设备管理_冶金设备--剪切机使用技术简介

第8章剪切机 8 1剪切机的用途与分类8 2平刃剪切机8 3斜刃剪切机8 4圆盘式剪切机8 5飞剪机的结构形式和工作原理8 6飞剪机剪切长度的调节 8 1剪切机的用途与分类 用于对轧件进行切头 切尾或剪切成规定尺寸 定尺 的机械称为剪切机 根据剪切机刀片形状 配置以及剪切方式等特点 剪切机可分为平行刀片剪切机 斜刀片剪切机 圆盘式剪切机和飞剪机 表8 1 P256页 表示了这些剪切机的特点和用途 8 2平刃剪切机 8 2 1类型根据剪切轧件时刀片的运动特点 平行刀片剪切机可分为上切式和下切式两大类 1 上切式平行刀片剪切机特点 下刀固定不动 上刀则上下运动 如图8 1 P257页 所示 其剪切机构是由最简单的曲柄连杆机构组成 剪切时 上刀压着轧件下降 迫使摆动台也下降 当剪切完毕 上刀上升时 摆动台在其平衡装置作用下也回升至原始位置 此类剪切机由于结构简单 广泛用来剪切中小型钢坯 此外 随着快速换刀片的生产需要 也出现了能快速换刀的上切式平行刀片剪切机 用来剪切初轧钢坯和板坯 当然 其设备重量会有较大的增加 结构也稍复杂些 2 下切式平行刀片剪切机特点是 上下刀都运动 但剪切轧件的动作由下刀来完成 剪切时上刀不运动 由于剪切时下刀台将轧件抬离辊道 图8 2 P257页 故在剪切机后不设摆动台 而且这种剪切机的机架不承受剪切力 由于上述两个特点 下切式平行刀片剪切机普遍用来剪切中型和大型钢坯和板坯 以减轻整个剪切机组的设备重量 这种剪切机的剪切机构较为复杂 往往由多杆机构组成 平行刀片剪切机一般都由电动机驱动 根据其工作制度 可分为启动工作制和连续工作制两种 在大型平行刀片剪切机上 除采用电动机驱动外 也有采用液压传动的 8 2 2结构参数平行刀片剪切机的主要参数包括两大类 一为结构参数 即刀片行程 刀片尺寸 长度 高度与厚度 和理论空行程次数 二为力能参数 即剪切力 剪切功 剪切力矩及电动机功率 1 刀片行程刀片行程是剪切机最主要的结构参数 它决定了剪切机的高度 在剪切能力允许的范围内 它也决定了所能剪切的轧件最大断面高度 刀片行程根据轧件最大断面高度 剪切终了时刀片的重叠量以及下刀片与辊道表面的距离等参数 图8 3 P258页 可按下式计算H h f q1 q2 S8 1 式中H 刀片行程 指刀片的最大行程 h 被切轧件最大断面高度 f 轧件上表面与压板之间的距离 此值的选取要保证轧件有一定翘头时 仍能通过剪切机 一般取f 50 75mm q1 为了避免上刀受轧件冲撞 而使压板低于上刀的距离 一般取q1 5 50mm q2 为了使轧件能顺利通过剪切机 下刀不被轧件磨损 使下刀低于辊道表面的距离 一般取q2 5 20mm S 上下刀片的重叠量 一般取S 5 25mm 对于采用曲柄连杆 或偏心连杆 机构的剪切机 曲柄轴半径 或偏心轴的偏心 R 等于刀片行程的一半 2 刀片尺寸刀片尺寸包括刀刃长度l 刀片横断面高度h 及宽度b 这些尺寸可以根据被切钢坯最大断面尺寸来选取 刀刃长度可按下述经验公式确定 对剪切方坯的剪切机 刀刃长度分两种情况计算 1 在小型剪切机上 考虑经常是同时剪切几个小断面钢坯 此时l 3 4 bmax2 在大 中型剪切机上 刀刃长度按下式计算 l 2 2 5 bmax对剪切板坯的剪切机 刀刃长度按下式计算 l bmax 100 300 式中l 刀刃长度 mm bmax 被切钢坯横断面的最大宽度 mm 刀片断面高度及宽度可按下述经验公式确定h 0 65 1 5 hb h 2 5 3 式中h 刀片断面高度 mm h 被切钢坯断面高度 mm b 刀片断面宽度 mm 3 理论空行程次数 剪切次数 剪切机的每分钟理论空行程次数代表了剪切机的生产率 理论空行程次数 剪切次数 的提高受到电动机功率和剪切机结构型式的限制 确定剪切次数时 可根据轧钢机生产率和有关参考数据选定 