輪帶式鋁合金生產(chǎn)線滾剪裝置性能優(yōu)化及應(yīng)用*

臧永偉，劉青朋，鄒學(xué)通，丁 磊，何 松，蘭 聰，孫海艷

（云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300）

SH5290型輪帶式鋁合金生產(chǎn)線屬于水平鑄造的一種連續(xù)澆鑄生產(chǎn)線，是集機(jī)、電、水、乳液和壓縮空氣于一體的自動(dòng)化成套冶金設(shè)備[1]。輪帶合金鑄造生產(chǎn)線主要包括澆鑄、引胚、校直、滾碼、滾剪、冷卻、堆垛、打捆和成品運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工序。鋁合金連續(xù)鑄造生產(chǎn)線的滾剪裝置是關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能是從滾碼裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的鋁棒按設(shè)定的長(zhǎng)度剪斷，進(jìn)入下一個(gè)工藝過(guò)程。滾剪裝置的使用壽命、耐用強(qiáng)度會(huì)直接影響輪帶合金生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]，滾剪裝置對(duì)合金扁錠剪切口的剪切效果也會(huì)直接影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

1 現(xiàn)狀分析

鋁合金扁錠是高質(zhì)量鋁合金板、鋁合金鑄件的主要原料，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)鋁合金扁錠需求旺盛，日趨嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)鋁合金扁錠的產(chǎn)品質(zhì)量要求更加嚴(yán)苛，對(duì)合金扁錠剪切口外觀質(zhì)量要求越來(lái)越高。鋁合金扁錠剪切口鋒利程度直接影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量[3]，其中滾剪裝置的穩(wěn)定性和剪刀幾何形狀是影響扁錠剪切口質(zhì)量的主要因素。結(jié)合某企業(yè)設(shè)備情況，現(xiàn)有的滾剪裝置故障率高，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，維修成本高，滾剪裝置剪出的合金扁錠剪切口鋒利、毛刺、剪切效果差，產(chǎn)品外觀質(zhì)量得不到保證，需要針對(duì)SH5290型輪帶式鋁合金生產(chǎn)線滾剪裝置性能進(jìn)行探索和改進(jìn)，對(duì)合金扁錠剪切口鋒利的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2 原因分析

2.1 影響滾剪裝置穩(wěn)定性原因分析

輪帶合金生產(chǎn)線扁錠滾剪裝置（圖1所示）箱體內(nèi)設(shè)置有滾剪軸，滾剪軸包括平行設(shè)置的上滾剪軸和下滾剪軸，下滾剪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，滾剪軸上設(shè)置有相配合的剪刀盤(pán)，剪刀盤(pán)上對(duì)稱(chēng)設(shè)置有刀片，滾剪軸通過(guò)石墨自潤(rùn)滑銅套與機(jī)箱體連接，石墨自潤(rùn)滑銅套支撐上下滾剪裝置齒輪軸旋轉(zhuǎn)，上滾剪軸和下滾剪軸通過(guò)直齒輪傳動(dòng)連接。

通過(guò)研究分析，影響滾剪裝置穩(wěn)定性原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）滾剪裝置采用石墨自潤(rùn)滑銅套（圖2所示）支撐上下滾剪裝置齒輪軸旋轉(zhuǎn)，作業(yè)時(shí)石墨自潤(rùn)滑銅套持續(xù)在剪切力沖擊下工作，石墨自潤(rùn)滑銅套承載荷強(qiáng)度不夠、不耐沖擊、其耐磨性滿(mǎn)足不了現(xiàn)有工作條件的需求，使用一段時(shí)間后磨損產(chǎn)生變形，再持續(xù)工作時(shí)還會(huì)受到循環(huán)沖擊，從而加快其失效速度，導(dǎo)致使用壽命短，平均使用周期3月/套，單價(jià)8 000元/套，成本較高；

