螺旋剪刃滾筒飛剪的設(shè)計(jì)研究

隋冬枝

(北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

螺旋剪刃滾筒飛剪的設(shè)計(jì)研究

隋冬枝

(北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

結(jié)合北方重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的滾筒飛剪機(jī)，介紹了螺旋式剪刃的滾筒飛剪的剪切原理，并對(duì)滾筒飛剪力能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該滾筒飛剪采用電機(jī)通過(guò)膜片式聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)齒輪軸，具有主副齒結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方式；采用螺旋式剪刃進(jìn)行剪切。生產(chǎn)實(shí)踐表明，定尺長(zhǎng)度精度可控制在±0.5 mm以內(nèi)。

滾筒飛剪；剪切力；螺旋剪刃；剪切原理；工作制度

0 前言

現(xiàn)代化板帶材精整機(jī)組不斷向高速、自動(dòng)化方向發(fā)展，需要采有飛剪將行進(jìn)中的板材剪切成定尺長(zhǎng)度。作為橫切機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，飛剪的剪切速度、剪切質(zhì)量對(duì)成品板材起著至關(guān)重要的作用。而滾筒飛剪具有附加動(dòng)態(tài)力小、生產(chǎn)率高、控制精度高、剪切質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在剪切厚度較小的精整機(jī)組中成為首選飛剪型式。滾筒飛剪的剪刃安裝在上下滾筒刀軸的螺旋槽中，成為螺旋剪刃，隨刀軸的旋轉(zhuǎn)將運(yùn)動(dòng)的板材按規(guī)定的定尺長(zhǎng)度剪斷。刀軸采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使剪刃按一定的工作制度完成板材的快速準(zhǔn)確定尺剪切。

1 滾筒飛剪的剪切原理

吉林麥達(dá)斯項(xiàng)目滾筒飛剪為北方重工自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高新技術(shù)產(chǎn)品，飛剪采用交流伺服控制系統(tǒng)的啟動(dòng)工作制。通過(guò)在工控系統(tǒng)屏輸入控制參數(shù)(剪切材料的強(qiáng)度極限、寬度、厚度、切斷率及需要的定尺長(zhǎng)度)，然后由剪前夾送輥給飛剪送料，夾送輥采用交流變頻調(diào)速，在夾送輥前面的測(cè)量輥隨帶材運(yùn)動(dòng)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，測(cè)量輥上增量型編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)送到矢量控制器，從而計(jì)算出板材行走的長(zhǎng)度和速度，按觸摸屏上輸入的定尺長(zhǎng)度控制交流伺服電機(jī)動(dòng)作，使電機(jī)加速進(jìn)入剪切區(qū)，剪切板材后再減速停止，完成一次剪切過(guò)程。滾筒飛剪剪切過(guò)程運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 滾筒飛剪剪切過(guò)程圖Fig.1 The cutting processes of arum flying shears

在剪切過(guò)程中交流伺服電機(jī)尾部輸出軸上的編碼器把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度位置用脈沖信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)矢量控制器，控制器將反饋信號(hào)與輸入的指令信號(hào)進(jìn)行比較，及時(shí)修正出現(xiàn)的偏差，測(cè)量輥帶編碼器為40000脈沖/轉(zhuǎn)，一個(gè)脈沖當(dāng)量為0.01 mm，電機(jī)編碼器為60000脈沖/轉(zhuǎn)，一個(gè)脈沖當(dāng)量為0.36′，所以剪刃的位置控制精度非常高，這樣可保證剪刃在剪切區(qū)與帶材完全同步，可保證剪切板材的定尺精度，剪刃起始位置由接近開(kāi)關(guān)控制，該開(kāi)關(guān)安裝在上滾筒傳動(dòng)側(cè)，可確定脈沖計(jì)數(shù)的起點(diǎn)，即：剪刃起始位置。

2 滾筒飛剪的剪切工作制度

(1)基本定尺連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)工作制是飛剪最基本的一種工作制度，即飛剪剪刃連續(xù)地以與帶材同步的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)上下剪刃就相遇一次，完成一次剪切動(dòng)作，剪刃的圓周周長(zhǎng)即為剪切板材的定尺長(zhǎng)度，剪切次數(shù)為滾筒轉(zhuǎn)數(shù)。但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中，剪切定尺長(zhǎng)度往往并不等于剪刃的圓周長(zhǎng)度，所以這只是一種基本工作制度。

