金屬板材圓盤剪分切過程有限元仿真研究.pdf

1、家電、汽車、電工電訊、辦公機器、五金制品等行業(yè)的高速發(fā)展促使金屬制品業(yè)在加工工藝?yán)碚摗⒀b備水平、質(zhì)量要求等方面發(fā)生了巨大的變化，對金屬板材及其制品的精度要求越來越高。將軋制的寬幅面金屬板材分切為所需寬度的帶材是制作精密金屬制品的基礎(chǔ)，因此，對金屬板材圓盤剪精密縱向分切加工的要求也在不斷提高。深入理解圓盤剪精密分切加工過程的彈塑性變形狀態(tài)及斷裂機理，對金屬板材分切加工工藝參數(shù)優(yōu)化、控制斷面毛刺、提高分切斷面形狀和尺寸精度具有重大意義。

2、r>　　日趨成熟的有限元仿真分析方法已成為研究圓盤剪分切過程變形機理及工藝優(yōu)化的重要手段。本文利用有限元仿真軟件DEFORM-2D建立了304不銹鋼板材圓盤剪分切加工模型，采用Oyane韌性斷裂準(zhǔn)則仿真研究了圓盤剪分切加工中材料變形斷裂過程以及斷面形貌。仿真結(jié)果顯示板材在分切過程中經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生與擴展、板材斷裂分離等過程，分切斷面具有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺等特征。深入研究了圓盤剪分切過程中板材靜水應(yīng)力場的分布和變

3、化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)塌角是由于圓盤刀刃口附近的材料受圓盤刀擠壓牽拉和彎曲作用而形成的塑性變形區(qū)，主要承受拉應(yīng)力且向板材內(nèi)部遞減，隨著圓盤刀刀刃切入板材表面、材料受切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的綜合作用而形成剪切帶，金屬板材分切區(qū)靜水應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，當(dāng)局部拉應(yīng)力達到應(yīng)力強度極限后板材內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋，分切區(qū)由剪切帶轉(zhuǎn)為斷裂帶，毛刺是伴隨裂紋擴展在圓盤刀刃口圓角部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用在分切面厚度方向邊角形成的。根據(jù)板材在分切過程中的靜水應(yīng)力變化，

4、提出利用塌角區(qū)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力時的切入時間t1、分切區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力時的切入時間t2及其時間差Δt(=t2-t1)來簡便直觀地判斷分切斷面的塌角高度和剪切帶高度的變化趨勢，t1和Δt越小，最后形成的塌角和剪切帶高度越小。
　　仿真研究了上下成對圓盤刀軸向間隙及板材厚度對板材分切斷面形貌特征的影響規(guī)律，并進行了試驗驗證，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有良好的一致性。隨著軸向間隙的增大，塌角高度和撕裂角逐漸增大，剪切帶高度逐漸減小，而毛刺高度則先略微

5、減小再急劇增大;隨著板厚的增大，剪切帶高度急劇增大，塌角高度略有減小，而對毛刺高度影響不大。在此基礎(chǔ)上，采用仿真方法研究了壓板力、刀具刃角半徑對板材斷面形貌的影響。壓板力對斷面的塌角、剪切帶特征的影響不大，隨著壓板力增加，毛刺高度略有減小;隨著圓盤刀刃角半徑增大，塌角高度、剪切帶高度略微增大，毛刺高度逐漸增大。
　　為減小和消除分切斷面毛刺，本文提出了金屬板材“塑性剪切壓迫分離”精密分切方法，采用軸向負(fù)間隙徑向正間隙的組刀方式，使

6、金屬材料在分切過程中始終受到壓應(yīng)力作用而形成塑性剪切，然后在壓斷輥的反向壓迫下實現(xiàn)擠壓分?jǐn)啵瑢崿F(xiàn)無毛刺精密分切加工。建立45號鋼板“塑性剪切壓迫分離”精密分切仿真模型，研究了板材變形和斷裂過程、分切過程靜水應(yīng)力場分布和變化。塑性剪切壓迫分離精密分切加工的板材斷面形貌與圓盤剪分切加工的明顯不同，具有剪切塌角、剪切帶、斷裂帶、擠壓帶和擠壓塌角等特征，無毛刺產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上分析了塑性剪切過程中刀具軸向間隙和徑向間隙對板材斷面形貌特征的影響規(guī)律