滾筒式飛剪機的剪切性能理論分析及有限元模擬

俞洪杰，馬立峰，冀俊杰，石建輝，楊 博，曹曉琪

(1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中國重型機械研究院有限公司板帶精整與處理研究所，陜西 西安710032;3.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波315807)

滾筒式飛剪機的剪切性能理論分析及有限元模擬

俞洪杰1，2，馬立峰1，冀俊杰2，石建輝1，楊 博2，曹曉琪3

(1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原030024;2.中國重型機械研究院有限公司板帶精整與處理研究所，陜西 西安710032;3.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波315807)

本文對現有的飛剪剪切力計算公式進行了歸納總結和理論分析，采用有限元法對滾筒式飛剪的剪切過程進行有限元數值模擬，并與理論計算結果進行對比與分析，結果表明剪切力的大小與鋼板的厚度、寬度、速度和材料的強度極限有密切關系:鋼板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;鋼板寬度每增加150 mm，剪切力增加約12%;鋼板運行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板帶材料強度極限越高，所需剪切力越大。

滾筒式飛剪;剪切力;數值模擬

0 前言

滾筒式飛剪是連續軋制生產線上用于剪切板帶材的重要設備，主要分為熱軋板帶滾筒式飛剪和冷軋板帶滾筒式飛剪。飛剪性能好壞對板帶質量及整條生產線的生產效率都有直接影響。到目前為止，國內外有多組飛剪機剪切力計算公式，大部分都屬于半經驗公式，對系數進行不同范圍的修正，筆者在此基礎上對滾筒式飛剪機的剪切性能進行理論分析，并運用大型有限元軟件ANSYS/LS－DYNA對滾筒式飛剪的剪切過程進行數值模擬，對模擬結果與理論計算進行比較分析。

1 滾筒式飛剪機剪切力能參數理論分析

1.1 滾筒式飛剪機剪切過程分析

滾筒式飛剪機剪切板帶的過程分為彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個階段，也可細分為剪刃彈性壓入金屬、剪刃塑性壓入金屬、金屬滑移、金屬裂紋萌生和擴展、金屬裂紋失穩擴展和斷裂六個階段。

在實際工作中，滾筒式飛剪機的上下剪刃剪切面并不始終保持平行，也不與被剪板帶垂直。整個剪切過程實際上是剪切和擠壓并舉，板帶剪切斷面受剪刃擠壓的作用，有一定的倒角，這對剪切薄板帶而言是個優點，使后續的卷取工序中不會劃傷板帶表面，但在剪切較厚帶坯時使剪切力急劇增加，剪切質量也不好，故滾筒式飛剪機不適合剪切較厚的帶坯，冷剪板帶厚度h＜5.8 mm［1］。

1.2 滾筒式飛剪機剪切力公式的總結與分析

目前研究滾筒式飛剪機剪切力公式的方法有:實用計算法，滑移線法，有限元法和現場試驗法。筆者對部分平行刃飛剪的剪切力計算公式進行了歸納，如表1。

表1 現有的平行刃飛剪剪切力計算公式Tab.1 Existing cutting calculation formula for shear force of parallel blade flying shears

實用計算法過于理想化，用于計算，剪切力勢必產生一定的誤差，基本上都采用修正系數，以獲得更加準確的結果;用滑移線法研究飛剪剪切過程，其精確程度與設定的滑移線場形狀有關，當采用直觀塑性法繪制滑移線場時，光刻或機械刻印法誤差也不小，故滑移線法實用性也較差［2］;表1中公式均為平行刃飛剪剪切力計算公式，都屬于半經驗公式，對系數進行了不同的修正，但方便用于理論計算，可以作為理論計算的參考，運用理論公式計算剪切力時需注意，滾筒式飛剪剪切力最大的位置發生在板厚切深比約為60%～70%時［3］。

2 滾筒飛剪剪切過程有限元模擬

2.1 剪切斷裂準則

要對材料的斷裂過程進行準確模擬，斷裂準則的選取至關重要，斷裂準則不僅要能對各種裂紋進行合理地描述，還必須運用到有限元程序中。在模擬中，選取Cockroft＆Lathem準則［8］，其函數描述如下:

2.2 研究對象

本文以某大型鋼鐵集團冷軋廠生產線上的滾筒式飛剪為研究對象，圖1為冷軋板帶滾筒式飛剪機，其主要基本參數見表2，該飛剪剪刃為平行刀片。

圖1 某鋼廠滾筒式飛剪機圖Fig.1 Axonometric drawing of drum flying shears

表2 滾筒式飛剪機主要基本參數Tab.2 Main parameters of drum flying shears

2.3 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元軟件，運用LS－DYNA模塊，針對滾筒式飛剪的剪切過程建立三維有限元模型，如圖2所示。上下滾筒、剪刃定義為剛體，鋼板采用塑性隨動材料模型，都采用SOLID164實體單元。因為剪切過程是大變形過程，故采用單點積分算法，并進行沙漏控制以得到比較好的模擬結果。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite elementmodel

2.4 計算結果分析

圖3a、3b分別反映了厚4mm，寬1 680 mm的45號鋼、不銹鋼304在剪切過程中所受剪切力的變化情況?？梢钥闯觯诎鍘Ъ羟兴矔r剪切力急劇增大，剪切后剪切力急劇減小到0N，剪切時間極短，約為0.02 s，這是因為滾筒式飛剪機的剪切速度很快。

選取材料45鋼、速度260 m/min、寬度1 680 mm，對不同厚度鋼板進行有限元模擬，并運用表1中計算公式計算理論值，計算結果如表3和圖4所示。

表3 同種材料(45#)不同厚度剪切力Tab.3 Shear force of samematerial(45#)with different thickness

