超薄帶鋼剪切用圓盤剪的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用實(shí)踐

陳建華，戴志鵬，陳 虎，趙松山，鄒鵬程，孟佳旎

(首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北 遷安 064400)

超薄帶鋼剪切用圓盤剪的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用實(shí)踐

陳建華，戴志鵬，陳 虎，趙松山，鄒鵬程，孟佳旎

(首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北 遷安 064400)

某冷軋廠使用喬格公司生產(chǎn)的圓盤剪剪切超薄規(guī)格的取向硅鋼。對(duì)該圓盤剪的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析；并針對(duì)該圓盤剪剪切厚度為0.23mm極薄規(guī)格取向硅鋼時(shí)遇到兩個(gè)問題：一是剪刃崩刀頻繁；二是帶鋼切邊后邊浪嚴(yán)重進(jìn)行研究。通過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)刀軸在軸向的竄動(dòng)量達(dá)到30μm，上下剪刃直接碰撞導(dǎo)致崩刀。采用更換刀軸推力軸承組件的方法使崩刀問題得到了解決。采用了5項(xiàng)措施：①優(yōu)化剪切間隙及重疊量，使剪切力對(duì)邊部板形影響最??；②加強(qiáng)潤(rùn)滑維護(hù)，保證刀軸旋轉(zhuǎn)阻力最??；③調(diào)整帶邊導(dǎo)向壓輥與帶鋼速度匹配關(guān)系減少帶邊張力影響；④通過調(diào)整溜槽角度以減少帶邊彎曲力影響；⑤對(duì)圓盤剪八字型布置的角度進(jìn)行調(diào)整，減少向外的扭力。最終使剪切邊浪幅度由原來的1%,下降為0.8%，邊浪密集度大幅減少，可以滿足用戶的使用要求。

圓盤剪；剪切邊浪；崩刀；取向硅鋼；被動(dòng)剪

0 前言

某冷軋廠的重卷機(jī)組CS7使用德國(guó)喬格公司制造的被動(dòng)懸臂式圓盤剪，對(duì)熱拉伸涂層機(jī)組下線的取向硅鋼進(jìn)行切邊。在剪切0.23mm厚的極薄規(guī)格取向硅鋼時(shí)，遇到兩個(gè)問題：一是圓盤剪剪刃崩刀頻繁(新剪刃上線使用不超過3 h就崩刀)；二是帶鋼剪切后邊浪嚴(yán)重(碎邊浪幅值達(dá)1%,而且非常密集)。這些問題造成生產(chǎn)無法連續(xù)，產(chǎn)品質(zhì)量不能滿足用戶要求，訂單兌現(xiàn)困難。

針對(duì)上述問題，首先對(duì)圓盤剪的結(jié)構(gòu)原理對(duì)行分析，找出剪刃崩刀的原因；進(jìn)一步分析帶鋼剪切機(jī)理并結(jié)合取向硅鋼的材料特點(diǎn)，找出產(chǎn)生剪切邊浪的原因及解決手段。

1 圓盤剪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

如圖1所示，圓盤剪的基本工作原理是將上、下剪刃預(yù)置成合適的間隙量和重疊量，帶鋼通過圓盤剪時(shí)完成剪切[1-2]。因此圓盤剪必須能夠精確設(shè)定和調(diào)整剪刃的間隙量和重疊量。

圖1 圓盤剪間隙及重疊量Fig.1 Trimming shear’s clearance and overlap

如圖2所示，喬格圓盤剪采用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)偏心套旋轉(zhuǎn)方式，實(shí)現(xiàn)剪刃重疊量的調(diào)整；采用楔形塊推動(dòng)滑動(dòng)套方式，實(shí)現(xiàn)剪刃間隙的調(diào)整。

