圓盤剪工藝參數(shù)仿真分析

鄢健龍，成亮，易俊明

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074 2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞523808)

圓盤剪是曾被廣泛運(yùn)用于鋼板、鋁板帶的縱切設(shè)備，如今巧妙的運(yùn)用在縱切鋁箔帶上，圓盤剪剪切鋁帶的過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題。為了很好的模擬鋁帶材剪切過程，采用顯式動(dòng)力有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬分析。同時(shí)，更進(jìn)一步的分析側(cè)向間隙、重疊量、刃口圓角、板料厚度等工藝參數(shù)對(duì)剪切質(zhì)量的影響，進(jìn)一步探討鋁帶圓盤剪切過程中的變形規(guī)律，剪切力及其剪切品質(zhì)影響因素和規(guī)律，提出改進(jìn)剪切品質(zhì)行之有效的方法和手段。

1 板料本構(gòu)模型及其屬性定義

由于刀具材料的硬度、屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于帶料，且變形十分微小。故可將圓盤剪、刀軸、壓料盤都定義為剛體，這樣可大大提高顯示積分的效率。鋁帶料采用隨動(dòng)塑性(與應(yīng)變率相關(guān))材料模型，該模型是各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，可通過選擇硬化參數(shù)為0或1來選擇隨動(dòng)硬化或各向同性。一般用Cowper-Symonds模型來考慮應(yīng)變率。

上下壓料盤起到固定帶料上下晃動(dòng)的作用，另外沿軸向的摩擦力可防止鋁帶左右攢動(dòng)，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度來看，可選用鑄造合金鋼作為上下壓料盤的材料，其性能參數(shù)如下:彈性模量190GPa；密度:7 300kg/m3；抗剪模量:7.8e+10N/m2；屈服強(qiáng)度:241MPa；

上下圓盤刀材料為SKD11高碳高鉻合金工具鋼，其性能參數(shù)為:彈性模量:210GPa；密度:7.70g/cm2；屈服強(qiáng)度1 200MPa；泊松比:0.28；

上下圓盤刀軸選用45號(hào)鋼，其性能參數(shù)為:彈性模量:205GPa；泊松比:0.29；密度:7.85g/cm2，屈服強(qiáng)度為:530MPa。鋁帶選用工業(yè)純鋁，其性能參數(shù)為:厚度:0.08mm；寬度:25mm；長(zhǎng)度:160mm；彈性模量:69GPa；泊松比:0.33；密度:2.7g/cm2，屈服強(qiáng)度:27.6MPa；抗剪模量:27GPa。

2 建立有限元模型

考慮到圓盤剪剪切只是一個(gè)局部變形劇烈的過程，變形部分僅僅存在于被剪切部分。另外由于上下刀軸都是裝配體，在三維軟件中建模后導(dǎo)入到ANSYS中分析復(fù)雜，加之計(jì)算機(jī)的配置有限，故可把上下圓盤刀軸簡(jiǎn)化為一個(gè)整體零件來建模導(dǎo)入到有限元軟件中，這樣不僅不會(huì)影響實(shí)際的分析結(jié)果，還可大大減輕計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，對(duì)網(wǎng)格劃分也有很大的好處。另外，實(shí)際模型中的一些倒角圓角，工藝槽之內(nèi)的，在導(dǎo)入之前也可刪除掉，不影響實(shí)際的分析結(jié)果。其簡(jiǎn)化后的圓盤剪切有限元模型如圖1所示。

圖1 劃分網(wǎng)格后的模型

3 斷裂區(qū)域單元應(yīng)力狀態(tài)分析

由于圓盤剪剪切鋁帶過程內(nèi)在變形機(jī)理復(fù)雜，選取剪刃附近的單元，通過分析它們?cè)诩羟羞^程中其應(yīng)力狀態(tài)來探究剪切過程內(nèi)在的變形機(jī)制，在上下圓盤剪剪切過程有限元模擬中，有一列單元被剪切刪除，剪切過程受力單元如圖2所示。

