新型冷帶邊部修磨機的設計

胡東倉，吳永杰，劉渭苗，趙流韻

(中國重型機械研究院股份公司 陜西西安 710061)

0 前言

近年來，隨著冷帶生產技術的不斷進步，冷帶成品質量得到了大幅度提升。為進一步追求高品質板帶產品，用戶對冷帶邊部質量提出了越來越高的要求[1-3]。為保證帶鋼邊部質量，一般會利用圓盤剪設備對軋制后的帶鋼進行切邊處理。然而，帶鋼在經圓盤剪切邊后，切邊斷面毛刺缺陷明顯[4-6]，嚴重影響冷帶產品的成品質量。因此，解決冷帶切邊斷面的毛刺缺陷問題就成為進一步提升板帶整體質量的關鍵。對于切邊質量問題，國內外學者也進行了較多的研究，比較典型的有，趙干波[7]等通過總結重卷拉矯機組切邊圓盤剪的減壓環與刀盤配對、刀盤和裝配等方面的問題，提出了一些提高重卷圓盤剪切邊質量的措施；王飛[8]等擬合出切邊寬度系數計算多項式，并通過自動化系統的改造實現了切邊寬度的自動設定；白振華[9]等提出了一套帶鋼切邊質量評價方法，并開發出圓盤剪間隙量與重疊量綜合優化設定技術。但這些研究均是從工藝上對圓盤剪設備的工藝參數進行優化調節，以達到提高切邊質量的目的。但由于圓盤剪的工作原理，帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷是無法避免的，圓盤剪工藝參數的優化調節只能盡可能的降低毛刺缺陷，而不能從根本上消除毛刺缺陷。因此，本文設計了一套新型冷帶邊部修磨機。

1 新型冷帶邊部修磨機的設計原理

1.1 設計要求

根據現場冷帶生產的實際情況，以及圓盤剪切邊過程的設備及工藝特點，本文所設計的冷帶邊部修磨機構能夠線上使用的同時，還應滿足設計要求。

(1)帶鋼切邊現場的工作環境的復雜性要求帶鋼邊部質量修磨裝置具有小巧靈活的特點；

(2)能夠滿足精整產品的多樣性，適應帶鋼規格的變化；

(3)修磨裝置與帶鋼切邊截面的貼合角度能夠任意調節，以適應不同剪切參數下，帶鋼撕裂區與切斷區之間的角度變化；

(4)具備“隨動性”，即使在帶鋼出現抖動、跑偏的狀況下，依然可以保證修磨質量。

1.2 機構組成及原理

根據新型冷帶邊部修磨機構的設計要求，結合現場冷帶生產設備的布局結構，所設計的新型冷帶邊部修磨機如圖1所示。主要由磨邊機構、高度和角度調整機構、水平角度調整機構、隨動機構、進給機構等五部分組成。

圖1 新型冷帶邊部修磨機構示意圖

1.2.1 磨邊機構

磨邊機構是冷帶邊部修磨機的核心工作機構，通過磨邊機構可以完成切邊斷面的磨削。如圖2所示，該機構由角件1、電機軸向固定螺栓2、墊片3、磨輪4、電機支座螺栓5、平面推力軸承6、電機支座7、3510電機8、鋁型材9組成。

該機構中磨輪4的兩端由電機軸向固定螺栓2、墊片3和平面推力軸承6保證運轉的平穩性。與此同時，磨輪4通過鍵D形孔與電機相對固定，實現與電機6的同步轉動，為磨邊機構提供轉矩。

圖2 壓磨機構示意圖

1.2.2 高度和角度調整機構

高度和角度調整機構分為高度調整與角度調整，高度調整主要是為了確保帶鋼高度和壓磨作用處在同一高度，提高磨削效率；角度調整主要是為了保證磨輪與撕裂區毛刺的貼合。如圖3所示，該機構由2020鋁型材1、鋁型材角件2、上面板3、型材固定螺栓4、推桿支架5、推桿銷6、后電動推桿7、前電動推桿8、大齒輪9、銅柱10、3D打印鉸接件11、銷用塞打螺釘12、鉸接件固定螺釘13、前電動推桿固定螺釘14組成。

