悬臂式切边圆盘剪工艺及结构分析.doc

攀 钢 技 术 29悬臂式切边圆盘剪工艺及结构分析黎智勇，周 努（攀钢钒冷轧厂）摘 要: 从剪切机理、板带的剪切变形过程，分析计算圆盘剪剪切力和传动功率，介绍了悬臂式圆盘剪开口度调整装置，剪刃侧间隙调整机构和重叠量调整机构以及侧间隙和重叠量对剪边质量的影响，并在此基础上分析攀钢冷轧1横切圆盘剪所存问题，提出了建议。关键词: 圆盘剪；剪切变形；侧隙；设备维护0 引言圆盘剪是生产冷轧板带产品的核心设备之一，用来剪切带钢边部缺陷,并保证整个带钢的宽度一致，确保带钢的边部质量，广泛地应用于酸洗机组、精整横切机组及重卷机组，是带钢生产过程中的重要工序。笔者结合悬臂式切边圆盘剪的工艺原理及结构特点，着重对攀钢1横切圆盘剪机械结构所存缺陷进行分析，在设备维护及设备改进上提一些建议，以供参考。 1 悬臂式圆盘剪结构组成圆盘剪主要由刀盘旋转传动系统、刀盘重叠量调整、剪刃侧间隙调整、机架开口度调整等系统组成。两对刀盘分别装在两个用钢板焊接的刀盘传动箱上，刀盘悬装在箱体的外侧，两个刀盘传动箱由一台交流电动机通过联轴器、超越离合器、传动长轴,再由长轴传动左右刀盘传动箱内的齿轮，带动上、下刀盘旋转进行剪切。超越离合器是圆盘剪可互切换拉剪和动力剪而设置的。刀盘采用液压螺母锁紧，以便快速更换刀盘。左右两对刀盘传动箱共装在一个钢板焊接结构件的大底座上，通过一根具有左右螺纹的长丝杆使其两个刀盘箱作相向和相背移动，以调节两对刀盘的开口度。长丝杆是由一台交流电动机驱动。传动侧和操作侧刀盘的重叠量，由各自的电动蜗轮蜗杆装置通过偏心套调节。传动侧和操作侧剪刃的侧向间隙，由各自的手动蜗轮蜗杆装置调节。2 刀盘驱动传动系统2.1 板带的剪切变形过程剪切时，圆盘刀相等于板带的运动速度做圆周运动，形成一对无端点的剪刃。板带剪切过程是上下刀的刃口距离随着刀盘不断转动逐渐减小，中间的板带被刀不断地切入(见图1)，使板带材料发生变形(见图3)，最终被完全切断的过程1。图1 剪切变形过程及刀盘受力上刀下刀带材侧间隙c重叠量hBPRP0aAGECFD示意图2 剪切变形三个阶段攀 钢 技 术 311）弹性变形阶段(图2(a)。上下刀与板带接触并挤压，板带产生弹性压缩且有穹弯。略有材料挤靠上下刀侧隙的侧面趋势，随着刀的相互靠近穹弯愈加严重。侧隙越大穹弯越大，此时应力未超过弹性极限，一旦上下刀分离，则板带可恢复原形。2）塑性变形阶段(图2(b)。随着上下刀的靠近，板带变形达到它的屈服极限，部分材料被刀侧面挤压，产生塑性变形，得到光亮的剪切断面，由于侧隙的存在，塑性变形的同时还伴有材料的弯曲与拉伸。剪切继续进行，材料内应力不断增大，在刀刃口处由于应力集中，此处的内最大应力状态超过材料的断裂极限，开始出现微小裂纹。3）断裂阶段(图2(c)。随着上下刀切入材料的深入，刃口处的裂纹不断向材料内部扩展，在侧隙合理时，上下裂纹相互重合，材料随即断开。2.2 圆盘剪剪切力计算剪切力P 为剪机剪切能力，并能决定被剪切板带最大断面尺寸2。由图1可知剪切面积为A EDB，刀刃切入板带深度z = h -ED 后，板带便开始金属滑移，完成剪切过程。因此，顶部小D EC 早已被金属滑移而扯断，不再需要剪切。设相对切入率为,ED =h-h,则剪切面积：FA EDB =（AB + ED）/2 (AB ED)/（2tg）=h+(h- h)/2h- (h- h)/（2tg）=(2-)/（4tg）h2；剪切力：P =K 1K 3F =1.41.20.725bFAEDB =1.218（2-）/（4tg）h2b 2.3 圆盘剪传动功率计算已知作用在圆盘刀片上的剪切力，可求得剪切时回转一对圆盘刀片所需力矩。