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太原科技大学2007级硕士研究生开题报告•题目：高速高精度全自动调整切边圆盘剪剪切状况研究•指导老师：双远华教授•学生：贾海亮•单位：轧制工程中心•时间：2008年12月开题报告提纲一、立题依据二、研究内容三、研究进展计划四、现有条件一、立题依据一研究目的及意义随着经济、社会的高速发展，金属被广泛地应用于社会的各行各业，发挥着巨大的作用。目前，金属的轧制生产，由于具有生产率高、生产过程连续性强、易于实现机械自动化等优点，得到更超常的发展，金属轧制成材的品种也越来越丰富。金属轧制生产的高速发展，不仅决定于轧制主要设备(轧机)速度的提高和轧制周期的缩短，也在很大程度上决定于轧制辅助设备的不断完善和改进。轧制辅助设备机械化和自动化程度以及生产能力的高低，直接影响着轧制生产现代化的发展和生产率的提高。轧制辅助设备在轧制生产中起着十分重要的作用。剪切机作为一种轧制生产线或横切机组作业线上的辅助设备。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都必须有剪切工序。剪切机的用途就是用来剪切定尺、切头、切尾、切边、切试样及切除轧件局部缺陷等。圆盘式剪切机简称圆盘剪。这种剪切机的上、下剪刃是圆盘状的。剪切时剪刃以相等于轧件的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。圆盘剪通常设置在板带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板带材。切边圆盘剪是金属板带精整作业线(重卷、纵剪、拉矫、酸洗等机组)上的核心设备之一。目前国内高端产品(如汽车板、硅钢板、不锈钢等)所用切边圆盘剪一般是进口的设备，究其原因，主要是国内切边圆盘剪的设备制造、调整精度差，自动化程度低，切边质量难以满足要求。图1圆盘剪剪切过程示意图中国重型机械研究院目前开发了一种高速高精度全自动调整切边圆盘剪，重叠量调整、侧向间隙调整与开口度调整均为全自动数字控制。该切边圆盘剪已在国内几个主要大型钢铁企业成功推广应用了六套。关于切边圆盘剪需要我们解决的问题主要有：1．建立圆盘剪剪切过程的数学模型；2．应用有限元分析软件对剪切变形状态建立分析计算模型，抛开传统的计算剪切力公式，利用断裂力学计算出不同材质的不同厚度所需的剪切力，从而计算刀轴的挠度变形情况，以便为自动调整重叠量时提出理论修正重叠量模型；3．计算刀片在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况；4．计算橡胶压环在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况。本课题即是基于该切边圆盘剪的问题而来的，通过我们的研究对该高速高精度切边圆盘剪提供理论支持，同时也可为同类问题提供参考。二国内外研究现状与发展趋势圆盘剪按其用途可分为切边剪和分条剪两种；按圆盘剪的传动形式又有拉剪和动力剪之分。所谓拉剪就是圆盘剪本身无传动装置，其剪切靠后面的拉力辊或卷取机拉着。动力剪则有自己的传动装置。有些动力剪的传动装置中还装有离合器，可以根据情况打开离合器，当做拉剪使用。我们所要研究的高速高精度全自动调整切边圆盘剪则属于动力剪。圆盘剪的主要结构参数有：圆盘剪剪刃直径、圆盘厚度、剪切速度、咬入角、重叠量和间隙等。经过生产实践和科学实验证实：剪切过程由压入变形和剪切滑移两个阶段完成，剪切过程的实质是金属塑性变形过程。当上剪刃下移与轧件接触后，剪刃开始压入轧件，由于压力在开始阶段比较小，在轧件剪切断面上产生的剪切力小于轧件本身的剪切抗力，因此轧件只发生局部塑性变形，故这一阶段称为压入变形阶段。随着上剪刃下移量增加，轧件压入变形增大，剪切力也不断增加。当剪刃压入到一定深度，即剪切力增加到一定值时，轧件的局部压入变形阻力与沿剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于由压入变形阶段过渡到剪切滑移阶段的临界状态。当剪切力大于轧件本身的剪切抗力时，轧件沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段被称为剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段，由于剪切断面不断变小，剪切力也不断变小，直至轧件的整个截面被剪断为止，完成一个剪切过程。圆盘式剪切机的两个刀片做成圆盘状，用于纵向剪切钢板及带钢的边或将钢板和带钢纵向切成窄条，一般布置在连续式钢板轧机的纵切机组作业线上，广泛用于纵向剪切厚度小的钢板及薄带钢。