1.1 剪刃重疊量調(diào)整原理

如圖2所示，電機(jī)9驅(qū)動(dòng)蝸桿8旋轉(zhuǎn)，蝸桿8再驅(qū)動(dòng)蝸輪10旋轉(zhuǎn)，蝸輪10與偏心套4固定在一起，從而帶動(dòng)偏心套4在機(jī)架5內(nèi)旋轉(zhuǎn)。偏心套4旋轉(zhuǎn)最終帶動(dòng)刀軸2及圓盤剪刃1做上下運(yùn)動(dòng)。

下刀頭的偏心套與上偏心套由共同的蝸桿8同步驅(qū)動(dòng)，對(duì)稱旋轉(zhuǎn)。

通過上、下刀頭偏心套旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了上、下剪刃間的重疊量的精確調(diào)整。

1.2 上下剪刃間隙量調(diào)整原理

如圖2所示，間隙調(diào)整電機(jī)及絲桿11帶動(dòng)楔形塊13運(yùn)動(dòng)，楔形塊13推動(dòng)滑動(dòng)套6在偏心套4內(nèi)做前后運(yùn)動(dòng)(偏心套4在軸向是固定的)，滑動(dòng)套6帶動(dòng)刀軸2及剪刃1做軸向運(yùn)動(dòng)。

下刀頭(圖略)沒有軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，下剪刃在軸向是固定不動(dòng)的。

綜合上、下刀頭的軸向運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)上、下剪刃間隙量的精密調(diào)整。

1.剪刃 2.刀軸 3.軸承1 4.偏心套 5.機(jī)架 6.滑動(dòng)套 7.軸承2 8.蝸桿 9.蝸桿電機(jī) 10.蝸輪 11.間隙調(diào)整電機(jī)及絲桿 12.楔形塊1 13.滑動(dòng)楔形塊 14.楔形塊2 15.剛性旋轉(zhuǎn)連接 16.軸向固定壓板 17.間隙調(diào)整用隔離環(huán) 18.調(diào)整用間隙 19.推力軸承 20.下剪刃圖2 圓盤剪上刀頭結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Trimming shear top head structure chart

1.3 圓盤剪精度參數(shù)

該圓盤剪用于剪切薄規(guī)格帶鋼，必須具備高的調(diào)整精度，主要精度參數(shù)如下：

可剪切厚度 0.15～0.35 mm

刀軸徑向跳動(dòng) ≤0.005 mm

剪刃的平面跳動(dòng) ≤0.008 mm

刀軸軸肩軸向跳動(dòng) ≤0.005 mm

刀刃兩面平行度 ≤0.002 mm

上下刀間隙調(diào)整偏差 ≤0.014 mm

上下刀重疊量調(diào)整偏差 ≤0.060 mm

2 剪刃頻繁崩刀的原因分析及解決方法

2.1 剪刃崩刀原因分析

該圓盤剪剪切0.35 mm厚取向硅鋼時(shí)，能夠穩(wěn)定順行、質(zhì)量達(dá)標(biāo)。但在剪切0.23 mm厚取向硅鋼時(shí)，剪刃崩刀頻繁，剪切質(zhì)量也不穩(wěn)定。

系統(tǒng)分析剪切0.35 mm和0.23 mm帶鋼的異同點(diǎn)：①帶鋼屈服強(qiáng)度等物理參數(shù)沒有變化；②剪刃材質(zhì)及剪刃供貨商也沒有變化；③僅所剪切帶鋼除厚度變薄，對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)如間隙量、重疊量發(fā)生變化?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)間隙量及重疊量等工藝參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化，崩刀問題仍得不到解決。

綜合上述分析，將問題聚焦在圓盤剪的調(diào)整精度上。圓盤剪的側(cè)間隙量與帶鋼厚度成正比(一般是帶鋼厚度的10%左右)，帶鋼厚度越薄則側(cè)間隙越小。剪切0.23 mm厚帶鋼時(shí)，剪切側(cè)間隙只有23 μm，這對(duì)圓盤剪的調(diào)整精度以及剪刃的加工精度提出了很高的要求。剪刃的平面度不好或間隙調(diào)整精度不足，都可能造成上、下剪刃直接碰撞，造成崩刀和機(jī)械部件損傷[3-4]。

