螺旋剪刃滾筒飛剪的設計研究

隋冬枝

(北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

螺旋剪刃滾筒飛剪的設計研究

隋冬枝

(北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

結合北方重工集團有限公司設計的滾筒飛剪機，介紹了螺旋式剪刃的滾筒飛剪的剪切原理，并對滾筒飛剪力能參數進行計算。該滾筒飛剪采用電機通過膜片式聯軸器驅動齒輪軸，具有主副齒結構的傳動方式；采用螺旋式剪刃進行剪切。生產實踐表明，定尺長度精度可控制在±0.5 mm以內。

滾筒飛剪；剪切力；螺旋剪刃；剪切原理；工作制度

0 前言

現代化板帶材精整機組不斷向高速、自動化方向發展，需要采有飛剪將行進中的板材剪切成定尺長度。作為橫切機組的關鍵設備，飛剪的剪切速度、剪切質量對成品板材起著至關重要的作用。而滾筒飛剪具有附加動態力小、生產率高、控制精度高、剪切質量好等優點，在剪切厚度較小的精整機組中成為首選飛剪型式。滾筒飛剪的剪刃安裝在上下滾筒刀軸的螺旋槽中，成為螺旋剪刃，隨刀軸的旋轉將運動的板材按規定的定尺長度剪斷。刀軸采用交流伺服電機驅動，刀軸的轉動使剪刃按一定的工作制度完成板材的快速準確定尺剪切。

1 滾筒飛剪的剪切原理

吉林麥達斯項目滾筒飛剪為北方重工自主研發設計的高新技術產品，飛剪采用交流伺服控制系統的啟動工作制。通過在工控系統屏輸入控制參數(剪切材料的強度極限、寬度、厚度、切斷率及需要的定尺長度)，然后由剪前夾送輥給飛剪送料，夾送輥采用交流變頻調速，在夾送輥前面的測量輥隨帶材運動被動旋轉，測量輥上增量型編碼器發出脈沖信號送到矢量控制器，從而計算出板材行走的長度和速度，按觸摸屏上輸入的定尺長度控制交流伺服電機動作，使電機加速進入剪切區，剪切板材后再減速停止，完成一次剪切過程。滾筒飛剪剪切過程運動簡圖如圖1。

圖1 滾筒飛剪剪切過程圖Fig.1 The cutting processes of arum flying shears

在剪切過程中交流伺服電機尾部輸出軸上的編碼器把電機轉動的角度位置用脈沖信號反饋給控制系統矢量控制器，控制器將反饋信號與輸入的指令信號進行比較，及時修正出現的偏差，測量輥帶編碼器為40000脈沖/轉，一個脈沖當量為0.01 mm，電機編碼器為60000脈沖/轉，一個脈沖當量為0.36′，所以剪刃的位置控制精度非常高，這樣可保證剪刃在剪切區與帶材完全同步，可保證剪切板材的定尺精度，剪刃起始位置由接近開關控制，該開關安裝在上滾筒傳動側，可確定脈沖計數的起點，即：剪刃起始位置。

2 滾筒飛剪的剪切工作制度

(1)基本定尺連續轉動工作制是飛剪最基本的一種工作制度，即飛剪剪刃連續地以與帶材同步的速度轉動，滾筒每轉一轉上下剪刃就相遇一次，完成一次剪切動作，剪刃的圓周周長即為剪切板材的定尺長度，剪切次數為滾筒轉數。但對于實際生產中，剪切定尺長度往往并不等于剪刃的圓周長度，所以這只是一種基本工作制度。

(2) 啟動工作制是飛剪最常用的一種工作制度，因為實際剪切的定尺長度一般都比剪刃的圓周長要長，如果剪刃連續轉動只能剪切基本定尺，因此剪刃的圓周速度只能在剪切區里與帶材同步，而在加速及減速區采用啟動工作制，飛剪剪刃停在最高位置，根據控制器的指令剪刃啟動加速，達到剪切速度進入勻速區，剪刃位置也剛好進入剪切區，待剪切完畢剪刃離開剪切區進入減速區，當到達最高點時剪刃停止，等待第二次剪切。