表8 2 P259页 是我国原一机部制定的热钢坯剪切机基本参数 JB2093 77 表中列出了剪切机刀片行程 刀片尺寸和理论空行程次数等有关数据 可供设计剪切机时选用 显然 剪切机在剪切轧件时的实际剪切次数 总是远远小于理论空行程次数 因为在轧件两次剪切之间 需要完成轧件运输 定尺等辅助工序 8 2 3轧件剪切过程分析金属的剪切过程可以分为以下几个阶段 刀片弹性压入金属阶段 刀片塑性压入金属阶段 金属塑性滑移阶段 金属内裂纹萌生和扩展阶段 金属内裂纹失稳扩展和断裂阶段 一般可粗略地分为两个阶段 刀片压入金属阶段和金属塑性滑移阶段 在不同阶段 被剪切金属剪切区域内应力状态是不同的 在整个剪切过程中 剪切区应力状态不断变化 剪切力也不断变化 实验表明 最大剪切力产生于刀片塑性压入阶段终了 金属塑性滑移阶段开始之时 因此 一般可将剪切过程分为两个阶段来建立剪切过程的受力模型 压入阶段作用在被剪切金属上的力 如图8 4 P260页 所示 8 2 4单位剪切阻力曲线与剪切力和剪切功1 单位剪切阻力曲线根据钢种查图表 2 最大剪切力Pmax在设计剪切机时 首先要根据所剪轧件最大断面尺寸来确定剪切机公称能力 它是根据计算的最大剪切力并参照有关标准和资料确定的 最大剪切力Pmax可按下式计算Pmax K maxFmax式中Fmax 被剪轧件最大的原始断面面积 mm max 被剪轧件材料在相应剪切温度下最大的单位剪切阻力 MPa K 考虑由于刀刃磨钝 刀片间隙增大而使剪切力提高的系数 其数值根据剪切机能力选取 小型剪切机 P10MN K 1 1 8 2 5平行刀片剪切机结构平行刀片剪切机结构型式较多 现介绍曲柄连杆 活动连杆 浮动偏心轴和曲柄杠杆 六连杆 四种剪切机的结构 8 2 5 1曲柄连杆上切式剪切机图8 13 P274页 所示为20MN曲柄连杆上切式剪切机 8 2 5 2活动连杆上切式剪切机图8 15 P275页 为1 6MN偏心活动连杆上切式剪切机 图8 16 P276页 表示该剪切机的剪切过程与上刀台的形状 8 2 5 3浮动偏心轴剪切机这种剪切机是下切式剪切机 用来剪切大型方坯和板坯 按剪切能力分 我国现有8MN 10MN 16MN等类型 国外已有20MN的浮动偏心轴剪切机 按结构特点来分 可分为三种型式 上驱动机械压板式 下驱动机械压板式和下驱动液压压板式 图8 17 P276页 图8 18 P277页 为上驱动机械压板浮动偏心轴剪切机立体简图 8 2 5 4曲柄杠杆剪切机 六连杆剪切机 这种剪切机属于下切式剪切机 在850mm和750mm初轧车间以及650mm钢坯车间得到了应用 按剪切能力划分 我国现有2 5MN 4MN 7MN和9MN四种类型 国外有20MN的六连杆剪切机 这些不同剪切能力的六连杆剪切机 其结构型式基本相同 只是电动机型式 交流或直流 与工作制度 连续工作制或启动工作制 稍有差别 表8 8 P280页 列出了某些六连杆剪切机的主要性能 图8 22 P280页 表示了9MN曲柄杠杆剪切机结构简图 剪切机由剪切机构 包括上刀调整机构 传动系统 压板装置三部分组成 8 3斜刃剪切机 8 3 1类型根据剪切机机架结构型式 斜刀片剪切机可分为开式和闭式两大类 1 开式机架斜刀片剪切机 图8 26a P285页 2 闭式机架斜刀片剪切机 图8 26b P285页 根据剪切轧件时刀片的运动特点 闭式机架斜刀片剪切机又可分为上切式和下切式两种 1 上切式斜刀片剪切机这种剪切机下刀片固定不动 上刀片向下运动剪切轧件 上切式斜刀片剪切机主要是单独设置 或组成独立的剪切机组 一般是下刀片水平 上刀片具有一定的倾斜角 剪切机采用电动机驱动较多 根据齿轮传动系统特点 可分为单面传动 双面传动 下传动等型式 单面传动斜刀片剪切机 图8 27a P285页 因其结构简单 制造方便 应用较为广泛 上刀运动是通过电动机 