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及带钢。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的钢板，第一台圆盘剪切入板厚的，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。根据其用途可分为两种形式: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，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。圆盘剪在连续剪切时为了使已切掉板边的钢板在出圆盘剪时能够保持水平位置，而切边则向下弯曲，往往将上刀片轴相对下刀片轴移动一个不大的距离，或者将上刀片直径做得比下刀片小一些，此时，被切掉的板边将剧烈的向下弯曲。为了防止进入圆盘剪时向上翘曲，通常在圆盘前面靠近刀片的地方装有压辊。aba----刀片轴错开;b----上下刀盘采用不同直径图3使钢板保持水平位置的方法二、研究内容一本课题的研究内容分为以下几部分：1．建立圆盘剪剪切过程的数学模型；2．应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对剪切变形状态建立分析计算模型，抛开传统的计算剪切力公式，利用断裂力学计算出不同材质的不同厚度所需的剪切力，从而计算刀轴的挠度变形情况，以便为自动调整重叠量时提出理论修正重叠量模型；3．计算刀片在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况；4．计算橡胶压环在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况。二独创及新颖之处：利用ANSYS/LS-DYNA分析剪切变形的动态过程，提出理论修正重叠量模型，建立圆盘剪剪切过程的数学模型。三重点解决的问题：1．分析过程中接触条件的正确定义；2．热和结构问题的耦合。四预期的研究成果：1．建立与实际相符合的圆盘剪剪切过程的数学模型；2．应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对剪切变形状态建立合理的分析计算模型，并提出理论修正重叠量模型；3．计算出刀片在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况；4．计算出橡胶压环在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况。三、研究进展计划一进展计划表：本课题的研究主要在2008年9月到2010年5月之间进行，其主要工作分为四个阶段进行：2008.9～2009.1收集相关资料、论文调研和开题工作。2009.3～2009.7应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对剪切变形状态建立分析计算模型；计算刀片在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况；计算橡胶压环在高度状态下剪切时刀盘的磨损状况与发热情况。2009.9～2010.4提出理论修正重叠量模型；建立圆盘剪剪切过程的数学模型；进行相关实验；验证模拟的正确性，撰写和修改论文、论文打印、封装、准备答辩。2010.5正式答辩。二研究方法、技术方案：对实际剪切模型进行简化，应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对剪切变形状态进行模拟，首先模拟机械变形，然后考虑与温度的耦合；在模型上先选取两个刀盘和钢板进行建模分析，然后逐步完善模型，使其尽量与实际模型吻合；最后将分析结果与试验结果进行比较，如不合适则需进一步修改模型进行模拟。三实验方法和步骤及其可行性：联系该圆盘剪的应用厂家进行试验，并测取需要的数据。四可能出现的技术问题及解决方法：1．不同零件之间的接触不太容易定义。解决方法是参考其他相似模拟的定义，并多选择几种接触方式进行试算；2．在进行热与结构耦合时，需要修改LS-DYNA的K文件，如何正确修改是一大难题。解决方法，认真学习K文件的相关知识，修改之后进行试算，然后再进行计算。3．分析结果可能与试验所测数据不相符合，为此，在试验数据测得后需要适当修改模型从新进行计算。四、现有条件一已经做过的有关研究工作：简化模型的有限元模拟已经成功将钢板剪开。二本单位或外单位可供使用的仪器设备和实验条件：计算机一台，有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA。希望各位老师同学批评指正谢谢!图2圆盘剪装配图图4钢板的塑性应变