事故液壓剪方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)要點(diǎn)分析

吳振彤，韓繼紅，宋憲國

剪切機(jī)是冶金設(shè)備的重要組成部分，對于軋制生產(chǎn)線尤為重要。剪切機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和大小直接關(guān)系到整條軋制生產(chǎn)線的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。剪切機(jī)的形式多種多樣，不同類型的剪切機(jī)在剪切原理和結(jié)構(gòu)上都有很大區(qū)別，選取適合的類型，確定適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，以最低的成本保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量是設(shè)計(jì)過程中追求的目標(biāo)。本文結(jié)合某鋁板熱軋機(jī)組中事故剪的設(shè)計(jì)過程，對不同類型的剪切機(jī)進(jìn)行分析比較，得出適合本機(jī)組的剪切機(jī)方案及主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 事故剪的用途和方案選擇

在我公司為某鋼廠設(shè)計(jì)制造的2300 mm鋁板熱軋機(jī)組中，事故剪用于當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)卡鋼、斷帶等事故時(shí)將帶材剪斷。此剪切機(jī)的工作任務(wù)是處理事故，因此不需要頻繁工作。被剪材料是鋁材，相對鋼材強(qiáng)度低，塑性好（見表1）。

1.1 驅(qū)動方式的選擇

目前軋線中各種剪切機(jī)大多使用電機(jī)或液壓缸驅(qū)動。使用電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于容易實(shí)現(xiàn)大功率和大的剪切力，工作可靠，剪切速度快，適合頻繁使用，但設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高；液壓缸驅(qū)動的剪切機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，控制方便，適合間歇工作，但在剪切力較大時(shí)密封困難，維護(hù)成本相對較高。因此在剪切大型方坯和板坯等剪切力較大并且工作時(shí)間較長的場合多用電機(jī)，剪切較寬較薄的板材并且工作時(shí)間較少的場合多用液壓缸。本次設(shè)計(jì)中的事故剪僅在出現(xiàn)事故時(shí)使用，所剪板材寬、薄，剪切力不大。因此選擇液壓缸驅(qū)動。

1.2 刀片形式的選擇

液壓剪有平行刀片和斜刀片兩種形式。用平行刀片剪切時(shí)，刀片與軋件整個(gè)寬度同時(shí)接觸，直至整個(gè)軋件被剪斷（見圖1（a））；用斜刀片剪切機(jī)剪切時(shí)，刀片與軋件接觸區(qū)長度不等于軋件整個(gè)斷面寬度，而僅僅是一條斜線BC。當(dāng)?shù)镀瑒偳腥胲埣r(shí)，刀片與軋件的接觸長度是變化的，由零逐漸增大到BC值，在穩(wěn)定剪切階段，接觸長度BC是一個(gè)常數(shù)，在剪切結(jié)束時(shí)，其接觸長度則由BC值逐漸減少到零。由于刀片與軋件接觸長度BC遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軋件寬度，所以，斜刀片剪切機(jī)剪切面積小，使剪切力得以減?。ㄒ妶D1（b））[1]。

圖1 兩種液壓剪刀片形式

鑒于以上特點(diǎn)，平行刀片剪切機(jī)多用于熱剪切初軋坯 (方坯、板坯)和其它方形及矩形斷面的鋼坯，斜刀片剪切機(jī)用來橫向冷剪或熱剪板材、帶鋼、冷板坯。本次設(shè)計(jì)軋材為熱狀態(tài)下的鋁板，最大厚度18 mm，寬度880～2150 mm。因此選擇斜刀片剪切機(jī)。

1.3 機(jī)架形式的選擇

根據(jù)剪切機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)形式，斜刀片剪切機(jī)可分為開式和閉式兩大類。開式機(jī)架一側(cè)有較大的側(cè)凹形空間，上、下刀臺安裝在這一空間進(jìn)行軋件的剪切（見圖2（a））。開式機(jī)架的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于觀察軋件剪切情況，但是機(jī)架剛性差。因此多用來剪切成束小型圓鋼，以及寬度不大的鋼板等軋件。閉式機(jī)架又分為焊接結(jié)構(gòu)和鑄造結(jié)構(gòu)兩種（見圖2（b）），焊接結(jié)構(gòu)工藝簡單、成本低，但是相對于鑄造結(jié)構(gòu)剛度差，一般剪切力較大的場合多用鑄造機(jī)架。本次設(shè)計(jì)板材最大寬度2150 mm，寬度較大，適合選用閉式機(jī)架，由于鋁板在熱狀態(tài)下剪切阻力小，且斷帶多發(fā)生在板材較薄的階段，剪切厚度不大，剪切力相對較小，故機(jī)架選用焊接結(jié)構(gòu)。

