不同侧向间隙下圆盘剪剪切数值模拟与实验研究

方长锦，楚志兵，魏 栋

(1.宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900；2.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

实验研究

不同侧向间隙下圆盘剪剪切数值模拟与实验研究

方长锦1，楚志兵2，魏 栋2

(1.宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900；2.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

以Q235钢为例，运用DEFORM-3D软件，模拟了圆盘剪上下剪刃的侧向间隙分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm情况下的剪切20 mm厚钢板过程，分析了不同侧向间隙对剪切后的剪切力、钢板断面质量及剪切后钢板应力分布的影响，模拟结果表明过大和过小的侧向间隙会增大剪切力、造成应力分布不均匀并对剪切断面质量有不利的影响，得出了在剪切20 mm厚钢板时最佳侧向间隙为1 mm，并通过现场设定侧向间隙为1 mm对钢板进行剪切，实验结果表明当侧向间隙为1 mm时剪切后的钢板断面质量良好，证明了有限元模拟结果及侧向间隙对剪切过程影响规律的准确性。

圆盘剪；侧向间隙；剪切力；剪切断面质量

0 前言

我国作为钢铁大国，近年来钢铁生产和消费稳居世界第一，其中冷轧板带材占有很大的比重[1]。精整工序是冷轧生产线中为了提高产品的质量而设置的关键环节，而圆盘剪因其连续剪切的特点又成为板带精整工序上的核心设备之一，圆盘剪的作用是切掉带钢边部有缺陷的部分，从而提高带钢的精度，广泛应用于酸洗机组、拉矫机组以及横切机组等，其切边质量直接影响冷轧带钢的质量[2]。

圆盘剪剪切带钢时，由于结构设计或工艺选择不合理等因素会导致剪切质量不稳定，剪切断面出现塌边、毛刺、以及二次断面等缺陷[3]。为了克服剪切过程中所出现的缺陷，大量学者对圆盘剪进行了分析和研究，景群平等人根据影响上、 下刀盘端面跳动精度的各个零件形位公差的因素探讨了提高侧向间隙精度和稳定性的措施[4]，李剑峰等人[5]和韩光燕[6]等人对圆盘剪进行了重新设计和改造以提高剪切质量，胡建军等人[7]和陈东文等人[8]研究了工艺参数对剪切质量和剪切力等的影响，但上述研究都存在一定的局限性。

本文以某钢铁公司中厚板生产线生产20 mm厚Q235A钢板为例对圆盘剪剪切中厚板进行了分析和研究，利用有限元模拟软件对不同侧向间隙下的剪切过程进行了仿真计算，对不同的剪刃侧向间隙时，圆盘剪剪切过程中的剪切力、应力分布以及剪后断面质量的变化规律进行了分析，确定出最优的侧向间隙，并通过实验研究进而验证了模拟结果，对圆盘剪的设计和制造以及剪切工艺的控制有一定的指导意义。

1 剪刃侧向间隙

图1为圆盘剪剪刃侧向间隙示意图，图中剪刃侧向间隙c为圆盘剪上下刀盘侧刀面之间的距离。圆盘剪剪切钢板时，合理的选择剪刃侧向间隙大小对钢板的剪切质量和剪切机的使用寿命至关重要。剪刃侧向间隙c的选取不仅和切钢板的厚度有关，同时也和钢板的材料密切相关，当钢板厚度越大以及材料强度越大时，剪刃侧向间隙应该越大，侧向间隙应该综合钢板厚度和材料来选取。实际剪切过程中，剪刃侧向间隙通常采用经验选取，在剪切不同钢板时，需要经过大量试验确定合适的侧向间隙值[9]。

图1 侧向间隙示意图

2 有限元模型建立及结果分析

2.1 有限元模型建立

由于圆盘剪剪切钢板过程的复杂性，所以有必要对模型进行简化，利用Pro/E软件建立有上、下刀盘、钢板以及导辊组成的三维模型，通过STL接口进行转换而后导入DEFORM-3D中并进行定位。因为在实际生产中刀盘为高合金钢，同Q235相比其强度大、硬度高，在剪切过程弹性变形极小，所以将刀盘和导辊设定为刚体，将钢板设置为弹塑性体，图2为圆盘剪有限元模型[10]。

