冷軋生產線高強鋼切邊剪崩刃原因分析及控制措施

王 麒，王海濤，谷 田，王 朝，金 鑫，王凱飛

（唐鋼高強汽車板公司，河北 唐山 063000）

在汽車用鋼制造領域，由于高強鋼的屈服強度和抗拉強度相對于普碳鋼、結構鋼更高，因此，高強鋼的應用已成為汽車行業實現輕量化和確保強度的主要方法之一。但是，高強度鋼板的機械性能不同于普通鋼板，其屈服強度遠遠高于普碳鋼、低碳鋼等，給帶鋼在冷軋過程中的切邊質量和精度控制帶來了困難。切邊剪設備在冷軋生產線上的應用極為普遍，其功能是切掉帶有更多缺陷的帶鋼邊部，并確保成品帶鋼的寬度。剪切設備的制造精度、安裝精度、參數設置和控制精度對帶鋼的修整質量和設備的操作穩定性都具有較大的影響。在生產線生產高強度鋼的過程中，剪刃 經常發生崩刃及切邊質量偏低問題，嚴重時，帶鋼邊緣可能會出現深度大于1mm的邊緣裂紋，嚴重影響產品質量和生產效率。

本文研究了剪刃間隙重疊量、剪刃硬度、剪刃刃口角度等方面與切邊剪使用周期及切邊質量的關系，為切邊剪圓盤剪提升使用周期及高強鋼切邊質量的提升提供了技術支持。

1 切邊剪的工作原理

切邊剪的作用是將帶鋼切成預設的寬度，并將剪下的廢邊送到下游的碎邊剪處。切邊剪由上下錯位、垂直的兩片圓形刀片組合而成，其中下圓盤剪位于帶鋼邊緣內側，主要用于支撐帶鋼；上圓盤剪位于帶鋼邊緣外側，主要用于剪切帶鋼多余的邊部。切邊剪無主動電機，剪切時完全靠帶鋼的前進來驅動圓盤剪的轉動，其剪切速度與帶鋼行進速度相同，上下圓盤剪通過帶鋼驅動，通過連續轉動來咬入帶鋼，使帶鋼經過彈性變形→塑性變形→斷裂三個階段，最終將多余的帶鋼邊部與帶鋼切斷分離。在工作時，通過自動化控制系統預先設置一定的圓盤剪間隙和重疊量，當帶鋼通過圓盤剪時，會受到上下兩個圓盤剪施加的壓力，與圓盤剪剪接觸的部分發生彈性變形，隨著圓盤剪的轉動，帶鋼的彈性變形會持續增大，當壓力達到屈服上限時，帶鋼發生塑性變形，當帶鋼的塑性變形量達到帶鋼厚度的1/4到1/2（隨著帶鋼規格與鋼質的變化而變化）時，發生塑性變形的區域將斷裂，從而完成剪切過程，同時剪切時的廢邊由于自身重力及上剪刃的剪切力而向下折彎，進入碎邊剪或卷邊機。

2 刀具崩刃后的形貌

切邊剪錛刀后在帶鋼邊部會出現明顯的多肉、鋸齒邊等缺陷，嚴重的在經過軋機軋制后會出現邊部裂口，甚至導致帶鋼在軋機區域斷帶。

切邊剪圓盤剪的損傷主要有卷刃、硌傷、裂紋、掉塊等。其中卷刃的主要原因是剪刃硬度太低；硌傷主要為原料表面或者皮下夾雜導致，圓盤剪剪切過程中切到較硬的夾雜物時（一般為低速時）容易將刃口硌出一個缺口；裂紋及掉塊缺陷一方面是因為剪刃硬度過高，導致在剪切高強鋼時出現了“兩敗俱傷”的情況，另一方面是剪切過程中由于應力集中導致，在生產高強鋼時圓盤剪主要出現的缺陷就是裂紋及掉塊。

圖1 刀具泵刃后的表面結構

3 切邊剪錛刀原因分析

3.1 切邊剪碎邊導槽堆邊

切邊剪剪切下的廢邊會通過導槽進入碎邊剪，在高速剪切時如果發生導槽堆邊，操作工會立即停車處理，在高速瞬時停車過程中，剪刃會受到一個瞬時的沖擊力而導致錛刀，它不僅破壞了切邊的質量，而且影響了生產的穩定性。導致碎邊剪導料槽堆邊的原因主要有：

（1）原料C翹嚴重、廢邊寬度較窄或者原料邊部存在裂口、夾雜等缺陷，導致切邊剪高速剪切時廢邊突然斷裂，無法進入碎邊剪；

（2）碎邊剪剪刃老化，隨著工作公里數的增加，碎邊剪崩刃及塌陷的可能性呈指數增長，通過現場數據統計，在碎邊剪工作公里數達到450～500km時，無法切斷廢邊的幾率會明顯升高，尤其在生產較薄規格帶鋼時，一般會出現3～4刀的連刀情況，進而導致堆邊。

3.2 原料板嚴重邊部浪形

由于高強鋼屈服強度較高，導致熱軋板帶在生產時板型控制普遍較差，帶鋼多數存在單邊或雙邊浪形，浪形較嚴重時會導致切邊剪剪刃受力不均，從而在應力作用下導致錛刀。

如果在切邊剪區域發現單邊浪形，還有一種可能性是切邊剪前的張力輥兩側磨損不均或者張力輥出現傾斜，導致帶鋼在大張力的作用下形成單邊浪形，這種情況可以通過對比張力輥前后的板型情況來確認，當帶鋼通過張力輥后若出現板型惡化則可確認為張力輥導致。