1.4 事故剪方案確定

圖2 兩種機(jī)架形式

通過以上分析，本設(shè)計(jì)選用液壓缸驅(qū)動、斜刀片、閉式焊接機(jī)架剪切機(jī)。根據(jù)剪切軋件時(shí)刀片的運(yùn)動特點(diǎn)，閉式機(jī)架斜刀片剪切機(jī)又可分為上切式和下切式兩種。液壓剪多采用下剪切的形式，也就是上剪刃固定，下剪刃向上運(yùn)動實(shí)現(xiàn)剪切動作?？紤]到事故液壓剪在鋁板熱軋機(jī)組中要允許較厚的板坯通過，而斷帶等事故又多發(fā)生在帶材較薄的道次，在剪切機(jī)不工作時(shí)，要求上剪刃能夠上升到較高的安全高度，工作時(shí)上剪刃又要能夠下降到軋制線附近。因此，液壓事故剪選用上、下剪刃都運(yùn)動的下切式斜刀片剪切機(jī)構(gòu)（見圖3）。

圖3 事故液壓件方案圖

液壓剪共有四個(gè)動作，處于等待工作狀態(tài)時(shí)液壓缸全部縮回，整個(gè)液壓剪重量由下?lián)鯄K10支撐。剪切時(shí)，無桿腔進(jìn)油，活塞桿伸出，液壓缸缸體下降，缸體通過拉桿9與上刀架1相連，上刀架1下降，遇到上擋塊11停止。上擋塊11的位置決定剪切位置。無桿腔繼續(xù)進(jìn)油，活塞桿伸出，帶動下刀架4上升，直至活塞桿全部伸出，完成剪切。剪切力完全由聯(lián)接上、下刀架的拉桿9承受，機(jī)架不受剪切力。剪切結(jié)束后，有桿腔進(jìn)油，活塞桿縮回，帶動下刀架4下降，遇到下?lián)鯄K10停止。有桿腔繼續(xù)進(jìn)油，活塞桿縮回，液壓缸缸體帶動上刀架1上升，直至活塞桿全部縮回。至此，完成一次完整剪切過程。

該方案使用兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸實(shí)現(xiàn)了上剪刃下降、上升，下剪刃上升、下降兩組動作，結(jié)構(gòu)合理，其動作原理類似剪刀。在手持剪刀剪切的過程中，手有兩個(gè)作用，一個(gè)是相當(dāng)于一個(gè)雙作用液壓缸，一個(gè)是起支撐固定作用（見圖4(a)）。將鉸鏈點(diǎn)打開，加上導(dǎo)向，就形成液壓剪剪切機(jī)構(gòu)（見圖4(b)）。

圖4 剪刀和液壓剪的機(jī)構(gòu)簡圖

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算和選取

2.1 剪切力計(jì)算

（1）靜力計(jì)算 剪切力計(jì)算公式較多，如柯洛遼夫公式、諾沙里公式和富姆公式等。文獻(xiàn) [2]推薦使用富姆公式，認(rèn)為從計(jì)算結(jié)果比較來看，該公式更符合實(shí)際情況。

式中，P—剪切力（N）；σb—強(qiáng)度極限（N/mm2）；h—板材最大厚度 （mm）；α—剪刃傾角（°）；c—兩刀片側(cè)向間隙（mm）。

（2）剪切力動態(tài)過程分析 斜刀片剪切機(jī)剪切時(shí)總是一側(cè)先進(jìn)入剪切狀態(tài)，隨著剪切進(jìn)行，剪切區(qū)域逐漸向另一側(cè)移動。不計(jì)摩擦阻力，以下刀架為受力分析的對象，下刀架受力包括作用于C點(diǎn)的剪切力P，作用于A、B兩點(diǎn)的液壓缸推力F。在剪切開始階段，剪切力作用點(diǎn)C靠左側(cè)，由于兩個(gè)液壓缸相同，無桿腔油壓也相同，其推力F也相同（見圖5），則下刀架受逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩

式中，M1—下刀架所受扭矩（N·m）；F—液壓缸推力（N）；L—液壓缸間距（mm）；l—剪切點(diǎn)至剪切側(cè)支點(diǎn)距離（mm）。

圖5 下刀架受力分析示意圖

此時(shí)，需要同步機(jī)構(gòu)阻止下刀架轉(zhuǎn)動，否則下刀架和機(jī)架間間隙將被擠死，增大其與機(jī)架間的摩擦力，加速滑板磨損，嚴(yán)重時(shí)可能卡死造成剪切機(jī)無法正常工作[3]。

在理想狀態(tài)下，同步機(jī)構(gòu)施加在下刀架上的轉(zhuǎn)矩M2應(yīng)與M1相抵消，即

式中，Q—拉桿的齒條部分作用在同步齒輪上的圓周力（N）；L1—拉桿中心距（mm）。

（3）同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 同步軸齒輪模數(shù)應(yīng)由作用在其上的圓周力Q所產(chǎn)生的齒根彎曲應(yīng)力確定；齒輪齒數(shù)太少不利于平穩(wěn)傳動，齒數(shù)太多浪費(fèi)材料，推薦取20～30，最好取奇數(shù)；在齒輪分度圓直徑一定時(shí)，同步軸直徑應(yīng)該做的盡量大，因?yàn)辇X輪直徑越大，扭矩越大，同步軸亦應(yīng)隨之加強(qiáng)，否則扭轉(zhuǎn)剛度不足將影響同步效果；應(yīng)限制同步齒輪的Ⅰ、Ⅱ組公差值，保證傳動準(zhǔn)確和平穩(wěn)；裝配完成后兩個(gè)同步齒輪應(yīng)在同一側(cè)和齒條貼合。

2.2 液壓缸的選擇

（1）液壓缸行程的確定 液壓缸行程由上刀架向下運(yùn)動的行程、下刀架向上剪切的行程和重合度三部分組成。上刀架行程由軋材最大厚度決定，上刀架升起后的最大高度應(yīng)保證最大厚度的帶材通過，并應(yīng)考慮帶材頭部翹起等因素。下刀架行程首先應(yīng)保證下刀刃升起后可以剪斷帶材并滿足重合度要求，其次在回落后，能夠保證下刀刃退到輥面以下，不影響帶材通過，并與帶材保持一定距離，以免刀刃受熱帶材烘烤快速鈍化。另外，對于斜刀片剪切機(jī)，還應(yīng)考慮由于刀片傾斜所帶來的行程的增加，即重合度應(yīng)由斜刀片遠(yuǎn)離平刀片的一端確定。

式中，Ly—液壓缸行程（mm）；H1—上剪刃距軋制線的距離（mm）；H2—下剪刃低點(diǎn)距軋制線的距離（mm）；△—上、下剪刃的重合度，本次設(shè)計(jì)取15 mm。

（2）活塞及活塞桿直徑的確定 剪切軋材時(shí)無桿腔進(jìn)油，液壓缸負(fù)荷包括剪切力、下刀架組件的重力和各部件摩擦力，即

式中，d—活塞直徑（mm）；G—下刀架組件重量（N）；p—液壓缸工作壓力（MPa）；η—考慮摩擦的工作效率，一般可取0.85～0.9。

剪切結(jié)束后，無桿腔進(jìn)油，下刀架下降、上刀架上升，液壓缸負(fù)荷僅為上刀架重量。上刀架重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剪切力，活塞桿直徑在可選規(guī)格中選取較大值，這樣可以增大液壓缸剛度，提高液壓剪工作穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 刀片傾斜角的確定

