光亮退火機組液壓斜刃剪的分析

□ 馬 威

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 分析背景

在板帶車間的生產線和處理線上,裝有不同型式的剪切機,用于剪切帶鋼頭部、尾部,或進行分切、定尺。其中,大多數剪切機采用液壓傳動[1-2]。為了減小剪切負荷,剪切機中有一個刀片布置為一定傾斜角度,稱為液壓斜刃剪。近年來,下切式液壓斜刃剪得到廣泛應用,這種斜刃剪具有結構簡單緊湊、質量輕、剪切動作平穩、自動防止過載等優點[3]。

某光亮退火機組來料帶鋼主要是06Cr19Ni10冷軋不銹鋼,厚度為0.075～1 mm,寬度為300～670 mm。根據生產工藝需要,在機組入口、出口均設置液壓斜刃剪,用于剪切帶鋼頭尾及分卷。液壓斜刃剪在車間裝配完成后進行剪板試驗,對于厚度為0.3 mm以下的較薄帶鋼,液壓斜刃剪剪切困難,出現剪不斷、卷邊等問題。為了解決這一問題,筆者對液壓斜刃剪進行結構及受力分析,找到結構缺陷,并加以改進。

2 液壓斜刃剪結構分析

光亮退火機組中液壓斜刃剪基本結構如圖1所示。上剪刃水平,下剪刃傾斜,上下剪刃由螺釘固定在上下刀座上。剪切鋼板時,上刀座通過鎖緊拉桿拉緊,固定于機架上部。液壓缸推拉擺臂連桿,驅動帶剪刃的下刀座上下運動,從而完成剪切動作。液壓斜刃剪在使用時,上下剪刃的間隙并不是固定不變的。當剪切帶材的厚度規格發生變化,剪刃厚度方向產生磨損,或液壓斜刃剪更換剪刃時,都需要通過間隙調整機構調整得到合適的剪刃間隙[4]。調整間隙時,下刀座固定不動,上刀座鎖緊缸打開,此時上刀座在彈簧壓力下仍緊貼在機架上部。旋轉螺旋推進器推拉斜楔,使上刀座克服彈簧壓力前后移動,從而達到調整上下剪刃間隙的目的。剪刃間隙調整如圖2所示。

圖1 液壓斜刃剪結構

圖2 剪刃間隙調整

3 剪切原理

鋼板的剪切過程是一個復雜的彈塑性變形過程,具體為彈性變形、塑性變形、產生裂紋、材料斷裂。剪切時,上下剪刃相對移動與帶材接觸,形成剪切力偶,作用在剪切截面兩側。剪刃擠壓帶材,使帶材發生彈性變形。在這一階段,剪切力相對較小,不足以克服帶材的抗剪力。隨著剪刃的交匯,帶材在剪切力偶作用下產生彎曲,剪切截面發生塑性變形,變形隨著剪刃壓入程度的增大而增大。當剪刃壓入一定深度后,帶材的彎曲被上下剪刃擋住,剪切力偶和截面剪切力達到平衡,剪切過程由壓入變形階段過渡到剪切滑移階段,剪切截面開始出現剪切裂紋,由此開始真正意義上的剪切。剪切力隨剪刃深入程度的增大而增大,剪切到一定深度后,剪切力達到最大,同時帶材沿橫截面被連續剪斷,從而完成整個剪切過程。

4 剪刃間隙的確定

液壓斜刃剪上下剪刃之間必須保持一定的側向間隙來實現對帶材的剪切[5]。剪刃間隙過大,會造成剪切后鋼板扭曲變形、端面毛刺嚴重,甚至難以剪斷而銼傷剪刃。剪刃間隙過小,會增大剪切力,甚至可能出現崩刃的情況[6]。合理地選擇剪刃間隙,對鋼板的剪切質量和剪切機的使用壽命而言,至關重要[7]。由此可見,剪刃間隙的控制是液壓斜刃剪結構設計的重點和難點,是控制剪切帶鋼質量的關鍵。

