擺動(dòng)式橫切剪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析及剪刃側(cè)隙補(bǔ)償研究

董義君 劉小丹 陶有能 嚴(yán)國平 嚴(yán) 淑

(1:中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223；2:武漢凱比思電力設(shè)備有限公司 湖北武漢430223)

擺動(dòng)式橫切剪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析及剪刃側(cè)隙補(bǔ)償研究

董義君①1劉小丹2陶有能1嚴(yán)國平1嚴(yán) 淑1

(1:中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223；2:武漢凱比思電力設(shè)備有限公司 湖北武漢430223)

闡述了擺動(dòng)式橫切剪的剪切機(jī)構(gòu)，分析剪切過程并提取其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過對剪刃側(cè)隙的分析，建立了補(bǔ)償模型。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析繪制了剪刃側(cè)隙補(bǔ)償曲線。研究結(jié)果表明，按照剪刃側(cè)隙為0進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償曲線具有通用性，能夠滿足不同規(guī)格帶鋼對剪刃側(cè)隙的調(diào)整要求。

擺動(dòng)式橫切剪 運(yùn)動(dòng)學(xué) 剪刃側(cè)隙 補(bǔ)償

1 引言

擺動(dòng)式橫切剪在帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上應(yīng)用前景廣泛，可對帶鋼進(jìn)行切頭、切尾或定尺剪切。剪切后的帶鋼直接進(jìn)入焊機(jī)或作為成品卷包裝。因此，對剪切斷面質(zhì)量要求高，斷面必須平直、整齊。一些學(xué)者對剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量分析和仿真計(jì)算。楊春青等[1]對斜刀片剪切機(jī)剪切力進(jìn)行了分析；尤敏等[2]對雙層剪剪切力、剪刃側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析；陳潔[3]采用運(yùn)動(dòng)閉環(huán)矢量方程對曲柄搖桿式飛剪的剪刃側(cè)隙進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。這些文章主要對斜刀片剪切機(jī)、飛剪等剪切機(jī)的剪切力、側(cè)隙調(diào)整和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行計(jì)算和分析。鄧亨速等[4]對液壓擺式剪板機(jī)的幾何參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，其剪切對象為熱軋厚板，剪切質(zhì)量要求不高，剪刃側(cè)隙不需要補(bǔ)償。

擺動(dòng)式橫切剪用于剪切冷軋薄帶鋼，對剪刃側(cè)隙要求高，是近兩年研發(fā)出的新機(jī)型，未見涉及該機(jī)型的論文與報(bào)道。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1 剪切過程

擺動(dòng)式橫切剪的特點(diǎn)是下剪刃固定不動(dòng)，上剪刃繞固定鉸點(diǎn)擺動(dòng)(該“固定鉸點(diǎn)”位置可調(diào)，通過偏心軸調(diào)整好剪刃側(cè)隙后，固定偏心軸以固定該鉸點(diǎn)位置)。剪切動(dòng)作由上剪刃來完成，剪切機(jī)構(gòu)為多桿機(jī)構(gòu)。

下剪刃為矩形平剪刃，上剪刃為V形剪刃，如圖1所示。下剪刃安裝在機(jī)架上，固定不動(dòng)；上剪刃安裝在上刀架上，通過多桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，擺動(dòng)軌跡為一段弧線，如圖中雙點(diǎn)劃線所示軌跡線。剪刃從兩端A1、O1首先進(jìn)入剪切，依次為點(diǎn)A2、O2，一直到剪刃中間點(diǎn)An、On。多桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)到下極限位時(shí)，完成剪切。上剪刃沿原軌跡線返回，到達(dá)上極限位，即剪切準(zhǔn)備位，準(zhǔn)備下一次剪切動(dòng)作。

從剪切原理可以看出，上、下剪刃從A1、O1，A2、O2……到An、On，即從剪刃的兩端往中間依次進(jìn)入剪切，剪切區(qū)域小且為連續(xù)剪切，剪切力小，可有效減輕設(shè)備重量；左右對稱，受力均勻平衡，受力好。

圖1 上、下剪刃示意圖

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為求得剪切過程中上、下剪刃側(cè)隙的變化，必須建立擺動(dòng)式橫切剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

如圖2所示，該多桿機(jī)構(gòu)由桿1、桿2、桿3、桿4、油缸5及固定機(jī)架6(機(jī)架未示出)組成。通過調(diào)整桿1的角度，設(shè)定上剪刃在擺動(dòng)過程中的某一時(shí)刻，上剪刃中點(diǎn)An與下剪刃中點(diǎn)On重合(圖1)，該點(diǎn)作為本文中闡述的剪刃側(cè)隙補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)，然后固定桿1；上剪刃安裝在桿2上，隨桿2的擺動(dòng)而擺動(dòng)；下剪刃安裝在機(jī)架6上，固定不動(dòng)；桿3為連桿；桿4為擺動(dòng)桿，其中間為一固定鉸點(diǎn)，圖中雙點(diǎn)劃線示出桿4右端點(diǎn)軌跡線；油缸5最短行程時(shí)，對應(yīng)上剪刃上極限位，為剪切準(zhǔn)備位；最長行程時(shí)，對應(yīng)上剪刃下極限位，為剪切完成位。

