高強度中厚板精密數控開卷線淺析

2013-08-16 07:43:08張紹芳展立娟龐東平

鍛壓裝備與制造技術 2013年6期

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

進入21世紀以來，我國的鋼鐵工業以每年20%以上的增長率迅速發展，已經接近10億噸的產能，其中中厚板作為重要的鋼材品種，一直占鋼材總產量的20%左右。隨著我國經濟的高速發展，對高強度、高韌性、耐腐蝕、低屈服比、焊接性能優良的中厚板的需求非常強勁，已廣泛應用于汽車、造船、工程機械等領域，在國民經濟中占有重要地位。

針對高強度中厚板矯平時內應力難以釋放、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控開卷矯平生產線。

1 生產線工藝流程

如圖1所示，該生產線工藝流程為：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、氣動系統、電氣系統。

圖1 高強度厚板開卷校平生產線的工藝流程圖

2 生產線主要設備的性能特點

2.1 單輥獨立調整式重型矯直機

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整的焊接式機架，由于高強度厚板卷材基本是熱軋材質，具有熱處理性能不穩定、板厚不均勻、板內應力過大等特點，在矯直過程中往往按通用標準設計的機身剛度不能承受局部特殊應力變形而產生整體彎曲，造成矯直輥隨機座的整體變形而彎曲，進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又引起了支撐輥的嚴重偏載，使得原始板料未能達到良好的矯直效果，對于高強度中厚板的矯平質量更加無從保證。通用的解決方法是繼續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定性可能還會繼續碰到類似問題，因而并未能從根本上解決這類問題。

針對這種狀況，研發了單輥獨立調整式重型矯直機，如圖3所示。該設備有以下特點：

圖2 通用矯直機受力機架變形圖

圖3 單輥獨立調整式重型矯直機原理圖

（1）采用了矯直機預應力機架。與焊接式機架相比，這種機架具有結構緊湊、剛度大、重量輕的特點。預應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，通過高強度預應力拉桿和液壓螺母將底座、立柱和上橫梁緊密連接在一起。當矯直機工作時受矯直力的作用，預應力拉桿和立柱的受力得到再分配，拉桿受力增加產生拉伸變形，立柱受力減少發生壓縮變形，充分發揮了各部件材料的性能。

（2）改多輥整體調整為單輥獨立調整機構。根據中厚板矯直原理，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整方式，這就很難進行上述調整以達到中厚板的最佳彎曲順序。單輥獨立調整式重型矯直機通過調整下輥處能夠相互滑動的楔形塊來實現矯直輥的單獨調整，實現了對中厚板料的反向彎曲和帶負載壓料。

（3）由于板材在軋制過程中產生的縱向彎曲（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行相應的曲率調整（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整模型

（4）在上滑塊（圖5）設計時，采用高截面設計，并對設計結構進行有限元分析，滿足了矯直機剛度的要求。在底座（圖6）設計時，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載，避免了傳動裝置中傳動聯接軸和齒輪的損壞。

2.2 自動調整徑、軸向刀隙的全自動調整修邊機組

現代中厚板生產線上常用的修邊剪，按剪切方式和結構可分為鍘刀剪、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，具有可連續滾動剪切、速度快、產量高、效率高、質量好等優點，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、寬度調整裝置、刀盤調整機構及碎邊切斷等組成，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，兩側電機利用同步軸以及電氣同步來保證對板兩邊同步剪切；由于兩側機架上分別安裝了上下刀盤、刀盤調整機構和傳動裝置，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，實現刀盤重合量的調整，滿足了不同厚度和材質的鋼板對不同刀盤重合量的需求；由減速電機驅動旋轉下刀軸的定位鎖緊螺母，使下刀軸軸向微移，從而實現了圓盤刀的側向間隙的調整，保證剪切鋼板的毛刺大小。

圖8 修邊機組的組合結構示意圖

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切斷，減少操作工的勞動強度，提高了生產效率。

2.3 低噪聲動力對中機動翻轉垛料裝置

針對現有落料裝置噪聲大的缺點，開發了低噪聲動力對中機動翻轉垛料裝置，如圖9所示。采用帶動力馬蹄式托輥，由于馬蹄式托輥旋轉時各部分的線速度不同，實現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象。鋼板在落料時采用機械翻轉落料機構替代傳統的液壓或氣動翻轉落料機構，這樣可以實現板料的同步落料，從而降低接料工位落差，避免了以往鋼板翻轉落料不同步引起的摔板現象，使落料噪聲降到最低。

3 生產線的自動化技術

高強度中厚板精密數控開卷線的電氣系統主要由PLC、人機界面、直流調速器組成，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，實現了設備運行速度在線調整補償及整條生產線的速度匹配。并使用觸模式液晶彩色顯示器，實現了人機對話，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，提高了生產效率。該電氣系統具有長度尺寸設定、板料狀態監控、自動計數、速度調整、自動/手動進給，連續剪切、故障報警、系統保護等功能。因采用SIEMENS STEP7編程軟件、SIEMENS PROTOOL組態軟件，所以實現了HMI與PLC的動態鏈接。