(3) 加速工作制是飛剪剪切定尺長度比剪刃圓周長度短時所采用的工作制度，與上述工作制度同樣的是剪刃在剪切區里圓周速度與帶材運行線速度一致，而在剪切區外剪刃均以快于帶材的速度轉動，即一出剪切區剪刃就開始加速，當剪刃達到最高點時開始減速，直至進入剪切區后達到與帶材同步開始下一次剪切。在剪切短定尺時原則上帶材運行的線速度應降低。

3 滾筒飛剪力能參數計算分析

3.1 飛剪技術參數

剪切材料 鋁及鋁合金1XXX-8XXX

板材厚度h0.3～2.5 mm

板材寬度b800～2200 mm

定尺長度L1 000～10 000 mm

剪切速度v70 m/min

剪切次數 最大70次/min

剪刃螺旋角β2.5°

3.2 剪切力計算

滾筒飛剪剪切過程類似于圓盤剪切，其切入板材是依次相遇而切入的，剪切原理與平行剪刃斜刃剪相似。剪切力的計算是確定剪機能力的依據，設計時滾筒直徑及軸頸處支承軸承的選擇以及電機功率的選擇均依據剪切力大小而確定。為減小剪切力，滾筒飛剪剪刃采用螺旋式剪刃，這樣可以節省電機功率，并可降低剪刃磨損，提高了剪刃的使用壽命。

設計時剪切力計算按采利柯夫-諾沙里公式確定滾筒飛剪總剪切力,但是與普通斜刃剪不同，滾筒飛剪剪切時需要考慮剪切阻力因素影響。

P=P1+P2+P3+P4

P1為純剪切力，可根據剪切面積確定，取決于剪切材料的強度極限及剪切板材的厚度，與設備的螺旋角有關； P1=0.6σbδh2/Ktgβ，帶入數值后得P1=109 938N；δ為剪切材料的延伸率；K為剪切斜率與螺旋刃斜率的比值系數。

P2為懸臂彎曲力，對于冷剪薄板的滾筒飛剪來說，此力很小，或者不存在，原因是剪切板材較薄，剪切較平穩，上下剪刃重疊量很小，只有剪切厚板時考慮懸臂彎曲力。

P3為碗形彎曲力，碗形現象在剪切工作中普遍存在，對于飛剪也是一樣，但飛剪剪切時無壓板，卻是在有張力情況下剪切，與壓板作用相當，可按斜刃剪切時壓板力公式計算：

P3=P1/(1+100δ/σby2x)

式中，y為剪刃側面相對系數；當x=10,y=0.07時，P3=44 850N。

P4為剪切綜合阻力，這個力對普通斜刃剪是不考慮的。對滾筒飛剪其剪切綜合阻力考慮4個因素，即

剪刃與板材速度不同步引起的剪切阻力系數Kβ=0.017～～0.025；側推力造成的阻力系數KT=0.04～0.08；上下剪刃線速度差造成的阻力系數Kv=0.017～0.025；刀片磨鈍阻力系數Kξ=0.08～0.10；則總阻力系數KP4=0.16～0.23。

P4=KP4P1=17 590N

則總剪切力P=172 378N

設計時根據總剪切力及剪切次數為依據確定總的剪切力矩及傳動電機功率，同時選擇上下滾筒直徑及支承軸承的型號規格，滿足剪切力能的要求。

4 滾筒飛剪結構特征的分析

滾筒飛剪主要由測量輥及夾送輥、飛剪本體組成。所有組成部分安裝在一個共同的底座上面。設備組成如圖2所示。設備結構在設計過程中進行了多項創新。

圖2 滾筒飛剪側面圖Fig.2 The lateral view of arum flying shears

4.1 測量輥及夾送輥

位于設備的入口側，包括有夾送輥、測量輥、支承輥、中間導板、覆膜支撐裝置、導輥、張緊輪等。夾送輥主要用于給滾筒飛剪夾送板材，測量輥用來測量板材定尺長度后將信號發送給飛剪實施剪切動作，保證定尺剪切精度。夾送輥采用交流變頻電機驅動，可滿足不同剪切速度要求，夾送輥的線速度與帶材運行速度保持一致。測量輥為被動輥，夾送輥壓下采用液壓缸同步壓下，上夾送輥的同步壓下通過齒輪齒條來實現。為保證帶材表面質量，所有輥子表面均為掛膠輥。

