冷軋板帶材切邊圓盤剪側向間隙及其精度的探討

景群平,張勇安,許展望,王曉慧

(1.中國重型機械研究院有限公司,陜西 西安 710032;2.太原科技大學機械電子工程學院,山西 太原 030024)

1 概述

切邊圓盤剪是金屬板帶精整作業線的核心設備之一。由中國重型院設計、制造并成套的高精度全自動切邊圓盤剪已成功應用于寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠精整線,其自動化程度、調整精度、設備制造水平及切邊質量等已經達到國外同類設備水平。

用戶對圓盤剪的調整越來越傾向于全自動調整。全自動調整是指帶材參數的自動傳輸,調整目標值的自動計算,調整位置自動反饋,調整過程的邏輯控制。而重疊量調整精度、側向間隙調整精度以及刀盤側向間隙在旋轉運動過程中的穩定性 (即刀盤端面跳動保證在一定范圍內)是影響產品質量的主要因素。

文獻[1,2]綜合分析了影響圓盤剪重疊量調整精度的諸多因素,給出了高精度圓盤剪重疊量調整的控制方法。本文根據影響上、下刀盤端面跳動精度的各個零件形位公差的因素結合機械設計及制造、傳感器位置檢測與電氣控制,探討了提高側向間隙精度和穩定性的措施,給出了影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計算方法。

2 側向間隙調整機構原理分析

2.1 側向間隙調整機構

側向間隙調整機構如圖 1所示,調整裝置安裝在上刀軸箱上,采用高剛性的直線導軌作為導向元件,通過變頻調速齒輪馬達驅動滾珠絲杠使螺母升降帶動斜楔塊上下移動,而斜楔塊將直線導軌滑塊的直線運動方向改變 90°,從而使得上刀軸產生水平移動,達到調節刀刃側向間隙的目的。

圖 1 側向間隙調整機構原理示意圖

2.2 側向間隙調整的電氣控制方法

影響側間隙調整精度的重要因素之一是傳動鏈中的機構間隙。消除機構運動間隙的方法在文獻[2]中有詳細描述。

切邊圓盤剪的操作側和傳動側的側向間隙調整機構的驅動馬達分別由兩臺變頻調速電機驅動,采用變頻調速裝置控制,調整的起始階段采用較高速度,接近目標值時,以較低的速度逼近目標值,可全自動完成整個調整過程。

在上位計算機或觸摸屏上設定和顯示圓盤剪側間隙調整電機的傳動參數和側間隙的調整值。圖 2為側間隙調整的電氣控制系統框圖。上位計算機或觸摸屏通過網絡通訊傳送帶材的參數給可編程控制器,可編程控制器按照數學模型計算出側間隙的目標值,并和檢測元件測量的實際值進行比較,通過變頻器控制電機,實現側間隙的調整。

圖 2 側向間隙調整的電氣控制系統框圖

3 關鍵零件形位公差的設計

3.1 影響切邊質量的因素分析及相關指標的檢測方法

板帶材的剪切斷面質量與側向間隙調整精度以及刀盤側向間隙在旋轉運動過程中的穩定性密切相關。對于不同厚度與不同材質(主要指機械性能)的板材,要求圓盤剪有不同的側向間隙值與其相對應。圓盤剪的側向間隙值能保證刀軸的軸向竄動和刀盤的端面跳動控制在一定范圍內。

在工程實踐中,刀軸的軸向竄動是通過裝配預緊來保證,其測量方法是將千分表的觸頭頂在刀軸軸端,用撬杠軸向撬動刀軸,軸向前后撬動力約 1 000 N,計量千分表最大差值。對于上、下刀盤端面跳動的測量分別以上、下刀軸的軸線為旋轉基準軸線,將千分表的表座固定在機架的適當位置,千分表的觸頭頂在刀盤端面的最外端,旋轉刀軸,計量千分表的最大差值。