(2) 啟動(dòng)工作制是飛剪最常用的一種工作制度，因?yàn)閷?shí)際剪切的定尺長(zhǎng)度一般都比剪刃的圓周長(zhǎng)要長(zhǎng)，如果剪刃連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)只能剪切基本定尺，因此剪刃的圓周速度只能在剪切區(qū)里與帶材同步，而在加速及減速區(qū)采用啟動(dòng)工作制，飛剪剪刃停在最高位置，根據(jù)控制器的指令剪刃啟動(dòng)加速，達(dá)到剪切速度進(jìn)入勻速區(qū)，剪刃位置也剛好進(jìn)入剪切區(qū)，待剪切完畢剪刃離開(kāi)剪切區(qū)進(jìn)入減速區(qū)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點(diǎn)時(shí)剪刃停止，等待第二次剪切。

(3) 加速工作制是飛剪剪切定尺長(zhǎng)度比剪刃圓周長(zhǎng)度短時(shí)所采用的工作制度，與上述工作制度同樣的是剪刃在剪切區(qū)里圓周速度與帶材運(yùn)行線速度一致，而在剪切區(qū)外剪刃均以快于帶材的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，即一出剪切區(qū)剪刃就開(kāi)始加速，當(dāng)剪刃達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)開(kāi)始減速，直至進(jìn)入剪切區(qū)后達(dá)到與帶材同步開(kāi)始下一次剪切。在剪切短定尺時(shí)原則上帶材運(yùn)行的線速度應(yīng)降低。

3 滾筒飛剪力能參數(shù)計(jì)算分析

3.1 飛剪技術(shù)參數(shù)

剪切材料 鋁及鋁合金1XXX-8XXX

板材厚度h0.3～2.5 mm

板材寬度b800～2200 mm

定尺長(zhǎng)度L1 000～10 000 mm

剪切速度v70 m/min

剪切次數(shù) 最大70次/min

剪刃螺旋角β2.5°

3.2 剪切力計(jì)算

滾筒飛剪剪切過(guò)程類(lèi)似于圓盤(pán)剪切，其切入板材是依次相遇而切入的，剪切原理與平行剪刃斜刃剪相似。剪切力的計(jì)算是確定剪機(jī)能力的依據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)滾筒直徑及軸頸處支承軸承的選擇以及電機(jī)功率的選擇均依據(jù)剪切力大小而確定。為減小剪切力，滾筒飛剪剪刃采用螺旋式剪刃，這樣可以節(jié)省電機(jī)功率，并可降低剪刃磨損，提高了剪刃的使用壽命。

設(shè)計(jì)時(shí)剪切力計(jì)算按采利柯夫-諾沙里公式確定滾筒飛剪總剪切力,但是與普通斜刃剪不同，滾筒飛剪剪切時(shí)需要考慮剪切阻力因素影響。

P=P1+P2+P3+P4

P1為純剪切力，可根據(jù)剪切面積確定，取決于剪切材料的強(qiáng)度極限及剪切板材的厚度，與設(shè)備的螺旋角有關(guān)； P1=0.6σbδh2/Ktgβ，帶入數(shù)值后得P1=109 938N；δ為剪切材料的延伸率；K為剪切斜率與螺旋刃斜率的比值系數(shù)。

P2為懸臂彎曲力，對(duì)于冷剪薄板的滾筒飛剪來(lái)說(shuō)，此力很小，或者不存在，原因是剪切板材較薄，剪切較平穩(wěn)，上下剪刃重疊量很小，只有剪切厚板時(shí)考慮懸臂彎曲力。

P3為碗形彎曲力，碗形現(xiàn)象在剪切工作中普遍存在，對(duì)于飛剪也是一樣，但飛剪剪切時(shí)無(wú)壓板，卻是在有張力情況下剪切，與壓板作用相當(dāng)，可按斜刃剪切時(shí)壓板力公式計(jì)算：

P3=P1/(1+100δ/σby2x)

