变宽度圆盘剪剪切过程仿真研究

（４）：３～６ ［７］ 秦泗吉，彭加耕．板材剪切与冲裁加工实验的位移测量系统［Ｊ］．
锻压技术，２００２（４）：２６～２８
材的剪切曲线可以看出，最大剪切力并非随板厚的增加而成正比
例增大，单位厚度所需的剪切力会随着板厚的增加呈减小趋势。 2.3.2 速度对剪切力的影响
收稿日期：2011－04－11 作者简介：王侃（1964—），女，北京人，北方工业大学机电工程学
在上、下刀盘刃口侧面处的材料首先产生裂纹，当上、下裂纹重合
图 7 是仿真刀具以 100 mm／s、150 mm／s、200 mm／s、250 mm／s、
的时候，材料会发生断裂并且分离。剪切过程如图 5 所示。
300 mm／s 的速度剪切 Q235 钢板时剪切力时间关系曲线及断面质
量示意图。通过模拟显示的剪切力峰值可以看出，当圆盘剪切机剪
切速度小的时候，剪切力也小；当速度增大时，板材剪切力也随之
增大。剪切速度小的时候，断面质量不是很好；但是速度越大，剪切
力也越大，从仿真结果看来，速度达到 300 mm／s 的时候，剪切过程
中板材会出现剧烈震动。所以，综合断面质量考虑，剪切速度在
200 mm／s 时毛刺最少，光亮带最大，可以得到最好的断面质量。在
［４］ 李尧，张利君．金属塑性成形原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，
２００４
［５］ 胡正寰，夏巨谌．材料塑性成形工程（上）［Ｍ］．北京：化学工业出版
社，２００６
［６］ 温彤，陈霞．金属板材剪切变形全过程的模拟［Ｊ］．磨具技术，２００６
虽然仿真过程所选板材的厚度不同，但是从剪切形成的曲线 可以看出，它们的变化趋势是一样的，都是先上升然后下降。剪切 行程一定时，板材越厚，所需的剪切力也越大。但是从不同厚度板
大，切口表面会形成光亮带；当上、下刀盘刃口附近内应力达到抗
剪强度时，刃口处会出现裂纹，此时，塑性变形阶段结束。
第 3 阶段：断裂分离。上、下刀盘继续下压，随着切入深度的增
加以及抗剪面积的减少，在上、下刀盘刃口侧面会先后产生裂纹，
并且沿最大切应力方向向材料内部扩展。一般会在刀盘切入材料
1／3 厚度的时候产生裂纹，直到上、下裂纹重合材料才断裂分离。
程，而有限元分析软件需要对仿真模型进行简化，因为模型越复杂， 仿真难度越大，影响因素也越多，可能对仿真结果产生较大影响。圆 盘剪的剪切机构可以简化为上、下刀盘，剪切材料是薄型板材，具体 模型如图 4 所示。本文研究的材料是 Q235，但由于 DEFORM 不是 国内软件，材料库中没有 Q235 中对应的材料；根据 AISI 美国钢铁 学会标准，低碳钢（AISI－1005～1026）的含碳量为 0.06%～0.28%，对 应国内含碳量标准（＜0.25%），选取 AISI－1020 为研究材料，采 用 Cockroft & Latham 断裂准则。具体参数如下： Name：AISI－1020（Oxley's Equation） Flow stress：
0 引言 圆盘剪切机是由送料、剪切、出料组成的生产线，它的主要功
能是将板材沿长度方向剪切成较窄的一定形状的板材，为日后的 轧制、焊管、冷弯成型、冲压等工序制备坯料。圆盘剪切机是轧钢机 械的重要生产设备之一，具有生产效率高、质量稳定、适于批量生 产等特点，广泛应用于剪切各种金属板材。但目前已有的圆盘剪切 机加工基本上都是直线剪切，并不能实现对任意曲线的剪切；新型 的断料加工方法，如线切割和激光加工等，尽管能实现对任意曲线 的剪切，生产成本却比较高。因此，对圆盘剪进行变宽度剪切的研 究具有重要的现实意义。
设计与分析◆Sheji yu Fenxi
变宽度圆盘剪剪切过程仿真研究
王 侃 范俊杰
（北方工业大学机电学院，北京 100144） 摘 要：简要介绍了变宽度圆盘剪工作原理，利用 Pro／E 软件建立了简化后的三维有限元模型，运用有限元分析软件 DEFORM 模拟了不同 条件下简单曲线的剪切过程，得出了不同板厚以及速度对剪切的影响。通过分析，得出了一定规律，对变宽度圆盘剪的实际剪切过程有一定的指 导作用。 关键词：圆盘剪；变宽度；剪切
