì)并制造出滿足要求的產(chǎn)品。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，要縮短研發(fā)周期，盡快將產(chǎn)品推入市場(chǎng)，采用日益成熟的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）技術(shù)成為必然。以計(jì)算機(jī)硬件、軟件為支撐環(huán)境，通過(guò)各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的構(gòu)思、二維繪圖、三維幾何設(shè)計(jì)、有限元分析、數(shù)控加工、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。其中，以計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算功能進(jìn)行產(chǎn)品性能分析的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）能夠?qū)υO(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行性能校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)仿真，從而提高設(shè)計(jì)成功率。ANSYS Workbench 軟件就是基于CAE 技術(shù)，將結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，從單元特性分析入手，最后整合得到整體的結(jié)構(gòu)特性，在產(chǎn)品性能校核和設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。

1 液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切機(jī)的種類很多，根據(jù)傳動(dòng)方式的不同有機(jī)械式、氣動(dòng)式和液壓式。由于機(jī)械式和氣動(dòng)式的剪板機(jī)提供的剪切力有限，且要提高剪切力時(shí)機(jī)體結(jié)構(gòu)變化較大，而液壓式剪板機(jī)在機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸變化不大的情況下，能夠提供較大的剪切力，所以本設(shè)計(jì)采用液壓式剪板機(jī)結(jié)構(gòu)，工作所需的剪切力由液壓缸推力提供。

剪切機(jī)的刀片在安裝時(shí)，由于上刀片相對(duì)下刀片的位置的不同，有平刃剪切、斜刃剪切和圓盤式剪切三種型式。平刃剪切時(shí)，兩個(gè)剪切刃彼此平行，板料與兩刃口全長(zhǎng)同時(shí)接觸，剪切力大，剪切質(zhì)量較好，剪切的板料比較平直，無(wú)扭曲變形，通常用于在熱態(tài)下橫向剪切方形及矩形斷面的鋼坯，也可用于冷剪型材，將刀片做成成形剪刃可剪切非矩形斷面的鋼板。斜刃剪切時(shí)，刀刃與板料部分接觸，剪切尺寸小于板料寬度，所需的剪切力較小[4]，但是其剪切質(zhì)量不如平刃剪切，切口有扭曲變形。圓盤式剪切機(jī)的上下刀刃是圓盤形的，工作時(shí)圓盤刀片以鋼板運(yùn)動(dòng)的速度做圓周運(yùn)動(dòng)，形成一對(duì)無(wú)端點(diǎn)的剪刃，一般用于縱向剪切帶材或板材[5]。本設(shè)計(jì)根據(jù)15000kN的剪切力要求及各剪刃型式的特性，選用平刃剪切。

設(shè)計(jì)的液壓式剪切機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)主要由上橫梁、上刀座、上剪刃、下剪刃、下刀座、下橫梁、立柱、螺母和油缸組成，如圖1 所示。工作時(shí)，工作油缸推動(dòng)下刀座上升，使下剪刃與上刀座上的剪刃配合，共同切斷板材；而后工作油缸縮回，為下一次板料剪切留出空間。其中上、下橫梁和立柱構(gòu)成一個(gè)剛性封閉框架，它承受剪板機(jī)的全部工作載荷，在保證沒(méi)有任何松動(dòng)的前提下，機(jī)體的地基是不承受工作載荷的。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)源于液壓機(jī)的三梁四柱式經(jīng)典結(jié)構(gòu)[1]，機(jī)體的重心低，穩(wěn)定性較好；工作油缸在地面以下，不易著火，較安全。

2 液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)有限元分析

本文首先沿用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中采用比較保守的數(shù)據(jù)來(lái)保證設(shè)備的工作性能。雖然利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法得出的數(shù)據(jù)有一定的理論依據(jù)，但是設(shè)備在實(shí)際工作中的受力復(fù)雜，機(jī)體結(jié)構(gòu)又不規(guī)則，計(jì)算出的結(jié)果往往誤差較大[6]。因此在完成初步設(shè)計(jì)后，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

2.1 建立液壓剪板機(jī)機(jī)體的實(shí)體模型

通過(guò)對(duì)工作時(shí)的液壓剪板機(jī)進(jìn)行受力分析，得出機(jī)體的上、下橫梁以及立柱是主要的受力零件，其他零部件的受力可不參與分析，從而簡(jiǎn)化了分析模型。本設(shè)計(jì)采用SolidWorks 三維建模軟件對(duì)機(jī)體主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，利用ANSYS 的CAD/CAE 協(xié)同環(huán)境AWE（ANSYS Workbench Environment）的連接技術(shù)與SolidWorks 之間進(jìn)行共享，將實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真的同步協(xié)同。

