冷軋薄板切邊圓盤剪的設計研究

謝東旭，李郝林，查德根

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海200093；2.上海寶菱冶金設備工程技術公司，上海201900）

0 引 言

切邊圓盤剪是用于金屬板帶精整作業(yè)線上的核心設備，其主要功能是對帶鋼的邊部缺陷進行剪切，以滿足成品帶鋼的寬度要求，廣泛應用于酸洗軋機聯合機組、連續(xù)式酸洗機組、連續(xù)式退火機組、重卷機組［1］。圓盤剪按傳動方式可分為拉剪和動力剪，前者用于薄板的剪切，厚板的剪切采用后者［2］。目前，國外的圓盤剪設計理論比較成熟，具備超精密設計精度、裝備精細、機組穩(wěn)定性好和自動化程度高等特點，雖然結構形式差別較大，但基本原理一致。近年來，通過對國外先進設備的引進、消化和吸收，國產縱剪機的裝配水平不斷提高，且經濟適用性好，但對于質量要求苛刻的板帶產品和自動化生產作業(yè)，仍難于與國外同類裝備抗衡。

本文以某鋼廠冷軋薄板精整機組中的切邊圓盤剪為研究對象，在分析國外先進設備的基本組成與工作原理基礎上，對圓盤剪間隙調節(jié)機構原理、主要零件結構形式及參數的選擇與計算方法做了深入探究，并應用有限元分析軟件，對刀軸進行優(yōu)化分析，對同類設備的設計與應用具有借鑒意義。

1 設備簡介

1.1 設備組成及主要技術參數

圓盤剪主要由機架開度調整機構、圓盤剪本體、去毛刺輥、底座、導板架、廢邊導槽、電機等組成，如圖1所示。其中，圓盤剪本體主要由機架、上刀軸、下刀軸、刀盤、側向間隙調整機構、重疊量調整機構等組成。

圖1 圓盤剪總體結構布置圖

主要技術參數：來料厚度：0.2～3 mm；來料寬度：800～1 730 mm；剪切速度：Max.150 m／min；帶鋼強度：Max.650 MPa。

1.2 設備工作原理

圓盤剪的工作過程包括：（1）確定來料帶鋼規(guī)格及工藝參數，帶鋼處于停止狀態(tài)；（2）根據帶鋼寬度，移動底座，調節(jié)機架開度；（3）根據帶鋼厚度，調整剪刃側向間隙及重疊量；（4）帶鋼運動，進行邊部剪切；（5）帶鋼經過去毛刺輥輸出，廢邊進入廢邊導槽；（6）一個剪切周期完成，帶鋼停止運動。

在剪切過程中，該圓盤剪既可做動力剪，亦可做拉剪。當剪切速度在30 m／min以下時，電機驅動下刀軸旋轉，上刀軸在摩擦力作用下被動旋轉。當高速剪切時，依靠卷取機或拉力輥的拉力，將帶鋼拉過圓盤剪進行剪切。

2 主要機構的設計特點

2.1 機架開度調整機構

圓盤剪的左右兩個機架相對于底座中心線對稱布置，分別安裝在操作側和傳動側的移動底座上。兩移動底座通過滾珠絲桿傳動而相對移動。兩絲桿通過聯軸器連接，馬達在一端直接驅動，從而實現機架開度的調整。底座上安裝有行程開關，控制兩移動機架的最大、最小開口度。機架開度調整范圍為570～1 900 mm。

2.2 側向間隙調整機構

剪刃側向間隙的調整是將下刀軸軸向固定，通過機架上的斜楔機構調整上刀軸的軸向位置，從而獲得上、下剪刃間的側向間隙，如圖2所示。

機構原理：搖動手柄帶動分度盤轉動，分度盤安裝在側板上，通過鍵聯接滾珠絲杠機構，滾珠安裝在螺母座上，螺母座兩側安裝有滑塊，滑塊可相對導軌前后移動。左側導軌安裝在底板上，右側導軌安裝在斜墊板上，斜墊板固定在導軌座上。導軌座與上刀軸聯接，通過雙螺母鎖緊。轉動手柄，分度盤轉動，帶動絲桿轉動，螺母座隨滾珠延絲杠軸向運動，同時具有橫向位移，帶動導軌座橫向移動，從而實現側向間隙的調節(jié)。側向間隙的調整范圍為-7～+3 mm。