4.2 飛剪本體

飛剪本體位于夾送輥出口側，滾筒刀軸與夾送輥軸中心線成2.5°夾角布置，也就是說滾筒刀軸中心線與機組中心線不是垂直布置的，這樣可保證剪切板材斷面是平直的，這個夾角通過安裝在底座上的螺栓可以調整并定位。

飛剪本體由左右兩個機架、上下兩個滾筒刀軸、主傳動電機及一個焊接的底板組成，滾筒支承在兩側機架上，機架及主電機直接把合在底板上。

本設備采用創新設計的傳動方式，這種傳動結構新穎，可滿足準確剪切定尺長度要求。滾筒飛剪主傳動電機采用交流伺服電機，根據控制器發出的指令，電機啟動、加速、減速、停止，通過一級齒輪減速及一級分配齒輪驅動上下滾筒相向旋轉，從而完成對行走板材的定尺剪切動作。

滾筒飛剪傳動機構是主傳動電機通過膜片式聯軸器驅動一根齒輪軸，齒輪軸安裝在傳動側機架內，齒輪軸為6級精度斜齒輪，與裝在下滾筒刀軸外側的主副齒輪進行一級減速，從而帶動下滾筒旋轉，下滾筒兩側還裝有分配齒輪，與上滾筒上的分配齒輪嚙合，這樣就可同時驅動上滾筒旋轉，為了消除齒輪傳動嚙合間隙，滿足高精度剪切，上滾筒分配齒輪也采用主副齒結構，下滾筒分配齒輪則采用單齒輪傳動。裝配時根據主齒輪的嚙合側隙來修配主副齒輪之間的調整墊的厚度來消除副齒與相嚙合齒輪之間的側隙，在傳動側可加厚調整墊的厚度，操作側則減薄調整墊的厚度，可以保證上下剪刃間隙在剪切過程中的準確性。上下滾筒分配齒輪傳動產生的軸向力由推力圓柱滾子軸承承受，推力軸承安裝在操作側機架上。主傳動減速齒輪傳動產生的軸向力由深溝球軸承來承受，深溝球軸承安裝在傳動側機架上。所有齒輪均采用優質合金齒輪鋼制作而成，齒面經硬化處理，保證高速剪切齒輪嚙合要求。

此種傳動方式與以往滾筒飛剪龐大減速均速機構相比，既減輕了設備重量又可以保證剪切各種長度定尺板材要求，結構新穎，調整方便，該創新結構的采用可為設備節省近一半的投資。

滾筒是飛剪的剪切執行機構，上下剪刃通過楔形壓塊固定在滾筒刀軸的螺旋槽內，上下滾筒刀軸的螺旋槽角度相同，但旋向相反，在楔塊的作用下，上下剪刃發生彈性變形，按滾筒刀軸螺旋槽旋向形成螺旋剪刃。此種結構為本設備的重要創新技術，與以往滾筒式平刃飛剪相比，這種飛剪剪切力比較小，可以減小滾筒直徑，減輕設備重量。裝配后剪刃螺旋角為2.5°，上滾筒為右旋，下滾筒為左旋。剪刃螺旋角對剪切力影響較大，螺旋角過小，剪切力變大，螺旋角過大，則剪切時側推力也增加，使剪刃容易剝落，影響軸承壽命。在上滾筒剪刃的背面沿軸向還設有多個調整桿，調整桿為偏心結構，可對上剪刃進行微調，保證裝配時上下剪刃之間間隙均勻一致，而下剪刃則只采用采用楔塊鎖緊方式定位，楔塊采用螺栓把合在刀軸的螺旋槽內，裝配后不需要調整。上下滾筒均采用優質合金鋼鍛制而成，為保證使用壽命，刀軸要求進行超聲波探傷檢查。上下剪刃采用專用剪刃鋼制作，為保證剪切質量，上下剪刃均制作為銳角形狀，剪刃要求表面淬火處理，硬度要求達到55～58HRC。

