飛剪剪切精度控制技術的研究與實踐

呂進偉

飛剪的主要作用是對粗軋后板坯的不規則頭部和尾部進行剪切。剪切精度直接關系到軋制和卷取的穩定性，同時也是產品成材率的保證。

1 飛剪主要設備的組成

首鋼京唐熱軋1580 產線的飛剪是轉鼓式飛剪。主要設備包括：飛剪主電機、減速機、飛剪轉鼓牌坊以及上下兩個轉鼓。飛剪主電機通過齒式聯軸器與主減速機相連，主減速機輸出端通過鼓形齒聯軸器與下轉鼓相連。上下轉鼓通過一個同步齒輪相接，所以上下轉鼓可以同時旋轉。在轉鼓上安裝有兩對剪刃，前剪刃用于切尾，后剪刃用于切頭，兩對剪刃成90°安裝。

2 飛剪控制系統的組成

2.1 傳感器組成

用于剪切的傳感器包括：熱檢402HMD 和403HMD，用于中間板坯頭、尾檢測。一臺脈沖編碼器安裝于剪前輥道電機尾部，用于測量板坯頭部速度。一臺脈沖編碼器安裝于除鱗機出口下夾送輥電機尾部，用于測量板坯尾部速度。一臺絕對值編碼器安裝于減速機尾部，用于測量剪刃角度。一臺增量編碼器安裝于飛剪主電機尾部，用于測量飛剪主電機速度，反饋給傳動系統。

2.2 硬件組成

飛剪控制系統采用的是日本TMEIC 公司的NV 系列PLC，主要包括：電源模塊PS891，CPU 板卡PU866，TC-NET 通訊板卡TG823，以太網通訊板卡EN811，IO 擴展板卡DI934T、PI924、TP912M。

2.3 網絡組成

現場傳感器通過硬線與各類型IO 擴展板卡連接，PLC 與PLC 之間，PLC 與擴展板卡之間，PLC 與操作臺子站通過TCNET 通訊，PLC 與傳動系統之間通過PROFIBUS 網通訊，PLC與編程器之間通過以太網通訊。

3 控制時序

飛剪的操作可以在主控操作臺、本地操作箱和HMI 上實現。通過本地操作箱上的遠程/本地切換開關，選擇操作臺或是本地操作箱上對飛剪進行操作。可以實現飛剪手動剪切，包括緊急剪切，正反點動旋轉，切頭超前率和切尾滯后率以及剪切長度的修改。飛剪的自動剪切主要依據剪前熱檢403HMD 信號檢測，觸發PLC 跟蹤計算，根據計算的板坯運行的距離，在切頭和切尾時，板坯頭部和尾部到達飛剪前某一時刻，準確地啟動飛剪，得到設定的剪切長度。熱檢403HMD 是成對安裝，分別是熱檢403AHMD 和403BHMD。切頭時，其中任意一個熱檢有檢得信號就觸發切頭跟蹤計算；切尾時，必須要求兩個熱檢都有檢失信號后才觸發切尾跟蹤計算。

3.1 切頭控制時序

中間板坯從R2 軋制完最后一道次后，由延遲輥道以5m/s 的速度輸送至精軋。當熱檢402HMD 檢測到板坯頭部時，飛剪后剪刃由等待位90°預擺至140°，同時板坯降速至切頭速度。當熱檢403HMD檢測到板坯頭部時，觸發剪前輥道編碼器開始計數，PLC跟蹤計算板坯頭部運行長度。當LCNTH=（L0-L+L1）-lc時，飛剪啟動切頭，切頭完成后，剪刃回到等待位90°。其中LCNTH：編碼器計數。L0：熱檢403HMD至飛剪中心線的固定距離。L：從熱檢帶載到飛剪開始轉動時板坯運行的距離。L：從飛剪開始轉動到底部死點時板坯運行的距離。lc：從剪切啟動點到剪切完成，板坯的長度。L1：設定剪切的長度。

