高強度中厚板精密數(shù)控開卷線淺析

莊 峰，李 星，張紹芳，展立娟，龐東平

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的鋼鐵工業(yè)以每年20%以上的增長率迅速發(fā)展，已經(jīng)接近10億噸的產(chǎn)能，其中中厚板作為重要的鋼材品種，一直占鋼材總產(chǎn)量的20%左右。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對高強度、高韌性、耐腐蝕、低屈服比、焊接性能優(yōu)良的中厚板的需求非常強勁，已廣泛應(yīng)用于汽車、造船、工程機械等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。

針對高強度中厚板矯平時內(nèi)應(yīng)力難以釋放、易回彈、龜背不易消除、氧化皮難以清除、修邊圓盤刀易崩刃等特點，需要配置有高精度矯直機、自動調(diào)整修邊機組、低噪聲碼垛、刷料除塵等功能的高強度中厚板精密數(shù)控開卷矯平生產(chǎn)線。

1 生產(chǎn)線工藝流程

如圖1所示，該生產(chǎn)線工藝流程為：上料→開卷→引料頭→粗矯直機→切頭→活套儲料→糾偏→修邊→碎邊切斷→活套儲料→糾偏→精矯直機→測長→刷料除塵→剪切→輸送→垛料→出料→液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

圖1 高強度厚板開卷校平生產(chǎn)線的工藝流程圖

2 生產(chǎn)線主要設(shè)備的性能特點

2.1 單輥獨立調(diào)整式重型矯直機

如圖2所示，一般的重型矯直機的機架主要采用上滑塊整體平行或傾斜式調(diào)整的焊接式機架，由于高強度厚板卷材基本是熱軋材質(zhì)，具有熱處理性能不穩(wěn)定、板厚不均勻、板內(nèi)應(yīng)力過大等特點，在矯直過程中往往按通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的機身剛度不能承受局部特殊應(yīng)力變形而產(chǎn)生整體彎曲，造成矯直輥隨機座的整體變形而彎曲，進(jìn)而使輥系間的輥縫呈拋物線狀放大趨勢，既無法貼合原始板態(tài)又引起了支撐輥的嚴(yán)重偏載，使得原始板料未能達(dá)到良好的矯直效果，對于高強度中厚板的矯平質(zhì)量更加無從保證。通用的解決方法是繼續(xù)增加滑塊和底座的高度，緩解機身剛度變形，但帶來的是成本的增加，同時由于卷材的不穩(wěn)定性可能還會繼續(xù)碰到類似問題，因而并未能從根本上解決這類問題。

針對這種狀況，研發(fā)了單輥獨立調(diào)整式重型矯直機，如圖3所示。該設(shè)備有以下特點：

圖2 通用矯直機受力機架變形圖

圖3 單輥獨立調(diào)整式重型矯直機原理圖

（1）采用了矯直機預(yù)應(yīng)力機架。與焊接式機架相比，這種機架具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、重量輕的特點。預(yù)應(yīng)力機架主要包括拉桿及液壓螺母、立柱、上橫梁和底座等幾部分，通過高強度預(yù)應(yīng)力拉桿和液壓螺母將底座、立柱和上橫梁緊密連接在一起。當(dāng)矯直機工作時受矯直力的作用，預(yù)應(yīng)力拉桿和立柱的受力得到再分配，拉桿受力增加產(chǎn)生拉伸變形，立柱受力減少發(fā)生壓縮變形，充分發(fā)揮了各部件材料的性能。

（2）改多輥整體調(diào)整為單輥獨立調(diào)整機構(gòu)。根據(jù)中厚板矯直原理，中厚板矯直時最佳的彎曲曲率在第3根矯直輥處最大，沿矯直機出口方向逐漸減小。而目前大部分矯直機采用整體壓下上矯直輥的調(diào)整方式，這就很難進(jìn)行上述調(diào)整以達(dá)到中厚板的最佳彎曲順序。單輥獨立調(diào)整式重型矯直機通過調(diào)整下輥處能夠相互滑動的楔形塊來實現(xiàn)矯直輥的單獨調(diào)整，實現(xiàn)了對中厚板料的反向彎曲和帶負(fù)載壓料。

（3）由于板材在軋制過程中產(chǎn)生的縱向彎曲（波浪形）、橫向彎曲、邊緣浪形、中間瓢曲和鐮刀彎等缺陷，可通過對矯直輥上輥的撓度進(jìn)行相應(yīng)的曲率調(diào)整（圖4），改善板材的不良缺陷，獲得理想的板型。

圖4 不同板材缺陷時矯直輥的調(diào)整模型

（4）在上滑塊（圖5）設(shè)計時，采用高截面設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，滿足了矯直機剛度的要求。在底座（圖6）設(shè)計時，由于增加中間支撐，使得底座截面高度較橫梁變低，通過對底座進(jìn)行有限元分析，滿足矯直機剛度要求。

圖5 矯直機滑塊受力分析圖

圖6 矯直機底座受力分析圖

（5）采用單獨傳動方式，即每根矯直輥都由各自的電動機提供矯直力矩，因這些獨立控制回路集中在一個負(fù)載補償控制裝置中，所以控制了鋼板在入矯直機時的力矩過載峰值，保證矯直過程中負(fù)載分布均勻。解決了通常傳動中因軸向力引起的各矯直輥的額外扭矩負(fù)載，避免了傳動裝置中傳動聯(lián)接軸和齒輪的損壞。