由图2可知,M剪= 2PR sin，M摩= Pd。对于一对刀片圆盘剪总的静力矩为M静= M剪+ M摩。若圆盘剪上设有n对圆盘刀片，则圆盘剪的传动功率：N = knM静2v刀/(102D) ,式中, h 为被剪切带钢厚度(mm)；一般取=1.21.6s,对于钢可取1.25s,s为被剪切金属试样的相对延伸率,随牌号而定；FA EDB 为A EDB的面积；K 1为刀刃侧向间隙的影响系数(1.21.4)；K 3为刀刃使用以后磨钝的影响系数(1.11.3)；为被剪切带钢的剪切抗力, 一般按试验决定, 可近似取=(0.70.75)b，b为被剪切带钢的强度极限。3 圆盘剪刀盘重叠量的调整由图3可见，刀盘重叠量是随着钢板的厚度而改变的。钢板厚度增加，重叠量减少；当钢板厚度大于4 mm时，重叠量变为负值。若重叠量太小，剪切时会引起设备超负荷和板带局部弯曲；若重叠量太大，则引起板带“竖立”。2.25141.50.10-0.50.51.0重叠量侧间隙图3 圆盘剪刀刃侧间隙和重叠量与板带厚度的关系刀盘重叠量调整结构，齿轮电机通过联轴器带动涡轮蜗杆传动副中的蜗杆，涡轮与偏心套是键联接，涡轮旋转，偏心套旋转, 偏心套中的上刀轴与固定不动的下刀轴的距离就会改变, 从而改变上、下刀盘重叠量，以往方法是采用压下螺旋副调整，剪切力经由螺旋调整机构传向机座。采用偏心调整机构，其剪切力由偏心套直接传向机座，消除了中间螺旋机构的变形，提高了系统的刚度。另外，在齿轮电机上装了光电编码器，与偏心套回转最大、最小限位开关共同作用，通过计算机便可实现剪刃重叠量的数控,重叠量显示精度达到0.01 mm,重合量调整控制精度达0.1 mm,解决了以往圆盘剪剪刃重叠量没有精确检测和控制的问题。4 圆盘剪剪刃侧间隙的调整剪刃侧间隙、重合度及刃口状态等对切边质量都有影响，但剪刃侧间隙是起决定性作用的3。图4剪切角剪刃侧隙通常由被剪切金属的厚度和性能确定，为板带厚度的7%10%。被剪切板带的主裂纹方向由其材料性质和侧隙的大小决定。图4 剪切角塑性大的材料值大；脆性大的材料值小。究其原因是脆性材料塑性变形区小,剪切力更容易向剪切方向传递。减小侧隙可有效缩小塑性变形区,毛刺被拉出的现象得以改善,所以剪切同样厚的板带,软料的侧隙要比硬料的侧隙小。剪刃侧向间隙调整的方法是将上刀轴轴向固定,通过机架上的螺旋机构调整下刀轴相对于上刀轴的轴向位置以获得上下剪刃间的侧向间隙。机构原理为：通过手动旋转手轮，带动蜗杆旋转，涡轮内圈是梯形螺纹，并且涡轮轴向固定，涡轮旋转时轴套轴向移动，从而下刀轴轴向移动，改变上下剪刃间的侧向间隙。同时，在下刀轴偏心套非承受轴向剪切力侧安装了碟形弹簧并预紧，用来消除轴向空程间隙，保证了剪刃侧向间隙准确、稳定。5 圆盘剪机架及其横移装置圆盘剪机架为焊接箱形结构,机架横移装置是用于剪切不同宽度带钢时调整机槊开口度。调整时，两机架通过同轴的具有左右螺纹的滚珠丝杆传动而作相向和相背移动，在丝杆的一端由齿轮电机直接驱动，另一端联有光电编码器，机座上装有接近开关，控制机架移动的最小和最大开口度，通过计算机可实现机架开度自动控制。6 设备维护要点圆盘剪的维护点主要有以下几个方面：机械部位各润滑点应定期加油；定期检查各定位螺拴是否紧固；减速机运转声音和温度是否正常，油位是否合格；各部位的轴承运转声音和温度是否正常；定期检查机架导轨有无异常磨损，导轨面的光洁程度；定期检查刀轴的螺纹有无损伤。