圖2 石墨自潤(rùn)滑銅套Fig.2 Self-lubricating copper sleeve of graphite

2）石墨自潤(rùn)滑銅套、軸磨損嚴(yán)重時(shí)造成上下剪刀間隙加大、剪切阻力增大，剪切時(shí)滾剪裝置剪刀盤(pán)上下串動(dòng)導(dǎo)致鋁合金扁錠剪不斷，造成生產(chǎn)線停機(jī)，影響生產(chǎn)正常運(yùn)行；

3）石墨自潤(rùn)滑銅套、軸磨損嚴(yán)重時(shí)造成上下剪刀間隙加大、剪切阻力增大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致剪刀刃斷裂、剪刀易松動(dòng)等問(wèn)題，影響剪刀的使用壽命，導(dǎo)致成本增加，出現(xiàn)異常會(huì)造成停機(jī)，影響生產(chǎn)正常運(yùn)行；

4）滾剪裝置齒輪采用直齒輪傳動(dòng)，銅套、軸磨損嚴(yán)重導(dǎo)致剪切過(guò)程上齒輪縱向跳動(dòng)，將增大齒輪箱減速機(jī)和聯(lián)軸器螺栓的受力，縮短齒輪使用壽命，影響減速機(jī)和聯(lián)軸器螺栓使用壽命。使用一段時(shí)間后齒輪磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致滾剪裝置剪出長(zhǎng)短棒，給堆垛打捆造成困難的同時(shí)也會(huì)影響每垛產(chǎn)品的整體外觀質(zhì)量；

5）剪刀安裝間隙正常值為＜5 mm，銅套、軸磨損嚴(yán)重時(shí)上下剪刀間隙加大，在剪切過(guò)程中上齒輪縱向跳動(dòng)造成剪切口毛刺大、切口鋒利、切口效果差，經(jīng)常受到客戶(hù)投訴，不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制；

6）滾剪齒輪箱上下滾剪軸端部沒(méi)有安裝防水裝置，冷卻液容易從齒輪箱上下滾剪軸端進(jìn)入滾剪裝置內(nèi)部，污染齒輪油，使得內(nèi)部齒輪得不到充分潤(rùn)滑，銹蝕嚴(yán)重影響使用壽命；

7）銅套使用壽命為3個(gè)月，周期短，更換一次銅套時(shí)間為（4～6）h，所需工時(shí)較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)進(jìn)度，降低生產(chǎn)效率，檢修作業(yè)強(qiáng)度大且更換時(shí)吊裝作業(yè)存在較大安全隱患。

2.2 剪刀幾何形狀對(duì)剪切口質(zhì)量影響原因分析

滾剪裝置剪刀分為上滾剪刀與下滾剪刀兩部分，兩部分之間的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)。上轉(zhuǎn)軸和下轉(zhuǎn)軸分別固定套接有兩個(gè)剪刀盤(pán)，剪刀盤(pán)上有兩個(gè)上刀片和兩個(gè)下刀片[4]（每對(duì)刀片剪切位置到最高點(diǎn)與最低點(diǎn)時(shí)必須在一條垂直于地平面的線上）如圖3所示。作業(yè)時(shí)，鋁合金扁錠從上下剪刀盤(pán)中間通過(guò)，上下剪刀盤(pán)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，按設(shè)定的長(zhǎng)度把合金扁錠剪斷，從而進(jìn)入下一工序。

圖3 滾剪裝置剪刀盤(pán)Fig.3 Scissors tray of rolling shearing device

1）回轉(zhuǎn)式飛剪式切頭后軋件頭部形成一定的楔形，由圖4看出刀片波浪形對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，剪刀面窄、剪刀輪弧度較大，刀片在平面方向所受分力較大，導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)、斷裂，剪刃易斷裂，造成剪切不徹底、剪不斷等情況，引起生產(chǎn)線異常停機(jī)，存在安全隱患、增加生產(chǎn)成本；

