冷軋板帶材切邊圓盤剪側(cè)向間隙及其精度的探討

景群平,張勇安,許展望,王曉慧

(1.中國重型機(jī)械研究院有限公司,陜西 西安 710032;2.太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,山西 太原 030024)

1 概述

切邊圓盤剪是金屬板帶精整作業(yè)線的核心設(shè)備之一。由中國重型院設(shè)計(jì)、制造并成套的高精度全自動(dòng)切邊圓盤剪已成功應(yīng)用于寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠精整線,其自動(dòng)化程度、調(diào)整精度、設(shè)備制造水平及切邊質(zhì)量等已經(jīng)達(dá)到國外同類設(shè)備水平。

用戶對圓盤剪的調(diào)整越來越傾向于全自動(dòng)調(diào)整。全自動(dòng)調(diào)整是指帶材參數(shù)的自動(dòng)傳輸,調(diào)整目標(biāo)值的自動(dòng)計(jì)算,調(diào)整位置自動(dòng)反饋,調(diào)整過程的邏輯控制。而重疊量調(diào)整精度、側(cè)向間隙調(diào)整精度以及刀盤側(cè)向間隙在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性 (即刀盤端面跳動(dòng)保證在一定范圍內(nèi))是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。

文獻(xiàn)[1,2]綜合分析了影響圓盤剪重疊量調(diào)整精度的諸多因素,給出了高精度圓盤剪重疊量調(diào)整的控制方法。本文根據(jù)影響上、下刀盤端面跳動(dòng)精度的各個(gè)零件形位公差的因素結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)及制造、傳感器位置檢測與電氣控制,探討了提高側(cè)向間隙精度和穩(wěn)定性的措施,給出了影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計(jì)算方法。

2 側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)原理分析

2.1 側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)

側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖 1所示,調(diào)整裝置安裝在上刀軸箱上,采用高剛性的直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向元件,通過變頻調(diào)速齒輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠使螺母升降帶動(dòng)斜楔塊上下移動(dòng),而斜楔塊將直線導(dǎo)軌滑塊的直線運(yùn)動(dòng)方向改變 90°,從而使得上刀軸產(chǎn)生水平移動(dòng),達(dá)到調(diào)節(jié)刀刃側(cè)向間隙的目的。

圖 1 側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)原理示意圖

2.2 側(cè)向間隙調(diào)整的電氣控制方法

影響側(cè)間隙調(diào)整精度的重要因素之一是傳動(dòng)鏈中的機(jī)構(gòu)間隙。消除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間隙的方法在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)描述。

切邊圓盤剪的操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)的側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)分別由兩臺(tái)變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用變頻調(diào)速裝置控制,調(diào)整的起始階段采用較高速度,接近目標(biāo)值時(shí),以較低的速度逼近目標(biāo)值,可全自動(dòng)完成整個(gè)調(diào)整過程。

在上位計(jì)算機(jī)或觸摸屏上設(shè)定和顯示圓盤剪側(cè)間隙調(diào)整電機(jī)的傳動(dòng)參數(shù)和側(cè)間隙的調(diào)整值。圖 2為側(cè)間隙調(diào)整的電氣控制系統(tǒng)框圖。上位計(jì)算機(jī)或觸摸屏通過網(wǎng)絡(luò)通訊傳送帶材的參數(shù)給可編程控制器,可編程控制器按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算出側(cè)間隙的目標(biāo)值,并和檢測元件測量的實(shí)際值進(jìn)行比較,通過變頻器控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)側(cè)間隙的調(diào)整。

圖 2 側(cè)向間隙調(diào)整的電氣控制系統(tǒng)框圖

3 關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計(jì)

3.1 影響切邊質(zhì)量的因素分析及相關(guān)指標(biāo)的檢測方法

板帶材的剪切斷面質(zhì)量與側(cè)向間隙調(diào)整精度以及刀盤側(cè)向間隙在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對于不同厚度與不同材質(zhì)(主要指機(jī)械性能)的板材,要求圓盤剪有不同的側(cè)向間隙值與其相對應(yīng)。圓盤剪的側(cè)向間隙值能保證刀軸的軸向竄動(dòng)和刀盤的端面跳動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)。

在工程實(shí)踐中,刀軸的軸向竄動(dòng)是通過裝配預(yù)緊來保證,其測量方法是將千分表的觸頭頂在刀軸軸端,用撬杠軸向撬動(dòng)刀軸,軸向前后撬動(dòng)力約 1 000 N,計(jì)量千分表最大差值。對于上、下刀盤端面跳動(dòng)的測量分別以上、下刀軸的軸線為旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸線,將千分表的表座固定在機(jī)架的適當(dāng)位置,千分表的觸頭頂在刀盤端面的最外端,旋轉(zhuǎn)刀軸,計(jì)量千分表的最大差值。