3.2 切尾控制時序

當中間板坯尾部通過402HMD 時，飛剪后剪刃由等待位90°預擺至50°。當中間板坯尾部通過403HMD 時，觸發除鱗機出口下夾送輥編碼器開始計數，PLC 根據設定切尾長度，PLC 跟蹤計算板坯尾部運行長度。當LCNTT=（L0-L-L1）-lc 時，飛剪啟動切尾，切尾完成后，剪刃回到等待位90°。其中LCNTT：編碼器計數。L0：熱檢403HMD 至飛剪中心線的固定距離。L：從熱檢帶載到飛剪開始轉動時板坯運行的距離。L：從飛剪開始轉動到底部死點時板坯運行的距離。lc：從剪切啟動點到剪切完成，板坯的長度。L1：設定剪切的長度。

4 剪切不準和剪切不斷的原因分析及對策

實際運行過程中，由于跟蹤計算不準導致剪切長度與設定長度存在偏差，而跟蹤計算不準主要是由于熱檢403HMD 檢測信號不準或編碼器發生故障導致。另外偶爾也出現切頭或切尾沒剪切斷的問題，此問題主要是剪刃間隙過大導致。

4.1 切頭不準的原因分析及對策

切頭時，當熱檢403HMD 提前檢測到板坯頭部，觸發剪前編碼器提前計數，或者板坯打滑，最后都造成切頭過小，甚至切不到頭。當除鱗機入口夾送輥或液壓缸缸頭磨損大，會導致入口夾送輥輥縫波動大，進而導致剪切程序判斷切頭連鎖條件不滿足，造成飛剪不切頭。當剪前編碼器有故障：①如果計數快，則造成切頭過小或切不到頭；②如果計數慢，則造成切頭過大；③如果不計數，則造成不切頭。

通過觀察，熱檢提前有檢得信號是有三種原因導致：①冬季氣溫低，輥道冷卻水和飛剪剪刃冷卻水遇熱產生大量的水汽，造成熱檢提前有檢得信號。②熱檢403HMD 是成對安裝，只需要一個熱檢有檢得信號就會觸發編碼器計數，當其中某個熱檢的檢測視角過大，就會造成熱檢提前有檢得信號。③兩個熱檢的檢測照射點不一致，其中某個熱檢的檢測照射點靠前。針對水汽大的問題采取了兩方面措施。①在熱檢403HMD 前面的輥道兩側分別安裝了2 臺大功率軸流風機，用以吹散水汽。②由于剪前側導板的遮擋，軸流風機對側導板以下的水汽不能完全吹散，于是在熱檢403HMD 檢測范圍內，斜向下安裝一組壓縮空氣吹掃裝置，吹散側導板以下的水汽。

針對熱檢檢測視角過大的問題，采取了在熱檢前端口加裝銅制薄封片，上面開了一個小孔徑的照射孔，使得熱檢檢測視角縮小到了最佳孔徑。對于熱檢檢測照射點靠前的問題，采用熱檢“十字”打點校驗法，使得兩個熱檢的檢測照射點處于同一位置，兩個熱檢的檢測信號誤差時間不超過閾值。

現場觀察，當板坯頭部鐮刀彎大，在剪前側導板進行頭部短行程時，板坯就會頂剪前側導板，導致板坯打滑。于是修改剪前側導板頭部短行程程序，在板坯頭部進入剪前側導板平行段后再進行頭部短行程，解決了上述問題。

對于入口夾送輥輥縫波動大導致不切頭的問題，通過修改完善切頭程序連鎖，即：只有當入口夾送輥傳動側輥縫與操作側輥縫偏差絕對值大于10mm,才會觸發切頭程序連鎖不滿足。