圖4 波浪形剪刀Fig.4 Wavy scissors

2）滾剪裝置剪刀片為 60°波浪形剪刀，兩片剪刀波浪口不能咬合造成切口效果差，切口鋒利、存在毛刺等，存在外觀質(zhì)量缺陷，如圖5所示。

圖5 剪切口照片F(xiàn)ig.5 Picture of sheaing port

3 解決措施

3.1 滾剪裝置結(jié)構(gòu)改造

1）滾剪齒輪軸旋轉(zhuǎn)方式改變。滾剪裝置采用石墨自潤(rùn)滑銅套支撐上下滾剪齒輪軸旋轉(zhuǎn)，改為軸承支撐上下滾剪齒輪軸旋轉(zhuǎn)方式。

以ZLD101A鑄造鋁合金冷態(tài)截面積（104×85×55）mm計(jì)算，屈服強(qiáng)度為216.64 MPa，通過(guò)計(jì)算其剪切力為600 kN。

根據(jù)滾剪齒輪箱結(jié)構(gòu)、軸承的安全系數(shù)及上下滾剪軸的尺寸，選用四列圓柱滾子軸承[5]，四列圓柱滾子軸承作為典型的軋機(jī)輥徑軸承，其套圈和滾動(dòng)體組件可相互方便地分離，高精度可達(dá)到零件互換，安裝、拆卸、清洗非常方便，在給定的徑向安裝空間內(nèi)，可提供最大的徑向承載能力，且具有較低的摩察系數(shù)。通過(guò)機(jī)械效率和軸承支撐位置等參數(shù)進(jìn)行理論強(qiáng)度校核，最終選用四列圓柱滾子軸承SKF313812W，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 軸承SKF313812W主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of bearing SKF313812W

該軸承動(dòng)載荷為1 150 kN，靜載荷為2 390 kN，因?yàn)樾杩紤]軸向定位，軸承與齒輪間需加裝平面軸承（51144），軸兩端安裝軸承壓蓋、軸承擋、固定軸承位置，防止軸向串動(dòng)，軸與齒輪箱間采用骨架密封（其型號(hào)為φ235×φ200×180）進(jìn)行密封處理，防止剪刀冷卻液進(jìn)入滾剪裝置內(nèi)部污染齒輪油；

2）滾剪裝置齒輪材質(zhì)優(yōu)化。滾剪裝置齒輪材質(zhì)選用鑄鋼斜齒輪，增強(qiáng)齒輪表面硬度。斜齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性較直齒輪傳動(dòng)好、承載能力大[6]，常用在高速級(jí)或要求傳動(dòng)平穩(wěn)的場(chǎng)合，能夠杜絕出現(xiàn)長(zhǎng)短棒，給成品打捆帶來(lái)困難。對(duì)齒面進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)其耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命[7]。斜齒圓柱齒輪參數(shù)如表2所示；

表2 斜齒圓柱齒輪參數(shù)Tab.2 Parameters of helical cylindrical gear

3）齒輪潤(rùn)滑改進(jìn)?？紤]到齒輪及滾剪使用壽命，降低軸承故障率、維修成本，在滾剪齒輪箱內(nèi)部加入320齒輪油，對(duì)齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)齒輪箱配備了一套獨(dú)立的外置循環(huán)潤(rùn)滑供油系統(tǒng)，使軸承得到很好的潤(rùn)滑和冷卻。作業(yè)過(guò)程中油泵電機(jī)動(dòng)作，油泵啟動(dòng)，齒輪箱內(nèi)的齒輪油通過(guò)油管對(duì)軸承持續(xù)給油，進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻，從而降低軸承故障率，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。滾剪裝置潤(rùn)滑供油系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 滾剪裝置潤(rùn)滑供油系統(tǒng)Fig.6 Lubrication oil supply system of rolling shearing device