Strain：0.01～5 Strain Rate：2～20 000 Temperature：20～1 300 Young's Modulus： Temperature：－100～1 500 Poisson Ratio： Constant Thermal Expansion： Temperature：－100～1 500 Thermal Conductivity： Temperature：20～1 430 Heat Capacity： Temperature：20～1 430 Emmisivity： Constant Fracture：Normalized Cockroft & Latham
2.3 仿真结果及分析
上述变形过程只是为了直观地观察切断过程，但变宽度圆盘
剪剪切不仅仅是一个切断过程，它还涉及到刀盘旋转过程。所以，
仅仅用 DEFORM 2D 仿真是不够的，我们还用 DEFORM 3D 对直
线轨迹和简单的弧线轨迹进行了模拟，得出了以下一些结论：
3 结语
2.3.1 板材厚度对剪切力的影响 在 DEFORM 中，剪切力行程关系变形曲线包括弹性变形和塑
各类文献资料表明，无论在剪切机理方面，还是在剪切轨迹方 面，大多数研究都停留于直线剪切，这已经无法满足在保证剪切加 工精度的前提下，实现任意边界曲线变宽度剪切的实用需求。
本 文 以 变 宽 度 圆 盘 剪 切 机 为 研 究 对 象 ， 简 化 剪 切 模 型 ，用 DEFORM 有限元软件进行仿真，分析了不同板厚、不同速度对剪 切的影响，并得出了在不同板厚下的最佳剪切速度，为以后的进一 步研究提供了方法，积累了经验，打下了基础。
对板材剪切来说最重要的就是剪切断面质量，而影响剪切质 量的因素（图 1）很多，如间隙（Δ）、重叠量（S）、速度等（图 2），所以 要对这些影响因素进行研究。本文主要探讨了板厚和速度对剪切 的影响。
1 变宽度圆盘剪介绍 变宽度圆盘剪切机如图 3 所示，包括剪刀轴箱体、蜗轮蜗杆箱
体、横向驱动装置和纵向驱动装置，剪刀轴箱体的底部连接有蜗轮 蜗杆箱体，剪刀轴箱体的侧面设有一对剪刀，蜗轮蜗杆箱体的底部 通过横向驱动装置连接于导轨Ⅰ上，导轨Ⅰ的底部通过纵向驱动 装置连接于导轨Ⅱ上。本变宽度圆盘剪切机在圆盘剪切机的基础 上，通过增设横向驱动装置、纵向驱动装置及蜗轮蜗杆减速器，使 剪切机可沿 X 轴、Y 轴移动以及绕 Z 轴转动，不但提高了变宽度 剪切的精度，而且实现了对任意曲线的剪切；由于采用 2 个电机， 可以同时控制横向和纵向的运动，所以可根据实际需求剪切出对 称或非对称的剪切边，适用范围更广泛，使用更灵活。
切力行程关系曲线呈先塑性变形上升后再急剧下降的态势。
［参考文献］
［１］ 虞益中．对称式曲柄飞剪机的设计研究［Ｄ］：［硕士论文］．无锡：江
南大学，２００９
［２］ 秦泗吉，彭加耕．板厚对冲裁力影响规律的研究［Ｊ］．金属成型工
艺，２００２（４）：４～７
［３］ 刘建磊．提高钢板剪切精度［Ｊ］．宽厚板，２００２，８（１）：２１～２４
通过仿真得出，变形过程可以分为 3 个阶段：弹性过程、塑性 其他条件下，亦可应用同样的方法得到最佳剪切速度。
过程、断裂过程。
第 1 阶段：弹性变形。板材受到上、下刀盘的压力而产生弹性
变形。
第 2 阶段：塑性变形。上、下刀盘继续向下压，当材料的内应力
超过屈服点时就发生了塑性变形，断口会形成塌角区；压力继续增
当圆盘剪切机剪切速度变大时，剪切力呈加大趋势。在普通的 院教学副院长，研究方向：机械设计方法学、机构学。
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Sheji yu Fenxi◆设计与分析
2.2量的影响不是很大。但是对于
仿真对象是厚度为 0.8 mm 的普通钢板，为了直观地看清楚变 变宽度圆盘剪，因为涉及到曲线剪切，所以剪切速度对断面质量有
形过程，我们用 DEFORM 2D 对该过程进行了模拟。剪切过程中， 较大的影响。
变宽度圆盘剪切机的主要优点：可实现对板材的曲线剪切。 变宽度圆盘剪切机的主要缺点：一是剪切机结构限制了被剪 切 的 宽 度 ；二 是 对 于 小 批 量 规 格 品 种 多 、宽 度 变 换 频 繁 的 钢 板 ， 则需要频繁调整其间隙和重叠量；三是曲率过小的曲线无法实 现。
2 板材变形分析
2.1 研究条件 本文研究的是变宽度圆盘剪切机的剪切过程，重点是在切断过
性变形。塑性变形时，虽然横截面积会变小，但由于存在加工硬化现 象，剪切变形力大小却会很快增加。在这一剪切过程中，加工硬化现 象对剪切力大小影响最大，随着剪切过程的进行，当剪切钢板的面 积和材料加工硬化对剪切力的影响作用相互抵消时，剪切力也已经 达到最大值。因为上、下刀盘是对称的，所以当上、下刀盘剪切产生 的裂纹相遇时，钢板断裂分离导致剪切力急剧下降。如图 6 所示，剪