滚切剪最大剪切力计算公式的研究

收稿日期 2010 05 31 修订日期 2010 07 21 作者简介 张继东 1985 男 太原科技大学硕士研究生 滚切剪最大剪切力计算公式的研究 张继东 1 楚志兵1 常 瑜2 黄庆学1 1 太原科技大学重型机械教育部工程研究中心 山西 太原 030024 2 中国重型机械研究院有限公司 陕西 西安 710032 摘 要 以纯滚动剪切为目标 通过对新型滚切剪剪切原理分析 把滚切过程分为切入阶段和滚 切阶段两个阶段 在充分考虑了剪切过程对剪切力变化的基础上 推导出切入阶段和滚切阶段的剪切 力的理论公式 并进行修正 得出滚切剪的力能计算公式 同时以某大型钢铁有限公司 3 000 mm定 尺滚切剪为例 对剪切过程中剪切力进行测定 并对理论公式和实测结果进行对比 为滚切剪能力设 计提供依据 关键词 滚切剪 切入阶段 滚切阶段 中图分类号 TG333 文献标识码 A 文章编号 1001 196X 2010 05 0059 04 For mula build and industrial research formaximal shear stress of rolling shears ZHANG Ji dong 1 CHU Zhi bing 1 CHANG Yu 2 HUANG Qing xue 1 1 Engineering Research Center for Department ofHeavyM achinery Education Taiyuan University of Science and Technology Taiyuan 030024 China 2 China NationalHeavyM achinery Research Institute Co Ltd X i an 710032 China Abstract M aking pure rolling shearing as the target this article divided the rolling shearing process into two steps ie cutting and rolling shearing through analysis of shearing principle of new type rolling shear It deduced the theoretical for mula for shear stress in cutting and rolling shearing based on giving adequate consid eration in the shearing process to the shear stress change made correct for it and then obtained the for mula for po wer and energy of rolling shear M eanwhile taking 3 000mm fixed length rolling shear in a large scale steel and iron Co Ltd as an example it tested the shear stress during shearing and co mpared the tested results w ith theoretical for mula to provide bases for design of rolling shear capability Key words rolling shear cut in phase rolling shearing phase 1 引言 滚切剪最大剪切力计算的准确性对电机功率 的合理选取及结构强度的优化设计都至关重要 传统的剪切力公式只考虑应力变换系数和剪刃间 隙影响系数 因而 计算出的最大剪切力误差很 大 影响了滚切剪的设计 剪切金属时影响剪切 过程力能参数的因素除被切金属的力学性能外 瞬 时剪切抗力 强度极限 b 断裂时的相对切入 深度 0 剪刃间相对间隙 h0等 剪切速度 v 被切金属温 t度 剪刃磨钝后的相对圆角半径 r h0 被切件断面形状 用原始宽度 b0和高度 h0之 比 b0 h0表达 剪刃倾角 