新型冷帶邊部修磨機的設計

胡東倉，吳永杰，劉渭苗，趙流韻

(中國重型機械研究院股份公司 陜西西安 710061)

0 前言

近年來，隨著冷帶生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，冷帶成品質(zhì)量得到了大幅度提升。為進一步追求高品質(zhì)板帶產(chǎn)品，用戶對冷帶邊部質(zhì)量提出了越來越高的要求[1-3]。為保證帶鋼邊部質(zhì)量，一般會利用圓盤剪設備對軋制后的帶鋼進行切邊處理。然而，帶鋼在經(jīng)圓盤剪切邊后，切邊斷面毛刺缺陷明顯[4-6]，嚴重影響冷帶產(chǎn)品的成品質(zhì)量。因此，解決冷帶切邊斷面的毛刺缺陷問題就成為進一步提升板帶整體質(zhì)量的關(guān)鍵。對于切邊質(zhì)量問題，國內(nèi)外學者也進行了較多的研究，比較典型的有，趙干波[7]等通過總結(jié)重卷拉矯機組切邊圓盤剪的減壓環(huán)與刀盤配對、刀盤和裝配等方面的問題，提出了一些提高重卷圓盤剪切邊質(zhì)量的措施；王飛[8]等擬合出切邊寬度系數(shù)計算多項式，并通過自動化系統(tǒng)的改造實現(xiàn)了切邊寬度的自動設定；白振華[9]等提出了一套帶鋼切邊質(zhì)量評價方法，并開發(fā)出圓盤剪間隙量與重疊量綜合優(yōu)化設定技術(shù)。但這些研究均是從工藝上對圓盤剪設備的工藝參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以達到提高切邊質(zhì)量的目的。但由于圓盤剪的工作原理，帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷是無法避免的，圓盤剪工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)只能盡可能的降低毛刺缺陷，而不能從根本上消除毛刺缺陷。因此，本文設計了一套新型冷帶邊部修磨機。

1 新型冷帶邊部修磨機的設計原理

1.1 設計要求

根據(jù)現(xiàn)場冷帶生產(chǎn)的實際情況，以及圓盤剪切邊過程的設備及工藝特點，本文所設計的冷帶邊部修磨機構(gòu)能夠線上使用的同時，還應滿足設計要求。

(1)帶鋼切邊現(xiàn)場的工作環(huán)境的復雜性要求帶鋼邊部質(zhì)量修磨裝置具有小巧靈活的特點；

(2)能夠滿足精整產(chǎn)品的多樣性，適應帶鋼規(guī)格的變化；

(3)修磨裝置與帶鋼切邊截面的貼合角度能夠任意調(diào)節(jié)，以適應不同剪切參數(shù)下，帶鋼撕裂區(qū)與切斷區(qū)之間的角度變化；

(4)具備“隨動性”，即使在帶鋼出現(xiàn)抖動、跑偏的狀況下，依然可以保證修磨質(zhì)量。

1.2 機構(gòu)組成及原理

根據(jù)新型冷帶邊部修磨機構(gòu)的設計要求，結(jié)合現(xiàn)場冷帶生產(chǎn)設備的布局結(jié)構(gòu)，所設計的新型冷帶邊部修磨機如圖1所示。主要由磨邊機構(gòu)、高度和角度調(diào)整機構(gòu)、水平角度調(diào)整機構(gòu)、隨動機構(gòu)、進給機構(gòu)等五部分組成。

圖1 新型冷帶邊部修磨機構(gòu)示意圖

1.2.1 磨邊機構(gòu)

磨邊機構(gòu)是冷帶邊部修磨機的核心工作機構(gòu)，通過磨邊機構(gòu)可以完成切邊斷面的磨削。如圖2所示，該機構(gòu)由角件1、電機軸向固定螺栓2、墊片3、磨輪4、電機支座螺栓5、平面推力軸承6、電機支座7、3510電機8、鋁型材9組成。

該機構(gòu)中磨輪4的兩端由電機軸向固定螺栓2、墊片3和平面推力軸承6保證運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。與此同時，磨輪4通過鍵D形孔與電機相對固定，實現(xiàn)與電機6的同步轉(zhuǎn)動，為磨邊機構(gòu)提供轉(zhuǎn)矩。

圖2 壓磨機構(gòu)示意圖

1.2.2 高度和角度調(diào)整機構(gòu)

高度和角度調(diào)整機構(gòu)分為高度調(diào)整與角度調(diào)整，高度調(diào)整主要是為了確保帶鋼高度和壓磨作用處在同一高度，提高磨削效率；角度調(diào)整主要是為了保證磨輪與撕裂區(qū)毛刺的貼合。如圖3所示，該機構(gòu)由2020鋁型材1、鋁型材角件2、上面板3、型材固定螺栓4、推桿支架5、推桿銷6、后電動推桿7、前電動推桿8、大齒輪9、銅柱10、3D打印鉸接件11、銷用塞打螺釘12、鉸接件固定螺釘13、前電動推桿固定螺釘14組成。

