2.5MN上切式剪切机机构设计及其三维建模与仿真-文献综述要点

1、安徽工业大学学生毕业设计题目文献综述上切式剪切机的设计三维建模及仿真院（系）机械学院专业班级学生姓名指导教师（签字）加 qq 1024306823 有全套!1、前言剪切机是用于剪切金属材料的一种机械设备，剪切机的用途就是用来剪切定 尺切头、切尾、切边、切试样及切除轧件的局部缺陷等。轧钢车间生产的产品， 一般都需要切头、切尾、修边和定尺剪切。可以说在一般的轧钢生产车间中，剪 切机是属于关键性设备，剪切机的生产率在很大程度上影响着车间产量。 在轧制 生产过程中，大断面钢锭和钢坯经过轧制后，其断面变小，长度增加。为了满足 后续工序和产品尺寸规格的要求，各种钢材生产工艺过程中必须有剪切工序。金属成形及

2、剪切概述金属材料在外力作用下会产生形状的改变，即变形。当外力去除后，如果金属材料形状的改变能完全恢复至初始状态一金属材料的形状、尺寸和组织性能等与初始状态无异，则此种变形称之为弹性变形。当外力去除后，如织金属材料的 形状改也不能完全恢复至初始状态而产生永久的残余变形，则此种变形称为塑性 变形。金属材料所具有的这种塑性变形能力被称为金属的塑性。 利用金属的塑性， 使之在一定外力作用下产生塑性变形，从而得到所需形状、尺寸精度和组织性能 的产品的加工方法，称为金属塑性成形，它是一种针对金属材料的重要加工方法， 在机械制造、冶金工业等部门中应用厂泛。事实上，不仅金属材料具有塑性，很 多非金属材料也都具

3、有塑性。即使某些在常温、常压下难以变形的脆性材料，在 高温、高压下也会表现出良好的塑性。 但相对于非金属材料而言，绝大多数金属 材料的塑性变形能力都较强。如果不考虑切头、去尾、火托等损失，那么金属材 料的质量在塑性成形前后可看做没有发生变化， 因此塑性成形是无屑或少屑的金 属加了方法。剪切是其中比较重要的方式之一，因为在各种加工方式中，剪切这种方式最 简单，成本低，应用也最广，它可以作为其他冲压加工的原材料。板金属冷弯成 型产品越来越多被应用于实际生产中， 而剪切是冷弯成型的一道工序，是为它提 供冷弯材料，原材料的好坏会直接影响到终端产品的质量好坏。板材剪切工艺剪切工艺包括平板材料的剪切，比如

4、薄板和中厚板。这种剑气如可以由机械、 液压或者气体为动力驱动的专用机器上通过不同类型的刃口或者刀具来实现。通常的操作工序包括对坯料的刚性夹持， 上部刃口施加作用力于坯料，且当该刃口 向下移动通过固定的下刃口时，坯料的剪切就被完成了。在剪切工艺中，我们应注意三个阶段：在阶段一中，由于剪切力F的作用， 材料所受的应力要比屈服应力小(z +e )，这种状态称为弹性变形(图所示)。为了 防止材料在切断过程中的移动，压料装置对材料施加Fd的力来压紧。在阶段二中，材料所受的应力比屈服应力高但是要比UTS低，这样状态称为塑性变形(ze<z<z-,)。在阶段三中，材料所受的应力等于剪切应力(ze

5、= rill)。材料开始分离 但不是在前端，而是在材料上最先出现裂纹或断裂的地方开始分离，在这一过程中材料发生断裂。上部刃口切入材料的多少取决于工件材料的延展性和厚度。如果材料厚度大而脆性高，第一条裂纹会较早出现，因此板料分离就会早一些。在 刃口切过的裁剪边会相对光滑，而在撕裂的部位纹理会相对粗糙些。根据剪切机刀片形状、配置以及剪切方式等特点，剪切机可分为平行刀片剪 切机、斜刀片剪切机、圆盘式剪切机和飞剪机。根据剪切轧件时刀片的运动特点，平行刀片剪切机可分为上切式和下切式两 大类。剪切机优点：和锯切机相比，没有噪声，剪断后断面没有毛刺，剪切长度容 易掌握。剪切机缺点：和锯切机相比，不能剪切太复

6、杂的断面，并且它的生产效率比 锯切机低一些。2、现状目前中国剪切机产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如质量差、工 作效率低、资源消耗大、环境污染严重、对自然资源破坏力大、维修繁琐需高技 术人员等等。如某厂中板生产线于1975年投产,设计能力为18万t /年,成品 厚度为6 20mm,最大宽度2100mm生产线上共有4台剪切机，其中两台纵剪 完成对钢板的纵剪切任务，两台横剪完成钢板头部和长度定尺剪切。随着轧机、 矫直机和冷床等设备的不断改造和更新，使产量提高到了 100万t /年，随之带 来的问题是剪切能力不足，故障频繁出现，暴露出越来越多的问题。特别是当剪 切厚度大于20mm勺钢板时，由