三角皮带 齿轮和曲柄连杆机构实现的 双面传动斜刀片剪切机 图8 27b P285页 的特点是曲轴短 受力好 制造方便 但装配较困难 特别是对两对齿轮的同步问题要求严格 这种剪切机大多用于大型钢板剪切机 下传动斜刀片剪切机 图8 27c P285页 可使剪切机高度低 重量轻 例如 对于钢板焊接结构的剪切机 其重量可减轻20 而对于铸造结构的剪切机 则可减轻30 2 下切式斜刀片剪切机这种剪切机通常是上刀片固定不动 由下刀片向上运动剪切轧件 下切式斜刀片剪切机主要装设在连续作业线上 用来剪切板带的头部 尾部 分卷或剪切掉有缺陷的部分 在有的平整机组中 为了适应能调整板带剪切位置的需要 出现了上 下刀片都运动的下切式斜刀片剪切机 电动机驱动的下切式斜刀片剪切机 一般采用偏心轴使下刀台作往复直线运动 图8 29a P287页 在下切式斜刀片剪切机中 液压驱动得到了广泛应用 图8 29b P287页 为采用液压缸串联同步的液压驱动下切式斜刀片剪切机简图 当下刀台2上升时 液压油先进入液压缸7的下油腔 而将液压缸7上油腔的油排入液压缸6的下油腔 液压缸6的上油腔则与回油管相联 只要使液压缸6下油腔的面积与液压缸7上油腔的面积相等 就可实现下刀台两个液压缸同步升降运动的要求 8 3 2结构参数斜刀片剪切机的主要结构参数为刀片倾斜角a 刀片尺寸 刀片行程和理论空行程次数 剪切次数 1 刀片倾斜角a图8 30 P287页 表示了上刀片布置成一定倾斜角时的剪切过程 刀片的倾斜角a愈大 剪切时的剪切力愈小 但使刀片行程增加 最大允许倾斜角amax受钢板与刀片间的摩擦条件的限制 当a amax时 钢板就要从刀口中滑出而不能进行剪切 近年来有些斜刀片剪切机上刀片做成有双边倾斜角的 此时amax将不受摩擦条件的限制 上刀片采用双倾斜角后 剪切时钢板能保持在中间位置 2 刀片尺寸剪切时 刀片受到挤压 弯曲和摩擦的作用 刀片尺寸主要由剪切力确定 表8 9 P288页 列出了某些刀片断面尺寸与剪切力的关系 刀片长度则应比所剪切的轧件最大宽度大100 300mm 刀片材料要有一定的强度和韧性 并要求有较高的硬度 表8 10 P288页 列出了某些刀片的材料和硬度值 3 刀片行程由于刀片倾斜角的影响 斜刀片剪切机的刀片行程H 除了式8 1中的有关因素外 还要考虑由于刀片倾斜所引起的行程增加量H 可按下式计算H bmaxtana8 47式中bmax 所剪轧件的最大宽度 a 刀片倾斜角 因此 斜刀片剪切机的刀片行程H为H H H h f q1 q2 S bmaxtana式中H 按式8 1计算的刀片行程 H 按式8 47计算的刀片行程增加量 4 理论空行程次数 剪切次数 如前所述 剪切机的理论空行程次数 剪切次数 主要根据生产率来确定 也与剪切机结构有关 表8 11 P289页 列出了某些斜刀片剪切机的每分钟剪切次数和电动机功率 8 3 3剪切力与剪切功斜刀片剪切机的剪切力由三部分组成P P1 P2 P3式中P1 纯剪切力 P2 轧件被剪掉部分的弯曲力 即被剪掉部分在剪切时被上刀片沿着AED线 图8 32 P289页 作用产生的弯曲力 P3 钢板在剪切区域 近似地以EF弧线为界 内的弯曲力 在此区域内由于上刀片的压力使金属形成局部的碗形弯曲 在斜刀片剪切机上的剪切过程与平行刀片剪切机主要不同之点是 剪切时作用在刀片上的力不是以被剪切钢板全部断面来计算 在稳定剪切时 剪切面积只限于三角形ABC内划阴影线部分 图8 33 P289页 8 3 4滚切式剪切机在普通斜刀片剪切机上剪切厚度大于20mm板材时 由于刀片行程大 易使板材产生横向弯曲 在剪切侧边时板边也不齐 影响板材的剪切质量和产量 而滚切式 斜刀片 剪切机 图8 36 P290页 上刀刃是弧形的 弧形上刀刃在平直的下刀刃上滚动剪切 此时 在整个剪切范围内刀片重叠量不变 被剪板材几乎不弯曲 