新型碎邊剪結(jié)構(gòu)分析及剪刃側(cè)間隙的調(diào)整模型

冀俊杰，景群平，馮 沙，張勇安，任玉成

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

硅鋼是電力、電子、電機(jī)、變壓器、家用電器、儀器儀表等行業(yè)不可缺少的重要軟磁合金。低鐵損、高磁感硅鋼是鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中鋼鐵重點(diǎn)升級(jí)產(chǎn)品。

高磁感冷軋取向硅鋼又稱Hib 鋼，被譽(yù)為取向硅鋼"家族"中的頂尖級(jí)產(chǎn)品，厚度薄、磁感高、鐵損低、超寬幅，生產(chǎn)工藝極為復(fù)雜，是制造特大型節(jié)能變壓器的關(guān)鍵材料。目前能夠生產(chǎn)Hib 鋼的企業(yè)全球只有七家，而根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，2012 年武鋼股份Hib 鋼的產(chǎn)量?jī)H可達(dá)到30 萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)需求。

截止2011 年之前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)硅鋼的精整剪切設(shè)備全部依賴進(jìn)口，更遑論生產(chǎn)Hib極品硅鋼的剪切設(shè)備了。中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司立足某鋼鐵企業(yè)高端硅鋼產(chǎn)品技改項(xiàng)目，針對(duì)Hib 鋼超薄(厚度僅為0.15～0.35 mm)、易脆、邊裂深(最深邊裂有40 mm)、邊浪高(可達(dá)到30～40 mm)、剪切廢邊無(wú)法卷取的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出一種新型的薄板碎邊剪。

薄板碎邊剪剪刃側(cè)隙約為帶材厚度的1/10，以剪切0.2 mm 的薄板為例，剪刃間隙需調(diào)整為0.02～0.03 mm，薄板剪刃側(cè)隙相對(duì)厚板剪刃側(cè)隙要成倍減小，側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的精度要相對(duì)于厚板剪切機(jī)側(cè)隙調(diào)整精度成倍數(shù)提高。

本文通過(guò)分析現(xiàn)有生產(chǎn)常規(guī)鋼鐵產(chǎn)品碎邊剪的結(jié)構(gòu)，著重對(duì)剪切0.2～0.3 mm 的新型薄板碎邊剪的碎邊剪側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)及刀片安裝旋向與齒輪旋向相對(duì)布置關(guān)系進(jìn)行探討，說(shuō)明其滿足生產(chǎn)Hib 鋼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并由此設(shè)計(jì)出適合薄板碎邊剪的側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)出剪刃側(cè)向間隙調(diào)整的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化刀片旋向布置與齒輪旋向間的布置關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制側(cè)隙奠定基礎(chǔ)。

1 碎邊剪結(jié)構(gòu)分析

碎邊剪剪刃布置分為平行布置、傾斜布置、及螺旋布置三種方式，目前普遍采用傾斜布置剪刃的方式，實(shí)現(xiàn)剪刃側(cè)間隙自動(dòng)化調(diào)整的基礎(chǔ)在于數(shù)學(xué)模型的建立。數(shù)學(xué)模型的建立為優(yōu)化剪刃布置方式與齒輪布置方式關(guān)系提供理論依據(jù)。

傳統(tǒng)厚板碎邊剪結(jié)構(gòu)如圖1 所示。傳統(tǒng)中厚板碎邊剪剪刃側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)對(duì)于剪切中厚板是合適的，蝸輪蝸桿的機(jī)械精度及誤差對(duì)于厚板剪刃間隙的影響比例在允許范圍內(nèi)。對(duì)于薄板碎邊剪剪刃間隙約為0.03 mm，蝸輪蝸桿的機(jī)械精度已無(wú)法滿足此項(xiàng)要求，因此蝸輪蝸桿調(diào)整側(cè)隙的方式在薄板碎邊剪中是不適用的。

圖1 傳統(tǒng)中厚板碎邊剪機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanism diagram of traditional scrap cutter suitable for moderate thickness plate

2 新型薄板碎邊剪結(jié)構(gòu)

碎邊剪工作時(shí)下刀軸傳動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)齒輪與正副齒輪同速傳動(dòng)，上下刀盤同速旋轉(zhuǎn)各對(duì)刀片形成剪切，如圖2、圖3 所示。各對(duì)刀片側(cè)間隙的同步調(diào)整是通過(guò)上刀軸的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖2 碎邊剪結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of scrap cutter

圖3 刀盤剪刃布置結(jié)構(gòu)Fig.3 Blade arrangement of cutter

3 新型薄板碎邊剪剪刃側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)