圖2 擺動(dòng)式橫切剪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

3 剪刃側(cè)隙補(bǔ)償

剪刃側(cè)隙、重疊量及刃口狀態(tài)等對剪切質(zhì)量都有影響，剪刃側(cè)隙是起決定性作的[5]。

從圖2可以看出，上剪刃隨桿2一起繞固定鉸點(diǎn)C擺動(dòng)，圖中雙點(diǎn)劃線示出上剪刃剪切點(diǎn)A的軌跡線。該軌跡線表明，桿2擺動(dòng)中，上、下剪刃對應(yīng)的剪切點(diǎn)A、O有逐漸遠(yuǎn)離的趨勢。以上、下剪刃An、On重合作為補(bǔ)償基準(zhǔn)，則上剪刃A1、A2……An-1對應(yīng)下剪刃O1、O2……On-1在剪切過程中會(huì)發(fā)生干涉。

因此，為保證剪切過程中上、下剪刃相對剪切點(diǎn)之間的剪刃側(cè)隙的不變，必須對剪刃的側(cè)隙進(jìn)行補(bǔ)償。

3.1 補(bǔ)償模型

補(bǔ)償?shù)脑硎潜ＷC剪切過程中上、下剪刃剪切對應(yīng)點(diǎn)之間的距離不變，即剪刃側(cè)隙不發(fā)生改變。

如圖3所示，取剪切行程任一位置，上、下剪刃的相對位置圖。在下剪刃剪切點(diǎn)O建立坐標(biāo)系，X軸水平往右，Y軸豎直向上。

圖3 補(bǔ)償模型

下剪刃剪切點(diǎn)O(0，0)，與坐標(biāo)原點(diǎn)重合。上剪刃面向下剪刃一側(cè)剪切面建立A(x1，y1)，B(x2，y2)，過O做垂直與AB的輔助線，輔助線長度為h，則在該剪切位，上剪刃的補(bǔ)償量為h。

圖3右圖，為左圖的剪切點(diǎn)局部放大圖。直線AB與x軸相交于點(diǎn)C(x3，0)。

直線AB的直線方程公式為：

(1)

直線AB與x軸交點(diǎn)C(x3，0)，令(1)式中y=0，則：

(2)

整理上式，則：

(3)

根據(jù)直角三角形邊角關(guān)系，有：

h=OC×cosβ=x3×cosβ

(4)

(5)

根據(jù)直線方程斜率公式，有：

(6)

將式(3)、(5)、(6)帶入式(4)，則：

(7)

化簡上式，則：

(8)

剪切判據(jù)：

x1≤0≤x2

(9)

y1≤0≤y2

(10)

由(9)、(10)兩式判斷上、下剪刃是否進(jìn)入剪切。未進(jìn)入剪切時(shí)，不需要進(jìn)行剪刃補(bǔ)償；進(jìn)入剪切時(shí)，根據(jù)式(8)可以算出補(bǔ)償量。

補(bǔ)償后的上剪刃，在整個(gè)剪切過程中，可以實(shí)現(xiàn)上、下剪刃側(cè)隙為0。

3.2 補(bǔ)償曲線

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是指利用仿真軟件包反復(fù)求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束方程，通過積分獲得最終的速度(或加速度)，從而確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位置(和速度)。這樣，一個(gè)軟件包與通常求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方法相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最顯著的優(yōu)點(diǎn)是位置問題可以用軟件包隱式求解，使用者只需為仿真包提供適當(dāng)?shù)某跏紬l件即可以求解機(jī)構(gòu)在任意時(shí)刻的位置(和速度)問題。

如圖2 所示，驅(qū)動(dòng)油缸5從最短極限位伸長至最長極限位，再由最長極限位縮短至最短極限位，完成一次剪切動(dòng)作。

如圖4所示，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，可求得任一剪切點(diǎn)處，上剪刃上點(diǎn)A、點(diǎn)B的坐標(biāo)。帶入式(8)，可求得該點(diǎn)的補(bǔ)償值h的大小。

圖4 分量位移圖

通過對全剪切過程中剪切點(diǎn)的補(bǔ)償值計(jì)算，可求出上剪刃的補(bǔ)償曲線。如圖5所示，因全剪刃長度關(guān)于中間平面對稱，本圖顯示為上剪刃1/2補(bǔ)償模型。其補(bǔ)償值為0.00mm數(shù)量級，為能看出補(bǔ)償曲線規(guī)律，本圖中補(bǔ)償曲線采用了夸張畫法。