由前后電動推桿升降同樣高度時，可以實現機構的上升下降；當前后電動推桿上升高度不一致時，可以實現磨邊機構與水平面呈一定的傾斜角度，從而使磨邊的范圍更大，提高帶鋼的質量。

圖3 高度和角度調整機構示意圖

1.2.3 水平角度調整機構

水平角度調整機構確保切下的碎屑向工作區外飛去，保證切下的碎屑不影響后續工藝。如圖4所示，該機構由角件1、鋁型材2、電機支架固定螺釘3、42步進電機支架4、42步進電機5、法蘭聯軸器6、頂絲7、螺釘8、小齒輪9、大齒輪10、過渡板11、轉盤軸承12、銅柱13、鋁板連接板14組成。

在該機構鋁板連接板上從下到上依次安裝銅柱、轉盤軸承、過渡板、大齒輪；在鋁板連接板的另一側依次安裝角件、鋁型材、電機支架固定螺釘、42步進電機支架、42步進電機、法蘭聯軸器、頂絲、螺釘、小齒輪，使小齒輪與大齒輪嚙合。轉盤軸承可以將壓磨機構、高度調整機構的重力卸載，是齒輪轉動更加平穩。并通過對42步進電機編程控制，42步進電機將轉動并帶動小齒輪轉動，通過小齒輪與大齒輪的傳動實現磨邊機構的水平轉動。

圖4 水平角度調整機構示意圖

1.2.4 隨動機構

隨動機構是保持壓磨機構實現“隨動性”的核心機構，通過該機構可以實現帶鋼邊部修磨裝置在帶鋼切邊生產過程中與帶鋼的實時跟隨；同時，該機構提供壓磨機構對于帶鋼切面的壓磨力。如圖5所示，該機構由底板、牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓、氣缸固定螺栓、滑臺氣缸以及由四通、PU管、單向閥、節流閥、壓力表、消音器、二位五通電磁閥組成的氣壓傳動系統組成。

在該機構中將氣缸固定在底板上，通過伸縮氣缸實現對帶鋼邊部的壓緊，確保磨輪始終與帶鋼接觸。氣瓶的可調壓強為0～0.8 MPa，通過改變氣瓶內壓強的數值改變壓磨力的大小，相對于通過更換彈簧來實現不同的壓力更加方便快捷。由牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓組成的支持機構，提高了鋁板連接板的剛度，使得磨輪壓磨更加平穩。

圖5 隨動機構示意圖

1.2.5 進給機構

進給機構的主要作用是保證磨邊機可在一定范圍內移動，以適應現場帶鋼規格的變化，并給予帶鋼一定的壓磨力，同時還可以實現裝置修磨角度的調整。如圖6所示，進給機構由手輪 、57步進電機、固定電機螺釘、電機支座、聯軸器、沉頭螺釘、絲桿左支撐板、絲杠、光軸、絲桿右支撐板、軸承、長滑塊、直線軸承、絲杠螺母、螺栓組成。手輪、57步進電機通過聯軸器與絲杠連接，對57步進電機進行編程控制或者轉動手輪，可以實現對裝置的電動或者手動的橫向進給，而且絲杠傳動平穩、精確，可以較好的適應對不同寬度帶鋼的修磨。

圖6 進給機構示意圖

2 部件選型與參數

(1)磨輪。磨輪是修磨機的核心部件，為保證修磨質量，選擇金剛石材質，并設定其內徑為10 mm、外徑為25 mm、高度為20 mm。

(2) 轉盤軸承。轉盤軸承具有結構緊湊、引導旋轉方便、安裝簡便和維護容易等特點，能夠同時承受較大的軸向負荷、徑向負荷和傾覆力矩等綜合載荷，本裝置選擇XRU5515轉盤軸承。

