基于滾切式定尺剪剪切機構(gòu)參數(shù)設計探索

史 良

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

滾切式剪切機具有切口平整、剪切精度高、剪切效率高的特點，且相比于其他剪切機，滾切式剪切機使用成本較低，功率損耗較低，故而被我國工業(yè)領域廣泛的應用。就目前情況而言，我國大部分滾切式剪切機均為國外引入，故而在其使用過程中，需要根據(jù)其工作原理對其力學性能進行分析，隨后制定出合適的剪切機構(gòu)參數(shù)，進而才能夠確保滾動式剪切機的使用能夠達到預期的使用目標。

1 滾切式剪切機概述

1.1 剪切機的分類

剪切機是軋鋼精整工序中的重要設備之一，在利用剪切機進行工作時，需要通過合理設計參數(shù)的方式來提高剪切機的精度與剪切質(zhì)量，進而才能夠確保剪切機能夠順利完成剪切工作?？傮w而言，現(xiàn)階段我國常用的剪切機主要包括四種，分別為平行刃剪切機、斜刃剪切機、圓盤式剪切機和滾切式剪切機。

平行刃剪切機是指上剪刃與下剪刃始終保持在平行的狀態(tài)下，其剪切方向為縱向剪切，通過上下運動的方式為板材提供剪切力，該種剪切方式能夠最大程度上提高剪切質(zhì)量，但該種方式主要依靠上剪刃對板材的沖擊力來提供剪切力，且對沖擊力的要求較大，故而在實際使用過程中功率消耗較大。通常情況下，平行刃剪切機應用于剪切一些比較薄的板材。

斜刃剪切機是指剪切機上剪刃與下剪刃左側(cè)相連，上剪刃通過反復的弧形運動為板材提供剪切力。斜刃剪切機的結(jié)構(gòu)相對復雜，其使用成本及生產(chǎn)成本均較高，同時，由于斜刃剪切機主要依靠上剪刃向下弧形運行對板材產(chǎn)生剪切力，在此過程中將會對板材產(chǎn)生較大的推力，因此，板材受到了板材固定裝置擠壓力較大，易引發(fā)板材產(chǎn)生形變，故而通常情況下，大部分企業(yè)均不會選擇斜刃剪切機。

滾切式剪切機是現(xiàn)階段應用范圍最廣的剪切機，該剪切機對材料提供的剪切力大部分來源于上剪刃，且剪切機的上剪刃為圓弧形，下剪刃為直線型，該剪切機的剪切動作依靠曲軸帶動連桿促使上剪刃兩端產(chǎn)生運動，該剪切機的生產(chǎn)效率高、使用成本低，且不易對剪切材料產(chǎn)生損害[1]。

1.2 滾切式剪切機的特點

首先，滾切剪在剪切板材過程中，就像真正的剪刀一樣，必然在上下剪刃之間存在一定的重疊量。根據(jù)所要剪切的鋼板的厚度。重疊量的值可以相應的調(diào)整。滾切剪在滾切過程中上下剪刃間的重疊量變化很小，所以剪切力變化也很小，剪切質(zhì)量很好。

其次由于滾切剪上剪刃是圓弧形的，有確定的半徑，下剪刃是直線形的，所以上剪刃相對于下剪刃做的是往復的滾切運動，在實際的滾切運動過程中，上下剪刃保持一定相對穩(wěn)定不變的重疊量。由于是純滾切運動，相對滑動量小，所以剪切阻力相對于斜刃剪來說小了很多。減小了剪刃的磨損程度，剪刃的使用壽命得到了提高，成本也節(jié)約了。

再次，開口度較大。斜刃剪在剪切時上下刀片是傾斜一定角度一起剪切的，開口度較小，而滾切剪采用的是圓弧形的上剪刃相對直線形下剪刃的滾動剪切，開口度相對斜刃剪來說大了許多，一般為所剪切板材厚度的3倍～5倍，有利于鋼板的順利通過。