3.2 關鍵零件形位公差的設計方法

裝配零件位置關系的傳統設計方法為建立裝配尺寸鏈[3],用圖形來描述位置關系,由于位置涉及不同的方向,因此畫出的尺寸鏈圖較復雜,也很容易把位置關系搞錯,對于復雜裝配體更是如此。裝配尺寸式[4]是一種描述裝配尺寸或位置關系的新方法,該方法不需繪圖、建立尺寸或位置關系方便,便于計算機輔助設計等特點。圖 3為圓盤剪的上下刀軸裝配示意圖,圖中共有 13個裝配要素,即:A2為上刀剪切面,B2,3為上刀盤與隔環的裝配基準,C3,1為上主軸與隔環的裝配基準,D1,4為上主軸軸頸與軸承內孔的裝配基準軸線,M4,5為上偏心套與軸承的裝配基準軸線;H5,6為上偏心套與銅套的裝配基準軸線,K6,7為機架上孔與銅套的裝配基準軸線,E11,8為下主軸軸頸與軸承內孔的裝配基準軸線,J12,11為下偏心套與軸承的裝配基準軸線,P13,12為下偏心套與銅套的裝配基準軸線;Q7,13為銅套與機架的裝配基準軸線;G10,9為下刀盤與隔環的裝配基準,也是下刀盤的剪切面;F8,10為下主軸與隔環的裝配基準。

經分析,圖 3中描述封閉環與組成環位置關系的裝配尺寸式如下:

圖 3 上、下刀軸裝配示意圖

式中,A2∥B2,3為零件 2(上刀盤)兩個端面的平行度;A2↗D1,4為剪切面 A2對其刀軸軸線 D1,4的跳動;同理類推。

由于零件 6、13與零件 7是過盈裝配,公式(3)可以簡化為 (同時將下標 6與 13改為 7),即

3.3 算例

本文以上、下刀盤剪切面端面跳動誤差為0.005 mm、上、下刀軸空間平行度 0.02 mm為目標來確定相關零件的形位公差。

公式 (1)、(2)與公式 (3)建立的裝配尺寸式描述了封閉環與組成環的位置關系,據此可以計算確定相關組成環的位置公差,包括尺寸式計算[5]與公差分配兩部分內容。

圓盤剪參數:刀盤直徑 320 mm;隔環直徑250 mm;上刀軸軸肩距離后支撐軸承 395 mm。

根據文獻 [6]中的 GB/T 1184-1996,查得:δ(A2∥B2,3)=0.005 mm,δ(B2,3∥C3,1)=0.004 mm,δ(C3,1↗D1,4)=0.004 mm。引入調整系數 k1,根據概率法計算與上、下刀盤端面跳動有關零件的形位公差如下。

同樣,根據文獻[6]中的 GB/T 1184-1996,并引入調整系數 k2,根據概率法計算與上、下刀軸空間平行度有關零件的形位公差如下。

到此,影響剪刃端面跳動及剪切面平行度的全部零件的位置公差全部確定完,即按照該位置公差對零件進行加工,裝配后能夠滿足剪切面端面跳動不大于 0.005 mm,上下刀盤剪切面平行度不大于 0.02 mm。

4 結論

該切邊圓盤剪已在國內幾個主要大型鋼鐵企業如寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠等成功推廣應用了八套,取得了良好的效果。通過工程實際應用,切邊圓盤剪的側向間隙及其精度有如下結論。

(1)采用側向間隙調整機構可以實現大速比傳動,目前工業應用中的幾臺圓盤剪側向間隙調整綜合精度可與國外圓盤剪相媲美;

(2)基于上、下刀盤端面跳動精度的關鍵零件形位公差的設計方法,保證了剪切高端板材對圓盤剪刀盤端面跳動的高要求;

(3)提出影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計算方法,保證了重疊量調整精度的穩定性。

[1] 許展望,張勇安,景群平等.高精度圓盤剪重疊量調整控制方法的研究 [J].現代電子技術,2007,(21):161-163.

[2] 景群平,張勇安,王社昌等.冷軋板帶材切邊圓盤剪重疊量調整方法探討[J].重型機械,2008,(1):35-39.

[3] 顧崇銜.機械制造工藝學[M].西安:西安交通大學出版社,1980:89-95.

[4] 王曉慧,李改全,吉慧琴.裝配尺寸式的研究[J].工程設計學報,2008,15(3):170-172.

[5] 王先逵.機械制造工藝學[M].北京:機械工業出版社,2008:172-173.

[6] 重型機械標準第 1卷[M].云南:云南出版集團公司,2008,349-350.