闸式剪板机力学性能分析与优化*王　勇1,朱世凡1,陈　胜1,王　奇1,于　珺2,陈达兵2(1.合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥230009;2.马鞍山市中亚机床制造有限公司,安徽马鞍山243131)摘　要:剪板机结构力学性能对剪切精度具有重要影响㊂以6×3200型数控闸式剪板机为对象,基于数值模拟方法对上刀架进行了静力学分析和瞬态动力学分析,得到了剪切过程中的最大等效应力与最大变形;对机架进行了模态分析,给出了剪板机系统可能发生共振的固有频率和相应振型;基于分析结果对闸式剪板机结构进行了优化㊂关键词:闸式剪板机　静力学分析　动力学分析　模态分析　优化设计中图分类号:TP13 文献标识码:A 文章编号:1002-6886(2019)02-0001-04Analysis and optimization of mechanical properties of braking-type plate shearing machineWANG Yong,ZHU Shifan,CHEN Sheng,WANG Qi,YU Jun,CHEN DabingAbstract:The mechanical properties of shearing machine have important influence on the shearing accuracy.Based on the numerical simulation method,the static analysis and transient dynamic analysis of the upper tool holder are carried out for the6×3200numerical control gate shear machine.The maximum equivalent stress and maximum deformation in the shearing process are obtained.The modal analysis of the frame is carried out to obtain the natural frequency and corresponding vibra⁃tion mode of the shearing machine.Based on the analysis results,the structure of the brake shearing machine is optimized.Keywords:braking-type plate shearing machine,statics analysis,dynamic analysis,modal analysis,optimization design0　引言与摆式剪板机相比,闸式剪板机从结构上避免了游隙的存在并可调节剪切角,具有更高的效率㊁精度和可靠性㊂但闸式剪板机在剪切宽厚板或高强度薄板时,仍存在机床变形影响剪切精度等问题㊂现有文献多研究剪切参数对剪切精度的影响[1]㊁剪板机组控制系统设计与自动化改造[2-3]或者以有限的离散点模拟剪切过程[4],有关闸式剪板机的力学性能分析与结构优化的研究目前尚少见㊂本文通过机床的静动态特性分析,模拟剪板机剪切过程,获得连续的剪切数据,并给出优化方案㊂1　静力学分析以一款6×3200型数控闸式剪板机为例,其结构模型如图1所示㊂工作时,滚柱丝杠驱动的后挡料装置调节剪切长度,压料油缸将被剪板料压紧,设置刀刃间隙和剪切角等剪切参数后,两端的液压缸驱动上下刀刃相对运动完成板料的剪切㊂仿真分析时,忽略过渡圆角㊁螺纹孔等[5],将简化的三维模型导入到有限元分析软件中,上刀架两侧面作固定约束,设置绑定接触模拟上刀架零部件的焊接和螺纹固定[6]㊂图1　6×3200闸式剪板机结构模型根据诺沙里公式[7]:P=0.6σbδs h2tanα1+z tanα0.6δs+11+10δsσby2æèççöø÷÷x(1)㊃1㊃式中:σb 被剪板料强度极限,δs 被剪板料延展率,h 被剪板料厚度,α 剪切角,x ㊁y ㊁z 分别为弯曲力系数㊁剪刃侧向间隙相对值㊁压料系数㊂根据(1)式计算出垂直方向剪切力P 1=212.8kN,其水平方向剪切力取垂直方向剪切力的30%,得出水平方向剪切力P 2=63.8kN㊂对上刀架加载垂直和水平方向的剪切力,利用ANSYS Workbench 求解,对比分析剪切开始㊁中间㊁结束位置各方向变形大小㊂由表1可知,上刀架在Y 向变形较大,相比于Y 向,X ㊁Z 向变形可忽略不计㊂Y 向变形开始和结束位置大小近似相等,且远小于中间位置,上刀架在剪切过程中的变形呈现内凹的趋势㊂表1 上刀架最大等效应力与X ㊁Y ㊁Z 向最大变形剪切位置最大等效应力/MPa X 向最大变形/mm Y 向最大变形/mm Z 向最大变形/mm 开始137.70.0200.1410.074中间135.30.090 1.1830.650结束137.20.0130.1510.085 中间位置最大等效应力和Y 向最大变形如图2㊁3所示㊂图2　上刀架最大等效应力图3　上刀架Y 向最大变形结合表1和图2㊁3可知,剪切开始位置,上刀架所受等效应力最大且位于液压缸作用A 处,大小为137.7MPa,小于上刀架的屈服强度235MPa㊂剪切中间位置,上刀架在Y 向发生最大变形且位于后支板B 处,大小为1.183mm,但刀片处Y 向变形为0.346mm,小于1mm,满足使用要求[4]㊂2　瞬态动力学分析动态仿真时,上刀刃剪切初始位置设置一个始终受剪切力作用的滑块,并给予一定速度,利用滑块的移动来模拟剪板机的剪切过程㊂由于滑块仅传递剪切力,将其与上刀刃设置为Frictionless 接触㊂剪切板料时,上刀刃与被剪板料的接触如图4所示,接触长度S 为[8]:S =h sin α(2)图4　