7、于剪切能力差，被迫改为火焰切割，不仅速度慢 而且切割质量满足不了客户的要求，成为影响企业外部形象和经济效益的难题3、剪切机的分类根据剪切机刀片形状、配置以及剪切方式等特点，剪切机可分为平行刀片剪 切机、斜刀片剪切机、圆盘式剪切机和飞剪机。根据剪切轧件时刀片的运动特点，平行刀片剪切机可分为上切式和下切式两 大类。(1) 平行刀片剪切机这种剪切机的两个刀片是彼此平行的，通常用于横向热剪切初轧坯(方坯、板坯)和其它方形及矩形断面的钢坯，故义称为钢坯剪切机，初轧车间的800t剪切机就属于这种平行刀片剪切机。(2) 斜刀片剪切机这种剪切机的两个刀片中的一个相对于另一刀片成某一角度，一般上刀片是倾斜的，其

8、倾斜角为1 -6 '。此类剪切机常用于冷剪和热剪钢板、带钢、簿板 坯及焊管坯等。(3) 圆盘式剪切机这种剪切机的两个刀片做成圆盘状板和带钢纵向剪切成窄条。(4) 飞剪机这种剪切机用于横向剪切运动着的轧件.4、几种典型剪切机的介绍比较(1) 、滚切式剪切机滚切式剪机自20世纪70年代应用于生产后，得到了一定的发展。这种剪机剪切 板才的切口光滑，板材无变形，切边平直度较高，能耗小寿命长，产量高，特别 适合于中厚板的切边且定尺和纵向部分。在普通斜刀片剪切机上剪切厚度大于 20mm板材时，由于刀片行程大，易使 板材产生横向弯曲，在剪切侧边时板边也不齐，影响板材的剪切质量和产量而滚 切式斜刀片剪

9、切机上刀刃是弧形的，弧形的上刀刃在平直的下刀刃上滚动剪切。 此时，在整个剪切范围内刀片重叠量不变， 被剪板材几乎不弯曲。这种剪切机的 开口度比斜刀片剪机大一些，但其总行程却小30% 40%，故其曲柄半径小，传动力矩小。此外滚切式剪机运动的上刀片与被剪板材之间只产十很小的相对运 动，刀片磨损小。滚切式剪切机是一种先进的中厚板剪切机， 滚切剪与传统的剪切设备斜刀剪 相比具有剪切钢板质量高、能耗小、寿命长和产量高等优点滚切式定尺剪机构 参数优化研究通过对该滚切式定尺剪机构运动学研究， 求解上刀架任意点的轨 迹,发现剪刃重叠量存在较大的偏差，因此通过结构参数优化来使剪刃重叠量更 加均匀，为其它滚切式剪

10、切机机构的设计和优化提供理论依据。理想状态下，剪刃的剪切轨迹是一条水平的直线，但从气求解图可以看到，剪切轨迹与参考水平 线的偏差比较大，也就是说剪刃重叠量的变化比较大。剪刃重叠量的均匀度是钢 板剪切质量的重要影响因素，因此需要通过结构参数优化来提高剪刃重叠呈的均 匀度，从而提高钢板剪切质量。剪切机构参数优化的目标就是让剪切过程最接近 纯滚动剪切，即在消除横向位移的同时使剪刃重叠量变化最小、 最均匀。剪切质 量的好坏直接影响钢板的实物质量，本文通过某剪切机构参数的优化使剪刃重叠 量控制在很小的范围以内变化，达到剪切过程剪刃基本无水平位移的近似纯滚动 剪切，为提高剪切质量提供了保障。（2）、圆盘式

11、剪切机圆盘式剪切机广泛用于纵向剪切厚度小于 2030mm的钢板及薄带钢，由于刀片 是旋转的圆盘，因而可连续纵向剪切运动着的钢板或带钢， 由于上述特点，目前 各国都在研究扩大圆盘剪剪切厚度范围，有的国家采用两台串联圆盘剪剪切厚度 为40mm的钢板，第一台圆盘剪切入板厚的5%-10%,紧接着第二台圆盘剪将钢 板全部切断。圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切 成窄带钢。根据其用途可分成两种型式：剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。剪切板边的圆盘剪每个圆盘刀片均悬臂地固定在单独的传动轴上，刀片的数目为两对，这种圆盘剪用于中厚板的精整加工线， 板卷的横切机组和连续酸洗等 作