針對剪前編碼器故障問題，開發了備用切頭程序，采用剪前輥道設定速度跟蹤計算板坯頭部運行距離。當發現編碼器有故障，可以通過操作畫面按鈕選擇切換至備用切頭程序，而且實現了部分自動切換。當熱檢403HMD 有檢得信號后一個掃描周期內，如果剪前編碼器未進行計數，則程序判斷編碼器有故障，立即自動切換至備用切頭程序，不影響當前板坯的切頭。

4.2 切尾不準的原因分析及對策

切尾時，當熱檢403HMD 提前有檢失信號時，觸發除鱗機下夾送輥編碼器提前計數，就會造成切大尾。當機械設備存在故障，入口夾送輥輥縫波動大時，在還未完成切頭就提前產生咬鋼時，剪切程序判斷切頭控制轉換為切尾控制了，也造成切大尾。當熱檢403HMD 檢失信號延時，則會造成切尾過小或切不到尾。當當除鱗機下夾送輥編碼器有故障：①如果計數快，則造成造成切尾過大；②如果計數慢，則造成切尾過小或切不到尾；③如果不計數，則造成不切尾。

熱檢403HMD 提前有檢失信號一般都是鏡頭前的封片照射孔有堵塞，或者鏡頭臟了。針對這種情況，要保證吹掃的壓縮空氣正常開啟，壓力正常，軟管無漏氣，然后按照每個季度擦拭一次熱檢鏡頭。另外要求熱檢冷卻水正常，冷卻水管無堵塞和泄漏，避免熱檢受熱停止工作。除此之外，夾送輥磨損后風水效果不好，除鱗水溢出順著帶鋼沖出，也會導致熱檢提前檢失。對此我們采取了如下措施：縮短入口夾送輥的更換周期；入口上夾送輥的壓下力設定值由固定值改為可調設定值，隨著在線運行的時間逐步加大壓力設定值，以此保證封夾送輥的水效果。同時在飛剪前增加了側噴水，減少除鱗水的外溢。

當氧化鐵皮飛起遮擋了熱檢403HMD，也會造成提前有檢失信號，導致切大尾。為了避免此種情況導致的切大尾，在切尾程序中增設了一條連鎖條件，只有當高溫計的檢測溫度高于某溫度值時，才允許切尾，此程序優化同時保護了切尾剪刃。

對于入口夾送輥提前產生咬鋼信號的問題，通過完善程序連鎖條件，即：只有入口夾送輥同時進行壓力環控制并產生咬鋼信號時，剪切程序才會由切換切頭控制轉換至切尾控制。

當熱檢發生偏移照射到剪前側導板上，或是照射區域的裙板長時間受高溫烘烤，都會導致熱檢的檢失信號延時。因此熱檢的照射點最好選在輥道與裙板的縫隙之間。如果無法避開裙板，可以考慮割掉照射區域的裙板，或是給裙板加裝冷卻水。實踐中，為了保證裙板強度，我們采取了給裙板加裝冷卻水。

針對出口夾送輥編碼器故障問題，同樣開發了備用切尾程序，控制原理與備用切頭程序一樣。

切尾有一個不同點，在切尾時，帶鋼前部分隨著軋機而前進，后部分是隨著輥道前進。帶鋼尾部的速度與前面的速度不一樣，因此實際帶鋼的速度與夾送輥的速度存在不一致的情況，造成尾部切尾不準。通過長期的收集數據，發現帶鋼尾部速度的大小影響著切尾，二者之間也有一定的線性關系。于是設置了一個尾部速度與切尾補償的對應數組，不同的尾部速度，取不同的切尾補償。而且同時判斷F1 軋機速度與除鱗機出口下夾送輥速度偏差是否超過閾值，當超過時才對剪頭長度進行修正，且前一塊板坯與下一塊板坯在403 熱檢檢失后的速度偏差小于一個微小值時，剪切修正值保持不變。通過以上措施的實施，很好地解決了切尾不準的問題。

