康鳳明，徐淑波，劉 鵬，康真暉

（1.山東宏康機(jī)械制造有限公司，山東 泰安271022；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

1 引言

剪板機(jī)是在軋鋼機(jī)械中常用的一種切斷金屬材料的剪切設(shè)備[1]，其主要用途是用于切頭、切尾、切除鋼板的局部缺陷及鋼卷橫切分段等。近年來(lái)，鋼板成形件及鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件等的使用量逐漸增大[2]，從而對(duì)剪板機(jī)需求量逐漸增大，促進(jìn)了剪板機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

近20年來(lái)，我國(guó)的剪板機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)得到飛速發(fā)展，但因其專業(yè)性較強(qiáng)，涉及知識(shí)領(lǐng)域較廣，而國(guó)內(nèi)剪板機(jī)結(jié)構(gòu)一般是沿襲前蘇聯(lián)等國(guó)家的設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)的，這就導(dǎo)致剪板機(jī)存在結(jié)構(gòu)不合理、體積較大、能耗偏高等缺陷[3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者秦泗吉等人通過(guò)對(duì)板材的剪切與沖裁工藝進(jìn)行有限元模擬與實(shí)驗(yàn)研究，得到了板材內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律及最佳切削間隙[4]。王耀等人利用COSMOS 有限元模擬軟件分析了機(jī)架部位的變形特點(diǎn)，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[5]。Ramamurti 和Sasikiran 等人利用有限元方法，研究了剪板機(jī)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)特點(diǎn)和安全性能，最終提高了剪板機(jī)的性能[6]。Rajaram 等人對(duì)兩種不同類型的剪板機(jī)的強(qiáng)度剛度進(jìn)行了有限元比較分析，得到了質(zhì)量較佳者[7]。

本文利用有限元軟件模擬山東宏康機(jī)械制造有限公司的傳統(tǒng)移動(dòng)剪板機(jī)與改進(jìn)的移動(dòng)剪板機(jī)的工藝過(guò)程，并比較了不同移動(dòng)剪板機(jī)相同部位的受力情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)改進(jìn)的移動(dòng)剪板機(jī)工作效率和加工精度更高，質(zhì)量更輕。

2 剪板機(jī)剪切理論

剪板機(jī)工作時(shí)通過(guò)一個(gè)刀具相對(duì)于另一個(gè)刀具做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)剪切板材，金屬板材的變形主要發(fā)生在以上、下刀具刃口連線為中心的紡錘形區(qū)域，除發(fā)生剪切變形外，同時(shí)還發(fā)生拉伸、彎曲等[8]。

圖1 剪板機(jī)的剪切原理示意圖

如圖1 所示為剪板機(jī)剪切原理示意圖。其剪切工藝可分為3 個(gè)階段：第一階段是彈性變形階段，在此階段，上刀刃下移并與板材接觸，板材受到上刀刃的壓力后發(fā)生彈性變形，材料內(nèi)部產(chǎn)生了以剪應(yīng)力為主的應(yīng)力；第二階段是塑性變形階段，此時(shí)上刀刃繼續(xù)下移，板材受到的壓力逐漸增大，進(jìn)入屈服階段，刀刃切入材料，刃口附近產(chǎn)生較大的塑性變形；第三階段是板材斷裂階段，隨著板材塑性變形的加劇，材料內(nèi)部首先出現(xiàn)微裂紋，這些微裂紋逐漸匯成主裂紋，當(dāng)變形進(jìn)行到一定程度以后，裂紋擴(kuò)展直至材料斷裂分離。

由圖1 還可看出，當(dāng)?shù)毒呷锌谇腥氚宀暮?，上下刀刃?duì)板材壓力M形成一力偶Ma，板材在此力矩作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到刀具側(cè)面阻擋力T的作用，上下刀具的阻擋力形成力偶Tc，此力矩阻止板材轉(zhuǎn)動(dòng)。刀具繼續(xù)下壓，板材轉(zhuǎn)動(dòng)α后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，兩力矩達(dá)到平衡，即

假設(shè)板材寬度為l，在此階段，沿面積x 和0.5y上的單位壓力均勻分布且相等，得到式（2）

由式（2）可知，板材的轉(zhuǎn)角α隨阻擋力T的增大而增大，這就加劇了剪刃臺(tái)與機(jī)架的磨損，若剪刃臺(tái)的剛性較差，將導(dǎo)致剪刃的間隙改變，致使剪切困難，所以板材轉(zhuǎn)角α較小為宜。

由圖1 中還可得到式（3）、（4）：

將式（2）～（4）帶入式（1）可得到刀刃壓入深度與板材轉(zhuǎn)角α 的關(guān)系式

由式（5）可知，刀刃的壓入深度與板材的轉(zhuǎn)角α成正比，這說(shuō)明板材轉(zhuǎn)角α越大，板材的剪切質(zhì)量越低，板材被剪斷以后，設(shè)備會(huì)受到翹起的板材端部的沖擊作用。為克服這一問(wèn)題，一般在剪板機(jī)上設(shè)置專門的壓板裝置，即給板材壓力P后可達(dá)到克服板材轉(zhuǎn)動(dòng)、阻止α增大的目的。

