圆盘剪工艺参数仿真分析

信息技术 鄢健龙 等 圆盘剪工艺参数仿真分析 圆盘剪工艺参数仿真分析 鄢健龙 成亮 易俊 明 1 华中科技大学 机械科学与工程学院 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 2 东莞华中科技大学 制造工程研究院 广东省制造装备数字化重点实验室 广东 东莞 5 2 3 8 0 8 摘要 通过对 圆盘 剪的工作原理和剪切机理 的研 究 利用 A N S Y s L S D Y N A 来对 圆盘 剪剪切 铝带三维模型进行有限元分析 并采用显示动力学模块对剪切过程进行了有限元分析 分析 了 铝带剪切断裂的过程 得到 了铝带剪切过程中的应力 应变随时间的变化 断裂区上特定单元 的应力 应变变化 仿真研究了工艺参数如重叠量 侧向间隙 带料厚度 剪切速度等对铝带剪 切品质的影响 进行 分析和研 究 提 高了剪切品质 关键词 圆盘剪 铝带剪切 工艺参数 有限元仿真 中图分类号 T H1 6 1 1 T P 3 9 1 9 文献标志码 B 文章编 号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 4 0 4 0 1 0 8 0 3 S i mul a t i o n Ana l y s i s o f Di s c Sh e a r Pa r a me t e r s Y AN J i a n l o n g CHE NG L i a n g YI J u n mi n g 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g in e e r i n g H u a z h o n g U n iv e r s i t y o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 7 4 Ch i n a 2 DG HUS T Ma n u f a c t u r in g E n g i n e e r i n g I n s t it u t e Gu a n g d o n g P r o v i n c e Ke y L a b o f Di g it al Ma n u f a c t u r in g E q u ip me n t D o n g g u a n 5 2 3 8 0 8 Ch i n a Abs t r a c t Th r ou g h t h e s t u d y o f t h e wo r k in g p r in c i p l e o f t h e c i r c ular s h e ar s a n d s h e ar mec h a nis m t h is p a p er mak e s t h e f i n it e ele men t a n a l y s is b y u s i n g ANSYS L S DYNA c r ea t e s t h e d i s c s h ea r a l u minu m f i n it e eleme n t mo d e l u s e s t h e e x p l ic it dy n a mic mo d u l e t o mak e t h e f i n it e e l e men t a n aly s i s o f sh e a r in g p r o c es s an a ly ze s t he a I u minu m s h e ar f r a c t ur e p r o c e s s k n o ws it s s t r e s s in t h e p r oc e s s an d c h an g e on t h e s t r a i n t h e un it s t res s a n d s t rain c h a n ge s i n t h e f r a c t ur e z on e s I t als o s imu la t e s i t an d r e s e ar c h e s o n t h e e ff e c t s o f t he p r oc e s s p a rame t e r s s u c h a s t he amou n t of o v er lap s ide g a p s t r ip t h ick ne s s an d s h e ar s p e e d o n t h e a l u mi n u m s t r i p s h e ar i n g q u ali t y Th e s e p r ob lems a re a n a l y z e d a n d s t u d i e d t o i mpr o v e t h e s he a r i n g q u alit y Ke ywo r ds dis c s h e ar a l u minu m s t r i p s h e ar pr o c es s p ar ame t ers f i n it e eleme n t s i mula t io n 圆盘剪是曾被广泛运用于钢板 铝板带的纵切设备 如今巧妙的运用在纵切铝箔带上 圆盘剪剪切铝带的过 程是一个复杂的非线性 问题 为 了很好 的模 拟铝带 材剪 切过程 采用显式动力有 限元分析软件 A N S Y S L S D Y N A 进行模拟分析 同时 更进一步 的分析侧 向间隙 重 叠量 刃 口圆角 板料厚度 等工艺参 数对剪切 质量 的影 响 进一 步探讨铝带圆盘剪切过程中的变形规律 剪切力及其剪切 品质影响因素和规律 提出改进剪切品质行之有效的方法 和手段 1 板料本构模 型及 其属性定义 由于刀具材料的硬度 屈服强度远大于带料 且变形 十分微小 故可将圆盘剪 刀轴 压料盘都定义为刚体 这 样可大大提高显示积分 的效率 铝带料采用随动塑性 与应变率相关 材料模 型 该模 型是 各 向同性 随动硬化 或各 向同性和随动硬化的混合模型 可通过选择硬化参数 为 0或 1 来选择随动硬化或各向同性 一般用 C o w p e r S y m o