机械毕业设计286VR64000剪板机实验测试与有限元分析.docx
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机械毕业设计286VR64000剪板机实验测试与有限元分析
本科生毕业设计
毕业设计题目VR6×4000剪板机实验测试与有限元分析
学生姓名
专业机械设计制造及其自动化
班级
指导教师
完成日期2014年5月30日
中文摘要
随着我国工业化的进程，剪板机被大量使用。
市场对于产品的要求也越来越高，对于剪板机的剪板质量提出了新的要求。
剪板机在对厚度为6mm,宽度为4000mm的板材进行剪切的过程中，剪板机刀架与机架的刚性对金属板材的剪切质量有着重要的影响。
利用有限元分析软件ANSYSWORKBENCH对剪板机的上刀架、下刀座在实际剪板载荷作用下进行动态位移测试，同时进行机床喉口处的应力动态测试，从而分析VR6×4000闸式剪板机的变形大小，了解机床的加工精度。
在此基础上，建立剪板机的刀架和机架的有限元模型，计算典型工况下的位移与应力，并与测试结果对比，发现有限元分析结果与实验测试结果具有较好的一致性，从而验证了闸式剪板机刀架与机架有限元模型的正确性。
以提高机床的加工精度为目标对闸式剪板机进行参数化改进设计，最终获得最佳的结构设计形式。
关键字：
闸式剪板机，刚性，应力分布，有限元分析
Abstract
Alongwithourcountryindustrialization,shearingmachineiswidelyused.Withtheneedfortheproductsisbecominghigherandhigher,themarketputsforwardnewrequirementforshearingquality.
Shearingmachinecancarryouttoshearplate,whosethicknessis6mmandwidthis4000mm.Duringtheshearingprocess,Shearingmachineturretrigidityandframerigidityhaveanimportantimpactonshearqualityofthesheetmetal.By using finiteelementanalysis software ANSYS WORKBENCH, the tool carrier and the cutter holder of Shearing machine can be tested in the dynamic displacement under actual shear loading,thethroatof machine is also in the dynamic stress test.Thus, it can analyze VR
4000 brake-type shear deformation size and the machining accuracy of machinecanbeknown.On this
basis, the shearing machine’s tool slide and frame finite’s element model and calculating the displacement and stress under typical working conditionscanbeestablished.Compared
with test results, it is found to be consistent between the finite element analysis results and the experimental testing result,which verified the correctness of the finite element model for the brake type shearing machine’s tool slide and frame. With the goal ofimproving
the machining accuracy of machinetool,parametricdesignimprovements arestudied in
order to get the best structure design form.
Keywords:
Braketypeshearingmachine,Rigidity,Stressdistribution,Finiteelementanalysis
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
为了跟上发展迅速的机械工业，肯定少不了加工工具，而剪板机就是其中一种。
当今社会发展的大潮流就是所有的机械装置都朝着节能化、智能化、高精度、低成本的方向发展。
因此课题设计的目的就是在之前设计理论和实践经验的基础上，加上个人的想法和可行性理论，将剪板机做得更加完善，提高了机架与刀架刚性，提高了加工质量和机床的加工精度。
课题设计的意义是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。
学生通过毕业论文，综合性的运用了大学四年所学知识进行分析、解决一个问题，它既是一次检阅，也是一次锻炼。
通过这次检验，可以提高学生的综合设计能力、科研能力（包括实际动手能力、查阅文献能力、撰写论文能力），同时还是一次十分难得的提高创新能力的机会。
我利用所学机械各方面的知识，选择这个课题为我的毕业设计，设计中主要以课本以及各种参考资料作为依据，从基础入手，循序渐进，逐步掌握设计的一般方法，把所学知识形成一个整体，以适应以后的工作需要。
当然，初次设计，经验不足，一些问题考虑可能有些欠缺，恳请各位老师批评指正。
1.2剪板机的基础知识概述
1.2.1剪板机的应用和分类
剪板机用于型材、板材的直线、曲线剪切和冲型、压型、剪断和精密切断等工作。
并且广泛地应用于仪器仪表、冶金工业、农机、无线电、金属结构、桥梁、起重、建筑机械、电机电器、国防工业、航空和交通运输工业等部门。
剪板机按照传动方式的不同可分为机械传动，液压传动和气压传动，其中剪切厚度大于10mm的多为液压传动式剪板机，增大油缸推力便可使剪切力增大。
而机械传动提供的剪切力有限，不适合剪切厚度大于10mm的钢板。
剪板机的剪切方式按照上下刀片位置的不同可分为平刃剪切，斜刃剪切和圆盘剪切。
平刃剪切时，剪板机上下刀片是彼此平行的，而斜刃剪切时剪板机的上下两刀片成一个角度，一般上刀片是倾斜的，其倾斜角一般为1-6º。
平刃剪切剪切质量较好，剪切的板料比较平直，无扭曲变形，但由于板料和上下刃口全长同时接触，造成剪切力大，振动大，消耗功率也大。
平刃剪切在机械传动中使用较多，也常用于轧钢厂热剪切初轧方坯和板坯，其剪切方式又可分为上切式和下切式；斜刃剪切所需的剪切力较小，能量消耗减少，电机功率和整机重量大大减小，实际应用也是最多的。
但是质量不如平刃剪切，剪切位置时会发生轻微的扭曲变形。
圆盘剪切时剪板机的上下剪刃都是圆盘状的，圆盘刀做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃，圆盘剪通常在板料或带材的剪切线上使用。
按照运动方式的不同可分为直线式运动和摆动式运动，而所研究课题中的闸式剪板机就是采用的直线式运动。
1.2.2闸式剪板机的研究现状
现在针对剪板机进行有限元分析的成果较多：
（1）顾祥军基于ANSYS有限元软件对剪板机的机架进行了线性静态分析和模态分析，分析出机架的刚度和强度值。
从强度方面考虑，机架最大应力值远小于许用应力，其强度满足使用要求；从刚度方面考虑，机架的整体变形很小，整体来说机架的刚度也是满足使用要求的，其位移变形数据以及应力分布范围和变化情况,为以后的优化分析提供了详实的依据。
（2）王金荣等对VR6×4000型闸式剪板机刀架进行了分析，建立了刀架刚性分析的力学模型，采用有限元方法对该机刀架的刚性进行了分析，得出了在剪切力与剪切水平推力共同作用下，不同剪切位置时刀架的变形规律。
分析结果表明，当剪切力与水平推力作用在刀架的中间位置时，刀架水平方向上的退让最大，达不到剪板机刀架刚性的设计要求。
（3）李堑等在对闸式剪板机刀架刚性以及变形规律研究分析的基础上，结合实践经验提出了5种刀架结构的改进方案，采用有限元方法对改进结构的刚性进行了分析比较，确定了最终的刀架改进方案。
其优化基本思路为被加工板材的剪切质量主要受剪切处刀片水平方向上的退让的影响，因而在对刀架结构进行优化时主要考虑加大刀架水平方向的惯性矩。
剪切力与水平推力作用在刀片上，刀片安装处的局部刚性对剪切处刀片水平方向上的退让的影响也较大，可在增加刀架整体刚性的基础上加大刀片安装处刀架的局部刚性。
1.2.3剪板机技术未来发展趋势