式中，y為剪刃側(cè)面相對(duì)系數(shù)；當(dāng)x=10,y=0.07時(shí)，P3=44 850N。

P4為剪切綜合阻力，這個(gè)力對(duì)普通斜刃剪是不考慮的。對(duì)滾筒飛剪其剪切綜合阻力考慮4個(gè)因素，即

剪刃與板材速度不同步引起的剪切阻力系數(shù)Kβ=0.017～～0.025；側(cè)推力造成的阻力系數(shù)KT=0.04～0.08；上下剪刃線速度差造成的阻力系數(shù)Kv=0.017～0.025；刀片磨鈍阻力系數(shù)Kξ=0.08～0.10；則總阻力系數(shù)KP4=0.16～0.23。

P4=KP4P1=17 590N

則總剪切力P=172 378N

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)總剪切力及剪切次數(shù)為依據(jù)確定總的剪切力矩及傳動(dòng)電機(jī)功率，同時(shí)選擇上下滾筒直徑及支承軸承的型號(hào)規(guī)格，滿足剪切力能的要求。

4 滾筒飛剪結(jié)構(gòu)特征的分析

滾筒飛剪主要由測(cè)量輥及夾送輥、飛剪本體組成。所有組成部分安裝在一個(gè)共同的底座上面。設(shè)備組成如圖2所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新。

圖2 滾筒飛剪側(cè)面圖Fig.2 The lateral view of arum flying shears

4.1 測(cè)量輥及夾送輥

位于設(shè)備的入口側(cè)，包括有夾送輥、測(cè)量輥、支承輥、中間導(dǎo)板、覆膜支撐裝置、導(dǎo)輥、張緊輪等。夾送輥主要用于給滾筒飛剪夾送板材，測(cè)量輥用來(lái)測(cè)量板材定尺長(zhǎng)度后將信號(hào)發(fā)送給飛剪實(shí)施剪切動(dòng)作，保證定尺剪切精度。夾送輥采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可滿足不同剪切速度要求，夾送輥的線速度與帶材運(yùn)行速度保持一致。測(cè)量輥為被動(dòng)輥，夾送輥壓下采用液壓缸同步壓下，上夾送輥的同步壓下通過(guò)齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)。為保證帶材表面質(zhì)量，所有輥?zhàn)颖砻婢鶠閽炷z輥。

4.2 飛剪本體

飛剪本體位于夾送輥出口側(cè)，滾筒刀軸與夾送輥軸中心線成2.5°夾角布置，也就是說(shuō)滾筒刀軸中心線與機(jī)組中心線不是垂直布置的，這樣可保證剪切板材斷面是平直的，這個(gè)夾角通過(guò)安裝在底座上的螺栓可以調(diào)整并定位。

飛剪本體由左右兩個(gè)機(jī)架、上下兩個(gè)滾筒刀軸、主傳動(dòng)電機(jī)及一個(gè)焊接的底板組成，滾筒支承在兩側(cè)機(jī)架上，機(jī)架及主電機(jī)直接把合在底板上。

本設(shè)備采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方式，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)新穎，可滿足準(zhǔn)確剪切定尺長(zhǎng)度要求。滾筒飛剪主傳動(dòng)電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，根據(jù)控制器發(fā)出的指令，電機(jī)啟動(dòng)、加速、減速、停止，通過(guò)一級(jí)齒輪減速及一級(jí)分配齒輪驅(qū)動(dòng)上下滾筒相向旋轉(zhuǎn)，從而完成對(duì)行走板材的定尺剪切動(dòng)作。

滾筒飛剪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是主傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)膜片式聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)一根齒輪軸，齒輪軸安裝在傳動(dòng)側(cè)機(jī)架內(nèi)，齒輪軸為6級(jí)精度斜齒輪，與裝在下滾筒刀軸外側(cè)的主副齒輪進(jìn)行一級(jí)減速，從而帶動(dòng)下滾筒旋轉(zhuǎn)，下滾筒兩側(cè)還裝有分配齒輪，與上滾筒上的分配齒輪嚙合，這樣就可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上滾筒旋轉(zhuǎn)，為了消除齒輪傳動(dòng)嚙合間隙，滿足高精度剪切，上滾筒分配齒輪也采用主副齒結(jié)構(gòu)，下滾筒分配齒輪則采用單齒輪傳動(dòng)。裝配時(shí)根據(jù)主齒輪的嚙合側(cè)隙來(lái)修配主副齒輪之間的調(diào)整墊的厚度來(lái)消除副齒與相嚙合齒輪之間的側(cè)隙，在傳動(dòng)側(cè)可加厚調(diào)整墊的厚度，操作側(cè)則減薄調(diào)整墊的厚度，可以保證上下剪刃間隙在剪切過(guò)程中的準(zhǔn)確性。上下滾筒分配齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力由推力圓柱滾子軸承承受，推力軸承安裝在操作側(cè)機(jī)架上。主傳動(dòng)減速齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力由深溝球軸承來(lái)承受，深溝球軸承安裝在傳動(dòng)側(cè)機(jī)架上。所有齒輪均采用優(yōu)質(zhì)合金齒輪鋼制作而成，齒面經(jīng)硬化處理，保證高速剪切齒輪嚙合要求。