12、业线上，剪切带钢的圆盘剪用于板卷的纵切机组、 连续退火和镀锌等作业线上， 这种圆盘剪的刀片数目是多对的，一般刀片都固定在两根公用的传动轴上， 也有 少数的圆盘剪刀片固定在单独的传动轴上，山于圆盘剪本身机构和工作的复杂 性，以及岗位操作人员的操作水平的影响，圆盘剪叉头 （蛤蟆嘴）、联杆断裂事容 易发生故频繁，造成卡钢事故严重圆盘式剪切机常见故障分析及其预防针对 圆盘式剪切机联杆在剪切过程中时有断裂现象发生，对叉头、联杆、安全螺丝的强度进行理论校核及原因分析，并对操作过程提出可行性建议。（3）、多杆机构剪切机多杆机构剪切机一般为平行刀片剪切机构较为复杂，一般都用电机驱动，可分为启动和连续工作制。有

13、摆动循环和圆周循环丁作方式，摆动式的可以减少剪 切过程中到头的空行程从而提高了生产率在连续工作制的剪切机上，一般均采用带有飞轮装置的交流绕线式异步电机， 在传动系统中装有离合器，电机启动后就 连续运转有离合器直接控制剪切过程。显然这种剪切机上离合器的性能直接影响 剪切机的运转及生产效率。曲柄连杆式剪机的主要特点是能够进行快速换刀。 更换刀片时，与快速更换 轧机轧辊相类似，能将上下刀台从剪机机架中抽出，将另一组上下刀台送入剪机 机架，从而大大缩短更换刀片的时间。活动连杆上切式剪机最主要的特点是（1）操作速度快，实际剪切次数高。提高实际剪切次数的关键是改革离合机构（2）增大了刀片之间的最大开口度。

14、浮动偏心轴剪机由于其机械比板式结构较为复杂，且压板与刀台之间存 在着运动上的不同步性，往往产生设备事故，一般趋向于米用下驱动液压压板的 结构型式。图8-24冊牺M杆剪切机工作咚理b图弘打悴动偏心轴豹切机类型图8J6活动達杆妁切机剪切过程示意图以上是几种典型的多杆剪切机。(4) 、斜刀片剪切机斜刀片剪机可分为开式和闭式两大类其中开式剪机的结构简单，且便于观察轧件剪切情况，但是机架有较大的侧凹形缺口，机架刚性差。闭式的特点是曲轴短，受力好，制造方便，但是装配较困难，特别是两对齿 轮的同步问题较难解决。小型剪切机的更新与改造针对小型轧钢厂原冷床剪切机在生产过程中暴露 出的各种问题，并结合其轧材产品的

15、实际情况，介绍了新机造型及在试生产中进 行的合理改进措施以及取得的实际效果。中板剪切机设备改造探讨中提到：新余钢铁有限责任公司(新钢公司)中板厂于1992年进行二期工程改造，在原牛产线增设了叫辊钢板轧机和钢板矫正 机各1台，钢板的轧制和矫直生产率大幅提高，远远超过年产板材12万t的原设计能力。然而，由于剪切工艺仍采用原来陈旧落后的斜刀片上切式冷剪机，中板产量和质量的提高受到了剪切工艺这一瓶颈的制约。其主要表现在：剪切机堆 钢现象严重，破坏了轧制节奏和炉子热工制度：输送辊道故障加剧；操作人员工作条件恶化。 该文章根据中板剪切机现状，分析了存在的问题及其原因提出了改造方案。 通过 设计确定了设备改

16、造的主要工艺参数，对中板剪切机的改造有一定参考价值。图8 26斜刀片聘切机类也(按机架结构V式分)a开式诒-闭式一 x【 *刀片剪切传动示意as5、上切式平刃剪切机的结构、原理、特点结构简图如下图：(1) 、原理这种剪切机的特点是下刀片固定不动，上刀片是上下运动的。剪切轧件的动 作由上刀来完成，上切式平行刀片剪切机的剪切机构是由最简单的曲柄滑块机构 组成的，除了剪切机本身外，尚有定尺机、切头收集与输送装置等。由于下刀固 定不动，为使剪切工作顺利进行，剪切的轧件厚度大于3060mm时，需在剪切 机后装设摆动台或摆动辊道，其本身无驱动装置。剪切时，上刀压着轧件下降， 迫使摆动台也下降。当剪切完毕，