圖2 剪切區(qū)域受力單元

其中上表層單元6 096、下表層單元6 116在剪切過程中被刪除，上表層單元6 096與鄰近的上表層單元6 097剪切過程應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。

圖3 上表層單元應(yīng)力變化曲線

從圖3可以看出剪切后被刪除的上表層單元6 096其應(yīng)力值隨著剪切迅速達(dá)到峰值然后快速減為零，其最大值比鄰近單元大，這時(shí)因?yàn)閱卧? 096處于剪刃接觸處。而鄰近未被刪除的單元6 097其應(yīng)力值一直在40MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，這是由于劃分網(wǎng)格時(shí)，圓盤剪不是理想的圓形而是正多邊形，剪切過程中刀盤不停地轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓?jiǎn)卧? 097，造成應(yīng)力值不斷波動(dòng)，而對(duì)與下表層單元，其應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖如圖4所示。

圖4 下表層單元應(yīng)力變化曲線

下表層單元其應(yīng)力變化情況與上表層單元類似，但是下表層剪刃接觸處的單元6 116其應(yīng)力達(dá)到的峰值比上表層剪刃接觸處的單元6 096其應(yīng)力達(dá)到的峰值要小很多，故可以得出剪刃剪切鋁帶時(shí)，其上圓盤剪承受的剪切應(yīng)力要大，由斷裂力學(xué)可知，裂紋由最大應(yīng)力方向擴(kuò)展，所以推測(cè)剪切時(shí)生成的裂紋由鋁帶下表層擴(kuò)展到上表層，從而使鋁帶斷裂，完成鋁帶剪切過程。

4 工藝參數(shù)仿真分析

4.1 側(cè)向間隙對(duì)剪切力和剪切品質(zhì)影的響

側(cè)向間隙為圓盤剪刀盤側(cè)向之間的距離，在進(jìn)行剪切確定側(cè)向間隙時(shí)，要從多方面來考慮，不僅要考慮材料的強(qiáng)度也要考慮材料的厚度。側(cè)向間隙過大時(shí)，帶材就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的撕裂現(xiàn)象，間隙過小，又會(huì)時(shí)圓盤剪超載，刀刃磨損加快，使用壽命降低，同時(shí)也會(huì)使毛刺增多，故選擇合理的側(cè)向間隙對(duì)于剪切質(zhì)量和刀具的使用壽命至關(guān)重要。在這里保持其他工藝參數(shù)不變，分別取側(cè)向間隙為鋁帶厚度的3%，4%，5%，6%，7%來進(jìn)行有限元仿真，這選取剪切過程中剪切處單元6 096的有效應(yīng)力變化曲線來反映剪切力的變化。其有效應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 不同側(cè)向間隙對(duì)有效應(yīng)力的影響曲線

從圖5中可以看出，取不同側(cè)向間隙時(shí)，其應(yīng)力的變化是不同的，其最大值是先減小后增大，取為5%時(shí)為最小，并且其減為零的時(shí)間也稍有差別，側(cè)向間隙為7%時(shí)其減為零的時(shí)間最長(zhǎng)，3%，4%，6%減為零時(shí)間基本一樣，取5%時(shí)其減為零的時(shí)間最短，裂紋生成的最快。故可選5%為最佳剪切間隙，此時(shí)反映到宏觀上的剪切力也最小。

4.2 重疊量對(duì)剪切力和剪切品質(zhì)的影響

重疊量也是影響圓盤剪剪切的一個(gè)很重要的工藝參數(shù)，其選取的好壞直接影響著剪切力和剪切品質(zhì)，一般是根據(jù)剪切厚度來選擇的，重疊量太大則引起帶材的“翹起”，太小會(huì)引起圓盤剪超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和帶材的局部彎曲。這里根據(jù)實(shí)際剪切情況分別取重疊量為0mm，0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，其有效應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 不同重疊量對(duì)有效應(yīng)力的影響曲線

