黃 兵，王金榮，龔俊杰，王萬杰

（1.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200）

0 引言

剪板機刀架的剛性對金屬板材的剪切質(zhì)量有著重要的影響，刀架剛性不足容易產(chǎn)生變形，嚴重影響板料的剪切質(zhì)量，因此，刀架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對提高刀架的強度和剛度、提升剪板機的剪切質(zhì)量與加工能力、減輕刀架的重量、提高機床的經(jīng)濟性都具有直接的影響。

文獻［1，2］分別對擺式和閘式剪板機刀架進行了有限元分析，并就刀架的靜力學(xué)性能進行了分析。劉營營［3］采用ANSYS中的APDL語言對液壓剪板機刀架進行有限元分析，并與施加均布載荷時的情況進行了對比。文獻［4］采用有限元方法對5種刀架結(jié)構(gòu)改進方案進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進后剪板機的剪板質(zhì)量得到較大提高。

目前對剪板機刀架的研究主要集中在對刀架的靜力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)的改進上，但并未研究組成刀架各部件的尺寸變化對于結(jié)構(gòu)剛性的影響。因此，本文在Solid Works中將刀架各部件的尺寸設(shè)置為參數(shù)變量，同時使用有限元軟件ANSYS Workbench中的參數(shù)化模塊［5］對影響刀架剛性的各因素進行變量分析，為閘式剪板機刀架提供最優(yōu)化設(shè)計方案。

1 刀架參數(shù)化建模

有限元軟件ANSYS Workbench中的Design Exploration作為快速優(yōu)化工具為設(shè)計人員進行變量分析尋求最優(yōu)解提供了極大的便利。本文利用其支持不同CAD系統(tǒng)中的參數(shù)的功能，在Solid Works中建立模型并設(shè)置參數(shù)，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行分析。

1.1 建立有限元模型

LGS 8×4050型閘式剪板機刀架原始結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主立板、水平板、加強筋以及側(cè)板等部分組成。為了建立參數(shù)化的有限元模型對刀架進行優(yōu)化設(shè)計，選擇底板到刀口的距離D、水平板上翻角度α、水平板寬度B作為刀架結(jié)構(gòu)分析的變量，如圖2所示。

圖1 閘式剪板機原刀架結(jié)構(gòu)

圖2 刀架結(jié)構(gòu)變量

在進行參數(shù)化分析時，考慮到參數(shù)D值過小，模型會發(fā)生錯誤，因此將刀架中的斜板加強筋去掉，從而得到簡化后的模型。對其進行自由網(wǎng)格劃分，得到如圖3所示的有限元模型，模型共有41 513個單元。

1.2 載荷及約束

目前的研究表明，對剪板機剪切質(zhì)量影響最大的是刀架水平方向的變形，因此，剪板機刀架的有限元計算都是把剪切力［6］作用下刀架刀片水平方向的位移作為衡量標準。

剪切力采用諾莎里公式，當(dāng)剪板機剪切8 mm厚的Q235鋼板時，通過理論計算可以得到垂直剪切力P＝274 k N。再根據(jù)經(jīng)驗公式F＝0.3 P，計算得到刀架的水平推力F＝82.2 k N。

刀架與機架之間采用三點滾輪支承［7］，后面的兩個導(dǎo)軌板使用位移約束，前滾輪與碟簧壓緊，由于該處變形很小，因此模型中采用恒定載荷代替前滾輪與碟簧，根據(jù)刀架的平衡條件，計算得到該處的載荷大小為29 k N。

圖3 原刀架的有限元模型

2 刀架剛性影響因素分析

為了研究以上3個尺寸參數(shù)對于刀架剛性的影響規(guī)律，需要對每個參數(shù)單獨進行優(yōu)化設(shè)計。

對于底板到刀口的距離D，在Solid Works中設(shè)置該參數(shù)的變化范圍為100 mm～220 mm，變量的增量為40 mm，將參數(shù)化模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行參數(shù)化分析，得到刀片中間位置水平方向的位移值如表1所示。

表1 底板到刀口的距離D為變量時的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，當(dāng)水平板到刀口下端的距離D為100 mm時，刀架水平方向的變形最小，所以選擇該參數(shù)為100 mm。

對于水平板上翻角度α，考慮到該角度超過15°會影響機床整體結(jié)構(gòu)及外觀，所以設(shè)置該參數(shù)的變化范圍為0～15°，增量為3.75°。計算得到α變化時刀片中間位置水平方向的位移值如表2所示。

表2 水平板上翻角度α為變量時的計算結(jié)果

計算發(fā)現(xiàn)，水平板的上翻角度α越大，刀架的變形量越小，但是從機床的外觀及整體尺寸結(jié)構(gòu)出發(fā)應(yīng)當(dāng)選取合理的上翻角度，根據(jù)上刀架的設(shè)計要求，選擇上翻角度為15°。

對于水平板寬度B，設(shè)置該參數(shù)的變化范圍為700 mm～800 mm，增量為25 mm。B變化時的剛度計算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看到，水平板寬度的增加可以提高刀架的剛性，但綜合考慮制造成本和剛性要求，最終選擇水平板的寬度為800 mm。

表3 水平板寬度B為變量時的計算結(jié)果

通過以上3個參數(shù)的選擇，組成了新的刀架結(jié)構(gòu)形式，重新建立的刀架三維模型如圖4所示，并將模型導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench中進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

圖4 新刀架結(jié)構(gòu)

圖5、圖6分別給出了原刀架與新刀架水平方向的變形圖。

圖5 原刀架水平位移 圖6 新刀架水平位移

表4給出了刀架改進前、后質(zhì)量變化與水平方向上的最大位移。

表4 刀架改進前、后質(zhì)量與位移變化

對改進前、后兩種刀架結(jié)構(gòu)形式的有限元分析結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，原刀架水平方向變形最大值為0.462 mm，改進后的刀架水平變形最大值為0.251 mm，而刀架質(zhì)量變化較小，表明改進后的機床剛性得到較大的提高，改進效果明顯。

3 小結(jié)

本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，針對LGS 8×4050閘式剪板機刀架的底板到刀口的距離D、水平板上翻角度α以及水平板寬度B三個主要變量對刀架變形的影響規(guī)律進行了參數(shù)化研究。研究結(jié)果表明，通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸，可以顯著提高刀架的剛性；在綜合考慮刀架剛性與機床經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選擇水平板到刀口下端的距離D為100 mm、水平板的上翻角度為15°以及水平板的寬度為800 mm作為最終的優(yōu)化設(shè)計方案。

［1］ 毛志強，王飛.擺式剪板機刀架的有限元分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012（1）：31－33.

［2］ 李塹，王金榮，冷志斌，等.閘式剪板機刀架剛性的有限元分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（6）：33－36.

［3］ 劉營營，王強，楊晉穗，等.基于ANSYS的液壓剪板機刀架有限元分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2009（6）：35－39.

［4］ 王金榮，李塹，喬根榮，等.基于有限元的閘式剪板機刀架結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012（5）：37－38.

［5］ 浦廣益.ANSYS Workbench12基礎(chǔ)教程與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［6］ 徐會彩，李金山.斜刃剪板機剪切力的研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（4）：29－31.

［7］ 王成國，周祥.三點滾輪剪板機刀口間隙調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（5）：37－39.