摘要：剪板机在汽车、工程机械、航空航天等行业中得到了越来越广泛的应用。随着人们对产品的要求越来越高，对机床的性能也提出了更高的要求。剪切刀片分别安装在上、下刀架上，刀架的刚性直接影响着刀片的刚性，从而影响着被剪切钢板的精度，因此对刀架刚性的研究显得十分重要。本文对闸式剪板机刀架刚性的有限元分析展开了研究。
关键词：闸式剪板机；刀架；有限元分析
1 刀架刚性测试
1.1 测试原理及内容
本次测试使用的工具为传感器元件和数据采集器，数据采集器与计算机相连，该系统稳定性好，测量精度高，抗冲击和振动能力强，能保存记录测试数据并对数据进行处理。在测试过程中使用到的一些测量工具，主要如下：
（1）电桥盒2 组，计8 个通道；
（2）型号KD6005 应变放大器一台；
（3）磁性表座8 个，位移传感器8 个（量程0~10mm）；
（4）型号AZ308 数据采集系统一套；
（5）CRAS V7.0 振动及动态信号采集分析系统。
通过相关电路将位移传感器所测得的信号转化为电压信号，再经过实验室的数值标定及相关的公式计算，得到本文所需要的位移变形数据。
本文主要测试剪切总长4000mm、厚6mm的Q235 板材时，上、下刀片各测点的变形量。
1.2 测试方法
由于上刀架做上下往复运动，因此需将位移传感器的测头靠在与刀架螺栓连接在一起的光滑钢板上，共分19 个测点，所测数据为相对位移值；测试下刀片时将磁性表座吸附在固定的外部横梁上，由于下刀架固定不动，将测头直接抵在所测部位，所测得的数值是相对于地面的绝对位移，由于剪板受上刀的影响，只能将表打在刀片后半行程处，且控制上刀的剪板长度最多为2 米，钢板剪断后急停，这样避免上刀撞到位移表，从而损伤位移表的表头，其中下刀片共测试7 个点。
1.3 测试结果分析
定义机床的坐标系如图1所示，方便数据的分析与处理，适用于本次测试。
图1 数据坐标系示意图
对每个测点得到的位移传感器波形图取值，每一个测点取值三次，计算其平均值，经过换算，得到剪板机在剪切过程中各测点的位移值。
（1）上刀片测试结果
分析表1 数据得到，上刀片测点的位移向机床后方退让，即沿X 轴负方向，且随测点位置的变化而改变，最中间10 号测点的位移量较大，最大为- 0.46mm。
表1 上刀片各测点相对位移值
（2）下刀片测试结果
表2 下刀片各测点位移值
由表2 数据可以看出，下刀片测点的位移向机床前方退让，即沿X 轴正方向。
2 刀架有限元分析
在测试的基础上，为了验证有限元方法在研究此类问题的可行性，需要对测试过程进行数值模拟，为后续闸式剪板机的研究改进打下基础。
2.1 有限元模型建立
首先在软件Solidworks 中建立机床的几何模型，然后导入有限元软件ANSYS Workbench 中得到相应的CAE 模型。为了对模型网格进行控制和便于计算，针对剪板机结构和工作特点对模型进行适当的处理：
（1）对焊接零件之间焊缝的位置和类型予以忽略；
（2）对不影响刚度和强度的销孔、线路孔、后挡料装置、防护罩等均予以忽略；
（3）关键部位如机架喉口做圆角化处理；
（4）去除其他一些细小特征。
简化后的有限元模型网格共得到272 532 个节点，123 326 个单元。
2.2 约束与加载
对机床底部的四个地脚螺栓作全约束。闸式剪板机采用的是液压斜剪，行业内普遍采用前苏联学者的诺莎里公式来计算刀架作直线运动的斜刃剪板机剪切力，计算得到的竖直方向剪切力大小为170.85KN。根据经验公式F=0.3P，即水平推力为51.3KN。
上刀架通过液压油缸与机架相连，由两侧的导轨板实现上下往复运动，油缸和导轨限制上刀架的各个自由度，仅允许做Y方向的移动。
根据经验可得，被剪板材的厚度及宽度、剪板机的类型等与压料力有关，经过计算得到每个压料小油缸的平均压力为7.2KN。
剪板位置的移动造成剪切力的改变，考虑到剪切力受力面区域的变化，因此对应着每个测点施加载荷，即载荷加载点与测点位置一一对应，共19 个剪切受力面，每个测点对应1 个工况，共有19 个工况，其余的载荷施加位置不变，进行有限元模拟计算，得到上、下刀片X 方向的测点位移值。
2.3 计算结果
（1）上刀片测点有限元结果
在剪板过程中，刀片的最大位移为- 0.47mm，发生在工况10，且发现随着剪切力位置的变化，上刀片的最大位移量也发生改变，即每个工况下最大位移都发生在剪切力加载区域。
表3 上刀片有限元计算结果
（2）下刀片测点有限元结果
7 号测点，下刀片的最大位移为0.221mm，与上刀片不同之处是随着剪切力的移动，下刀片的最大位移基本发生在中间左右的区域。
表4 下刀片有限元计算结果
3 数据对比
上刀片水平方向位移的有限元计算结果与实验测试结果的对比如表5 所示。
表5 测试与计算结果对比（mm）
由数据拟合的测点- 位移曲线如图2 所示，数据两侧基本呈对称关系。
图2 上刀片位移对比下刀片水平方向位移的有限元计算结果与试验测试结果的比较如表6 所示。
表6 测试与计算结果对比（mm）
由数据拟合的测点- 位移曲线如图3 所示，测试与计算的结果基本相同，变形量有由两侧向中间增大的趋势。
图3 下刀片位移对比
4 结语
运用实验测试与有限元相结合的方法，对严重影响剪板质量的上、下刀架的刚性进行了分析研究，并将有限元仿真结果与测试数据进行对比分析，总结上、下刀片的变形趋势和实验测试基本一致，验证了有限元方法在研究此类问题上的可行性。
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[2]王宜君. 基于测试的闸式剪板机剪切力分析与研究[J]. 机床与液压，2016，44（10）.
[3]卢寿丽，刘婷. 基于ANSYS的液压闸式剪板机的结构分析＊[J]. 科技与创新，2017（5）：96-97.
论文作者:黄真驹
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
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