3.2 剪刀機(jī)構(gòu)改造

輪帶鋁合金扁錠的剪切過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：切近、切入、滾切、切出這四個(gè)階段[8]。切近階段是上下刀片刀刃互相傾斜，形成合理咬入角度，在該階段容易造成剪刀的損壞，影響最大剪切力大小的關(guān)鍵階段。切入階段鋁合金扁錠的剪切過(guò)程可分為上下剪刀刃的彈性壓入、上下刀刃的塑性切入、直到完全切斷這幾個(gè)階段。當(dāng)上下刀片所成角度到達(dá)一定的值以后，進(jìn)入滾動(dòng)剪切階段，此時(shí)扁錠鋁合金的有效剪切面積和單位剪切抗力基本保持不變，所以剪切力在此階段比較穩(wěn)定，基本保持不變，同時(shí)由于鋁合金扁錠斷裂，所以此階段剪切力最大值的計(jì)算也同切入階段有所不同。為了確保剪刀不發(fā)生崩刀，只需要對(duì)切入過(guò)程進(jìn)行分析，便可以確定受的最大力。

1）刀尺寸改進(jìn)。經(jīng)過(guò)研究分析，采取加寬刀片的寬度，減小剪刀刃的弧度，可進(jìn)一步分散剪切力，從而避免受力過(guò)大導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)斷裂、剪刀刃斷裂、剪切不徹底、剪不斷等異常情況出現(xiàn)。剪刀改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示；

圖7 改進(jìn)后剪刀結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of improved scissors

2）刀片安裝位置調(diào)整。剪刀上下、左右間隙比較重要，左右間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致上下刀片重合度不夠，影響剪切效果。上下間隙過(guò)小或無(wú)間隙可能會(huì)打刀，引起沖擊，損壞設(shè)備；上下間隙過(guò)大會(huì)影響剪切質(zhì)量，產(chǎn)生附加力矩，間隙較大時(shí)甚至?xí)?dǎo)致無(wú)法剪斷胚料。通過(guò)調(diào)整刀片安裝位置、剪刀側(cè)隙，刀片上下安裝間隙至＜5 mm，使得剪刀上下能夠較好咬合，獲得較好的剪切質(zhì)量；

圖8 改前、后剪刀實(shí)物圖Fig.8 Physical picture of scissors before and after improvement

3）剪刀刃弧度調(diào)整。改變剪刀的切入角，切入角由21.61°改為17°，R20.6圓弧改為R22.5，有效減小剪刀刃的弧度，降低了剪刀刃的最大剪切力，對(duì)刀具受力有一定的緩沖作用，設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時(shí)可以提高剪刀片使用壽命。

4 實(shí)施效果

1）通過(guò)改造，滾剪齒輪箱使用壽命由3年延長(zhǎng)至5年以上，增幅66.67%，極大地提高了滾剪裝置的使用性能，同時(shí)也降低了設(shè)備維修成本；

2）滾剪裝置剪切效果大幅提升，改善了合金扁錠剪切口鋒利、毛刺等問(wèn)題，出現(xiàn)問(wèn)題的概率由100%降低至50%，此方面引起的質(zhì)量事故投訴為零；

圖9 改進(jìn)之后的剪切口Fig.9 Shearing port after improvement

3）由滾剪裝置故障導(dǎo)致的異常停機(jī)率由30%降低至0，設(shè)備運(yùn)行效率有效提升，降低了生產(chǎn)及檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，杜絕了滾剪裝置異常導(dǎo)致的異常停機(jī)事故，保證了生產(chǎn)順暢，為生產(chǎn)正常運(yùn)行提供有力保障。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)滾剪裝置性能優(yōu)化后，輪帶合金生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、故障率低、維護(hù)成本低；

2）合金扁錠產(chǎn)品剪切口鋒利、毛刺等得到明顯的改善，外觀質(zhì)量得到了進(jìn)一步提升，為質(zhì)量更優(yōu)打下基礎(chǔ)；

3）延長(zhǎng)了滾剪裝置的使用壽命，預(yù)計(jì)可使用5年甚至更長(zhǎng)，即使到期維護(hù)僅需更換軸承，減少了滾剪裝置異常導(dǎo)致的停機(jī)，減少了維修頻率，極大地提高了滾剪裝置的使用性能。