此種傳動(dòng)方式與以往滾筒飛剪龐大減速均速機(jī)構(gòu)相比，既減輕了設(shè)備重量又可以保證剪切各種長(zhǎng)度定尺板材要求，結(jié)構(gòu)新穎，調(diào)整方便，該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的采用可為設(shè)備節(jié)省近一半的投資。

滾筒是飛剪的剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)，上下剪刃通過(guò)楔形壓塊固定在滾筒刀軸的螺旋槽內(nèi)，上下滾筒刀軸的螺旋槽角度相同，但旋向相反，在楔塊的作用下，上下剪刃發(fā)生彈性變形，按滾筒刀軸螺旋槽旋向形成螺旋剪刃。此種結(jié)構(gòu)為本設(shè)備的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)，與以往滾筒式平刃飛剪相比，這種飛剪剪切力比較小，可以減小滾筒直徑，減輕設(shè)備重量。裝配后剪刃螺旋角為2.5°，上滾筒為右旋，下滾筒為左旋。剪刃螺旋角對(duì)剪切力影響較大，螺旋角過(guò)小，剪切力變大，螺旋角過(guò)大，則剪切時(shí)側(cè)推力也增加，使剪刃容易剝落，影響軸承壽命。在上滾筒剪刃的背面沿軸向還設(shè)有多個(gè)調(diào)整桿，調(diào)整桿為偏心結(jié)構(gòu)，可對(duì)上剪刃進(jìn)行微調(diào)，保證裝配時(shí)上下剪刃之間間隙均勻一致，而下剪刃則只采用采用楔塊鎖緊方式定位，楔塊采用螺栓把合在刀軸的螺旋槽內(nèi)，裝配后不需要調(diào)整。上下滾筒均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛制而成，為保證使用壽命，刀軸要求進(jìn)行超聲波探傷檢查。上下剪刃采用專用剪刃鋼制作，為保證剪切質(zhì)量，上下剪刃均制作為銳角形狀，剪刃要求表面淬火處理，硬度要求達(dá)到55～58HRC。

滾筒飛剪的上下滾筒刀軸兩側(cè)均支承在兩側(cè)機(jī)架的軸承座孔內(nèi)，每根滾筒均由兩個(gè)大承載力的單列圓柱滾子軸承來(lái)承受剪切力，此軸承選擇要求滿足承載能力大及高速旋轉(zhuǎn)工況，軸承為可分離型，方便裝配調(diào)整，軸承精度等級(jí)為P4級(jí)，軸承游隙采用較小值，滿足剪切精度的要求。為方便上下剪刃裝配時(shí)位置調(diào)整，上下滾筒上的齒輪與刀軸之間均采用脹緊聯(lián)結(jié)套方式傳遞扭矩，此種聯(lián)接方式是本設(shè)備結(jié)構(gòu)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，既可以避免刀軸上開(kāi)鍵槽影響刀軸強(qiáng)度，又很方便上下剪刃間隙的調(diào)整。滾筒飛剪本體結(jié)構(gòu)特征如圖3所示。