從設(shè)計(jì)角度，該圓盤剪的設(shè)計(jì)極限厚度是0.15 mm，相關(guān)精度是能夠滿足薄規(guī)格帶鋼生產(chǎn)要求的。但也存在調(diào)試和生產(chǎn)過程中設(shè)備發(fā)生損壞或劣化的可能性，需要進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。

經(jīng)測(cè)量：①圓盤剪刃兩個(gè)面的平行度為2 μm，滿足設(shè)計(jì)要求；②安裝在刀軸上的剪刃的平面跳動(dòng)值小于8 μm，滿足設(shè)計(jì)要求。③刀軸徑向跳動(dòng)小于5 μm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；④刀軸軸向竄動(dòng)量達(dá)30 μm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)允許值5 μm。在剪切0.23mm超薄規(guī)格帶鋼時(shí)，間隙量設(shè)定僅為23 μm，而30 μm的竄動(dòng)量會(huì)使間隙量嚴(yán)重偏離，可能導(dǎo)致上下剪刃直接碰撞崩刀，剪切過程中間隙量大幅波動(dòng)也會(huì)造成剪切質(zhì)量不穩(wěn)定。

2.2 軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)精度的恢復(fù)

如圖2所示，壓板16通過螺栓固定在刀軸2端部。調(diào)整環(huán)17使壓板16與軸端之前有一定間隙，這樣設(shè)計(jì)可以使壓板16與軸肩之間形成壓擠力，將推力軸承19、調(diào)整環(huán)17等部件緊緊擠壓在推力軸承19的內(nèi)圈兩側(cè)(推力軸承19的內(nèi)圈與滑動(dòng)套6是相對(duì)固定的)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)套與刀軸緊緊固定在一起，滑動(dòng)套的軸向運(yùn)動(dòng)直接傳遞到刀軸上而改變剪刃間隙。如果刀軸與滑動(dòng)套之間有竄動(dòng)，則剪刃間隙無法準(zhǔn)確調(diào)整。

根據(jù)刀軸的軸向竄動(dòng)量大的現(xiàn)象，推斷推力軸承19可能磨損，需要更換推力軸承19和調(diào)整環(huán)17。更換過程中需要對(duì)調(diào)整環(huán)17、壓板16進(jìn)行精磨和調(diào)整，磨削精度要求在3 μm以內(nèi)，因此需要在有高精度磨床的車間內(nèi)進(jìn)行。

將剪體運(yùn)輸?shù)綑C(jī)加工車間進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)整環(huán)17和推力軸承19都有不同程度磨損。更換新推力軸承19、調(diào)整環(huán)17，并對(duì)壓板16等相關(guān)部件進(jìn)行精磨調(diào)整，最終刀軸的軸向竄動(dòng)量恢復(fù)為2 μm，達(dá)到了設(shè)計(jì)精度。

將調(diào)整后的剪體進(jìn)行回裝并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，剪刃崩刀問題得到解決。

3 剪切邊浪問題的分析與解決

產(chǎn)生剪切邊浪的原因是帶鋼邊部局部受力超過了材料的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形[5-6]。取向硅鋼縱向屈服強(qiáng)度約為200 MPa，厚度為0.23 mm，輕微的局部受力都會(huì)造成邊部塑性變形，形成剪切邊浪?，F(xiàn)對(duì)帶鋼在圓盤剪進(jìn)行剪切時(shí)的受力情況進(jìn)行分析。

如圖3所示，帶鋼通過前后張力作用在圓盤剪完成切邊。帶邊則通過溜槽導(dǎo)引，進(jìn)入壓輥，再進(jìn)入碎斷剪切碎。壓輥由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以調(diào)整帶邊的張力，可以實(shí)現(xiàn)零張力控制。