由圖6可知，單元6 096的有效應(yīng)力的峰值隨著重疊量先增大后減小，當(dāng)為0.2mm時(shí)最大，為90MPa。取為0mm時(shí)，其有效應(yīng)力的峰值最小，但其減為零的時(shí)間大大增加，裂紋生成的速度慢，影響后續(xù)的剪切過程，對(duì)剪切質(zhì)量不利。取值為0.4mm時(shí)，達(dá)到峰值用時(shí)最短，然后最快衰減為零，其實(shí)際宏觀表現(xiàn)為咬入條件最好，裂紋生成的速度快，鋁帶被剪切開后不產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，不影響后續(xù)的剪切過程。

4.3 鋁帶厚度對(duì)剪切力剪切品質(zhì)的影響(圖7)

一般情況下，剪切力隨著剪切厚度的增加而增大，然而通過本次仿真分析，可以明顯的看出并不是符合一般的剪切規(guī)律，厚度0.07mm、0.09mm時(shí)有效應(yīng)力最大，0.08mm時(shí)的有效應(yīng)力峰值最小。

圖7 不同厚度下的有效應(yīng)力曲線

4.4 剪切速度對(duì)剪切力和剪切品質(zhì)影的響

現(xiàn)在圓盤剪的剪切速度越來越快，雖然對(duì)大多數(shù)材料來說，速度越高剪切品質(zhì)越好，但并不是越高越好。有些材料對(duì)速度敏感性較差，提高剪切速度不僅對(duì)剪切品質(zhì)提高不大，而且還會(huì)產(chǎn)生溫度效應(yīng)，反而影響剪切品質(zhì)。所以進(jìn)行速度對(duì)剪切力的影響規(guī)律仿真分析是十分有必要的，如圖8所示。

圖8 不同速度下的單元有效應(yīng)力曲線圖

從圖 8可以看出，當(dāng)速度從 130m/min增大到215m/min時(shí)，有效應(yīng)力最大值基本不變，但其增大到最大值的時(shí)間減小，衰減為零的時(shí)間逐漸減小，裂紋快速生成。鋁帶的粘著現(xiàn)象減弱，剪切品質(zhì)提高。但是當(dāng)剪切從215m/min增大到300m/min時(shí)，其有效應(yīng)力值逐漸增大，其衰減為零的時(shí)間先較小后增大，裂紋生成的速度由快到慢，鋁帶的粘著現(xiàn)象增強(qiáng)，剪切質(zhì)量惡化。所以在保證剪切品質(zhì)的情況下，同時(shí)考慮咬入條件，其最佳的剪切速度為257.5m/min。

5 結(jié)論

通過對(duì)圓盤剪剪切鋁帶進(jìn)行有限元應(yīng)力分析和工藝參數(shù)仿真分析可以得出如下結(jié)論:

1)剪切力隨重疊量是先增大后減小，并找到了相應(yīng)的最佳重疊量；側(cè)向間隙越大，剪切力越小，但側(cè)向間隙增大到一定程度時(shí)，剪切力反而變??；鋁帶厚度越大，其剪切力不一定越大；剪切速度在一定范圍內(nèi)對(duì)剪切力的影響不是很明顯，但是當(dāng)增大到一定值時(shí)，應(yīng)力值隨著剪切速度增加而增大。

2)剪切過程中，裂紋是由下表層擴(kuò)展到上表層，被剪切單元有效應(yīng)力達(dá)到峰值和衰減為零的時(shí)間越短，則其裂紋生成的時(shí)間也越短，咬入條件越好，剪切品質(zhì)也越好。

［1］賈海亮.圓盤剪剪切過程的有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究［D］.太原:太原科技大學(xué)，2010.

［2］白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析［M］.北京:北京科學(xué)出版社，2005.

［3］尚小紅，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利出版社，2006.

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