4.3 剪切長度設定值的修正

為了追求較低的切損率，操作工往往設定的剪切值比較小，一般在120mm 左右，但是在長期的實踐中，我們發現有時換輥后第一塊板坯，由于整個剪前輥道和軋機工況的改變，會造成切頭或切尾過小。針對這種情況，通過修改程序，對每次換輥后第一塊板坯的切頭、切尾補償值在原有基礎上自動加設定值，保證剪切長度的精準性。

4.4 剪切不斷的原因分析及對策

4.4.1 鋼種的影響及對策

在軋制超低碳鋼時，由于此鋼種含碳量低，延展性高，偶爾會發生切尾不斷的情況。于是針對超低碳鋼強度低不易切斷的特性切尾補償自動加設定值。

4.4.2 剪刃設備原因的影響

剪刃與帶鋼剛接觸時，在帶鋼線彈性范圍內，滿足胡克定律，在彈性變形范圍內，刀具彈性壓入金屬帶鋼；如果撤掉外力，帶鋼將完全恢復原樣。但隨著刀具的擠壓和深入，帶鋼的應力和應變不再是線性關系，刀具塑性壓入金屬，帶鋼發生塑性變形，撤掉外力后，不能恢復原樣。當刀具深入帶鋼一定深度，則金屬帶鋼發生塑性滑移，并產生內裂紋而且不斷擴展，最后金屬斷裂分離，完成剪切。

（1）剪刃壓痕區為刀具后側面與帶鋼的接觸和擠壓形成的，隨著刀具深入帶鋼，在滾筒橫截面上與滾筒直徑成65度的刀具側面跟帶鋼的壓痕不斷延長，在剪斷后就形成了明顯的刀具壓痕區。

（2）在剪切完成之前，由于帶鋼受到擠壓和拉伸等作用，帶鋼剪切區裂紋加長，材料斷裂而產生毛刺。一般在普通的沖裁、剪切等塑性加工中，都不能避免的產生或多或少的毛刺。

（3）剪斷面也稱撕裂帶，毛刺一般在撕裂帶邊緣，撕裂帶是由于裂紋在擠壓和拉伸、彎曲等變形條件下撕裂開，所以表面粗糙且不光滑。撕裂帶在整個斷面所占比例的大小直接決定了斷面上毛刺的濃密程度，我影響剪切工藝和斷面質量的重要因素之一。

（4）剪切面又稱切斷層，是刀刃直接作用于帶鋼的剪切力產生的一條光亮帶，所以剪切面十分光滑、平整，幾乎沒有毛刺，剪切面所占比例越大，則剪切工藝越好，斷面質量越高。

（5）塌角是下剪刃在刃口接觸帶鋼時，帶鋼附近的材料產生彎曲和伸長變形，材料被帶進下剪刃側向間隙當中就形成的角度。

剪刃間隙、重合度對剪切質量的影響：

通過分組測試收集數據得到：當剪刃原始側隙太小時，斷面的毛刺薄而高，光滑的剪切區占比重小，約為30%，斷面質量不理想。當原始側向間隙適中時，毛刺很少，而且光滑的剪切區占的比重大，約為50%，斷面質量最好。當剪刃原始側向間隙過大。斷面光滑的剪切區較小，約為25%，形成又長又厚的毛刺叢。因為刀具的擠壓、拉伸而產生明顯的撕裂的痕跡。

通過以上對比分析在一定的溫度下，剪刃原始側隙對斷面質量的影響具有決定性的作用，合適的剪刃原始側隙，可以減少毛刺和增加光滑的剪切區。

剪刃溫度對剪切質量的影響：

金屬進行塑性變形時，工件的溫度處于不斷變化之中。確定熱變形時的溫度范圍，是保證正確施行塑性加工的關鍵之一。溫度在250°以上時，鋼材的抗拉強度、屈服點和彈性模量都有變化，總的趨勢是強度和硬度都降低，塑性增大。