分度盤旋轉角度θ與側向間隙變化量δc的關系為

式中，δc為側向間隙變化量，單位為mm；θ為分度盤旋轉角度，單位為°；S為絲桿導程，單位為mm，S=5；α為斜度，α=1∶125。

側向間隙調整機構的調整精度可以達到0.005 mm。

2.3 重疊量調整機構

剪刃重疊量的調整采用偏心套結構形式，通過馬達驅動，由齒輪傳動，帶動上、下偏心套相對轉動一定角度，刀軸安裝在偏心套內，從而實現剪刃重疊量的調整，如圖3所示。其中，電機軸一端通過彈性柱銷聯軸器與小齒輪軸聯接，另一端安裝有編碼器，通過數字化控制保證重疊量的調節(jié)精度。重疊量的調整范圍為-2～+14 mm，其中，上下刀軸分離定義為“-”，上下刀軸重合定義為“+”。

圖3 重疊量調整機構簡圖

電機旋轉角度βm與重疊量變化量δΔ的關系為

式中，δΔ為重疊量變化量，單位為mm；e為偏心距，單位為mm，e=6；β為偏心輪旋轉角度，單位為°；其中，βm=βi；βm為電機軸旋轉角度，單位為°；i為傳動比，i=x2／x1。x1為小齒輪齒數，齒輪一與齒輪二齒數同為x2，三個齒輪的模數相同。

因此，式（2）可寫為

重疊量調整機構的調節(jié)精度可以達到0.015 mm。

3 設備基本參數的設計計算

3.1 剪切力的計算

圓盤剪剪切過程中，上下刀盤以帶鋼運行速度為線速度做圓周運動，形成一對無端點的剪刃［3］。隨著帶鋼被不斷咬入，鋼材依次發(fā)生彈性變形和塑性剪切滑移變形，當變形量達到斷裂值時，產生裂紋，隨著裂紋不斷擴展，最終帶鋼被完全分離［4］。由于剪切過程的復雜性，很難得到精準的剪切力計算公式，但設計時可參照經驗公式進行計算。

常用的剪切力計算公式有諾沙里公式［5］、柯洛遼夫公式、村川正夫公式、前田楨三公式等。根據實際生產試驗結果顯示［6］，對于薄板剪切，諾沙里公式的計算值與實際值吻合，當剪切厚板時，任何經驗公式的計算值與實際值存在很大偏差。因此，本文采用諾沙里公式作為剪切力計算公式，即

對于圓盤剪，可建議取ε=1.25δ5，系數x1=1.4，通常取δ5=0.25，則式（4）可簡化為

式中，σb為被剪切帶鋼的強度極限，單位為MPa；h為被剪切帶鋼的厚度，單位為mm；ε為剪斷時的相對切入深度；α為咬入角，單位為°。

咬入角的大小可根據式（6）計算

式中，Δ為剪切一定厚度帶鋼所對應的剪刃重疊量，單位為mm；D為刀盤最大直徑，單位為mm。

經計算，最大剪切力近似為5 182.3 N。刀盤側向推力按剪切力的5%計算，約為259.1 N。

3.2 側向間隙c與重疊量Δ的選擇

側向間隙c與重疊量Δ是影響圓盤剪剪切質量的關鍵因素。

研究表明，側向間隙是影響切斷面的關鍵因素［7］。側向間隙過小，刀盤受到的作用力急劇增大，加速圓盤剪刀盤的磨損，降低刀盤使用壽命；側向間隙過大，材料所受的拉應力明顯增大，材料過早發(fā)生拉伸斷裂，會產生較大毛刺。剪切冷軋鋼板、帶時，剪刃側向間隙取被剪切金屬厚度的9～11%。

重疊量是導致帶材跑偏的關鍵因素［8］。同時，重疊量不應過大，否則會導致剪切力的增大；重疊量不應過小，否則會出現帶鋼無法被剪斷的現象［9］。剪切冷軋薄板時，重疊量約為0.1～0.7 mm。