(3)磨削電機。考慮帶鋼與磨輪的接觸壓力與相對摩擦系數，綜合現場帶鋼的必要修磨效率和廠家產品的特性曲線，選用帶有27:1減速箱的3510電機，輸出轉矩。

(4)絲桿滑臺。絲桿滑臺用來保證裝置整體的進給，適應不同規格的帶鋼，驅動方式有用步進電機驅動和轉動手輪驅動兩種方式。現場的安裝空間是絲桿滑臺的限制條件，經測量，為保證裝置的進給同時增大承重量，本文選購的絲桿滑臺參數：

滑臺材料：全鋁，CNC精加工，表面噴砂，陽極氧化；

滾珠絲杠：1605 導程5 mm，即電機轉一圈5 mm；

光軸：標配20鍍鉻光軸標準滑塊；

定位精度：重復定位精度≦0.02 mm；

載重：水平負載≦600 kN;垂直負載≦300 kN。

(5)滑臺氣缸。滑臺氣缸的目的是確保磨輪始終與帶鋼接觸，提供壓磨力。通過調整氣壓，可以改變壓磨力。選擇滑臺氣缸型號為MXS12-30。

(6)電動推桿。裝置高度和角度的調整通過電動推桿實現。電動推桿參數：

工作電壓：DC24V；

工作行程：50 mm；

最大推力：180 N；

速度：50 mm/s。

(7)步進電機。修磨機在軋制平面內轉動通過步兵電機驅動。步進電機參數：

型號：42BYGH47-401A；

步距角：1.8°；

機身長度：48 mm；

扭矩：0.55 N·m。

經過后期的加工、組裝，研發出一套新型的冷帶邊部修磨機，實物圖如圖7所示。

圖7 新型冷帶邊部修磨機實物圖

3 新型冷帶邊部修磨機的調試

新型帶鋼修磨裝置在能夠適應現場復雜的工作環境的同時，其進給機構、隨動機構保證了機構與帶鋼貼合磨削，并且通過楔塊可以針對性地進行角度調整。

首先通過控制前后電動推桿的伸出長度調整上面板的傾斜角度，使修磨機傾斜角度與帶鋼切邊斷面傾斜角度一致。在帶鋼厚度h、機組圓盤剪側隙量s、切邊帶鋼撕裂區占帶鋼厚度的比例等參數已知的前提下，上面板的調整角度可由式(1)確定。

(1)

然后，設定前電動推桿伸出后長度為l1，后電動推桿伸出后長度為l2，前后電動推桿初始長度為l0，中心距在進給方向的投影為x，其關系如式(2)所示，依據式(2)調整電動推桿的伸出長度。

(2)

最后，控制步進電機或者轉動手輪，在絲桿和絲桿螺母作用下，進給底板及其上方機構一起進給，當磨輪接觸帶鋼邊部后，二位五通電磁閥得電，滑臺氣缸伸出，給與帶鋼邊部一定的壓磨力，達到一定壓磨力后，機組運行，通過can協議傳送給3510電機信號，磨輪在電機轉矩作用下轉動，編碼器實時檢測運轉情況，使其勻速轉動，形成滑動摩擦。

當帶鋼跑偏，隨動機構的作用會使壓磨機構始終緊貼帶鋼邊部，保證磨邊的均勻性。同時，由于平面轉動機構，磨邊機構可以在軋制平面內轉動，使切下的碎屑向工作區外飛去，保證切下的碎屑不影響后續工藝。

具體調試流程如圖8所示。通過試驗表明，該套新型冷帶邊部修磨機的高度和角度調整機構于水平角度調整機構實現了對切邊斷面的精準修磨，隨動機構保證了修磨過程的穩定性，最終能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷。

圖8 調試過程流程圖

4 結束語

根據現場實際情況與設計要求，本文設計了一套新型的冷帶邊部修磨機，該修磨機的主要機構包括磨邊機構、高度和角度調整機構、水平角度調整機構、隨動機構、進給機構等五部分。通過調試與試驗，新型冷帶邊部修磨機能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷，保證了帶鋼邊部質量，具有進一步推廣應用的價值。