光亮退火機組液壓斜刃剪的分析

□ 馬 威

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 上海 200245

1 分析背景

在板帶車間的生產(chǎn)線和處理線上,裝有不同型式的剪切機,用于剪切帶鋼頭部、尾部,或進(jìn)行分切、定尺。其中,大多數(shù)剪切機采用液壓傳動[1-2]。為了減小剪切負(fù)荷,剪切機中有一個刀片布置為一定傾斜角度,稱為液壓斜刃剪。近年來,下切式液壓斜刃剪得到廣泛應(yīng)用,這種斜刃剪具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量輕、剪切動作平穩(wěn)、自動防止過載等優(yōu)點[3]。

某光亮退火機組來料帶鋼主要是06Cr19Ni10冷軋不銹鋼,厚度為0.075～1 mm,寬度為300～670 mm。根據(jù)生產(chǎn)工藝需要,在機組入口、出口均設(shè)置液壓斜刃剪,用于剪切帶鋼頭尾及分卷。液壓斜刃剪在車間裝配完成后進(jìn)行剪板試驗,對于厚度為0.3 mm以下的較薄帶鋼,液壓斜刃剪剪切困難,出現(xiàn)剪不斷、卷邊等問題。為了解決這一問題,筆者對液壓斜刃剪進(jìn)行結(jié)構(gòu)及受力分析,找到結(jié)構(gòu)缺陷,并加以改進(jìn)。

2 液壓斜刃剪結(jié)構(gòu)分析

光亮退火機組中液壓斜刃剪基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。上剪刃水平,下剪刃傾斜,上下剪刃由螺釘固定在上下刀座上。剪切鋼板時,上刀座通過鎖緊拉桿拉緊,固定于機架上部。液壓缸推拉擺臂連桿,驅(qū)動帶剪刃的下刀座上下運動,從而完成剪切動作。液壓斜刃剪在使用時,上下剪刃的間隙并不是固定不變的。當(dāng)剪切帶材的厚度規(guī)格發(fā)生變化,剪刃厚度方向產(chǎn)生磨損,或液壓斜刃剪更換剪刃時,都需要通過間隙調(diào)整機構(gòu)調(diào)整得到合適的剪刃間隙[4]。調(diào)整間隙時,下刀座固定不動,上刀座鎖緊缸打開,此時上刀座在彈簧壓力下仍緊貼在機架上部。旋轉(zhuǎn)螺旋推進(jìn)器推拉斜楔,使上刀座克服彈簧壓力前后移動,從而達(dá)到調(diào)整上下剪刃間隙的目的。剪刃間隙調(diào)整如圖2所示。

圖1 液壓斜刃剪結(jié)構(gòu)

圖2 剪刃間隙調(diào)整

3 剪切原理

鋼板的剪切過程是一個復(fù)雜的彈塑性變形過程,具體為彈性變形、塑性變形、產(chǎn)生裂紋、材料斷裂。剪切時,上下剪刃相對移動與帶材接觸,形成剪切力偶,作用在剪切截面兩側(cè)。剪刃擠壓帶材,使帶材發(fā)生彈性變形。在這一階段,剪切力相對較小,不足以克服帶材的抗剪力。隨著剪刃的交匯,帶材在剪切力偶作用下產(chǎn)生彎曲,剪切截面發(fā)生塑性變形,變形隨著剪刃壓入程度的增大而增大。當(dāng)剪刃壓入一定深度后,帶材的彎曲被上下剪刃擋住,剪切力偶和截面剪切力達(dá)到平衡,剪切過程由壓入變形階段過渡到剪切滑移階段,剪切截面開始出現(xiàn)剪切裂紋,由此開始真正意義上的剪切。剪切力隨剪刃深入程度的增大而增大,剪切到一定深度后,剪切力達(dá)到最大,同時帶材沿橫截面被連續(xù)剪斷,從而完成整個剪切過程。

4 剪刃間隙的確定

液壓斜刃剪上下剪刃之間必須保持一定的側(cè)向間隙來實現(xiàn)對帶材的剪切[5]。剪刃間隙過大,會造成剪切后鋼板扭曲變形、端面毛刺嚴(yán)重,甚至難以剪斷而銼傷剪刃。剪刃間隙過小,會增大剪切力,甚至可能出現(xiàn)崩刃的情況[6]。合理地選擇剪刃間隙,對鋼板的剪切質(zhì)量和剪切機的使用壽命而言,至關(guān)重要[7]。由此可見,剪刃間隙的控制是液壓斜刃剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點,是控制剪切帶鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。