2.2 自動調(diào)整徑、軸向刀隙的全自動調(diào)整修邊機組

現(xiàn)代中厚板生產(chǎn)線上常用的修邊剪，按剪切方式和結(jié)構(gòu)可分為鍘刀剪、擺動剪、圓盤剪、滾切剪和液壓剪等類型。由于圓盤剪與其他剪切類型相比，具有可連續(xù)滾動剪切、速度快、產(chǎn)量高、效率高、質(zhì)量好等優(yōu)點，所以在高強度中厚板修邊選用圓盤剪；其剪切原理如圖7所示。圓盤剪主要由傳動裝置、固定機架、移動機架、上下刀軸、機座、寬度調(diào)整裝置、刀盤調(diào)整機構(gòu)及碎邊切斷等組成，如圖8所示。

圖7 圓盤剪剪切簡圖

傳動裝置分別布置在剪切線中心線的兩側(cè)，兩側(cè)電機利用同步軸以及電氣同步來保證對板兩邊同步剪切；由于兩側(cè)機架上分別安裝了上下刀盤、刀盤調(diào)整機構(gòu)和傳動裝置，通過移動左右機架可以滿足不同寬度鋼板的修邊要求；通過機械提升修邊剪的上刀盤，改變上下刀軸的中心距，實現(xiàn)刀盤重合量的調(diào)整，滿足了不同厚度和材質(zhì)的鋼板對不同刀盤重合量的需求；由減速電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)下刀軸的定位鎖緊螺母，使下刀軸軸向微移，從而實現(xiàn)了圓盤刀的側(cè)向間隙的調(diào)整，保證剪切鋼板的毛刺大小。

圖8 修邊機組的組合結(jié)構(gòu)示意圖

針對高強度中厚板對修邊的廢邊難卷取的缺陷，采用了廢邊在線連續(xù)切斷，減少操作工的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

2.3 低噪聲動力對中機動翻轉(zhuǎn)垛料裝置

針對現(xiàn)有落料裝置噪聲大的缺點，開發(fā)了低噪聲動力對中機動翻轉(zhuǎn)垛料裝置，如圖9所示。采用帶動力馬蹄式托輥，由于馬蹄式托輥旋轉(zhuǎn)時各部分的線速度不同，實現(xiàn)了板料在運動過程中的自動對中，避免了板料在輸送過程中的跑偏現(xiàn)象。鋼板在落料時采用機械翻轉(zhuǎn)落料機構(gòu)替代傳統(tǒng)的液壓或氣動翻轉(zhuǎn)落料機構(gòu)，這樣可以實現(xiàn)板料的同步落料，從而降低接料工位落差，避免了以往鋼板翻轉(zhuǎn)落料不同步引起的摔板現(xiàn)象，使落料噪聲降到最低。

3 生產(chǎn)線的自動化技術(shù)

高強度中厚板精密數(shù)控開卷線的電氣系統(tǒng)主要由PLC、人機界面、直流調(diào)速器組成，并采用PROFIBUS-DP總線連接，提高了通訊速度及抗干擾能力，減少了連線故障率，實現(xiàn)了設(shè)備運行速度在線調(diào)整補償及整條生產(chǎn)線的速度匹配。并使用觸模式液晶彩色顯示器，實現(xiàn)了人機對話，使得各控制器故障代碼直接顯示，加快了查找故障原因和排除故障的速度，提高了生產(chǎn)效率。該電氣系統(tǒng)具有長度尺寸設(shè)定、板料狀態(tài)監(jiān)控、自動計數(shù)、速度調(diào)整、自動/手動進(jìn)給，連續(xù)剪切、故障報警、系統(tǒng)保護等功能。因采用SIEMENS STEP7編程軟件、SIEMENS PROTOOL組態(tài)軟件，所以實現(xiàn)了HMI與PLC的動態(tài)鏈接。

4 同類產(chǎn)品比較

該高強度中厚板開卷線與國外同類產(chǎn)品相比，其主要技術(shù)水平達(dá)到國外同類產(chǎn)品指標(biāo)，屬國際先進(jìn)水平。表1按產(chǎn)品分類進(jìn)行項目指標(biāo)對比。

表1 高強度中厚板開卷線國內(nèi)外技術(shù)對比

5 結(jié)束語

高強度中厚板精密數(shù)控開卷線的研發(fā)滿足了汽車、造船、機車車輛、鋼結(jié)構(gòu)及鋼材加工配送等行業(yè)對高精度、高效率板材加工的需求。

該生產(chǎn)線的主要特點可以概括為“五高、四節(jié)、三低、二少、一快”，即：五高——生產(chǎn)效率高、自動化程度高、柔性化程度高、成品精度高、可靠性高；四節(jié)——節(jié)省原材料、節(jié)省能源、節(jié)省中間轉(zhuǎn)序、節(jié)省人力；三低——制件廢品率低、生產(chǎn)噪聲低、勞動強度低；二少——設(shè)備投資少、維護費用少；一快——板厚變化后參數(shù)設(shè)置快。

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