斜刀片剪切機(jī)斜刀片傾斜角α一般為1°～6°，剪切厚鋼板時(shí)為8°～12°[4]。由剪切力計(jì)算公式可知，刀片傾斜角α越大，剪切時(shí)的剪切力越小，但是刀片行程將會增加。最大允許剪切角αmax受軋材和刀片之間的摩擦條件的限制，當(dāng)α＞αmax時(shí)，被剪軋材將從剪口中滑出而不能完成剪切。傾斜角α的大小對剪切質(zhì)量也有影響，當(dāng)α很小時(shí)，在剪切斷面容易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。但是隨著傾斜角α增大，剪斷后的帶材的不平度也會增大，有些帶鋼精整線為此不得不增加壓平機(jī)[5]。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，有所取舍。一般薄板取傾斜角α=1°～6°，本次設(shè)計(jì)取 2.5°。

2.4 剪刃間隙的確定

剪刃間隙與剪切質(zhì)量有著密切的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]從帶材剪切的微觀過程分析出發(fā)，給出剪刃間隙的最佳值，

式中，t—帶材厚度（mm）；C0—剪刃間隙（mm）；εf—被剪軋材在剪切狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變。

從帶材的剪切過程可以發(fā)現(xiàn)，隨著剪切力的增加，帶材先是發(fā)生彈性變形，而后是塑性變形，被剪帶材表層金屬開始發(fā)生滑移，隨著滑移的增長，當(dāng)表面金屬變形達(dá)到極限值時(shí)，在某一點(diǎn)首先出現(xiàn)斷裂裂紋，隨著上、下刀架進(jìn)一步靠近，內(nèi)部金屬纖維也將產(chǎn)生斷裂裂紋，當(dāng)裂紋延伸最終貫穿金屬截面時(shí)，帶材即被剪斷。事實(shí)上，當(dāng)帶材在剪刃的擠壓下產(chǎn)生斷裂裂紋后，上、下剪刃只需要很小的運(yùn)動就可以將帶材剪斷，這個(gè)斷裂過程是非常迅速的。因此，我們用斷裂應(yīng)變作為表征被剪帶材的參數(shù)來表達(dá)其對剪刃間隙的影響。

由剪刃間隙與被剪軋材工藝參數(shù)間的關(guān)系式可知，當(dāng)斷裂應(yīng)變一定時(shí)，帶材厚度越大，所需要的剪刃間隙也越大，一般冷軋帶鋼的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是剪刃間隙為帶材厚度的10%左右。當(dāng)帶材厚度一定時(shí)，斷裂應(yīng)變越大，所需要的剪刃間隙越小。通常帶材塑性越好，斷裂應(yīng)變越大，對同一帶材，剪切溫度越高，斷裂應(yīng)變也越大。因此，同樣厚度的帶材，有色金屬比鋼材所需的剪刃間隙要??；同一厚度，同一材質(zhì)，熱狀態(tài)下剪切相對冷剪所需的剪刃間隙要小。

此外，剪刃間隙對剪切質(zhì)量也有直接影響，間隙大則剪切斷面有毛刺、倒角現(xiàn)象。間隙過小，容易造成剪刃過快鈍化[7]。對于要求帶材質(zhì)量較高的機(jī)組，由于帶材規(guī)格多，厚度相差較大，必要時(shí)需要增設(shè)剪刃間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)剪刃間隙取0.2 mm。

3 結(jié)語

本文試圖從方案設(shè)計(jì)角度對常見剪切機(jī)形式進(jìn)行對比分析，提出部分主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和確定依據(jù)，并通過剪切力動態(tài)分析闡明下刀架受力狀態(tài)，并提出同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供同類型剪切機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)參考。

[1]鄒家祥.《軋鋼機(jī)械》 [M].北京.冶金工業(yè)出版社.2007，286.

[2]周國盈.《帶鋼精整設(shè)備》 [M].機(jī)械工業(yè)出版社.1979，9.

[3]朱蔚，蔡誠.開卷線中液壓剪板機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn).鍛壓裝備與制造技術(shù)[J].2005.05:27.

[4]文慶明，李森林.《軋鋼機(jī)械》 [M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2004，279.

[5]趙金英，吳尚超,王振香.邯鋼中板廠精整線剪切機(jī)改造實(shí)踐.山東冶金 [J].2004.10:30.

[6]張永祥.剪切機(jī)最佳剪切間隙的研究.海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào) [J].1995.1:49.

[7]胡平.論剪切質(zhì)量的提高.南方金屬 [J].2003，4:10.