n d s 模型来考虑应变率 上下压料盘起到 固定带料上下晃动的作用 另外沿轴 向的摩擦力可防止铝带左右攒动 从经济性和实用性的角 度来看 可选用铸造合金钢作为上下压料盘的材料 其性 能参数如 下 弹性模 量 1 9 0 G P a 密度 7 3 0 0 k g m 抗 剪 模量 7 8 e 1 0 N m 屈服强度 2 4 1 M P a 上下 圆盘刀材 料为 S K D1 l高碳 高铬合 金工 具钢 其 性能参数为 弹性模量 2 1 0 G P a 密度 7 7 O g e m 屈服强 度 1 2 0 0 MP a 泊松比 0 2 8 上下 圆盘刀 轴选用 4 5号 钢 其 性 能参数 为 弹性 模 量 2 0 5 G P a 泊松 比 0 2 9 密度 7 8 5 g c m 屈服 强度为 5 3 0 MP a 铝 带 选 用 工 业 纯 铝 其 性 能 参 数 为 厚 度 0 0 8 m m 宽度 2 5 m m 长 度 1 6 0 m m 弹性 模量 6 9 G P a 泊松 比 0 3 3 密度 2 7 g e m 屈服强 度 2 7 6 MP a 抗剪 模量 2 7 G P a 2 建立有限元模 型 考虑 到圆盘剪剪切 只是 一个 局 部变 形剧 烈 的过 程 变形部分仅仅存在于被剪切部分 另外由于上下刀轴都 是装配体 在三维软件中建模后导人到 A N S Y S中分析复 杂 加之计算 机 的配 置 有 限 故可 把 上 下 圆盘 刀 轴简 化 基金项 目 广东省数控一代示范工程项 目 2 0 1 2 B 0 1 1 3 0 0 0 1 5 广东省重点实验室建设项 目 2 0 1 1 A 0 6 0 9 0 1 0 2 6 作者简介 鄢健 龙 1 9 一 1 0 8 h t t p Z Z H D c h i n a j o u rna 1 n e t c n E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 n e t c n 机械 制造与 自动化 信息技术 鄢健龙 等 圆盘剪工艺参数仿真分析 4 2 重叠量对剪切力和剪切品质的影响 重叠量也是影响圆盘剪 剪切 的一个 很重 要 的工 艺参 数 其选取的好坏直接影响着剪切力和剪切品质 一般是 根据剪切厚 度来 选 择 的 重叠 量 太 大则 引起 带 材 的 翘 起 太小会引起圆盘剪超负荷运转和带材的局部弯曲 这里根据实际剪切 情 况分 别取 重 叠量 为 0 mm 0 1 m m 0 2 mm 0 3 F il m 0 4 mm 其有效应力曲线如图6所示 巴 吕 毒 羔 写 出 LS DYN A us e r i np ut j A 二 y V 一 一 f c l D V L n n R E D C Time E 0 3 图 6 不 同重叠量对有效应力的影响 曲线 1 mm 2 mm 3mm 4mm 由图 6可知 单元 60 9 6的有效应力的峰值随着重叠 量先增大后减小 当为 0 2 m m 时最 大 为 9 0 M P a 取为 0 mm时 其有效应力的峰值最小 但其减为零的时间大大 增加 裂纹生成 的速度慢 影响后续的剪切过程 对剪切质 量不利 取值为 0 4 m lT l 时 达到峰值用时最短 然后最快 衰减为零 其 实际宏 观表现 为咬入条 件最好 裂纹生成 的 速度快 铝带被剪切开后不产生粘着现象 不影响后续的 剪切过程 4 3 铝 带厚 度 对 剪切 力 剪切 品质 的 影 响 图 7 一 般情况下 剪切力随着剪切厚度的增加而增大 然 而通过本次仿真分析 可以明显的看出并不是符合一般的 剪切规 律 厚 度 0 0 7 l n m 0 0 9 IT l m 时 有 效 应 力 最 大 0 0 8 m m时的有效应力峰值最小 6 0 5 0 4 0 羞3 0 兰 2 0 蓬 1 0 工 0 f r A r R r A r T i me E 0 3 图 7 不 同厚度下 的有效应 力曲线 A 0 07mm B 0 08mi l l 0 0 9mm 4 4 剪切速度对剪切 力和剪切 品质 的影 响 现在圆盘剪的剪切速度越来越快 虽然对大多数材料 来说 速度越高剪切品质越好 但并不是越高越好 有些 材料对速度敏感性较差 提高剪切速度不仅对剪切品质提 高不大 而且还会产生温度效应 反而影响剪切品质 所 1 1 O 以进行速度对剪切力的影响规律仿真分析是十分有必要 的 如图 8 所示 LS DYNA u s e r i n p u t A 1 3 Om min B 1 72 5m m i n 1 5m min D 2 57 5 m mi n E 3 0 0m mi n 0 0 5 1 1 5 2 T i me E 0 3 图 8 不 同速度下的单元有效应力 曲线图 从图 8可 以看 出 当速 度 从 1 3 0 m m i n增 大到 2 1 5 m m i n 时 有效应力最大值基本不变 但其增大到最大 值的时间减小 衰减为零的时间逐渐减小 裂纹快速生成 铝带的粘着现象减弱 剪切品质提高 但是 当剪切从 2 1 5 m m i n 增大到 3 0 0 m m i n时 其有效应 力值逐渐 增大 其衰减为零的时间先较小后增大 裂纹生成 的速度 由快到 慢 铝带的粘着现象增强 剪切质量恶化 所以在保证剪 切品质的情况下 同时考虑咬人条件 其最佳的剪切速度 为 2 5 7 5 m m i n 5 结论 通过对圆盘剪剪切铝带进行有限元应力分析和 艺 参数仿真分析可以得出如下结论 1 剪切力随重叠量是 先增 大后减 小 并找到 了相应 的最佳重叠量 侧向间隙越大 剪切力越小 但侧向间隙增 大到一定程度时 剪切力反而变小 铝带厚度越大 其剪切 力不一定越大 剪切速 度在 定 范围内对剪切力 的影响不 是很明显 但是当增大到一定值时 应力值随着剪切速度 增加而增大 2 剪切 过程 中 裂 纹是 由下表 层扩 展到 上表 层 被 剪切单元有效应力达到峰值和衰减为零的时间越短 则 其裂纹生成的时间也越短 咬入条件越好 剪切品质也 越好 参考文献 1 贾海亮 圆盘剪剪切 过程 的有 限元模 拟和 实验研 究 D 太 原 太原科技大学 2 0 1 0 2 白金泽 I S D Y N A 3 D理论基 础与实例 分析 M 北 京 北京 科学出版社 2