滚切剪上剪刃的滚 切角为 2 3 等 都对剪切力 P 和剪切功 W 有重要影响 如果用公式表达 剪切力 P 应为 P P 0 t v h0 r h0 p s b0 h0 对于中厚板生产线上的横切滚切剪 曲柄旋 转一周 圆弧上剪刃与钢板之间的关系会经历切 59 2010 No 5 重 型 机 械 近 切入 滚切 切出四个阶段 切近阶段是上 剪刃倾斜 形成合理咬入角度 影响最大剪切力 大小的关键阶段 切入阶段金属的剪切过程 可 分为上剪刃的弹性压入 金属塑性滑移 裂纹萌 生 裂纹扩展直至失稳断裂几个阶段 滚动剪切 阶段 钢板的有效剪切面积和单位剪切抗力基本 保持不变 所以剪切力在此阶段比较稳定 基本 保持不变 同时由于钢板已经断裂 所以此阶段 剪切力最大值的计算也同切入阶段有所不同 滚 动切出阶段 在刀弧最低点未到钢板右端 钢板 已经全部断裂 通过对剪切过程的分析可知 滚 切剪剪切过程分弹性压入到塑性滑移的切入阶段 和弹塑性压入裂纹扩展的滚切阶段 由于这两个 阶段金属剪切断裂的过程完全不同 所以剪切力 公式的推导应该分别进行 2 滚切剪剪切力计算公式的建立 2 1 切入阶段最大剪切力的计算 如图 1所示 在滚切剪的切入阶段 被剪切 钢板的实际有效面积为阴影部分梯形 ABDE的面 积 试验研究也表明最大剪切力发生在塑性变形 阶段 1 2 所以在钢板厚度方向上的 E 点 即厚 度方向的断裂临界点 到达金属的相对切入深度 值时 把滚切剪剪切力的计算值作为切入阶段的 最大剪切力 因为钢板在断裂后 由于刃口产生 应力集中等因素 剪切力将下降很多 图 1 轧件剪切过程 图 1中弦 BE 上 B 点到 D点之间任意点的相 对切入深度由 0逐渐增大为 0 任意点的 x轴坐 标将由 0增大为 L0 由图 1的几何形状得出 L0 h 0 tg 1 传统剪切力计算公式为 P k1k2 b 0 h 2 tg 2 式中 h为钢板厚度 0为钢板剪断时的相对切 入深度 剪切钢板时取 0 1 2 1 4 5将 其带入式 1 与 k1 k2合并 并整理得 P k1k2k3k4 b 5 h 2 tg 3 cos R h S R 4 式中 k1为相对切入深度及应力变换综合系数 取 k1 0 75 0 95 k2为剪刃间隙综合影响系 数 取 k2 1 0 1 2 k3为刀钝综合影响系数 取 k3 1 2 1 4 k4为切入角圆弧曲率影响系 数 取 k4 1 38 1 86 为上剪刃切入阶段咬 入角 R为上剪刃半径 h为钢板厚度 S 为上 下剪刃的重叠量 在式 3 中 当 0时 剪切力 P 这 同实际情况是不符合的 并且切入阶段的咬入 角 一般很难确定其大小 经过对 S MS 沈重 二重及科大重工等厂家滚切剪轨迹的模拟 给出 了切入阶段咬入角的近似公式 并给出了切入角 变换修正系数 能够非常方便的供设计人员在设 计前期对滚切剪的最大剪切力进行确定 而且很 好地解决了剪切力 P 的问题 由此得出滚切剪切入阶段的剪切力最大公 式为 P k1k2k3k4k5 5 b Bh 2 r 5 式中 k5为切入角变换修正系数 表 1 取 k5 1 025 1 112 开口度小的取上限 开口度大的取 下限 5为材料延伸率 b为材料抗拉强度极 B 为连杆同上刀架铰接点之间的距离 r为曲柄半径 表 1 典型规格滚切剪咬入角的修正系数 设计单位 滚切剪规格 l h mm 咬入角理论值 r B 咬入角轨 迹模拟值 切入角变换 修正系数 SMS5 000 500 038 140 3 600 0 0351 086 二重3 000 500 039 95 2 400 0 0371 054 沈重3 500 500 047 115 2 400 0 0421 112 科大重工2 800 500 041 95 2 300 0 0401 025 60 重 型 机 械 2010 No 5 2 2 滚切阶段最大剪切力的计算 滚切阶段为裂纹扩展阶段 按照断裂力学分 类 钢板滚切阶段的断裂行为属于典型宏观断裂 力学中的弹塑性断裂力学范畴 7 剪切过程中 钢板受平行于裂纹面 且位于裂纹前缘的剪应力 的作用 属于裂纹中的 型撕开型裂纹 在滚切 阶段 由于切入侧钢板的头部已经断裂 那么在 后续的剪切运动过程中 外载荷只要提供裂纹扩 展需要的能量即可 图 2 应用能量释放率作为 断裂判据准则进行滚切阶段剪切力的推导如下 