3.2 關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計(jì)方法

裝配零件位置關(guān)系的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為建立裝配尺寸鏈[3],用圖形來描述位置關(guān)系,由于位置涉及不同的方向,因此畫出的尺寸鏈圖較復(fù)雜,也很容易把位置關(guān)系搞錯(cuò),對于復(fù)雜裝配體更是如此。裝配尺寸式[4]是一種描述裝配尺寸或位置關(guān)系的新方法,該方法不需繪圖、建立尺寸或位置關(guān)系方便,便于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。圖 3為圓盤剪的上下刀軸裝配示意圖,圖中共有 13個(gè)裝配要素,即:A2為上刀剪切面,B2,3為上刀盤與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),C3,1為上主軸與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),D1,4為上主軸軸頸與軸承內(nèi)孔的裝配基準(zhǔn)軸線,M4,5為上偏心套與軸承的裝配基準(zhǔn)軸線;H5,6為上偏心套與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線,K6,7為機(jī)架上孔與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線,E11,8為下主軸軸頸與軸承內(nèi)孔的裝配基準(zhǔn)軸線,J12,11為下偏心套與軸承的裝配基準(zhǔn)軸線,P13,12為下偏心套與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線;Q7,13為銅套與機(jī)架的裝配基準(zhǔn)軸線;G10,9為下刀盤與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),也是下刀盤的剪切面;F8,10為下主軸與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn)。

經(jīng)分析,圖 3中描述封閉環(huán)與組成環(huán)位置關(guān)系的裝配尺寸式如下:

圖 3 上、下刀軸裝配示意圖

式中,A2∥B2,3為零件 2(上刀盤)兩個(gè)端面的平行度;A2↗D1,4為剪切面 A2對其刀軸軸線 D1,4的跳動(dòng);同理類推。

由于零件 6、13與零件 7是過盈裝配,公式(3)可以簡化為 (同時(shí)將下標(biāo) 6與 13改為 7),即

3.3 算例

本文以上、下刀盤剪切面端面跳動(dòng)誤差為0.005 mm、上、下刀軸空間平行度 0.02 mm為目標(biāo)來確定相關(guān)零件的形位公差。

公式 (1)、(2)與公式 (3)建立的裝配尺寸式描述了封閉環(huán)與組成環(huán)的位置關(guān)系,據(jù)此可以計(jì)算確定相關(guān)組成環(huán)的位置公差,包括尺寸式計(jì)算[5]與公差分配兩部分內(nèi)容。

圓盤剪參數(shù):刀盤直徑 320 mm;隔環(huán)直徑250 mm;上刀軸軸肩距離后支撐軸承 395 mm。

根據(jù)文獻(xiàn) [6]中的 GB/T 1184-1996,查得:δ(A2∥B2,3)=0.005 mm,δ(B2,3∥C3,1)=0.004 mm,δ(C3,1↗D1,4)=0.004 mm。引入調(diào)整系數(shù) k1,根據(jù)概率法計(jì)算與上、下刀盤端面跳動(dòng)有關(guān)零件的形位公差如下。

同樣,根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的 GB/T 1184-1996,并引入調(diào)整系數(shù) k2,根據(jù)概率法計(jì)算與上、下刀軸空間平行度有關(guān)零件的形位公差如下。

到此,影響剪刃端面跳動(dòng)及剪切面平行度的全部零件的位置公差全部確定完,即按照該位置公差對零件進(jìn)行加工,裝配后能夠滿足剪切面端面跳動(dòng)不大于 0.005 mm,上下刀盤剪切面平行度不大于 0.02 mm。

4 結(jié)論

該切邊圓盤剪已在國內(nèi)幾個(gè)主要大型鋼鐵企業(yè)如寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠等成功推廣應(yīng)用了八套,取得了良好的效果。通過工程實(shí)際應(yīng)用,切邊圓盤剪的側(cè)向間隙及其精度有如下結(jié)論。

(1)采用側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大速比傳動(dòng),目前工業(yè)應(yīng)用中的幾臺(tái)圓盤剪側(cè)向間隙調(diào)整綜合精度可與國外圓盤剪相媲美;

(2)基于上、下刀盤端面跳動(dòng)精度的關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計(jì)方法,保證了剪切高端板材對圓盤剪刀盤端面跳動(dòng)的高要求;

(3)提出影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計(jì)算方法,保證了重疊量調(diào)整精度的穩(wěn)定性。

[1] 許展望,張勇安,景群平等.高精度圓盤剪重疊量調(diào)整控制方法的研究 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,(21):161-163.

[2] 景群平,張勇安,王社昌等.冷軋板帶材切邊圓盤剪重疊量調(diào)整方法探討[J].重型機(jī)械,2008,(1):35-39.

[3] 顧崇銜.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1980:89-95.

[4] 王曉慧,李改全,吉慧琴.裝配尺寸式的研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2008,15(3):170-172.

[5] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:172-173.

[6] 重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)第 1卷[M].云南:云南出版集團(tuán)公司,2008,349-350.