因上剪刃為V形刀刃，且剪切一定次數(shù)后刃口鈍化需要重新修磨，剪刃結(jié)構(gòu)必須簡單易于制造及修磨。所以，在上機(jī)架安裝上剪刃側(cè)按照補(bǔ)償曲線加工型面(補(bǔ)償曲線)，上剪刃通過螺栓組固定安裝在上刀架上，合理布置螺栓組間距，可在上剪刃剪切面再現(xiàn)補(bǔ)償曲線。實(shí)際計(jì)算時(shí)，每50mm計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，通過樣條曲線將所有補(bǔ)償值連接起來形成補(bǔ)償曲線。

圖5 補(bǔ)償曲線示意圖

實(shí)踐證明，按照50mm計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，且將補(bǔ)償曲線加工在上機(jī)架剪刃側(cè)，上剪刃通過螺栓組固定安裝在上刀架補(bǔ)償曲線型面上，可以達(dá)到剪切要求，剪切質(zhì)量好，斷面平直、整齊，滿足工藝要求。

4 補(bǔ)償曲線通用性分析

對剪刃側(cè)隙為0mm的情況，進(jìn)行了補(bǔ)償分析。實(shí)際使用時(shí)生產(chǎn)線須滿足不同規(guī)格鋼板的剪切需求。不同帶鋼對應(yīng)不同的剪刃側(cè)隙，因此需對該補(bǔ)償曲線的橫切剪對應(yīng)不同規(guī)格鋼板的剪切的通用性進(jìn)行分析。

如圖6所示，分析了剪刃側(cè)隙為0mm、0.25mm、2mm時(shí)補(bǔ)償曲線的變化規(guī)律及數(shù)值。分析表明，不同剪刃側(cè)隙對補(bǔ)償曲線的影響數(shù)量級為0.000mm，小于補(bǔ)償曲線0.00mm的數(shù)量級，因此該補(bǔ)償曲線能夠滿足不同剪刃側(cè)隙的補(bǔ)償要求。

b)側(cè)隙為0.25mm

c)側(cè)隙為2mm圖6 補(bǔ)償曲線通用性分析

只需要調(diào)整圖2中桿1的角度，即可獲得大小可調(diào)且全剪切過程中大小一致的剪刃側(cè)隙值。

5 結(jié)論

提取了擺動(dòng)式橫切剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并建立了剪刃側(cè)隙補(bǔ)償算法，通過運(yùn)動(dòng)仿真分析，獲得了剪刃側(cè)隙補(bǔ)償值并繪制了補(bǔ)償曲線。

按照剪刃側(cè)隙為0mm進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償曲線具有通用性，能夠滿足不同規(guī)格帶鋼對剪刃側(cè)隙的調(diào)整要求。

剪刃側(cè)隙調(diào)整簡單。通過調(diào)整偏心軸的角度，可獲得全剪切過程中大小一致的剪刃側(cè)隙，剪切斷面質(zhì)量高。

[1]楊春青等.下切式液壓剪的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2012(8):37-38.

[2]尤敏等.雙層剪的設(shè)計(jì)與分析[J].冶金設(shè)備,2012(6):22-25.

[3]陳潔.曲柄搖桿式飛剪剪刃間隙研究[J].重型機(jī)械,2013(1):40-42.

[4]鄧亨速等.擺式剪板機(jī)的幾何參數(shù)與計(jì)算[J].現(xiàn)代機(jī)械,1986(1):19-22.

[5]吳志生.冷軋板帶切邊變形過程及其影響因素[J].輕合金加工技術(shù),2001,Vol.29(12):23-24.

[6]陶有能.切邊圓盤剪設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2006,Vol.23(增刊2):77-79.

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Kinematics Simulation Analysis of Swing Crosscut Shear and
Research of Shear Side Clearance Compensation

Dong Yijun1Liu Xiaodan2Tao Youneng1Yan Guoping1Yan Shu1

(1:WISDRI Engineering & Research Corporation Limited, Wuhan 430223; 2:Wuhan Kempinsh Power Equipment Co.,Ltd., Wuhan 430223)

This paper, the shear structure of swing crosscut shear is elaborated, analyzes the cutting course and extracts kinematics model, and builds compensation model through the analysis of shear side clearance. The shear side clearance compensation curve is put forward by analysis of kinematics simulation. The research proves that, the compensation curve is universal on the basis of zero shear side clearance, which can meet the adjusting requirement of shear side clearance for various strip steel.

Swing crosscut shear Kinematics Shear side clearance Compensation

董義君，男，1983年出生，畢業(yè)于武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，碩士，工程師，從事軋鋼設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.004

2014-04-22)