剪板机随着着科学技术的发展及剪板机制造技术的提高，以及社会对剪板机产品多剪板机随着科学技术的快速发展发展及剪板机制造技术的迅速提高，以及社会对剪板机产品的需求不断扩大，剪板机的更新换代非常迅速，剪板机产品的多样化使得剪板机生产规模已由过去的大批量生产方式转变为以中、小批量轮番生产占主导的局面，这种局面极大的促进了剪板机数控机床的发展。
数控机床的发展有两个发展的方向，一个是发展高技术高功能的数控剪板机产品，另一个是发展简易廉价的数控剪板机机床及兼有手动与功能的手动型数控剪板机机床，以满足多层次的要求。
在现行通用的经济型数控剪板机车床中，其纵、横向的自动进给运动均由步进电机伺服驱动，共需要两套伺服系统。
而在普通剪板机车床中，其纵、横向剪板机进给运动则是由相互自锁的机械传动加以实现，无法实现两坐标联动功能。
唯有仿形剪板机车床例外，它具有两坐剪板机标联动功能，可以车削圆柱面、圆锥面和圆弧面等。
其斜向仿形运动在尺度样件，硬靠模的控制下通过液压伺服控制系统，作出与纵向主进给运动相适应的仿形进给，从而实现了两坐标的联动功能。
1.3闸式剪板机的结构组成
闸式剪板机机架的主要由工作台、板墙、支座和支撑梁组成，如图1-1所示。
刀架的主要组成部分有主立板，三角加强筋，油缸安装支座，右侧板，水平板和斜板加强筋。
如图1-2所示。
图1-1闸式剪板机机架图1-2闸式剪板机刀架
目前国内外闸式剪板机大多采用如图1-3所示的三点滚轮结构。
图1-3三点滚轮支撑刀架结构
三点滚轮剪板机的刀架是在两端都由三个支承滚轮组成的导轨间上下运动，后侧两个支点为固定支点，前侧支点为浮动支点，为了保证刀架在上下运动时刀口间隙稳定不变，采用预压碟簧，使刀架克服重心力矩，保证其后导轨面始终贴在后侧两个支点滚轮上，在三点滚轮导轨间作无间隙往复运动[4]。
1.4闸式剪板机刀口间隙调节装置
评定一台剪板机质量的好坏，最关键的就是该剪板机的刀口间隙是否稳定，在剪板机剪板过程中，刀口间隙过大，剪切厚板料时的板料断面会与板面不垂直，剪切薄板料就会产生毛边或出现剪不下来的折弯现象，同时还有可能影响剪板机的受力和刀片的寿命。
因此通常的剪板机都有刀口间隙调节装置，以适应剪切不同厚度的板料[5]。
三点滚轮剪板机通常是利用上滚轮的偏心来调节刀口间隙的驱动后侧上滚轮的偏心轴转动，推动刀架沿后侧下滚轮为支点作转动，前支点的位置就会相应发生变化，由于前支点是碟簧支撑的浮动支点，可以满足前支点位置变化的需要。
在现在的生产企业中，使用较为广泛的刀口间隙调节装置如图1-4所示，转动手轮带动调节丝杆转动，丝杆上的螺母带动摆臂和上滚轮摆动，实现刀口间隙的调节手轮上配有调节表，能够准确的显示刀口间隙值。
这种利用手轮调节表调节刀口间隙的装置，可以直观的显示刀口间隙值，方便用户调节剪板机的刀口间隙[6]。
图1-4刀口间隙调节装置结构
1.5压紧装置的选择
由于剪板机在剪切过程中,不仅要求被剪钢板在剪切过程中不移动,而且还要使被剪钢板不要因为斜刃产生的侧向力而发生侧向位移。
但是如果压紧装置选择不当,将会影响正常的生产。
为此,在设计剪压紧装置有很多种如:
弹簧式、气动式、液压式。
我所要研究的剪板机对压紧装置的要求为:
比剪刃下降得快些,而上升得晚些,保证剪切过程始终有足够的压紧力。
一般比剪刃走得快。
据此,压紧形式采用弹簧压紧,这种方式安装生产都比较方便。
其结构为压板（或压辊）通过弹簧简单地固定在机架的上盖上,这种结构比其他压紧结构更加简单紧凑,如图1-5所示。
图1-5压紧装置结构图
压紧装置各部分的作用:
（1）导向杆:
保证下挡板5与下刀架2平行且在剪切压紧时保持垂直没有平行位移;
（2）下刀架:
与液压缸执行装置连接,由液压缸执行装置带动来带动弹簧升降;
（3）弹簧芯销:
固定压缩弹簧4;
（4）压缩弹簧:
顶起并压紧下挡板5;
（5）下挡板:
剪切时压紧被剪切物;
（6）螺钉:
将弹簧新销及导向杆固定到下挡板上。
压紧装置工作过程:
压紧装置是剪切过程中稳固被剪切钢板的重要装置,它是依靠液压缸的伸缩,联动下刀架来完成的。
剪切时,液压缸将下刀架向上顶起,同时带动弹簧4向上移动,将下挡板5托起,在下挡板顶住被剪切物时,下挡板不再向上移动,而其他装置继续上升,将被剪钢板压紧,同时完成剪切过程,在下剪刀片完成剪切任务之后,整个压紧装置随下剪刀片恢复到原位,这样,一个剪切过程就完成了,同时压紧装置也完成了它的一个工作过程。
第二章闸式剪板机的实验测试
为了了解VR6×4000型剪板机在典型工况下机床的应力与变形情况，同时也为了验证我们有限元分析结果的准确性，需要对机床进行实验测试，具体实验测试情况如下：
2.1测试内容
1）在典型工况下，对工作台水平板、工作台主立板各测点的动应力及位移进行测试；