由圖4可以看出，隨著鋼板厚度的增加，剪切鋼板所需的剪切力隨之增加，理論公式計算值與有限元計算剪切力變化趨勢相同，且模擬值居于三組公式計算值中間。

選取材料45鋼、速度260 m/min、厚度4 mm，對不同寬度鋼板進行有限元模擬，同時運用表1中計算公式計算理論值，計算結果如表4和圖5所示。

表4 同種材料不同寬度剪切力Tab.4 Shear force of samematerialwith differentwidth

b/mm最大剪切力/104N模擬值 公式1公式2公式3 1 600 145.25 183.13 166.48 193.02 1 680 199.17 218.81 174.81 224.48

圖5 同種材料不同寬度剪切力比較圖Fig.5 Curves for shear force of samematerialwith differentwidth

由圖5可以看出，隨著鋼板寬度的增加，剪切鋼板所需的剪切力隨之增加，理論公式計算值與有限元計算剪切力變化趨勢相同，較寬鋼板有限元模擬值增幅較大，但與理論計算值偏差不大。

選取材料45鋼，材料規格4.0 mm×1680 mm，采用不同剪切速度對其進行有限元模擬，計算結果如表5和圖6所示。

從圖6可知，隨著剪切速度的增加，剪切力隨之增加，但其增加的幅度不是很大，剪切速度從100 m/min增加到260 m/min，其剪切力只增加了7%，說明剪切速度對滾筒式飛剪機剪切力的影響不是很大。

表5 同種材料不同速度剪切力Tab.5 Shear forces of samematerialwith different velocities

選取材料規格4.0 mm×1680 mm、剪切速度260 m/min，對不同材料的鋼板進行有限元模擬，計算結果如表6和圖7所示，可知隨著鋼板材料強度極限的增加，剪切力增加。

表6 同種規格不同材料鋼板的剪切力Tab.6 Shear forces of differentmaterials with same specification

2.5 有限元模擬值與理論計算值比較與分析

從圖4、圖5和圖7中可以直觀看出，有限元計算剪切力和公式2的計算剪切力的值較小，公式1和公式3的計算值較大，且公式1計算值最大。這是因為公式1中考慮了系統的功率、剪刃的磨鈍、摩擦、溫度的損失等因素對剪切力的影響，公式3中考慮了剪刃間隙對剪切力的影響，故這兩組公式更加切合實際情況。由于有限元模擬飛剪剪切的鋼板是理想彈塑性模型，故模擬值偏小。公式2用于計算滾筒式飛剪剪切力其值偏小，還需進一步對系數進行修正。

選取表3中有限元模擬值和公式3計算值進行定量比較分析，結果見表7。模擬值與計算值的誤差在一定范圍內(≤17.43%)。

表745鋼剪切力計算值與模擬值比較Tab.7 Comparison between calculated and simulated values of 45#steel shear force

厚度/mm寬度/mm 計算值 模擬值 差值 誤差%剪切力/104N 2 1 680 132.24 113.27 18.97 14.34 2.5 1 680 140.3 130.04 10.26 7.31 3 1 680 168.36 140.66 27.7 16.45 3.5 1 680 196.42 170.93 25.49 12.989 4 1 680 224.48 199.17 25.31 11.27

3 結論

(1)根據滾筒式飛剪的剪切特點，建立了剪切過程的有限元模型，并采用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬。

(2)滾筒式飛剪剪切力的大小與鋼板的厚度、寬度、速度和材料的強度極限有密切關系。鋼板厚度每增加0.5 mm，剪切力增加25.2%;鋼板寬度每增加150 mm，剪切力增加約12%;鋼板運行速度每增加40 m/min，剪切力增加1.7%;板帶材料強度極限越高，所需剪切力越大。

(3)經過修正后的理論公式和有限元模擬都可以得到比較準確的飛剪剪切力，可以作為設計制造滾筒式飛剪機的依據。

［1］柳冉，蔣繼中，趙建剛等．滾筒機構螺旋剪刃飛剪靜態剪切力計算公式探討［J］．重型機械，2001(3)．

［2］鄂世偉，胡高舉，王宇．滾筒飛剪剪切力計算研究［J］．重慶工學院學報(自然科學版)，2007，(7)．

［3］李金生譯．帶鋼熱連軋機中滾筒式切頭飛剪剪切機理研究［J］．石川島播磨技報，1978，18(1):67－74．

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Cutting performance analysis and finite element simulation of rotating drum flying shears

YU Hong-jie1，2，MA Li-feng1，JIJun-jie2，SHIJian-hui1，YANG Bo2，CAO Xiao-qi3
(1．Heavy Industry Engineering Center of MOE，Taiyuan University of Science andTechnology，Taiyuan 030024，China;2．Strip Institute for Finish Processing，China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd，Xi'an 710032，China;3．Ningbo Steel Co．，Ltd．，Ningbo 315807，China)

The existing shear force calculation formulas are summarized and analyzed theoretically in this paper．The shearing process of drum flying shears is simulated numerically with FEM．The result is compared with thatof theoretical calculation．It shows that shear force has a close relationship with strip thickness，width，velocity and thematerial strength:whenever the thickness of the steel strip increases every 0.5 mm，the shear force will increase by 25.2%;whenever the steel strip width increases every 150 mm，the shear force will increase by 12%;the running speed of the steel strip increases every 40 m/min，the shear force will increase by 1.7%;the strip strength is higher，the shear force is bigger．

drum flying shear;shear force;numerical simulation

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0046－05

2011－12－11;

2012－03－16

俞洪杰(1986－)，男，太原科技大學碩士研究生。