新型橢圓刃碎邊機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

郭 岱

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471039)

在有色金屬板帶材冷軋和精整生產(chǎn)中，需要進(jìn)行切邊，然后用碎邊機(jī)將剪切下來的廢邊進(jìn)行切碎處理。隨著冷軋和精整設(shè)備的發(fā)展，對(duì)于碎邊機(jī)的工作速度、穩(wěn)定性和低噪音也提出了更高的要求。目前雙滾筒式碎邊機(jī)由于其剪切沖擊較小，使用范圍廣及工作噪音低等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了場的主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)的滾筒式碎邊機(jī)使用螺旋刃刀盤如圖1所示，每個(gè)刀盤上均裝有三個(gè)弧面刀片，將弧面刀片的刀刃加工成螺旋線形成螺旋刃，然后用一個(gè)螺栓直接將刀片固定到刀盤。

圖1 螺旋刃刀盤 圖2 橢圓刃碎邊機(jī)示意圖

這種螺旋刃刀片的加工難度較大，并且在碎邊工作工程中容易出現(xiàn)螺栓松動(dòng)導(dǎo)致刀片碰撞損壞，影響生產(chǎn)效率。為了解決螺旋刃碎邊機(jī)的這些問題，我們開發(fā)研制了一種新型橢圓刃碎邊機(jī)。

1 橢圓刃碎邊機(jī)原理介紹

橢圓刃碎邊機(jī)(如圖2所示)的刀頭主要由刀盤、刀片、壓板組成。刀片和壓板通過斜面接觸壓靠，通過壓板將刀片壓緊固定于刀盤的刀槽內(nèi)。刀片的頂部為圓柱面，刀片側(cè)面垂直于圓柱面但是與刀盤中心線有一個(gè)夾角，因此刀片的頂部和側(cè)面交線(即刀刃)為橢圓線。一對(duì)刀片在工作過程中為三維空間的滾動(dòng)咬合形式，一對(duì)橢圓線刀刃隨著刀盤滾動(dòng)逐漸咬合，在剪切瞬間近似為雙斜刃的逐漸剪切過程，剪切沖擊小，工作平穩(wěn)，噪音小。

這種刀片的固定形式比較可靠，大大提高了刀頭工作的穩(wěn)定性。并且，這種刀片加工難度小，橢圓線刀刃的實(shí)現(xiàn)可以通過先加工一個(gè)圓柱面，然后加工一個(gè)垂直于圓柱面但是與圓柱中心線有一個(gè)夾角的平面，通過這個(gè)平面切割圓柱面，就可以自然形成橢圓線。這樣通過兩個(gè)基本加工手段得出的刀刃就能夠比較容易保證精度和互換性，有利于提高碎邊機(jī)工作的穩(wěn)定性和連續(xù)性。并且在生產(chǎn)維護(hù)中容易修磨刀刃，并且刀片結(jié)構(gòu)允許通過墊片來補(bǔ)償?shù)镀弈チ俊?/p>

但是，在安裝調(diào)試及生產(chǎn)維護(hù)中需要注意的是，每個(gè)刀片和壓板上要求打上鋼印標(biāo)記，安裝需要將每一對(duì)刀片的側(cè)隙和重合量調(diào)整相同。刀片的修磨維護(hù)也必須成對(duì)進(jìn)行，修磨后也要保證每一對(duì)刀片的側(cè)隙和重合量調(diào)整相同。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步調(diào)整刀片的側(cè)隙，以適應(yīng)剪切板帶材厚度的變化。

2 橢圓刃碎邊機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

由于這種橢圓刃碎邊機(jī)在工作過程中是一個(gè)刀盤滾動(dòng)的同時(shí)在三維空間內(nèi)橢圓線刀刃咬合剪切的過程，在剪切瞬間近似為雙剪剪切過程，因此我們計(jì)算碎邊機(jī)剪切力P使用公式[1]。

式中 P——總剪切力，N；

a——單位剪切功，N·mm/mm3；

a=k4σbk5δ5;

S——與切頭長短有關(guān)的系數(shù)；

Y——刀片側(cè)向間隙△與切板帶材厚度h的比值，Y=△/h；

X——切板面到壓板中心之間的距離與切板帶材厚度的比值，X=C/h；

a——剪切角；

δ5——被剪切金屬試樣斷裂時(shí)的相對(duì)延伸率，%；

σb——被剪切金屬的強(qiáng)度極限，N/mm2。

由于碎邊機(jī)工作為冷剪過程，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取系數(shù)K4=0.6，K5=1.0；而碎邊長度要求一般為100～150mm，較碎邊寬度較長，因此取系數(shù)S=0.95；由于碎邊機(jī)前通常不設(shè)壓板，因此在計(jì)算時(shí)取系數(shù)X=10。

圖3 剪切狀態(tài)示意圖

在計(jì)算嚙合式刀盤的剪切扭矩時(shí)，首先按照滾筒式剪切進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示：

M=n(M1+M2+M3)