2）在典型工况下，对上刀架各测点的动应力及位移进行测试；
3）在典型工况下，对前面板进行位移测试；
4）在典型工况下，对下刀架刀片与支座各测点的位移进行测试；
2.2测试仪器设备
1）BX120系列电阻应变片，单向15片，双向12片；
2）电测位移百分表（位移传感器）7个，量程为0~10mm，磁性表座7个；
3）电桥盒7个；
4）KD6005应变放大器；
5）AZ308数据采集系统；
6）CRASV7.0振动及动态信号采集分析系统；
7）笔记本电脑1台。
2.3应力测试测点分布及测试结果
为了方便处理数据，定义机床的坐标系如图所示，适用于整个报告。
所有测点位移的正负号与该坐标系一致，应力的正、负分别表示拉或压应力。
图2-1数据坐标系示意图
2.3.1测点位置示意图
为了减少测试的工作量，我们选取了理论上应力比较大的地方和机构位置特殊的地方进行贴片测试，具体测点位置分布如下图：
图2-2机身（前）测点分布图
图2-3机身（后）测点分布图
图2-4滑块（上）测点分布图
图2-5滑块（后）测点分布图
2.3.2测点应力测试结果
通过实验测试可以得知，机床机身整体均为超过许用应力（机床材料Q235钢，屈服强度235MPa，取安全系数1.3，其许用应力约为181MPa），故本文只选取部分测点应力结果，具体结果如下：
表2-1喉口应力（单向）
测点
B1
B2
B3
B4
B5
B6
应力（MPa）
25.7
9.6
26.1
27.5
13.7
32.5
表2-2工作台水平板应力（单向）
测点
A1
A2
A3
应力（MPa）
-4.2
-5.9
-3.8
表2-3工作台垂直板应力（双向）
测点
AS1-0
AS1-90
AS2-0
AS2-90
AS3-0
AS3-90
应力（MPa）
16.68
-0.48
21.85
-0.48
18.83
-1.16
2.4位移测试测点分布及测点位移
该测试中我们选取了垂直板、工作台水平板、工作台垂直板，上刀架、下刀架、前面板和下支座等部分进行测试，共选取了44个测点，测点位置及测试的结果如下：
2.4.1垂直板测点分布及测点位移
垂直板共选取了7个测点，其相邻间距取400mm。
图2-6具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-6垂直板测点分布图
表2-4垂直板各测点位移
测点
1
2
3
4
5
6
7
Y向位移（mm）
-0.186
-0.196
-0.199
-0.228
-0.214
-0.200
-0.146
Z向位移（mm）
-0.296
-0.38
-0.440
-0.459
-0.438
-0.389
-0.301
2.4.2工作台水平板测点位置及测点位移
工作台水平板共选取了7个测点，其相邻间隔取400mm。
具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-7水平板测点分布图
表2-5工作台水平板各测点位移
测点
1
2
3
4
5
6
7
Y向位移（mm）
-0.07203
-0.10530
-0.13629
-0.14805
-0.15961
-0.12743
-0.11528
Z向上表面位移（mm）
-0.28128
-0.34050
-0.39009
-0.40241
-0.38161
-0.33618
-0.26842
Z向下表面位移（mm）
-0.29602
-0.40637
-0.45802
-0.45796
-0.46381
-0.43926
-0.30003
2.4.3上刀架测点位置及测点位移
上刀架共选取了19个测点，其分布情况与图2.8中螺栓同步。
具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-8上刀架测点分布图
表2-6上刀架各测点位移
测点
1
2
3
4
5
6
7
8
9
位移（mm）
0.19692
0.21527
0.25467
0.23322
0.29162
0.30438
0.33453
0.38434
0.39017
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
0.48215
0.43613
0.43203
0.38169
0.36062
0.32514
0.32143
0.39182
0.24194
0.23916
2.4.4下刀架位移测点位置及测点位移
下刀架共选取了7个测点，其相邻间隔取200mm。