2.2 網(wǎng)格劃分

雖然液壓剪板機(jī)的機(jī)體模型已進(jìn)行簡(jiǎn)化，但各零件之間的結(jié)構(gòu)差異較大，故采用Workbench 自動(dòng)劃分網(wǎng)格，使其根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格形狀、大小、曲率和密度等參數(shù)[7]，而不需要選取單元類型，在節(jié)約計(jì)算時(shí)間的同時(shí)得到高質(zhì)量的網(wǎng)格。

2.3 支撐及載荷加載

機(jī)體下橫梁底面通過(guò)螺紋連接固定在工作油缸上，工作油缸嵌入地面，所以在AWE 中，采用固定支撐固定下橫梁上的螺紋孔面。

由于所要求的工作載荷為15000kN，應(yīng)分別施加在上、下剪切刃上，所以在簡(jiǎn)化后的模型中，將1.5×107N 的力均勻施加在上橫梁的上刀座安裝槽面上，同時(shí)在下橫梁的下刀座安裝面上均勻施加1.5×107N的反作用力，并對(duì)四個(gè)立柱施加2.0×106N 的預(yù)緊力。

2.4 材料屬性

液壓剪板機(jī)各主要組成部分的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 主要零件的材料屬性

2.5 機(jī)體的強(qiáng)度、剛度分析

根據(jù)ANSYS Workbench 中的Static Structural 靜力學(xué)分析模塊分析得到的結(jié)果是：機(jī)體的最大變形量為1.6859mm，最大變形位置位于上橫梁刀座安裝處的正中，如圖2所示；當(dāng)量最大應(yīng)力為376.07MPa，位于上橫梁刀座安裝卡槽內(nèi)棱邊上，如圖3 所示。此時(shí)，上橫梁所受的應(yīng)力376.07MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所用材料的屈服強(qiáng)度270MPa，結(jié)構(gòu)不能滿足工作壓力要求，需進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 液壓剪板機(jī)機(jī)體的總變形分布圖

圖3 液壓剪板機(jī)機(jī)體的當(dāng)量應(yīng)力分布圖

3 液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

根據(jù)有限元分析出的結(jié)果，上橫梁刀座安裝槽的內(nèi)棱邊存在應(yīng)力過(guò)大的設(shè)計(jì)隱患。本設(shè)計(jì)提出了兩種改進(jìn)方案：一為增大安裝槽內(nèi)棱邊的倒圓角半徑，以減輕應(yīng)力集中造成的疲勞損壞；二為改變安裝槽形狀，由原來(lái)的矩形改為梯形。利用SolidWorks 軟件建立兩種新方案的模型，并導(dǎo)入到AWE 中進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多次分析、比較和改進(jìn)，方案二較方案一在制造工藝、承受載荷、安裝刀座等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，故最終確定并實(shí)施了方案二中改進(jìn)優(yōu)化的刀座安裝槽結(jié)構(gòu)。梯形刀座安裝槽的頂面與棱邊成45°角，可使側(cè)面分擔(dān)一定的工作載荷，減小頂面的受力。經(jīng)過(guò)軟件分析得到的應(yīng)力分布較滿足液壓剪板機(jī)的工作要求。圖4 和圖5 分別為改進(jìn)后的液壓剪板機(jī)機(jī)體總變形和應(yīng)力分布云圖，從中可看出，此時(shí)機(jī)體的最大變形為1.122mm，位于上橫梁刀座安裝槽正中部；最大應(yīng)力為275.34MPa，位于立柱與上橫梁配合處的立柱上，由表1 可知275.34MPa<355MPa；而上橫梁所受的最大應(yīng)力如圖5 所示，位于橫梁底部開(kāi)槽處，大小為235.67MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度270MPa；具有一定的安全性，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的機(jī)體總變形云圖

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的機(jī)體應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)產(chǎn)品性能要求設(shè)計(jì)了15000kN 液壓式剪板機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)，并采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，對(duì)存在應(yīng)力集中而不能滿足設(shè)計(jì)要求的零件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后設(shè)計(jì)出的液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)達(dá)到了工作要求。本文設(shè)計(jì)的剪板機(jī)機(jī)體重心低，穩(wěn)定性較好，可安裝在高度較低的車間。有限元分析不僅能驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性，而且就結(jié)構(gòu)受力及變形趨勢(shì)給出了直觀的評(píng)估，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重大的參考價(jià)值。

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