最后，剪刃側(cè)隙調(diào)整裝置調(diào)整精度較高。上下剪刃間的間隙能夠根據(jù)所要剪切的板厚自動調(diào)整，上下剪刃間隙的合理調(diào)整，可以使被剪切后鋼板斷面的質(zhì)量得到較大的提高[2]。

2 滾切式定尺剪的工作原理分析

2.1 滾切式定尺剪的剪切過程

滾切式定尺剪在進行剪切工作時，主要是依靠兩端的曲軸為其提供動力，關(guān)鍵工作部位為滾切式定尺剪的上剪刃，下剪刃保持不變。在曲軸的作用力下，滾切式定尺剪上剪刃右側(cè)開始做垂直運動，曲軸沿順時針方向運動，右側(cè)上剪刃向下靠攏，直至與下剪刃接觸，左側(cè)上剪刃重復右側(cè)上剪刃的動作，直至上剪刃完全與下剪刃接觸，隨后進入滾切式定尺剪的切入階段。在滾切式定尺剪工作時，曲軸的主要功能是為上剪刃提供動力，曲軸是一個圓形的軸，當連接滾切式定尺剪的軸線越過曲軸的最高點時，將繼續(xù)重復上述動作，直至板材被切斷。

2.2 滾切式定尺剪的三個剪切階段

通過上文分析可知，滾切式定尺剪的剪切流程主要包括留個階段，分別為初始位置、開始滾切、切入階段、滾切階段、切離階段和滾切終止，但其中能夠?qū)Π宀漠a(chǎn)生剪切作用力的階段只有切入階段、滾切階段和切離階段，因此，在分析滾切式定尺剪剪切機構(gòu)參數(shù)時，僅需對這三個階段進行分析即可。

首先，從切入階段來分析。滾切式定尺剪上剪刃與板材剛接觸時至左側(cè)曲軸上的軸線到達最低點之間的滾切過程為切入階段，在該過程中，由于滾切式定尺剪上剪刃與下剪刃之間的接觸面積不斷增大，但滾切式定尺剪對板材產(chǎn)生的剪切力呈現(xiàn)的是先增加、后減小的趨勢，因此，在滾切式定尺剪剪切的切入階段有一個剪切力峰值。剪切力的峰值不僅會直接影響著整個滾切式定尺剪工作的精準度，還會影響剪切的質(zhì)量，因此，對滾切式定尺剪剪切流程切入階段進行參數(shù)分析，保證參數(shù)符合要求，從而才能夠確保剪切的質(zhì)量。

其次，從滾切階段來分析。滾切式定尺剪剪切流程的滾切階段是指滾切式定尺剪上剪刃與下剪刃共同完成近似滾動的剪切運動，當剪切運動停止之后，滾切式定尺剪也就脫離了滾切階段。在滾切式定尺剪的滾切階段，上剪刃與下剪刃重疊的面積并沒有變化，故而對于滾切式定尺剪的滾切階段而言，其對板材產(chǎn)生的剪切力并沒有發(fā)生變化。

最后，從切離階段來分析。滾切式定尺剪剪切流程的切離階段為上剪刃脫離板材，而此時若板材并未被完全切斷，則會繼續(xù)重復切入階段、滾切階段和切離階段，直至板材完全切斷。

3 滾切式定尺剪的關(guān)鍵參數(shù)分析

3.1 上剪刃圓弧半徑的確定

在分析滾切式定尺剪的關(guān)鍵參數(shù)時，首先需要開展對上剪刃圓弧半徑的分析。上剪刃圓弧半徑計算公式如下所示。

其中，R為上剪刃圓弧半徑，hmax為板材的最大厚度，s為滾切式定尺剪的剪切力與上剪刃與下剪刃之間的重疊面積，為滾切的角度。

通過對上述公式的分析可知，剪切角越大，上剪刃圓弧半徑越小，而此時滾切式定尺剪的剪切力將會減小，反之，剪切角越小，上剪刃圓弧半徑越大，而促使此時滾切式定尺剪的剪切力將會越大，因此，需要合理的控制滾切式定尺剪的剪切角來保證剪切的質(zhì)量。