圖3 滾筒飛剪本體圖Fig.3 The view of arum flying shears

剪切不同厚度的板材要求上下剪刃之間具有一定的剪刃間隙及重疊量。

滾筒飛剪的剪刃間隙值設(shè)計(jì)是可調(diào)整的，剪切板材厚度不同，剪刃間隙值不同。具體調(diào)整方式是在上滾筒的操作側(cè)機(jī)架上設(shè)有一液壓缸，液壓缸接頭與安裝于上滾筒操作側(cè)側(cè)隙調(diào)整裝置用銷(xiāo)軸連接，根據(jù)剪切的板材厚度不同，旋轉(zhuǎn)操作側(cè)剪刃間隙調(diào)節(jié)油缸頭部的螺栓，帶動(dòng)上滾筒端部的滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，由于絲桿上的螺母固定不動(dòng)，這樣絲桿就帶動(dòng)上滾筒及下滾筒旋轉(zhuǎn)，使上滾筒產(chǎn)生軸向位移，使上下剪刃的間隙發(fā)生改變，滾珠絲桿與螺母之間螺紋間隙很小，可以保證剪刃間隙值的準(zhǔn)確性。這也是本設(shè)備采用創(chuàng)新技術(shù)之一。剪刃間隙過(guò)大過(guò)小對(duì)剪切質(zhì)量影響都很大。在剪切時(shí)剪刃間隙數(shù)值一般按板厚的0.05～0.15倍調(diào)整，可根據(jù)實(shí)際剪切斷面質(zhì)量情況來(lái)調(diào)整。

滾筒飛剪上下剪刃重疊量設(shè)計(jì)采用為固定值，重疊量過(guò)大將會(huì)使剪切力變大，使?jié)L筒刀軸加大，增加設(shè)備重量，造成不必要的浪費(fèi)。根據(jù)剪切板材厚度一般取板厚的0.25～0.75倍比較合適。

飛剪本體兩側(cè)機(jī)架采用焊接式箱體結(jié)構(gòu)，機(jī)架內(nèi)齒輪及軸承均采用稀油潤(rùn)滑方式，每側(cè)機(jī)架各有一臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪油泵將潤(rùn)滑油從機(jī)架箱體內(nèi)吸出，通過(guò)濾油器及油量分配器將潤(rùn)滑油送往各潤(rùn)滑點(diǎn)，即各齒輪嚙合處及各軸承處，足夠的潤(rùn)滑可保證齒輪及軸承工作順利。

為滿足板帶進(jìn)入及輸出滾筒飛剪，在滾筒飛剪入口及出口側(cè)各設(shè)有一段導(dǎo)板，導(dǎo)板為酚醛層壓玻璃布板，在所有導(dǎo)板中間設(shè)置多個(gè)導(dǎo)輥，所有的導(dǎo)輥都為非金屬材料，可以保證板材輸送時(shí)的剛度并避免板材表面劃傷。這種設(shè)置是以往設(shè)計(jì)所沒(méi)有考慮的環(huán)節(jié)，所有往往會(huì)對(duì)板材表面質(zhì)量及剪切質(zhì)量造成不好的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1) 采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的交流伺服控制系統(tǒng)的滾筒飛剪具有結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)備重量輕及剪切定尺精度高、控制精度高、技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，其定尺長(zhǎng)度精度可控制在±0.5 mm以下，可滿足目前各行業(yè)快速發(fā)展的需要。

(2) 螺旋式剪刃的采用可大大提高剪刃壽命，降低了剪切時(shí)的力能消耗，節(jié)約成本。

(3)采用交流伺服控制系統(tǒng)可滿足各種剪切定尺長(zhǎng)度要求，具有更廣泛的前途。

(4) 螺旋剪刃滾筒飛剪已經(jīng)成功應(yīng)用于洛陽(yáng)龍鼎、東北輕合金及吉林麥達(dá)斯項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，定尺精度高、剪切斷面質(zhì)量?jī)?yōu)、剪切次數(shù)高、生產(chǎn)率高，得到用戶肯定。

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Design Research of Drum Flying Shears With Spiral Scissors

SUI Dong-zhi

(Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd., Shenyang 110141,China)

This paper introduces the cutting principle of arum flying shears, calculates the force parameters the equipment Combining with the northern heavy industries group Co.，Ltd.’s product. The arum flying shears uses the motor drive gear shaft with the diaphragm coupling ,the equipment structure haves main gear and pinion, cutting with the Spiral Scissors. Production practice shows that the cutting lengths precision can control in ±0.5 mm.

arum flying shears； cutting force； spiral scissors; cutting principle; work calulation

2015-11-25；

2016-02-18

隋冬枝(1964-)， 女 ，高級(jí)工程師，從事軋鋼設(shè)備設(shè)計(jì)與研究工作。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0046-05