根据断裂力学对 型钢板剪切宏观断裂裂纹 扩 展阻力率的推导得出 GC 为断裂力 学中的 COD系数 高强度钢 1 2 中强度钢 1 5 低强度钢 2 0 2 6 s为被剪钢板 屈服极限 图 2 滚切阶段钢板断裂示意图 滚切阶段阻止钢板剪切的阻力来自图 3阴影 部分的断裂抗力 阴影部分的面积简化为 S h 2 2tg 0为钢 板剪断时的相对切入深度 3 最大剪切力理论公式的验证 采用现场实验用板厚为 20 mm和 15 mm 不 锈钢板的性能数据 利用最大剪切力公式 5 对其切入阶段的剪切力进行了计算 理论公式 计算和实测结果数据见表 2 利用最大剪切力 公式 9 对滚切阶段的剪切力进行了计算 理 论公式计算和实测结果数据见表 3 表 2 3中 P实测为表 2中不同剪刃间隙下实测剪切力的平 均值 表 2 切入阶段剪切力理论 测试比较 h mm材料k1k2k3k4k5 5 b M Pa r mm B mm P理论 104N P实测 104N 150Cr18N i9T i0 951 11 41 65 1 112 0 47515952 300353 0337 5 20 0Cr18N i12MO2T i0 951 1 1 41 65 1 112 0 41485952 300516 9451 6 表 3 滚切阶段剪切力理论 测试比较 h mm材料k1k2k s P理论 104N P实测 10 4N 150Cr18N i9Ti1 11 41 950 32 02502 5222 0268 2 20 0Cr18N i12MO2T i 1 11 41 950 32 32052 5372 2350 4 4 结论 1 由于滚切剪在切入时是圆弧形剪刃对 钢板进行切入 所以咬入角是同钢板接触弧 线无数个切线角度的集合 并不等同于斜刃 剪切入过程中的恒定剪切角 所以在切入过 61 2010 No 5 重 型 机 械 程剪切力的计算公式中增加了切入角圆弧曲 率影响系数 另外在剪切力公式中增加了切 入角变换修正系数 很好地解决了 0时剪 切力 P 的问题 且切入阶段的咬入角很容 易确定其大小 2 切入阶段理论公式计算结果和实测结果 相比误差在 4 6 14 3 之间 滚切阶段理论 公式计算结果和实测结果相比误差在 6 2 17 2 之间 可以看出切入阶段和滚切阶段剪切 力理论公式的计算结果 作为滚切剪能力设计的 依据是可行的 参考文献 1 冯永军 滚切剪力能参数计算的研究 J 机械设 计与制造 2003 1 2 张贵庭 滚动式钢板剪切机力能参数研究 J 重 型机械 1993 5 3 黄克智 余寿文 弹塑性断裂力学 M 北京 清华大学出版社 1985 4 徐芝伦 弹性力学 M 北京 人民教育出版 社 1979 5 黄庆学 肖宏等 轧钢机械设计 M 北京 冶 金工业出版社 6 蔡亦刚 滚切剪结构参数和力能参数的研究 D 鞍山 鞍山钢铁学院 1998 中国重型机械研究院授权专利公告 序号名称类型申请号申请日授权日发明人 1旋转式中包冷却系统发明2006101053868061231090618刘俊平 王鲁 刘赵卫 张毅 2刮刀式去毛刺机装置及工艺发明2007101885407071221090723马丹 3可调缓冲装置实用新型200820228252X081217090925 雷华 杨拉道 赵敏 刘赵卫 王文学 4连铸机复合浇注装置实用新型2008202282695081229091009雷华 杨拉道 赵敏 刘赵卫 5一种电磁搅拌支撑辊装置实用新型2008202283842081223091009王西林 田进 刘赵卫 6 一种圆盘剪刀盘重叠 量的调整控制方法 发明2007100189600071029090514 许展望 张勇安 景群平 周德奇 7一种圆盘剪液压锁紧装置发明2007100191916071126090611 景群平 张勇安 王社昌 周德奇 崔卫华 范海峰 8钢丝绳同步装置实用新型2008202282407081210090918 程军周 崔卫华 浦文杰 冀俊杰 姚养库 9 拉伸弯曲矫直机辊 缝快速打开装置 实用新型2008202227683081204090911 姚养库 刘忠宝 马伟然 程军周 陈勇 10偏心套调偏机构实用新型2008202227787081205090911 程军周 浦文杰 马兰松 崔卫华 11 滚筒式飞剪机剪刃 间隙调节驱