剪刃間隙的設(shè)定取決于所剪切帶鋼的性能和厚度,帶鋼越厚,剪刃間隙越大。當(dāng)帶鋼厚度為0.3～1 mm時,一般剪刃間隙設(shè)定為帶鋼厚度的7%～9%。當(dāng)帶鋼厚度小于0.3 mm時,一般剪刃間隙設(shè)定為0.02 mm[8]。

5 受力分析

由剪切原理分析可知,剪切帶鋼時,剪刃主要承受剪切力P和側(cè)推力T的作用[9]。剪刃受力分析如圖3所示。

圖3 剪刃受力分析

液壓斜刃剪的剪切力一般使用諾薩列夫公式進(jìn)行計算,在此基礎(chǔ)上設(shè)計的設(shè)備可靠性高,安全因數(shù)高[10]。剪切力P為:

(1)

式中:δ為帶材延伸率;σb為帶材抗拉強度,取515 MPa;h為帶材厚度,取0.1 mm;α為剪刃傾斜角度,取1.72°;Z為彎曲力因數(shù),取0.95;Y為上下剪刃間的相對側(cè)隙,取0.2;X為壓板相對距離,取50;Kd為刀鈍因數(shù),取1.2。

將各值代入式(1),求得剪切力P為103 N。

在剪切滑移階段,帶鋼所受剪切力P所產(chǎn)生的力矩與側(cè)推力T所產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡狀態(tài)。側(cè)推力T為:

T=Ptanγ

(2)

式中:γ為帶鋼轉(zhuǎn)動角度,無壓板剪切時,取10°～20°,有壓板剪切時,取5°～10°。

本液壓斜刃剪有壓板,γ取10°,代入式(2),求得剪切厚度為0.1 mm的較薄帶鋼時,側(cè)推力T為18 N。

6 問題分析

某光亮退火機組出入口共配置下切式液壓斜刃剪三臺,液壓斜刃剪在車間裝配完成后,按要求厚度進(jìn)行剪板試驗,發(fā)現(xiàn)對于0.3 mm、1 mm等較厚鋼板剪切良好,但對于0.1 mm厚度的較薄帶鋼剪切困難,出現(xiàn)剪不斷、卷邊等問題。根據(jù)前述結(jié)構(gòu)及受力分析判斷,當(dāng)剪切0.1 mm厚度較薄帶鋼時,通過目前的剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu),無法保證剪刃間隙均勻地處于0.02 mm以內(nèi)的要求值,從而出現(xiàn)剪切困難的現(xiàn)象。剪切較薄帶鋼時,刀片所受的側(cè)推力很小,而對上下刀片的平行度要求極高,據(jù)此推斷裝配后上下刀片的平行度超差是導(dǎo)致剪刃間隙超出設(shè)定值的主要原因。經(jīng)車間現(xiàn)場對三臺液壓斜刃剪裝配后的上下刀片進(jìn)行檢測驗證,平行度為0.03～0.05 mm,無法滿足剪切厚度小于0.3 mm較薄帶鋼的剪刃間隙要求,必須加以改進(jìn)。

7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

原來的單楔塊式剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是一般適用于剪切厚度較大的鋼板。當(dāng)剪切厚度小于0.3 mm的較薄帶鋼時,此種結(jié)構(gòu)對刀片和刀座的加工精度要求極高,往往難以實現(xiàn)。為降低加工難度,節(jié)約加工成本,建議采用雙楔塊式剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu),如圖4所示。采用這一結(jié)構(gòu),能夠通過旋轉(zhuǎn)拉桿,實現(xiàn)刀片平行度的微調(diào)。另一方面,采用如下工藝手段保證楔塊加工精度:① 左楔塊和左調(diào)整塊、右楔塊和右調(diào)整塊斜面配對加工,斜度一致,接合面接觸率要求大于80%[11];② 配對后的左右楔塊下底面、左右調(diào)整塊上表面應(yīng)在同一平面,平行度小于0.02 mm;③ 加工完成后打鋼印標(biāo)記,避免裝配時混淆。車間三臺液壓斜刃剪通過以上改進(jìn)后,均能順利完成剪切厚度0.1 mm的不銹鋼板,經(jīng)用戶現(xiàn)場實際使用檢驗,剪切效果良好。

圖4 雙楔塊式剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)

8 結(jié)束語

筆者對光亮退火機組液壓斜刃剪進(jìn)行了分析和改進(jìn)。實踐證明,雙楔塊式液壓斜刃剪剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)易于加工,調(diào)整方便,能夠保證良好的剪刃平行度,對于今后有剪切較薄帶鋼需求的液壓斜刃剪的設(shè)計具有參考意義。