刀盤刀片布置見(jiàn)圖3。設(shè)定刀片布置斜度15°，斜齒輪角度11°28'42″。刀片側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)Fig.4 Side clearance adjusting mechanism

此種側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺紋副傳動(dòng)，移動(dòng)小軸前后移動(dòng)推動(dòng)上刀軸移動(dòng)，螺紋副采用正副螺母，消除移動(dòng)小軸軸向竄動(dòng)，控制側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)自身的竄動(dòng)對(duì)剪刃側(cè)隙的影響。

4 剪刃側(cè)間隙調(diào)整模型分析

通過(guò)調(diào)整機(jī)構(gòu)推動(dòng)上刀軸向前移動(dòng)調(diào)整側(cè)間隙。在此過(guò)程中有兩個(gè)因素決定側(cè)間隙變化的大小:①上刀軸向前的移動(dòng)量;②上刀軸向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的上下刀軸旋轉(zhuǎn)量。

通過(guò)計(jì)算以上兩個(gè)因素對(duì)側(cè)間隙的影響量，可以推導(dǎo)出側(cè)間隙變化的數(shù)學(xué)模型，為側(cè)間隙自動(dòng)化控制提供模型，實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化。

剪刃傾斜方向與齒輪旋向有兩種情況存在①旋向一致;②旋向相反。

5 剪刃側(cè)間隙數(shù)學(xué)模型建立

(1)側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺紋或滾珠絲杠進(jìn)行上刀軸的橫向移動(dòng)，設(shè)定其導(dǎo)程為p。設(shè)定刀片旋向角度為α 齒輪旋向角度為β，α 與β 旋向相同(見(jiàn)圖5)。上刀軸單位移動(dòng)量側(cè)間隙變化量。

不考慮旋轉(zhuǎn)，單軸向移動(dòng)對(duì)側(cè)間隙的影響:刀片側(cè)間隙變化值

單考慮旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)間隙影響:刀軸橫向移動(dòng)p，其旋轉(zhuǎn)圓弧長(zhǎng)度為

(此旋轉(zhuǎn)量為相對(duì)旋轉(zhuǎn))

刀盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)圓弧長(zhǎng)度:

式中，D1為齒輪分度圓，D2為刀盤回轉(zhuǎn)直徑。

式中，Δh為刀片重疊量。

相對(duì)旋轉(zhuǎn)l'后，側(cè)間隙變化值

從圖5 可看出dip2的變化方向與dip1的變化方向相反

圖5 α 與β 旋向相同F(xiàn)ig.5 α and β spin in same direction

由此可知α ＞β 時(shí)有側(cè)間隙產(chǎn)生，α ＜β 側(cè)間隙縮小，刀軸移動(dòng)方向需改變。

②設(shè)定刀片旋向角度為α 齒輪旋向角度為βα 與β 旋向相反(見(jiàn)圖6)。

上刀軸單位移動(dòng)量側(cè)間隙變化量

不考慮旋轉(zhuǎn)，單軸向移動(dòng)對(duì)側(cè)間隙的影響:刀片側(cè)間隙變化值

單考慮旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)間隙影響:刀軸橫向移動(dòng)P，其旋轉(zhuǎn)圓弧長(zhǎng)度為

(此旋轉(zhuǎn)量為相對(duì)旋轉(zhuǎn))

刀盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)圓弧長(zhǎng)度:

式中，D1為齒輪分度圓，D2為刀盤回轉(zhuǎn)直徑。

相對(duì)旋轉(zhuǎn)l'后，側(cè)間隙變化值

從圖6 可看出dip2的變化方向與dip1的變化方向相同。

圖6 α 與β 旋向相反Fig.6 α and β spin in opposite direction

以上數(shù)學(xué)模型的得出為自動(dòng)調(diào)整剪刃側(cè)間隙提供了數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。

從以上分析可以得出，剪切厚板時(shí)所需的側(cè)間隙值大，側(cè)間隙調(diào)整量大需快速得到預(yù)定值，建議選取α 與β 旋向相反的布置結(jié)構(gòu)，當(dāng)剪切硅鋼薄帶(0.2～0.5 mm)時(shí)所需的側(cè)間隙值為0.02～0.05 mm，側(cè)間隙調(diào)整量為0.001 mm，為了精確得到側(cè)間隙預(yù)定值，選取剪刃傾斜方向與齒輪旋向相同的布置結(jié)構(gòu)。新型薄板碎邊剪采用剪刃傾斜方向與齒輪旋向相同的布置結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

新型薄板碎邊剪側(cè)隙調(diào)整采用新型側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，采用適用薄板剪切間隙的刀片旋向布置和齒輪旋向布置。上述兩種新型結(jié)構(gòu)和布置，為新型薄板碎邊剪實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)及模型。

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