側向間隙c與重疊量Δ可參照圖4進行選取。

圖4 側向間隙與重疊量的選值

3.3 刀盤直徑D與刀盤厚度δ的計算

刀盤尺寸決定圓盤剪的剪切能力，直徑越大，剪切能力越強，但設備結構尺寸相應增大，成本增加。在保證剪切能力的前提下，選用直徑較小的刀盤，剪切質量較好，但使用直徑較大的刀盤，其使用壽命更長。

刀盤直徑可按公式（7）計算

式中，D為刀盤直徑，單位為mm；h為被剪切帶鋼厚度，單位為 mm；α0為允許咬入角，一般取8°～12°；Δ為重疊量，單位為mm。

刀片厚度δ一般可按δ=（0.06～0.1）D計算。為使圓盤剪刀盤具有良好的剛性，其厚度不低于15 mm。在實際應用中，根據刀盤的磨損情況，應適當增加帶鋼厚度。

該圓盤剪刀盤直徑D為230～250 mm，刀片厚度δ為20 mm。

4 關鍵零件的結構設計

4.1 刀軸

圓盤剪的上、下刀軸均為懸臂式結構，刀軸裝配如圖5所示，主要由圓螺母、齒輪、推力軸承、雙列圓柱滾子軸承、軸套、隔圈、偏心套、透蓋、刀墊、刀盤、壓環(huán)、壓蓋等組成。其中，壓環(huán)為組合件，內圈材料為42Cr Mo，外圈材料為耐油橡膠，主要作用是在剪切過程中壓緊帶鋼。刀軸軸頭的壓蓋上開有“T”形孔，在更換刀盤時，只需將壓蓋旋轉一定角度，便可快速卸下刀盤。刀墊安裝在刀盤與軸肩之間，可減少刀盤頻繁更換對刀軸的磨損。

圖5 圓盤剪刀軸裝配圖

在圓盤剪剪切過程中，刀軸同時承受剪切力和反作用力，經分解后刀軸承受軸向力和徑向力。刀軸的前后支撐均采用雙列圓柱滾子軸承，負載能力大，主要承受徑向力。刀軸的后支撐處設有兩盤軸向推力軸承，結構簡單且剛度大，主要承受軸向力。

圓盤剪刀軸裝配是圓盤剪本體結構設計的核心部分，必須嚴格控制圓盤剪刀軸的裝配精度，以A-B軸線為基準，軸肩端面全跳動公差控制在0.004 mm以下；雙列圓柱滾子軸承處軸面的圓柱度公差控制在0.003 mm以下，徑向圓跳動公差控制在0.004 mm以下；推力軸承處軸面的圓柱度公差控制在0.004 mm以下，徑向圓跳動公差控制在0.006mm以下。

4.2 機架

圓盤剪機架為箱體結構，刀軸、側向間隙調整機構、重疊量調整機構、去毛刺輥、廢邊導槽等機構均安裝在機架上，機架結構如圖6所示。上、下刀軸孔垂直布置，其行為公差及尺寸精度的控制直接影響刀軸的動態(tài)平衡。為避免刀軸在運轉中產生顫動，開有刀軸孔的兩機架側面的平行度公差控制在0.01 mm以下，相對于基面A，端面跳動公差控制在0.006 mm以下，相對于基面B，垂直度公差控制在0.02 mm以下；兩刀軸孔的圓柱度公差控制在0.004 mm以下，相對于基面A的平行度公差控制在0.01 mm以下，相對于基面B的平行度公差控制在0.02 mm以下；以A面為基準，面B的垂直度公差控制在0.08 mm以下。

圖6 圓盤剪機架零件圖

5 刀軸結構優(yōu)化

圓盤剪刀軸是圓盤剪剪切過程中主要受載零件，因此刀軸要具有一定的承載能力。同時，刀軸的徑向變形量直接影響重疊量的大小，刀軸的軸向變形量直接影響側向間隙的大小，進而影響帶鋼剪切質量。因此，刀軸結構優(yōu)化應保證刀軸具有足夠強度，同時盡量增強刀軸剛度，減小變形量，在此基礎上使刀軸重量最小。本文應用Ansys Workbench軟件對刀軸進行分析與優(yōu)化。

5.1 建立刀軸模型

在進行有限元分析之前，需對建立刀軸模型，由于圓盤剪兩側刀盤關于設備剪切中心線對稱布置，因而只對一側建立刀軸模型。由于上、下刀軸結構形式極其相似，因此有限元分析過程僅以下刀軸為例。