7 问题与建议攀钢冷轧厂1横切机组的圆盘剪是该生产线的关键设备之一，其结构为通轴式。设备精度直接影响产品质量，而1横切机组投产迄今已12年，该圆盘剪由于在设计及加工精度上存在较多的问题，导致设备在整个机组中处于较为被动的状况。通过现场长期的分析研究，该圆盘剪存在的问题，主要表现在以下几点：1）由于侧间隙无自动调整机构，在生产过程中侧间隙常处于不合理的状态，剪切时常出现废边剪不断的现象，出现废边跑出卡入矫直机内，造成长时间的停机故障及大量的废品。同时导致矫直辊被划伤。2）左右机架刀轴安装孔位置精度差，剪刃安装在刀轴上后存在剪刃圆周1/3间隙偏差较大，端面跳动误差达0.08 mm（许可值0.02 mm），况且其园盘剪间隙调整不是靠电机传动来实现。导致园盘剪剪切间隙不能精确受控，导致剪切薄料时切边困难，质量极差。日常生产中其间隙的保证实际是依靠操作人员的经验，人工在剪刃与刀轴间加短纸垫片来补偿不平度实现的，这其实存在极大的随机性和偶然性（纸垫被油浸泡后变软，使侧间隙随时产生变化）。且每次圆盘剪剪刃间隙调整时间长，每次调整需12 h，操作工的作业强度也大，严重制约了机组的生产，也为生产薄规格产品带来困难。3）其圆盘剪为通轴式圆盘剪，左右机架的刀轴运行是通过传动通轴完成刀轴的传动，在更换剪刃后连接机架时经常造成传动键配合不好，造成传动轴弯曲，被动端的传动会造成剪刃间隙和重叠量变化。由于左右机架由同一根传动轴传动，传动轴属于细长杆，易弯曲变形（最大达6.5 mm/m），造成左右机架刀轴受径向力，加剧了端跳的变化，造成切边不良。4）刀轴轴向定位方式不合理，是由一套推力轴承承受轴向力，由圆螺母调整轴向间隙，但无法精确调整推力轴承的轴向游隙，也就是刀轴的窜动量。而且圆螺母经常松动，紧固困难，不便于维护。5）由于设备的左右底座及导轨精度较差，影响左右机架平行，从而对钢板的两侧产生不对称的力，在投入活套时，导致带钢跑偏严重，因此，目前机组是无活套生产，从而影响矫直机工作辊及联轴器的寿命及使矫直机主电机长时间处于过载状态。其是否对电控传动造成负面影响，还有待进一步分析观察。正是以上诸多因素的影响，导致了设备的整机性能较低，切边质量基本不能得到保证，机组的成材率低，机械维护及操作工的劳动强度较大。作为钢板剪切线来说，圆盘剪应是一台较为重要的设备，这种设备状态根本无法满足生产需要。为改变这种设备状态，使设备处于设备管理者的受控状态，建议将设备机构进行改造，提高零部件的加工精度及强度，从而提高设备的整机性能。具体改造建议如下：将原通轴式圆盘剪改为悬臂式结构圆盘剪。增设高精度的侧间隙调整机构。刀盘锁紧由液压螺母，机械锁紧。左右刀箱由底座上的滚动直线导轨副导向，液压缸锁紧。主轴前端采用一套双列圆柱滚子轴承和一套双向角接触推力球轴承支承，后端采用一套双列圆柱滚子轴承，主轴轴承全部采用SKF精密级轴承。主轴采用合金结构钢锻造成形，应进行稳定组织处理和表面强化处理。圆盘剪开口度调整：由内置绝对值旋转编码器和刹车的伺服电机，通过联轴器驱动精密滚珠丝杠副，实现对圆盘剪开口度的调整。剪刃重合度调整：由内置绝对值旋转编码器的伺服电机，通过联轴器驱动精密涡轮蜗杆副，带动上下偏心套旋转而改变偏心距。 剪刃侧间隙调整：由内置绝对值旋转编码器的伺服电机，通过联轴器驱动螺旋副，带动斜楔机构上下移动，从而推动上刀轴前后移动。由直线位移传感器检测移动量并反馈信号，形成闭环控制。根据需要，可调整左右刀箱，使之相对于机组中心线偏摆一定角度。主传动电机通过齿轮分配箱和球笼联轴器，将动力传递到上下刀轴，实现主动剪切的功能。8 结语切边圆盘剪