这种剪切机的剪切过程如图8 37 P290页 所示 位置a为处于最大开口度的起始位置 当曲柄轴等逮同向转动时 上刀片左端首先下降开始剪切 位置b 当上刀片与下刀片之间达到一定的重叠量后 上刀片将沿下刀片滚动 位置c d和e分别为刀片滚动时左端相切 中间相切和右端相切的简图 课后作业 1 剪切机的作用是什么 2 平行刀片剪切机有哪些类型 其主要参数是什么 3 斜刀片剪切机有哪些类型 其主要参数是什么 8 4圆盘式剪切机 圆盘式剪切机广泛用于纵向剪切厚度小于20 30mm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或带钢 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40mm的钢板 第一台圆盘剪切入板厚的5 10 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 根据其用途可分成两种型式 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 这种圆盘剪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 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 图8 40a P294页 或者将上刀片直径做得比下刀片小些 图8 40b P294页 此时 被切掉的板边将剧烈地向下弯曲 为了防止钢板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 图8 40 8 4 1圆盘式剪切机参数1 结构参数圆盘式剪切机主要结构参数为圆盘刀片尺寸 侧向间隙和剪切速度 1 圆盘刀片尺寸圆盘刀片尺寸包括圆盘刀片直径D及其厚度 圆盘刀片直径D主要决定于钢板厚度h 其最小允许值与刀片重叠量S和最大咬入角a1有下列关系D h S 1 cosa1 刀片重叠量S一般根据被剪切钢板厚度来选取 图8 41 P295页 为某厂采用的刀片重叠量S与钢板厚度h的关系曲线 由图可见 随着钢板厚度的增加 重叠量S愈小 当被剪切钢板厚度大于5mm时 重叠量S为负值 减小圆盘刀片直径可减小圆盘剪的结构尺寸 但最小圆盘刀片直径受轴承部件结构尺寸的限制 在结构尺寸允许情况下 应尽量选用小直径的圆盘刀片 当剪切厚钢板 h 40mm 时 圆盘刀片直径可按下式选取D 22 25 h圆盘刀片厚度占 一般取为 0 06 0 1 D 2 圆盘刀片侧向间隙 确定侧向间隙时 要考虑被切钢板厚度和强度 侧向间隙过大 剪切时钢板会产生撕裂现象 侧向间隙过小 又会导致设备超载 刀刃磨损快 切边发亮和毛边过多 在热剪切钢板时 侧向间隙 可取为被切钢板厚度h的12 16 在冷剪时 值可取为被切钢板厚度h的9 11 当剪切厚度小于0 15 0 25mm时 值实际上接近于零 要把上下圆盘刀片装配得彼此接触 甚至带有不大的压力 3 剪切速度v剪切速度v要根据生产率 被切钢板厚度和机械性能来确定 剪切速度太大 会影响剪切质量 太小又会影响生产率 常用的剪切速度可按表8 14 P296页 来选取 2 剪切力与剪切功率作用在一个刀片上的总剪切力由两个分力所组成 即P P1 P2式中P1 纯剪切力 P2 钢板被剪掉部分的弯曲力 是由于剪切伴随着钢板的复杂弯曲而产生的 特别对于较窄的钢板更为显著 图8 43 P296页 纯剪切力P1的确定在原则上与斜刀剪类似 图8 44 P297页 8 4 2圆盘式剪切机结构图8 46 P299页 为具有两对刀片的圆盘式剪切机结构示意图 此剪切机用来冷剪厚度为4 25mm 宽度为900 2300mm的钢板侧边 剪切速度为0 25m s 为了减少钢板与圆盘刀刃间的摩擦 每对刀片与钢板中心线倾斜一个