由前后電動推桿升降同樣高度時，可以實現(xiàn)機構(gòu)的上升下降；當前后電動推桿上升高度不一致時，可以實現(xiàn)磨邊機構(gòu)與水平面呈一定的傾斜角度，從而使磨邊的范圍更大，提高帶鋼的質(zhì)量。

圖3 高度和角度調(diào)整機構(gòu)示意圖

1.2.3 水平角度調(diào)整機構(gòu)

水平角度調(diào)整機構(gòu)確保切下的碎屑向工作區(qū)外飛去，保證切下的碎屑不影響后續(xù)工藝。如圖4所示，該機構(gòu)由角件1、鋁型材2、電機支架固定螺釘3、42步進電機支架4、42步進電機5、法蘭聯(lián)軸器6、頂絲7、螺釘8、小齒輪9、大齒輪10、過渡板11、轉(zhuǎn)盤軸承12、銅柱13、鋁板連接板14組成。

在該機構(gòu)鋁板連接板上從下到上依次安裝銅柱、轉(zhuǎn)盤軸承、過渡板、大齒輪；在鋁板連接板的另一側(cè)依次安裝角件、鋁型材、電機支架固定螺釘、42步進電機支架、42步進電機、法蘭聯(lián)軸器、頂絲、螺釘、小齒輪，使小齒輪與大齒輪嚙合。轉(zhuǎn)盤軸承可以將壓磨機構(gòu)、高度調(diào)整機構(gòu)的重力卸載，是齒輪轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)。并通過對42步進電機編程控制，42步進電機將轉(zhuǎn)動并帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，通過小齒輪與大齒輪的傳動實現(xiàn)磨邊機構(gòu)的水平轉(zhuǎn)動。

圖4 水平角度調(diào)整機構(gòu)示意圖

1.2.4 隨動機構(gòu)

隨動機構(gòu)是保持壓磨機構(gòu)實現(xiàn)“隨動性”的核心機構(gòu)，通過該機構(gòu)可以實現(xiàn)帶鋼邊部修磨裝置在帶鋼切邊生產(chǎn)過程中與帶鋼的實時跟隨；同時，該機構(gòu)提供壓磨機構(gòu)對于帶鋼切面的壓磨力。如圖5所示，該機構(gòu)由底板、牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓、氣缸固定螺栓、滑臺氣缸以及由四通、PU管、單向閥、節(jié)流閥、壓力表、消音器、二位五通電磁閥組成的氣壓傳動系統(tǒng)組成。

在該機構(gòu)中將氣缸固定在底板上，通過伸縮氣缸實現(xiàn)對帶鋼邊部的壓緊，確保磨輪始終與帶鋼接觸。氣瓶的可調(diào)壓強為0～0.8 MPa，通過改變氣瓶內(nèi)壓強的數(shù)值改變壓磨力的大小，相對于通過更換彈簧來實現(xiàn)不同的壓力更加方便快捷。由牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓組成的支持機構(gòu)，提高了鋁板連接板的剛度，使得磨輪壓磨更加平穩(wěn)。

圖5 隨動機構(gòu)示意圖

1.2.5 進給機構(gòu)

進給機構(gòu)的主要作用是保證磨邊機可在一定范圍內(nèi)移動，以適應現(xiàn)場帶鋼規(guī)格的變化，并給予帶鋼一定的壓磨力，同時還可以實現(xiàn)裝置修磨角度的調(diào)整。如圖6所示，進給機構(gòu)由手輪 、57步進電機、固定電機螺釘、電機支座、聯(lián)軸器、沉頭螺釘、絲桿左支撐板、絲杠、光軸、絲桿右支撐板、軸承、長滑塊、直線軸承、絲杠螺母、螺栓組成。手輪、57步進電機通過聯(lián)軸器與絲杠連接，對57步進電機進行編程控制或者轉(zhuǎn)動手輪，可以實現(xiàn)對裝置的電動或者手動的橫向進給，而且絲杠傳動平穩(wěn)、精確，可以較好的適應對不同寬度帶鋼的修磨。

圖6 進給機構(gòu)示意圖

2 部件選型與參數(shù)

(1)磨輪。磨輪是修磨機的核心部件，為保證修磨質(zhì)量，選擇金剛石材質(zhì)，并設定其內(nèi)徑為10 mm、外徑為25 mm、高度為20 mm。

(2) 轉(zhuǎn)盤軸承。轉(zhuǎn)盤軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、引導旋轉(zhuǎn)方便、安裝簡便和維護容易等特點，能夠同時承受較大的軸向負荷、徑向負荷和傾覆力矩等綜合載荷，本裝置選擇XRU5515轉(zhuǎn)盤軸承。