剪切示意图为简化计算,认为剪切力均匀分布在长度为S ,宽度为刀片宽度t 的长方形区域内,故将滑块设置成长为S ,宽为t 的长方体,如图5所示㊂图5　滑块模拟示意图通过求解其在各个位置的最大等效应力㊁Y 向和Z 向最大变形,如表2所示㊂上刀架在剪切过程中的变形及所受应力趋势如图6所示㊂表2　上刀架在各个载荷步下的最大等效应力和Y ㊁Z 向最大变形载荷步数最大等效应力/MPaY 方向最大变/mmZ 方向最大变/mm1138.10.2650.1812153.20.3800.3303158.40.4030.3864159.20.4690.4265157.50.5920.4636153.80.5710.4547148.10.5800.4618150.30.6350.4789153.70.5430.45810154.90.4770.44611153.20.4820.42512141.80.3580.33613136.40.2500.175 结合表2㊁图6可知,上刀架的变形随剪切位置的变化而变化,表现为中间变形大,两边变形小且近㊃2㊃似对称,与静力学仿真结果一致㊂上刀架在Y 向和Z 向的最大变形均发生在载荷步8,变形量分别为0.635mm 和0.478mm,均小于1mm,最大等效应力发生在载荷步4,大小为159.2MPa,小于上刀架的屈服强度235MPa㊂图6　上刀架Y ㊁Z 向变形及最大等效应力剪板机在工作过程中,Y 向和Z 向最大变形及最大等效应力分别如图7㊁8㊁9所示㊂图7　上刀架Y向最大变形图8　上刀架Z向最大变形图9　上刀架最大等效应力由图7㊁8㊁9可知,上刀架在Y 向最大变形发生在刀刃C 处,Z 向最大变形发生在刀刃D 处,Y 向和Z 向变形均小于1mm,满足设计要求㊂上刀架所受最大等效应力出现在液压缸作用上刀架E 处,刀片所受应力较小,具有良好的刚度㊂3　机架模态分析模态分析时,对机架的4个底座作固定约束处理㊂模态提取方法选择Block Lanczos 法,设置扩展模态数为4,求解机架结构的前四阶固有频率㊂机架前四阶模态振型如图10所示,机架前四阶结构固有频率㊁振幅及振型描述如表3所示㊂图10　机架前四阶振型表3　剪板机模态分析数据表阶数频率/Hz振幅/mm 振型119.02 1.77前面板沿X 向向前弯曲224.980.81机架上半部分沿Z 向左右弯曲摆动328.96 6.09下支撑梁沿X 向向前弯曲442.661.53前面板沿X 向前后弯曲摆动 根据图10㊁表3可知,在工作过程中机架的振动变形主要集中在前面板和下支撑梁,并会发生较大的振动和噪声㊂当频率为19.02Hz 时,前面板振幅较大会对剪切过程产生影响,降低剪切精度㊂数控闸式剪板机设计的剪切频率为9次/min,远小于一阶固有频率,可以满足正常工作要求㊂同时在工作过程中,应尽量减少外部振动源的影响,避免过大的振动变形㊂　图11　斜面导轨式闸式剪板　机结构示意图4　优化设计通过以上对剪切过程的静动态特性分析可知,剪切时上刀架变形呈现出内凹的趋势,将会影响落料的毛刺和尺寸精度,降低剪板机的剪切质量㊂现通过调整剪切参数中的刃口间隙增加上刀架的定位刚度,提高剪切质量㊂本文设计了一种动态斜面导轨式的刃口间隙调节装置,如图11所示㊂㊃3㊃根据优化方案,对模型进行修改并导入有限元软件中,参考第1章内容对模型进行简化㊁约束㊁接触设置及剪切力加载㊂利用ANSYS Workbench 求解,得出上刀架在剪切开始㊁中间㊁结束位置最大等效应力及Y ㊁Z 向变形大小,如表4所示;上刀架及刀片Y 向最大变形云图,如图12㊁13所示㊂表4　优化后上刀架最大等效应力与Y ㊁Z 向最大变形剪切位置最大等效应力/MPa Y 向最大变形/mm Z 向最大变形/mm Y 向变形降低量/%开始137.90.0600.03457.4中间133.1 1.0990.5917.1结束139.20.0630.03658.3图12　优化后上刀架Y向最大变形图13　优化后刀片Y 向最大变形结合表1㊁4和图12㊁13可知,上刀架在剪切过程中所受最大等效应力及Y ㊁Z 向变形趋势与上文静动态分析结果一致㊂优化后,上刀架所受最大等效应力变化较小;剪切开始和结束位置,上刀架在Y ㊁Z 向变形明显减小;剪切中间位置,上刀架在Y 向最大变形位于后支板F 处,变形降低7.1%,但刀片在Y 向最大变形位于G 处,大小为0.263mm,变形降低24%,有效提高了剪切质量㊂传统闸式剪板机斜导轨易磨损且不可调,优化方案中采用三点支承保证斜面导轨垂直度,同时导轨面与刀架之间的夹角可由控制器根据不同厚度的板材调整斜面导轨的斜度,以控制最佳的上刀片与下刀片之间的剪切间隙值,保证剪切精度㊂采用斜面导轨三点支承的机床实物照片如图14所示㊂　图14　6×3200闸式剪　板机实物5　结论针对一款6×3200闸式剪板机,在静态剪切力分析基础上,利用滑块与上刀架的无摩擦接触模拟剪板机动态剪切过程,得到了上刀架剪切时的最大变形和所受最大等效应力,验证了机床强度和刚度性能;通过模态分析,得到了机架前四阶固有频率,验证了机床的振动性能;根据分析结果对机床结构进行了优化,设计了一种三点支承斜面导轨式的刃口间隙调节装置,通过增加定位刚度提高了闸式剪板机的剪切精度㊂参考文献[1]　KOPP T ,STAHL J ,DEMMEL P ,et al.Experimental in⁃vestigation of the lateral forces during shear cutting with an open cutting line [J ].Journal of Materials Processing Technology ,2016,238:49-54.[2]　艾建军,张德田,张东升.手动剪板机的自动化改造[J ].机床与液压,2016,44(4):165-167.[3]　黄海龙,易俗,赵忠义,等.矫平剪板机组控制系统设计[J 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