图2 圆盘剪有限元模型

在模拟过程中如果网格划分过大，会引起钢板被剪区域的网格发生严重的畸变，以至于模拟结果不准确甚至导致模拟过程自动停止，为了提高工作效率并且保证模拟的精度，故采用局部高密度网格划分的方法对钢板剪切区域进行网格划分。对侧向间隙分别为0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm的剪切过程进行有限元模拟。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 不同侧向间隙对剪切力的影响

图3为不同侧向间隙下剪切力变化曲线。从图中可以看出,剪切力先是随着侧向间隙的增加而减小,产生这种现象的原因是当侧向间隙小于一定值时,钢板在上下刃口产生的裂纹不重合，形成了二次断面。在侧向间隙达到某一临界值后, 随着侧向间隙的增加，剪切力也不断增大，这是因为侧向间隙过大时,钢板在上下刃口产生的裂纹也不重合, 而是向内错开了一段距离, 夹在裂纹中间的金属, 在上下剪刃的作用下被拉断, 造成剪切力上升。综合上述情况可得出，过小和过大的侧向间隙都会造成剪切力增大，侧向间隙应设置在1 mm左右为宜。

图3 不同侧向间隙下的剪切力变化曲线

2.2.2 不同侧向间隙对断面质量的影响

图4为不同侧向间隙下的剪切断面。从图4可看出，当侧向间隙为0.5 mm时，钢板的剪切断面质量较差，其中包括塌角、断裂带以及毛刺的区域都有较高的高度，相反光亮带的高度较低；当侧向间隙增大到1 mm时，可以看出剪切断面质量良好，塌角、断裂带以及毛刺的高度均有一定程度的减小，而光亮带的高度达到最大值。随着侧向间隙的不断增大，剪切断面的光亮带高度开始逐渐减小，塌角、断裂带以及毛刺的高度不断增加，发生这种现象的原因是当侧向间隙过大时，钢板与剪刃之间的摩擦力也随之增大，进而使钢板温度升高，这种温度效应使得钢板的脆性降低，脆性的降低在使裂纹尖端的塑性变形量得到了一定程度的提高，从而降低了钢板的剪切断面质量。因此，当侧向间隙过大或过小都会对剪切断面质量造成不利的影响，合适的侧向间隙为1 mm左右。

图4 不同侧向间隙下的剪切断面图

2.2.3 不同侧向间隙对应力分布的影响

图5为钢板在某一瞬时不同侧向间隙下的应力分布图。从图中可看出，当剪切速度从0.5 mm 增加至1 mm 时，等效应力的分布从比较不规则分散的状态变为均匀集中状态，这是因为随着侧向间隙的增大以及剪切力的减小，使得钢板的塑性减小，导致裂纹尖端的应力集中区域发生应力松弛，使得裂纹尖端的应力分布比较均匀，进而使钢板在剪切过程中受力较为均匀。当侧向间隙从1 mm继续增加至2 mm的过程中，应力分布的不均匀程度不断增加，剪刃刃口处的应力偏大，这是因为随着侧向间隙的增大，钢板与剪刃之间的摩擦力也随之增大，进而使钢板温度升高，这种温度效应使得钢板的脆性降低，从而导致应力分布的不均匀程度逐渐增加，并且剪切过程中对着塑性变形量的增大产生了大量的热能，引起剪刃的温度升高，从而导致了剪切断面出现了塌角和撕裂的情况，使钢板的剪切质量下降。因此，最佳侧向间隙应该在1 mm左右。

图5 不同侧向间隙下的应力分布图

3 实验验证

使用某钢铁公司中厚板生产线生产进行剪切20 mm厚Q235钢板实验，实验中剪刃侧向间隙选用有限元模拟所得到的最佳值1 mm，对剪切断面质量进行宏观和微观分析。

图6为剪切断面宏观图，从图中可以看出钢板剪切断面比较平整光滑，基本无塌角和毛刺的出现；这是因为当侧向间隙为1 mm时，钢板与剪刃之间的摩擦力较小，从而最小程度的影响钢板的脆性，所以剪切过程中钢板的塑性变形量较小，裂纹尖端不发生应力松弛，进而使得裂纹尖端的塑性区域有所减小，剪切过程中裂纹沿着理想方向进行扩展，使剪切断面光亮带的高度得到提高，最大限度地避免了塌角和毛刺的出现，保证了良好的剪切断面质量。