(3)磨削電機?？紤]帶鋼與磨輪的接觸壓力與相對摩擦系數(shù)，綜合現(xiàn)場帶鋼的必要修磨效率和廠家產(chǎn)品的特性曲線，選用帶有27:1減速箱的3510電機，輸出轉(zhuǎn)矩。

(4)絲桿滑臺。絲桿滑臺用來保證裝置整體的進給，適應不同規(guī)格的帶鋼，驅(qū)動方式有用步進電機驅(qū)動和轉(zhuǎn)動手輪驅(qū)動兩種方式。現(xiàn)場的安裝空間是絲桿滑臺的限制條件，經(jīng)測量，為保證裝置的進給同時增大承重量，本文選購的絲桿滑臺參數(shù)：

滑臺材料：全鋁，CNC精加工，表面噴砂，陽極氧化；

滾珠絲杠：1605 導程5 mm，即電機轉(zhuǎn)一圈5 mm；

光軸：標配20鍍鉻光軸標準滑塊；

定位精度：重復定位精度≦0.02 mm；

載重：水平負載≦600 kN;垂直負載≦300 kN。

(5)滑臺氣缸?；_氣缸的目的是確保磨輪始終與帶鋼接觸，提供壓磨力。通過調(diào)整氣壓，可以改變壓磨力。選擇滑臺氣缸型號為MXS12-30。

(6)電動推桿。裝置高度和角度的調(diào)整通過電動推桿實現(xiàn)。電動推桿參數(shù)：

工作電壓：DC24V；

工作行程：50 mm；

最大推力：180 N；

速度：50 mm/s。

(7)步進電機。修磨機在軋制平面內(nèi)轉(zhuǎn)動通過步兵電機驅(qū)動。步進電機參數(shù)：

型號：42BYGH47-401A；

步距角：1.8°；

機身長度：48 mm；

扭矩：0.55 N·m。

經(jīng)過后期的加工、組裝，研發(fā)出一套新型的冷帶邊部修磨機，實物圖如圖7所示。

圖7 新型冷帶邊部修磨機實物圖

3 新型冷帶邊部修磨機的調(diào)試

新型帶鋼修磨裝置在能夠適應現(xiàn)場復雜的工作環(huán)境的同時，其進給機構(gòu)、隨動機構(gòu)保證了機構(gòu)與帶鋼貼合磨削，并且通過楔塊可以針對性地進行角度調(diào)整。

首先通過控制前后電動推桿的伸出長度調(diào)整上面板的傾斜角度，使修磨機傾斜角度與帶鋼切邊斷面傾斜角度一致。在帶鋼厚度h、機組圓盤剪側(cè)隙量s、切邊帶鋼撕裂區(qū)占帶鋼厚度的比例等參數(shù)已知的前提下，上面板的調(diào)整角度可由式(1)確定。

(1)

然后，設定前電動推桿伸出后長度為l1，后電動推桿伸出后長度為l2，前后電動推桿初始長度為l0，中心距在進給方向的投影為x，其關(guān)系如式(2)所示，依據(jù)式(2)調(diào)整電動推桿的伸出長度。

(2)

最后，控制步進電機或者轉(zhuǎn)動手輪，在絲桿和絲桿螺母作用下，進給底板及其上方機構(gòu)一起進給，當磨輪接觸帶鋼邊部后，二位五通電磁閥得電，滑臺氣缸伸出，給與帶鋼邊部一定的壓磨力，達到一定壓磨力后，機組運行，通過can協(xié)議傳送給3510電機信號，磨輪在電機轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動，編碼器實時檢測運轉(zhuǎn)情況，使其勻速轉(zhuǎn)動，形成滑動摩擦。

當帶鋼跑偏，隨動機構(gòu)的作用會使壓磨機構(gòu)始終緊貼帶鋼邊部，保證磨邊的均勻性。同時，由于平面轉(zhuǎn)動機構(gòu)，磨邊機構(gòu)可以在軋制平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使切下的碎屑向工作區(qū)外飛去，保證切下的碎屑不影響后續(xù)工藝。

具體調(diào)試流程如圖8所示。通過試驗表明，該套新型冷帶邊部修磨機的高度和角度調(diào)整機構(gòu)于水平角度調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)了對切邊斷面的精準修磨，隨動機構(gòu)保證了修磨過程的穩(wěn)定性，最終能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷。

圖8 調(diào)試過程流程圖

4 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場實際情況與設計要求，本文設計了一套新型的冷帶邊部修磨機，該修磨機的主要機構(gòu)包括磨邊機構(gòu)、高度和角度調(diào)整機構(gòu)、水平角度調(diào)整機構(gòu)、隨動機構(gòu)、進給機構(gòu)等五部分。通過調(diào)試與試驗，新型冷帶邊部修磨機能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷，保證了帶鋼邊部質(zhì)量，具有進一步推廣應用的價值。