剪刃間隙的設定取決于所剪切帶鋼的性能和厚度,帶鋼越厚,剪刃間隙越大。當帶鋼厚度為0.3～1 mm時,一般剪刃間隙設定為帶鋼厚度的7%～9%。當帶鋼厚度小于0.3 mm時,一般剪刃間隙設定為0.02 mm[8]。

5 受力分析

由剪切原理分析可知,剪切帶鋼時,剪刃主要承受剪切力P和側推力T的作用[9]。剪刃受力分析如圖3所示。

圖3 剪刃受力分析

液壓斜刃剪的剪切力一般使用諾薩列夫公式進行計算,在此基礎上設計的設備可靠性高,安全因數高[10]。剪切力P為:

(1)

式中:δ為帶材延伸率;σb為帶材抗拉強度,取515 MPa;h為帶材厚度,取0.1 mm;α為剪刃傾斜角度,取1.72°;Z為彎曲力因數,取0.95;Y為上下剪刃間的相對側隙,取0.2;X為壓板相對距離,取50;Kd為刀鈍因數,取1.2。

將各值代入式(1),求得剪切力P為103 N。

在剪切滑移階段,帶鋼所受剪切力P所產生的力矩與側推力T所產生的力矩達到平衡狀態。側推力T為:

T=Ptanγ

(2)

式中:γ為帶鋼轉動角度,無壓板剪切時,取10°～20°,有壓板剪切時,取5°～10°。

本液壓斜刃剪有壓板,γ取10°,代入式(2),求得剪切厚度為0.1 mm的較薄帶鋼時,側推力T為18 N。

6 問題分析

某光亮退火機組出入口共配置下切式液壓斜刃剪三臺,液壓斜刃剪在車間裝配完成后,按要求厚度進行剪板試驗,發現對于0.3 mm、1 mm等較厚鋼板剪切良好,但對于0.1 mm厚度的較薄帶鋼剪切困難,出現剪不斷、卷邊等問題。根據前述結構及受力分析判斷,當剪切0.1 mm厚度較薄帶鋼時,通過目前的剪刃間隙調整結構,無法保證剪刃間隙均勻地處于0.02 mm以內的要求值,從而出現剪切困難的現象。剪切較薄帶鋼時,刀片所受的側推力很小,而對上下刀片的平行度要求極高,據此推斷裝配后上下刀片的平行度超差是導致剪刃間隙超出設定值的主要原因。經車間現場對三臺液壓斜刃剪裝配后的上下刀片進行檢測驗證,平行度為0.03～0.05 mm,無法滿足剪切厚度小于0.3 mm較薄帶鋼的剪刃間隙要求,必須加以改進。

7 結構改進

原來的單楔塊式剪刃間隙調整結構雖然結構簡單,但是一般適用于剪切厚度較大的鋼板。當剪切厚度小于0.3 mm的較薄帶鋼時,此種結構對刀片和刀座的加工精度要求極高,往往難以實現。為降低加工難度,節約加工成本,建議采用雙楔塊式剪刃間隙調整結構,如圖4所示。采用這一結構,能夠通過旋轉拉桿,實現刀片平行度的微調。另一方面,采用如下工藝手段保證楔塊加工精度:① 左楔塊和左調整塊、右楔塊和右調整塊斜面配對加工,斜度一致,接合面接觸率要求大于80%[11];② 配對后的左右楔塊下底面、左右調整塊上表面應在同一平面,平行度小于0.02 mm;③ 加工完成后打鋼印標記,避免裝配時混淆。車間三臺液壓斜刃剪通過以上改進后,均能順利完成剪切厚度0.1 mm的不銹鋼板,經用戶現場實際使用檢驗,剪切效果良好。

圖4 雙楔塊式剪刃間隙調整結構

8 結束語

筆者對光亮退火機組液壓斜刃剪進行了分析和改進。實踐證明,雙楔塊式液壓斜刃剪剪刃間隙調整結構易于加工,調整方便,能夠保證良好的剪刃平行度,對于今后有剪切較薄帶鋼需求的液壓斜刃剪的設計具有參考意義。