式中 M——作用于刀軸上的扭矩，Nmm；

n——工作刀盤的對(duì)數(shù)；

M1——刀盤的剪切扭矩；

M1=P·D@sinφ，Nmm；

S——上下刀盤重合量，mm；

ε0——金屬的相對(duì)切入深度，根據(jù)試驗(yàn)觀測經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)取ε0=1.3δ5；

M2——刀盤軸支承中的摩擦力矩，Nmm；

M2=p·d·f

d——軸承內(nèi)徑，mm；

f——軸承摩擦系數(shù)；

M3——刀片磨鈍等其它原因增加的附加力矩。

我們把刀軸中摩擦力矩考慮在電機(jī)的傳動(dòng)效率中，刀片磨鈍或其他情況造成的額外損耗后的附加力矩M3用系數(shù)K來表示，可以得出剪切功率的計(jì)算公式：

式中 K——刀片磨鈍或其他情況造成的損耗系數(shù)，取K=1.1～1.3；

v——帶材運(yùn)動(dòng)速度，m/min；

D——刀盤直徑，m；

η ——傳動(dòng)效率，取η=0.95～0.9；

但是此時(shí)得到剪切功率N是在假設(shè)剪切力全部作用于咬入點(diǎn)時(shí)得出的，這與直刃剪比較接近。實(shí)際對(duì)于橢圓刃剪切，剪切作用面的軸向投影并不全位于咬入角所對(duì)應(yīng)的AC平面內(nèi)，而是在ABC區(qū)域中(見圖3)，因此剪切合力的作用點(diǎn)應(yīng)位于角度ψ中的某一點(diǎn)。所以橢圓刃的剪切力臂要小于(D·sinθ)/2。因此按照上述公式計(jì)算出的剪切扭矩和電機(jī)功率就偏大，需要引入修正系數(shù)J，根據(jù)圖示分析可以得出：

滾切角：ψ=ψ1-ψ2

可以得出ψ1、ψ2、ψ對(duì)應(yīng)的接觸弧長分別為：

S1=(D·sinψ1)/2

S2=(D·sinψ2)/2

S3=S1-S2=D·(sinψ1-sinψ2)/2，我們分析認(rèn)為合力作用點(diǎn)位于角度ψ中的某一點(diǎn)，所遇合力作用點(diǎn)對(duì)刀軸的力臂為：

S=S2+S3/2=D·(sinψ1+sinψ2)/4

所以計(jì)算修正系數(shù)為：

所以，最終得到剪切功率的計(jì)算公式：

我們?yōu)槟秤猩饘偌庸S開發(fā)設(shè)計(jì)的橢圓刃碎邊機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：剪切材料的機(jī)械性能為σb=450MPa·δ5=0.1083；切邊厚度0.5～2.5mm，設(shè)計(jì)橢圓刃夾角β=11°，刀片設(shè)定側(cè)隙△=0.1mm；要求機(jī)組切邊速度為300m/min，碎邊長度要求100～150mm，刀盤對(duì)數(shù)為2對(duì)，刀具直徑180.5mm，刀盤中心距α=180mm，刀盤直徑180.5mm。

此時(shí)在計(jì)算剪切力時(shí)，對(duì)剪切角α的選取進(jìn)行了討論。有的文獻(xiàn)認(rèn)為剪切角α即為刀片傾斜角β=11°，但是如果按照剪切瞬間近似雙斜刃的剪切狀態(tài)，我們認(rèn)為剪切角α應(yīng)為剪切時(shí)刀刃圓弧夾角的一半2°。我們分別按照上述兩種假設(shè)剪切角的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算比較，得出的不同結(jié)果如下：

(1)α=11°時(shí)，P=2.28kN，剪切扭矩 M=111Nm，要求電機(jī)功率 N=7.13KW；

(2)α=2°時(shí)，P=6.57kN，剪切扭矩 M=320Nm，要求電機(jī)功率 N=20.6KW；

在計(jì)入摩擦阻力之后，出于開發(fā)設(shè)計(jì)的保守選擇考慮，最終選定交流變頻電機(jī)YTSP250M-8，30kW，轉(zhuǎn)速n=750r/min。通過試車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選取α=2°取得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為接近，所以我們認(rèn)為選取α=2°較為合理。選取的電機(jī)可以滿足需要，并且能夠?qū)羟兴俣冗M(jìn)行變頻控制。

在速度控制方面，為了保證廢邊保持一定的張力便于送料，控制刀盤線速度高于送料速度4%左右。

3 結(jié)束語

① 試車結(jié)果表碎邊機(jī)工作情況良好，在設(shè)計(jì)厚度范圍內(nèi)的廢邊均可順利剪斷，并且剪切邊部光滑無毛刺，符合使用要求。

② 關(guān)于此類碎邊機(jī)的計(jì)算理論尚未完善，本文提出一種方法供同行參考。

[1] 軋鋼機(jī)械[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005年 邵家輝主編.

[2] 帶鋼精整設(shè)備[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979年 周國盈編.

[3] 張俊杰．新型螺旋刃碎邊機(jī)結(jié)構(gòu)及計(jì)算[J]．2000，(3):3-6.