剪切設備對剪切質量的影響：

剪刃加工工藝對剪切質量的影響：如果剪刃的制造工藝較低、刃口加工不平整都會造成剪刃側面、端面的表面粗糙，加大剪刃與帶鋼之間的接觸摩擦，使帶鋼剪切過程中受力不均衡。

剪刃材料對剪切質量的影響：剪刃材料的性質對該材料在剪切過程中的彈性變形量有很大影響。對于比較軟的材料，彈性變形量較小，剪切后的回彈值亦小，因而剪切精度高。而硬的材料，情況正好與此相反。

剪刃磨鈍對剪切質量的影響：當上剪刃刃口磨鈍時，毛刺會在被剪切帶鋼下端產生；當下剪刃刃口磨鈍時，毛刺會在帶鋼下端產生；當上、下剪刃刃口都磨鈍時，則帶鋼斷面上、下端會產生毛刺。

剪刃振動對剪切質量的影響：剪切過程中由于帶鋼受到剪刃的擠壓作用、剪刃與動力傳動軸之間的接觸間隙及其他因素會產生豎直方向和水平方向的振動，這樣都會造成帶鋼受力不均衡，增大剪切力波動性，降低剪切工藝。

4.4.3 剪切設備與工藝控制方案對策

（1）減小剪刃間隙。兩個剪刃之間的間隙減小，減小了無效剪切力矩，使帶鋼剪斷處更貼近剪刃間隙中間位置，大大提高了帶鋼端部剪切質量，減少了毛刺，裂紋等現象的發生。在飛剪精度超差的情況下，按照小間隙控制飛剪。小間隙控制后對剪切斷面進行跟蹤，及時調整剪刃間隙。小間隙控制會造成保護塊磨損，年修期間需對剪刃保護塊進行平面修磨保證平面度要求，精確調整剪刃間隙。周期性地測量飛剪頂升數據，嚴格按照技術要求執行，便于及時發現銅瓦等間隙變化量，采取應對措施。另外當剪刃間隙變大，無法快速調整剪刃間隙時，可以增大切頭速度的超前率和切尾速度的滯后率。

（2）為了避免剪刃的溫度高對剪切質量的影響，在保證減少剪刃冷卻水汽的同時，最大限度地對剪刃進行充分冷卻，優化了剪刃冷卻水開關時序。原程序為了保證軋制穩定性，較少板坯頭尾的溫降，實施了剪刃冷卻水對板坯的讓頭和讓尾措施，即板坯頭部或尾部到達飛剪前時，關閉剪刃冷卻水。針對上述情況，于是設置了冬季和夏季模式。冬季模式：因為冬季氣溫低，容易產生大量水汽影響熱檢的檢測信號，故冬季模式下飛剪切尾完成后不開剪刃冷卻水，直至下一塊板坯切頭完成后開啟剪刃冷卻水。夏季模式：因為夏季氣溫高，剪前輥道很少產生水汽，故夏季模式下，飛剪切頭或切尾完成后立即開剪刃冷卻水。同時當遇到保溫或待料時間時，開啟剪刃冷卻水。剪刃冷卻水在自動控制模式下，當精軋的操作模式由其他模式切換至換輥模式時，剪刃冷卻水自動開啟。另外為了充分給剪刃進行冷卻，優化程序，取消了切尾時的預擺功能。

（3）改變剪刃材質，提高剪刃耐磨度。剪刃切尾塊數由原來的8000 塊增加到12000 塊，切頭塊數由原來10000 塊增加到15000 塊。降低了生產成本，提高了剪切質量。

通過以上研究與實踐，飛剪的剪切精度由±50mm,提高到了±25mm，切損率穩定在0.3%以下。隨著剪切精度的提高，也避免了剪切太小，導致批頭未切斷被帶入軋機造成的堆鋼或停軋故障。提高了生產穩定性和質量控制水平，同時創造了可觀的經濟效益。