圖3 帶鋼剪切示意圖Fig.3 Trimming shear cutting diagrammatic sketch

進(jìn)一步分析帶鋼邊部剪切區(qū)域的金屬的受力狀態(tài)。如圖4所示，帶鋼剪切點(diǎn)區(qū)域主要受以下5個(gè)力的作用。①剪切力；②由圓盤剪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)阻力所形成對(duì)剪切點(diǎn)向后的拉力；③板邊張力：即剪切點(diǎn)到壓輥之間的帶邊的張力；④彎曲力：即帶邊進(jìn)入溜槽受導(dǎo)引產(chǎn)生彎曲力；⑤圓盤剪的八字型布置對(duì)帶鋼剪切點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的向外扭力。這5個(gè)力對(duì)邊部板形的影響及采用的應(yīng)對(duì)措施詳述如下：

圖4 帶鋼邊部剪切點(diǎn)處的局部受力圖Fig.4 Force diagram at strip edge cutting point

(1)剪切力。上、下剪刃之間形成側(cè)間隙，因此在剪切過程中會(huì)對(duì)邊部形成向下的翻轉(zhuǎn)力矩。如果間隙設(shè)定不當(dāng)，會(huì)對(duì)剪切質(zhì)量及邊部的板形產(chǎn)生影響[7-9]。

現(xiàn)場(chǎng)采用進(jìn)口高精度、高硬度的碳化鎢剪刃，用較小的剪切力完成帶鋼剪切，從而避免刀刃鈍而對(duì)帶鋼邊部產(chǎn)生大的翻轉(zhuǎn)力矩。

利用不生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)行帶鋼剪切實(shí)驗(yàn)來摸索側(cè)間隙和重疊量的最優(yōu)值。具體的方法是，使用不同的側(cè)間隙和重疊量對(duì)帶鋼進(jìn)行剪切，觀察剪切切口的毛刺量以及斷裂面與剪切面的分布，確定最佳間隙量和重疊量。通過實(shí)驗(yàn)確定，剪切0.23 mm取向硅鋼的最優(yōu)側(cè)間隙為21 μm，最優(yōu)重疊量為105 μm。

(2)圓盤剪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)形成的向后阻力。由于是被動(dòng)式圓盤剪，不可避免產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)阻力。該阻力形成對(duì)剪切點(diǎn)處金屬的向后拉力，對(duì)于薄、軟帶鋼邊部板形影響很大。最理想的情況是采用帶傳動(dòng)的主動(dòng)式圓盤剪，剪刃旋轉(zhuǎn)與帶鋼保持同步，從而可消除這個(gè)阻力。但鑒于現(xiàn)有條件，只能加強(qiáng)設(shè)備潤(rùn)滑管理，減少刀軸旋轉(zhuǎn)阻力，最大程度降低其對(duì)邊部板形的影響。

(3)帶邊拉力。帶邊進(jìn)入溜槽、壓輥及碎斷剪，如果壓輥與帶鋼速度不匹配會(huì)使帶邊形成拉力，作用在剪切點(diǎn)金屬上，也會(huì)破壞邊部板形。因此在生產(chǎn)中，需要摸索碎斷剪、壓輥與帶鋼速度的最優(yōu)匹配關(guān)系，使壓輥與圓盤剪間的帶邊張力接近為0，以消除帶邊拉力對(duì)邊部板形的影響。

按照這個(gè)思路在生產(chǎn)中不斷摸索優(yōu)化，最終確定壓輥速度超前帶鋼速度0.5%，碎斷剪速度超前帶鋼速度4%。

(4)帶邊彎曲力。帶邊進(jìn)入溜槽，溜槽導(dǎo)引作用會(huì)使帶邊產(chǎn)生彎曲力，也會(huì)對(duì)板形產(chǎn)生影響。如果溜槽與帶鋼運(yùn)行方向角度太大，則彎曲力增加，對(duì)板形的影響增加。

因此，對(duì)溜槽進(jìn)行整改，減少溜槽入口段與帶鋼運(yùn)行方向之間的夾角，從而減小帶鋼進(jìn)入溜槽時(shí)的彎曲角度，減少對(duì)邊部的彎曲撕扯力，最終減少對(duì)邊部浪形的影響。