图6 剪切断面宏观图

图7为剪切断面微观形貌图。从图中可以看出，剪切断面在刃口附近和中间区域的塑性变形量都较小，其中刃口附近区域产生类似于解理断裂的断面，断面较为光亮，有较多的反光小平面，中间区域的撕裂棱很少，发生准解理形式的断裂，断裂的形式在一定程度上保证了剪切断面的平整性。

图7 剪切断面微观形貌图

4 结论

(1)本文结合圆盘剪现场剪切的实际生产情况，利用DEFORM-3D软件建立了圆盘剪剪切中厚板三维有限元模型，结合实际生产工艺参数设置了边界条件，模拟了不同侧向间隙下的剪切过程。

(2)根据仿真结果，对不同的剪刃侧向间隙时，圆盘剪剪切过程中的剪切力、应力分布以及剪后断面质量的变化规律进行了分析，并得到了在剪切20 mm厚的中厚板时最佳的侧向间隙为1 mm。

(3)在侧向间隙为1 mm时对20 mm厚钢板进行剪切实验，并对剪切后断面质量进行了宏观和微观分析，结果得到断面质量良好，验证了有限元模拟结果的准确性，对实际生产中的剪切工艺控制有一定的指导意义。

[1] 周国盈. 带钢精整设备[M]. 北京：机械工业出版社, 1979.

[2] 景群平，贾海亮，双远华，等. 切边圆盘剪剪切过程的数值模拟和实验研究[J]. 塑性工程学报，2010, 17(05)：32-36.

[3] 陶有能. 切边圆盘剪设计[J]. 华中科技大学学报(城市科学版)，2006,23 (S2)：77-79.

[4] 景群平，张勇安，许展望等. 冷轧板带材切边圆盘剪侧向间隙及精度的探讨[J]. 重型机械，2010(02)：29-31.

[5] 李剑锋，薛丽菲，曲杰. 一种新型切边圆盘剪的设计研究[J]. 锻压装备与制造技术，2014(02)：34-37.

[6] 韩光燕，康华伟，孪贻忠等. 1500mm冷带切边圆盘剪的优化改造[J]. 轧钢，2012, 29(02)：70-72.

[7] 胡建军，周保欣，刘顺明. 圆盘剪剪切原理及切边质量控制[J]. 重型机械，2012 (06)：58-62.

[8] 陈东文，黄贞益，郝震宇等. 圆盘剪剪切工艺优化研究[J]. 轧钢，2015, 32(02)：90-95.

[9] 许体武. 圆盘剪剪切过程数值模拟及工艺优化[D]. 合肥：安徽工业大学， 2013.

[10]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，2010.

Simulation and study of rotary shear cutting under different lateral gap

FANG Chang-jin1, CHU Zhi-bing2, WEI Dong2

(1. Baosteel Engineering Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201900,China; 2. Heavy Machinery Engineering Research Center of Ministry of Education, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Q235 steel was taken as example and by using the software of DEFORM-3D, the procedure of rotary shear cutting 20 mm steel plate was simulated in different lateral gap is 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm. The paper analyze on the effect the different lateral gap on cutting force and the stress distribution of the steel plate and the quality of cross section after shearing. The results of simulation shows that it will increase the cutting force, lead to uneven stress distribution and adversely affect the quality of cross section no matter what the lateral gap is too large and too small, so the best lateral gap is 1mm when cutting 20 mm steel plate. So in the shear testing the lateral gap is set to 1mm according to the field experiment. The test results show that the section cutting quality of steel plate is good when the lateral clearance is 1mm, which proved the accuracy of the FEA simulation result and the effect regularity of lateral clearance on shearing process.

rotary shear; lateral gap; cutting force; cross section quality

2017-01-16；

2017-03-09

国家自然科学基金资助项目(51105264)；山西省青年科技基金资助项目(2015021111)；专利推广实施资助专项(20161006)；山西省研究生教育创新项目(2016SY055)；校博士科研启动项目(20122017)

楚志兵(1981-)，男，副教授，主要研究方向为高精度轧制设备及工艺。

TG333.21

A

1001-196X(2017)03-0029-05