具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-9下刀架测点分布图
表2-7下刀架位移
测点
1
2
3
4
5
6
7
位移（mm）
-0.04641
-0.03764
-0.04182
-0.05658
-0.06829
-0.09542
-0.11196
2.4.5前面板位移测点位置及测点位移
前面板共选取了7个测点，其相邻间隔取400mm。
具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-10前面板个测点分布图
表2-8前面板各测点位移
Y方向位移
Z方向变形
测点
压料位移
（mm）
剪板位移
（mm）
测点
压料位移
（mm）
剪板位移
（mm）
1
0.088295
0.046805
1
0.297472
0.452032
2
0.11407
0.095202
2
0.37927
0.386314
3
0.156299
0.100447
3
0.477811
0.620920
4
0.163653
0.041367
4
0.401637
0.577322
5
0.096776
-0.067624
5
0.432746
0.658737
6
0.107259
0.051311
6
0.396086
0.578089
7
0.103644
0.061888
7
0.296977
0.398828
2.4.6下支座（前）测试位置及测试结果
下支座共选取了7个测点，其相邻间隔取400mm。
具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下：
图2-11下刀座测点分布图
表2-9下支座各测点Y方向位移表2-10下支座各测点Z方向位移
测点
位移
（mm）
1
-0.04337
2
-0.16268
3
-0.21071
4
-0.25175
5
-0.24482
6
-0.17563
7
-0.14043
测点
位移
（mm）
1
-0.07250
2
-0.12779
3
-0.23069
4
-0.24955
5
0.19255
6
-0.12546
7
-0.12369
2.5测试结果分析与总结
（1）机床整体应力在许用应力范围之内，其中喉口应力最大值为32.6MPa，小于需用应力181MPa。
（2）工作台垂直板Y、Z方向最大位移分别为-0.22784mm、-0.45873mm，发生在4号测点；工作台水平板Y方向最大位移分别为-0.15961mm发生在5号测点，上表面Z方向的最大位移为-0.40241mm，发生在4号测点，下表面Z方向的最大为-0.46381mm，发生在5号测点；上刀架Y向最大位移为0.48215mm，发生在10号测点；下刀架Y向最大位移为-0.11196mm，发生在7号测点；下支座由表Y向最大位移为-0.24955mm，发生在4号测点。
（3）由测试结果可知，在剪切板料时，各部分最大位移均发生在中间部位。
第三章闸式剪板机有限元分析
机架作为剪板机的主要受力部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控制振动与噪声的目的。
在机架结构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中造成机架局部结构的不合理，而导致整个剪板机在剪切中发生共振，产生噪声[7];剪板机刀架的刚性对金属板材的剪切质量也有着重要的影响，刀架刚性过小，将导致加工板材的直线度降低、毛刺变大，严重时会引起刀片的崩刃与机床剪切能力的下降，因此，刀架结构的合理设计，对提高刀架强度和刚度，提升剪板机剪切质量和加工能力，减轻刀架的重量，提高机床的经济性，都具有直接的影响。
由于剪板机刀架和机架的结构比较复杂，采用经典的材料力学方法很难对其进行求解，有限元技术的发展为刀架和机架刚性分析提供了一个有效的途径。
3.1有限元基本概念与ANSYSWorkbench软件介绍
3.1.1有限元基本概念
把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，把这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够整体进行综合求解。
有限元法的基本思想就是离散化。
有限元求解问题的基本步骤通常为：
第一步、问题及求解域定义：
根据实际问题近似确定求解
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