(5)八字型布置產(chǎn)生的向外扭力。如圖5所示，為了提高剪切性能及質(zhì)量，圓剪采用外八字布置[10]。這種布置必然導(dǎo)致帶鋼剪切點(diǎn)區(qū)域受到向外的扭力，扭力過大必然會(huì)使剪切點(diǎn)處金屬產(chǎn)生局部變形，破壞邊部板形。

圖5 圓盤剪八字形布置圖Fig.5 Trimming shear splayed layout

因此，需要對(duì)圓盤剪八字形布置的角度進(jìn)行調(diào)整和摸索。最終根據(jù)帶鋼邊部剪切質(zhì)量情況,現(xiàn)場(chǎng)確定外八字的合適角度，即傳動(dòng)側(cè)0.137°，操作側(cè)為0.092°。

上述整改措施完成后，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，邊浪幅度從1%降為0.8%，而且邊浪密集程度大幅減少，可以滿足用戶要求。

4 結(jié)論

剪切超薄帶鋼對(duì)圓盤剪的加工精度、裝配精度、設(shè)計(jì)合理性、以及使用維護(hù)的精細(xì)度等方面都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

本文所述圓盤剪崩刀頻繁問題，直接原因是推力軸承過度磨損造成刀軸軸向竄動(dòng)量大進(jìn)而造成剪刃直接碰撞損壞。間接原因則是日常的使用與維護(hù)精細(xì)化程度不夠，滿足不了高精度圓盤剪的客觀需要。

對(duì)于剪切邊浪問題，對(duì)剪切點(diǎn)處金屬的5個(gè)主要受力所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并采取應(yīng)對(duì)措施，剪切邊浪幅度由原來的1%,下降為0.8%，邊浪密集程度大幅減少，能夠滿足用戶的要求。

需要指出的是，用于剪切超薄帶鋼的理想圓盤剪機(jī)型應(yīng)是上、下刀軸都帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式圓盤剪，這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)剪刃和帶鋼速度同步，消除被動(dòng)式圓盤剪所形成的對(duì)帶鋼的向后阻力，進(jìn)而避免帶鋼邊部局部受力變形而形成剪切邊浪。

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The structural principles and application of trimming shear for ultra thin strip cutting

CHEN Jian-hua, DAI Zhi-peng, CHEN Hu, ZHAO Song-san, ZHOU Peng-cheng, MENG Jia-ni

(Shougang Qiangang Iron & Steel Co., Qian’an 064400, China)

A cold rolling mill cut the edge of thin oriented silicon steel strip by Georg trimming Shear. This paper analysis the structural principles of the trimming shears, and studies the two problems encountered when cutting thickness of 0.23 mm oriented silicon steel, one is frequently knife burst; second is the serious strip shear wave.By measuring, it find the cutter shaft runout reaches 30 μm, which makes the upper and the lower blades collide directly and cause knife burst. The knife burst problem is solved by replacing the cutter shaft’ thrust bearing assembly.Using five measures to reduce the cutting edge wave: ① optimize shear gap and overlap, to minimize the shearing forces on the edge of the strip; ② enhance the lubrication maintenance, to minimize rotation resistance of the cutter shaft; ③ adjusting the speed matching between the strip edge press roll and the strip, to reduce the tension of the cutting strip edge; ④ by adjusting the chute angle to reduce the bending force on strip edge; ⑤ decrease the trimming Shear’s “Chinese character 8” type arrangement angle to reduce the outgoing torque on strip edge. Eventually cutting edge wave amplitude decreased from 1% down to 0.8%, the intensity of the wave substantially reduced, and meet the requirements of customer.

trimming shear; cutting edge wave; knife burst; gain oriented silicon steel strip; passive shear

2015-11-20；

2015-12-18

陳建華(1974-)，男,遼寧海城人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)從事冷軋工藝、設(shè)備及自動(dòng)化方面工作。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0025-04