滾筒飛剪的上下滾筒刀軸兩側均支承在兩側機架的軸承座孔內，每根滾筒均由兩個大承載力的單列圓柱滾子軸承來承受剪切力，此軸承選擇要求滿足承載能力大及高速旋轉工況，軸承為可分離型，方便裝配調整，軸承精度等級為P4級，軸承游隙采用較小值，滿足剪切精度的要求。為方便上下剪刃裝配時位置調整，上下滾筒上的齒輪與刀軸之間均采用脹緊聯結套方式傳遞扭矩，此種聯接方式是本設備結構的另一個創新點，既可以避免刀軸上開鍵槽影響刀軸強度，又很方便上下剪刃間隙的調整。滾筒飛剪本體結構特征如圖3所示。

圖3 滾筒飛剪本體圖Fig.3 The view of arum flying shears

剪切不同厚度的板材要求上下剪刃之間具有一定的剪刃間隙及重疊量。

滾筒飛剪的剪刃間隙值設計是可調整的，剪切板材厚度不同，剪刃間隙值不同。具體調整方式是在上滾筒的操作側機架上設有一液壓缸，液壓缸接頭與安裝于上滾筒操作側側隙調整裝置用銷軸連接，根據剪切的板材厚度不同，旋轉操作側剪刃間隙調節油缸頭部的螺栓，帶動上滾筒端部的滾珠絲桿旋轉，由于絲桿上的螺母固定不動，這樣絲桿就帶動上滾筒及下滾筒旋轉，使上滾筒產生軸向位移，使上下剪刃的間隙發生改變，滾珠絲桿與螺母之間螺紋間隙很小，可以保證剪刃間隙值的準確性。這也是本設備采用創新技術之一。剪刃間隙過大過小對剪切質量影響都很大。在剪切時剪刃間隙數值一般按板厚的0.05～0.15倍調整，可根據實際剪切斷面質量情況來調整。

滾筒飛剪上下剪刃重疊量設計采用為固定值，重疊量過大將會使剪切力變大，使滾筒刀軸加大，增加設備重量，造成不必要的浪費。根據剪切板材厚度一般取板厚的0.25～0.75倍比較合適。

飛剪本體兩側機架采用焊接式箱體結構，機架內齒輪及軸承均采用稀油潤滑方式，每側機架各有一臺交流電機驅動齒輪油泵將潤滑油從機架箱體內吸出，通過濾油器及油量分配器將潤滑油送往各潤滑點，即各齒輪嚙合處及各軸承處，足夠的潤滑可保證齒輪及軸承工作順利。

為滿足板帶進入及輸出滾筒飛剪，在滾筒飛剪入口及出口側各設有一段導板，導板為酚醛層壓玻璃布板，在所有導板中間設置多個導輥，所有的導輥都為非金屬材料，可以保證板材輸送時的剛度并避免板材表面劃傷。這種設置是以往設計所沒有考慮的環節，所有往往會對板材表面質量及剪切質量造成不好的影響。

5 結束語

(1) 采用創新設計的交流伺服控制系統的滾筒飛剪具有結構新穎、設備重量輕及剪切定尺精度高、控制精度高、技術先進、生產率高等優點，其定尺長度精度可控制在±0.5 mm以下，可滿足目前各行業快速發展的需要。

(2) 螺旋式剪刃的采用可大大提高剪刃壽命，降低了剪切時的力能消耗，節約成本。

(3)采用交流伺服控制系統可滿足各種剪切定尺長度要求，具有更廣泛的前途。

(4) 螺旋剪刃滾筒飛剪已經成功應用于洛陽龍鼎、東北輕合金及吉林麥達斯項目，現場使用情況良好，定尺精度高、剪切斷面質量優、剪切次數高、生產率高，得到用戶肯定。

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Design Research of Drum Flying Shears With Spiral Scissors

SUI Dong-zhi

(Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd., Shenyang 110141,China)

This paper introduces the cutting principle of arum flying shears, calculates the force parameters the equipment Combining with the northern heavy industries group Co.，Ltd.’s product. The arum flying shears uses the motor drive gear shaft with the diaphragm coupling ,the equipment structure haves main gear and pinion, cutting with the Spiral Scissors. Production practice shows that the cutting lengths precision can control in ±0.5 mm.

arum flying shears； cutting force； spiral scissors; cutting principle; work calulation

2015-11-25；

2016-02-18

隋冬枝(1964-)， 女 ，高級工程師，從事軋鋼設備設計與研究工作。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0046-05