17、上刀上升时，摆动台在其平和装置作用下也回 升至原始位置。上切式平行刀片剪切机由于结构简单，广泛用来剪切中小型钢坯。(2) 、特点这种剪切机的特点是上、下刀片都运动，但是剪切轧件的动作是由下刀片来 完成的。由于剪切时下刀台将轧件抬离滚道， 故在剪切机后就不设置摆动台。 而 且，这种剪切机的机架不承受剪切力。 由于上述两个特点，下切式平行刀片剪切 机一般用来剪切中型和大型板坯和钢坯，以减轻整个剪切机组的设备重量。这种 剪切机剪切机构较为复杂，往往由多杆机构组成。下切式平行刀片剪切机机构类型比较多，在我国应用最广泛的是六连杆剪切 机和浮动偏心轴剪切机。平行刀片剪切机一般都由电动机驱动， 根据其工作制

18、度，可分为启动工作制 和连续工作制两种。前者多半才用直流电动机，每剪切一次，电动机启动、制动 一次，完成一次工作循环。此种工作制度的剪切机，根据剪切钢坯厚度不同，可 采用摆动循环工作方式，或采用圆周循环工作方式。摆动循环工作方式可以减少 剪切过程中刀台的空行程，从而提高了它的生产率。在连续工作制的剪切机上， 一般均采用带有飞轮装置的交流绕线式异步电动机，在传动系统中装有离合器。电动机启动后就连续运转，每次剪切时，先将离合器合上，使传动系统带动剪切 机构进行剪切。剪切完了，将离合器打开，使剪切机构与传动系统脱离。显然， 在这种剪切机上，离合器的性能直接影响剪切机的运转及生产率。6曲柄连杆上切式剪

19、切机结构及其特点这种剪切机的一个主要特点是能够进行快速换刀。 更换刀片时，与快速更换 轧钢机轧辊相类似，能将上下刀台从剪切机机架中抽出， 而将另一组上下刀台送 入剪切机机架，大大缩短更换刀片的时间。为了适应快速换刀的要求，下刀台安放在几家下部，与机架接触处设有滑板， 而下刀台通过夹紧油缸固定在机架上。 上刀台有两部分组成：上刀台本体及上刀 台连杆垫块。在换刀片时，只将上刀台本体和下刀台一起抽出。 上刀台由压紧油 缸固定在机架上。由于上下刀台都由压紧缸固定，这就便于装卸。此剪切机的另一个主要特点是设置了上刀台行程扩大装置，以便能够让不需要剪切的大断面轧件通过剪切机，上刀台最大升高位置，可上升到轧

20、制线以上 640mm的位置。上刀台行程扩大装置是由一套连杆机构， 以及油缸等组成。如需要扩大上刀 台行程时，拔掉安全销，将上刀台压紧油缸松开，上刀台在其平衡油缸作用下， 下降落在下刀台上。此时，上刀台行程扩大装置的油缸动作， 连杆机构的端部插 入能转动曲柄的凹槽中，使曲柄转动一个角度。这样，曲柄连杆摆动起到一定位 置。然后，上刀台平衡油缸再次动作，使上刀台上升到离轧制线上640mm的位置。为了保证连杆机构在转动曲柄连杆时， 其端部不脱出转动曲柄的凹槽，设置 了一个平衡重机构。UG NX三维建模与仿真UG是 Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM计算机辅助设计与计 算机辅助制

21、造）系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。 它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用13UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是个在 二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求 解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件 可对许多不同的应用再利用一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域 （自然科学或工程）、数学（分 析和数值数学）及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用 并不是

22、太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知 识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement ）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究， 同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的 可能。UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行 计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。1.7.1 UG NX的结构一个如UG NX这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。UG具有三个设计层次

23、，即结构设计(architecturaldesign)、子系统设计(subsystemdesign)和组件设计(componentdesign)。至少在结构和子系统层次上，UG是用模块方法设计的并且信息隐藏原则被 广泛地使用。所有陈述的信息被分布于各子系统之间。1.7.2 UG NX的优势来自SiemensPLM的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向 产品全生命周期管理转型的目标。 NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套 件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减 以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了

24、真正地支持革新，必须评 审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更 早地做出关键性的决策。NX是UGSPLM新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产 品革新。NX独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以 创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每 一设计决策。NX建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决 方案可以全面地改善设计过程的效率， 削减成本，并缩短进入市场的时间。通过 再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得NX通过无可匹敌

25、的全范围产品检验应用和过程自 动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理 和协同的框架中。1.7.3 UG NX主要功能1.7.3.1 工业设计和风格造型NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。1.7.3.2 产品设计NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何 复杂产品的需要。NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和

26、线路设计系统、 钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。1.733 仿真、确认和优化NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过 在开发周期中较早地运用数字化仿真性能， 制造商可以改善产品质量，同时减少 或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。1.7.3.4 NC力卩工UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为 UG NX所 有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式 下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延 伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻 丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪 裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工 等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可