3.3 切邊剪參數使用不合理

高強鋼屈服強度高、硬度高、脆性大，對剪刃的剪切抗力大，所以在切邊瞬間對剪刃的沖擊力較強，切邊時即使不用太大的剪切擠壓力也會使剪切力朝垂直剪切方向傳遞。因此，當切割高強度鋼時，可以適當地減小重疊量，并且可以增大剪切刀片間隙，以減小對剪切刀片的沖擊力并防止碎裂。

4 切邊質量控制措施

4.1 優化剪刃間隙和重疊量參數

剪切刀片的間隙和重疊是影響帶鋼剪刃質量和剪切刀片使用壽命的重要參數。根據對材料斷裂理論相關方面的研究，斷裂的主要裂紋方向與材料的材料和剪切刀片的間隙有關。對于硬度較低的帶鋼，刀縫減小，塑性變形區減小，剪切力面積減小，有利于形成撕裂面。對于高強度鋼，由于其具有高脆性和高硬度的特性，所以不容易產生塑性變形，剪切過程中的剪切抗力較大，尤其在使用小刀隙的情況下，由于力矩更小，導致剪刃受到的阻力成倍增加，并且高強鋼的導熱性差，在剪切過程中，剪切區中的應力和熱量集中在一個小的接觸表面上，從而提高了切割溫度以及應力集中，導致磨損加劇，并且降低了剪刃的耐久性，進而導致錛刀。而目前我廠切邊剪的圓盤剪剪刃間隙是通過大量生產數據的總結分析，以及結合不同鋼質不同規格的屈服強度進行的預設，由于建廠較晚，對高強鋼的數據積累不夠完善，在非高強鋼中統計出的剪刃間隙及重疊量的使用經驗不適用與高強鋼生產，在最初的生產中由于間隙量使用過小，導致大量圓盤剪在剪切高強鋼時僅使用到30～40km便發生錛刀，通過對不同的刀隙、重疊量進行試驗，使用大刀隙、小重疊量的組合切邊效果最好，同時剪切高強鋼時圓盤剪使用周期延長到了120～150km左右。

因此，有必要根據帶鋼的厚度，材料和硬度重新優化間隙和重疊參數，根據帶鋼的鋼質及規格預設不同的剪刃刀隙及重疊量。在高強鋼切邊時，使用大刀隙、小重疊量可以明顯改善切邊效果，減小對圓盤剪剪刃的沖擊，降低圓盤剪錛刀幾率，同時對軋機區域高強鋼軋后裂口的缺陷會有明顯改善。

4.2 明確剪刃上線前間隙偏差

圓盤剪的刀隙是影響切邊效果及造成圓盤剪錛刀的主要原因之一，因此剪刃間隙的實際值與設定值的偏差也會影響切邊效果及圓盤剪的使用周期。

影響刀隙偏差的主要有兩個方面，一是圓盤剪本身端面的水平度，二是安裝圓盤剪時的精度偏差。針對圓盤剪的水平度，我們與廠家溝通后，要求每片圓盤剪出廠前都要進行水平度的檢查，水平度必須保證在0.01mm以內。針對安裝的精度偏差，我們要求圓盤剪安裝時要用塞尺測量8點間隙，每點相差25°左右，并要求間隙偏差在5道（0.05mm）以內。

4.3 嚴格控制剪刃的硬度

目前我廠生產的高強鋼的熱軋板帶的屈服強度基本在400MPa～500MPa，有些甚至高達600MPa。在生產過程中我們最開始嘗試使用高硬度的圓盤剪剪切高強鋼，但是由于剪刃與帶鋼的“針鋒相對”，反而經常發生錛刀事故。

因此我們在生產中試驗了50HRC～52HRC、52HRC～54HRC、54HRC～56HRC、56HRC～58HRC以及58HRC～60HRC幾個硬度梯度的圓盤剪進行了試驗。實驗發現圓盤剪硬度低于54HRC時剪切高強鋼易發生卷刃，高于56HRC時圓盤剪容易與帶鋼發生“針鋒相對”的情況，導致錛刀，而圓盤剪硬度在54HRC～56HRC時可以在保證切邊質量的情況下減少錛刀事故。

表1 剪刃的硬度分析

4.4 控制熱軋板帶來料質量

在熱軋板帶上線生產前，應提前檢查帶鋼邊部質量，將存在邊部損傷的鋼卷按損傷程度進行分類，裂口深度大于切邊寬度的進行退線處理，小于切邊寬度的對裂口位置進行標注，生產時切邊剪速度降低至30m/min以下生產（通過實際生產總結，在切邊剪速度較低時可以有效降低瞬時停車對切邊剪的沖擊力）。對于存在嚴重邊浪的鋼卷，在生產時切邊剪速度不高于100m/min進行生產。

4.5 加大圓盤剪剪刃角度

常用的圓盤剪與帶鋼接觸的刃口部分為90°角，將此角度改為91°～95°之間的鈍角可以有效降低剪切過程中剪刃受到的應力，對提高圓盤剪壽命及減少錛刀事故有明顯效果。

4.6 其他措施

在大量生產高強度鋼之前，有必要生產1至2卷非高強鋼用于熱刀，使圓盤剪的內部結構更均勻，并避免由局部硬點或局部軟點引起的碎裂或剪刃質量缺陷。此外，帶鋼的頻繁加減速也是影響切邊效果及錛刀的重要因素。瞬時速度變化將破壞原始的剪切力平衡，并且帶鋼和剪切刀片的應力在短時間內會很嚴重。變化會增加摩擦力，局部高溫會在剪刃上產生軟點，這會影響剪刃的壽命和切削質量。

5 結論

綜上，切邊剪在剪切高強鋼時，應使用大刀隙配合小重疊量，同時剪刃硬度要控制在合理范圍內，帶鋼存在較大浪形的情況下應適當降低切邊速度，在減小圓盤剪受到的沖擊力的同時減小碎邊剪導槽堆邊的幾率。