在此變形階段，刀刃受到的板材給予的作用力為

由式（7）可知，當(dāng)?shù)度袎喝腚A段的單位壓力m 為常數(shù)時(shí)，總壓力M與y 值成正比，當(dāng)板材沿剪切斷面開始滑移時(shí)，M 達(dá)到最大值[9-10]。

3 剪板機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)數(shù)控板料開卷矯平剪切生產(chǎn)線所采用的普通剪板機(jī)在板材靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)板材進(jìn)行剪切，這樣板材就始終處于啟動(dòng)、加速、減速、停止的循環(huán)中，生產(chǎn)效率和加工精度無(wú)法滿足開卷矯平剪切加工要求。而液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)能在生產(chǎn)線不停機(jī)的情況下，隨板料移動(dòng)，以相對(duì)于板料靜止的狀態(tài)下剪切。因此有著更高的生產(chǎn)效率以及剪切精度的液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)具有更大的使用價(jià)值與發(fā)展前景。

傳統(tǒng)的液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)是由單獨(dú)放置的動(dòng)力單元通過(guò)萬(wàn)向連接軸連接豎直放置的兩個(gè)齒輪同步驅(qū)動(dòng)兩根固定于剪板機(jī)移動(dòng)部分左右兩側(cè)的齒條，以此使移動(dòng)部分在直線滾動(dòng)導(dǎo)軌上前后移動(dòng)。同時(shí)液壓部分也是單獨(dú)放置于剪板機(jī)一側(cè)，以軟管連接于移動(dòng)部分上，隨移動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)而軟管隨之?dāng)[動(dòng)，造成了整機(jī)外形尺寸占地空間較大，整機(jī)重量較重，所需地基深度、面積較大；液壓部分要求電機(jī)功率較大、使用的液壓油較多等。

為減少液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)整體尺寸及占地空間，減少地基深度和空間同時(shí)簡(jiǎn)化地基結(jié)構(gòu)，減少液壓油使用量及液壓電機(jī)功率，降低整體漏油可能性，通過(guò)有限元模擬分析對(duì)液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。改進(jìn)后的液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)（圖2）包括移動(dòng)部分、底座部分、動(dòng)力部分、液壓部分以及相應(yīng)的控制部分。

圖2 改進(jìn)的液壓閘式移動(dòng)剪板機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

移動(dòng)部分主要有機(jī)架、上下刀架、壓料裝置、剪切液壓油缸、間隙調(diào)整裝置、剪切角調(diào)整裝置、板尾夾送及接料裝置，底座部分主要有底座、齒條、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌及其潤(rùn)滑裝置，以支撐移動(dòng)部分的自由移動(dòng)。動(dòng)力部分主要有伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪軸，為移動(dòng)部分提供動(dòng)力。液壓部分主要有異形油箱、電機(jī)、液壓泵、閥組、蓄能器等，驅(qū)動(dòng)剪切液壓缸運(yùn)動(dòng)剪切。數(shù)控裝置則控制液壓閘式移動(dòng)剪切機(jī)配合生產(chǎn)線移動(dòng)、剪切、角度調(diào)整等各項(xiàng)功能。液壓部分與動(dòng)力部分緊湊放置于移動(dòng)部分的前側(cè)與后側(cè)的底部，移動(dòng)部分通過(guò)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌以及單對(duì)齒輪齒條相對(duì)于底座運(yùn)動(dòng)。

4 移動(dòng)剪板機(jī)的有限元對(duì)比分析

圖3 給出了改進(jìn)前后剪板機(jī)底座受力示意圖。從圖中可以看出，原剪板機(jī)底座受力極不均勻，只集中在底座的局部區(qū)域，其受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改進(jìn)后的剪板機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間工作，底座因受力不均勻易產(chǎn)生變形，降低了剪板機(jī)的使用壽命及跟蹤剪切精度； 而經(jīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的移動(dòng)剪板機(jī)受力均勻且受力減小，移動(dòng)剪板機(jī)不易產(chǎn)生變形，保證使用壽命，提高跟蹤剪切精度。

圖3 移動(dòng)剪板機(jī)底座結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖4 無(wú)外力時(shí)移動(dòng)剪板機(jī)底座結(jié)構(gòu)受力示意圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)移動(dòng)剪板機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)成本降低，運(yùn)輸以及工廠使用方便，基礎(chǔ)施工量減少，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本降低，剪切精度、剪切質(zhì)量提高。利用有限元軟件對(duì)比分析改進(jìn)前后剪板機(jī)剪切變形工藝后，發(fā)現(xiàn)后者底座的受力更加均勻，能大大提高剪板機(jī)的使用壽命。

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