3.2 滾切式定尺剪剪切力學計算公式研究

據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，滾切式定尺剪對板材產(chǎn)生剪切力致使板材切斷的作用力來源于剪切變形和剪切滑移。在滾切式定尺剪前有壓緊裝置，當滾切式定尺剪對板材產(chǎn)生作用力時，板材壓緊裝置將會提供給板材一個反向與剪切力的相互作用力。

通過上文分析可知，當上剪刃與板材接觸時，剪切力便會產(chǎn)生，且伴隨著接觸面積的增加，剪切力也會增加，也就是說，剪切剛開始時，產(chǎn)生的剪切力較小，故而不能夠?qū)Π宀漠a(chǎn)生較大的影響，只有當上剪刃與板材之間接觸面積達到一定值時，才會導致板材發(fā)生形變或裂紋，通常情況下，將上剪刃與板材剛接觸時至板材即將產(chǎn)生變形或裂紋的階段稱為壓入變形階段。

伴隨著滾切式定尺剪的剪切作業(yè)，上剪刃與板材之間的接觸面積將不斷增加，也就是說，剪切力也會不斷增大，而當剪切力增加到與板材的剪切阻力相近時，將會進入到滑移階段。板材的滑移方向為側(cè)向滑行，當板材受到的滑移力越來越大時，板材將會發(fā)生斷裂，但板材并不是在一瞬間完全斷裂，而是呈現(xiàn)出撕裂的形式，而當板材撕裂的面積越來越大，板材所受到的剪切力也就會隨之減小，當板材所受到的剪切力為0時，則說明板材完全斷裂，滾切式定尺剪的剪切工作完成。

通常情況下，滾切式定尺剪在剪切板材時，并不需要剪切到板材的最低厚度，而是當板材承受剪切力達到板材斷裂的臨界點時板材便會斷裂。板材在壓入變形階段之后將會產(chǎn)生裂紋，而板材的裂縫也是沿著裂紋展開的，當板材承受最大剪切力時，板材會沿著裂縫崩裂，也就是說在板材完全崩裂之前，將會產(chǎn)生一個最大切入深度，此最大切入深度與剪切力有著直接的關(guān)系。因此，需要在滾切式定尺剪剪切力學研究時，分析需要分析板材的最大切入深度。板材最大切入深度如下所示。

同時，通過上文分析可知，板材所承受的剪切力主要由三個部分構(gòu)成，分別為板材承受的滾切式定尺剪提供的剪切力（P1）、板材被剪掉部分發(fā)生形變產(chǎn)生的壓力（P2）和板材剪切區(qū)域發(fā)生局部彎曲產(chǎn)生的力（P3），因此，板材承受的全部剪切力應為：

3.3 上剪刃當量剪切角的計算

為了更好的分析滾切式定尺剪的參數(shù)，本文將滾切式定尺滾切階段繪制成剪切面示意圖，滾切階段剪切面示意圖如下圖所示。

圖1 滾切階段剪切面示意圖

4 結(jié)語

滾切式剪切機是我國現(xiàn)代工業(yè)領域常用到的輔助生產(chǎn)加工設備，其運行參數(shù)的設計將會直接影響建材材料的剪切質(zhì)量與剪切精度。在實際使用滾切式剪切機時，一定要對其運行參數(shù)進行合理的設計，主要包括對上剪刃圓弧半徑的確定、滾切式定尺剪剪切力學參數(shù)及上剪刃當量剪切角的計算，通過高精度、高準確度的參數(shù)分析來使用促使?jié)L切式剪切機剪切材料的剪切質(zhì)量，進而才能夠促使?jié)L切式剪切機真正的發(fā)揮其功能與價值。