利用SolidWorks建立圓盤剪下刀軸模型，導入Ansys Workbench中。綜合考慮有限元網格劃分特點及計算機性能，需對模型做必要簡化，其中軸承簡化為內圈、滾子和外圈三部分。網格單元大小為10 mm。

5.2 定義接觸

在結構分析中，接觸的定義表示部件之間的相互作用關系，提供了部件之間載荷傳遞的方法。根據圓盤剪刀軸的結構形式，刀軸分別與軸承內圈、刀墊內圈接觸，刀盤側面與刀墊側面接觸，刀墊另一側與刀軸軸肩接觸。依據機械設計手冊，剛-剛接觸摩擦因數定義為0.15，圓柱滾子軸承處摩擦因數定義為0.002。

5.3 添加約束及載荷

根據圓盤剪的實際剪切情況，前后雙列圓柱滾子軸承為主要支撐件，需在軸承外圈添加Cylindrical Support，即圓柱面約束，同時限制滾子軸向自由度。刀軸上的載荷來源于剪切力，剪切力作用于刀盤上，因此在刀盤上表面施加遠程力，方向定義為“-”，表示壓力，大小為5 182.3 N。另外，在剪切過程中，刀軸處于旋轉狀態(tài)，故在刀軸傳動端施加慣性載荷，即轉速，大小為3.18 rad／s。

5.4 求解與分析

求解項主要包括兩方面：一是刀軸應力應變分布情況，二是刀軸在軸向和徑向的變形情況。刀軸應力應變分布情況如圖7中（a）、（b）所示，最大應力應變出現在刀軸與軸承接觸處，出現在上表面，大小為7.5896 MPa；刀軸總應變?yōu)?.0075484 mm；刀軸徑向最大變形量約為0.0075484 mm，軸向最大變形量約為0.0047 mm。

圖7 有限元分析結果

5.5 優(yōu)化設計

應用Design Explorer模塊調入目標驅動優(yōu)化工具進行實驗設計，設計變量為刀軸各段直徑D1～D8，目標變量為刀軸質量M，刀軸的最大應力值、軸向及徑向最大變形量為輸出參數，分別為T、Dx和Dy。優(yōu)化模型為

110≤D1≤160

160≤D2≤220

100≤D3≤145

90≤D4≤130

設計變量：

70≤D5≤110

60≤D6≤99

60≤D7≤95

36≤D8≤44

目標函數：Min M｛D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D 8｝Dx≤0.0047

約束條件：Dy≤0.0076 T≤7.5896

實驗設計點為100，設計變量為連續(xù)變量，以中心組合的實驗設計方式［10］，分析計算后的結果如表1所示。

表1 優(yōu)化設計結果

通過實驗結果可知，優(yōu)化后刀軸的應力應變情況有所改善，優(yōu)化后的刀軸質量較優(yōu)化前減少26%，對于減輕設備總體重量，降低成本具有重要意義。

6 總 結

（1）分析了機架開度調整機構、剪刃重疊量調整機構、剪刃側向間隙調整機構的設計特點及工作原理，并推導出間隙量調整的數學模型，對于計算機構的調整精度及調整范圍有借鑒意義。

（2）提出了圓盤剪基本參數的選擇及計算方法，明確指出剪切力計算公式的使用條件，分析了剪刃側向間隙和重疊量對剪切質量的影響，對合理選擇工藝參數有重要影響。

（3）根據圓盤剪實際工作狀況，提出了圓盤剪刀軸、機架的結構形式及形位公差的設計方法。合理的結構設計及對公差的嚴格控制，有效減少刀具磨損，使換刀方便、高效，保證了高精度剪切。

（4）應用有限元分析軟件，對刀軸強度及剛度進行分析，分析結果表明，最大應力出現在刀軸與軸承接觸處。因此，對于刀軸的設計與改進中，軸承安裝處的軸徑應盡量大些，同時盡可能減少剪切端刀軸的懸伸量。

（5）刀軸優(yōu)化結果顯示，刀軸在保證較高強度與剛度的同時，很大程度上減少刀軸質量，對于縮小設備尺寸，減輕設備重量，降低成本具有重要意義。

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