特殊超高强钢切边圆盘剪关键技术研究

景群平，贾海亮，张勇安，冀俊杰，张康武，许展望

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的高技术含量产品，其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平。特殊钢占钢总量的比重、特殊钢产品结构、质量和应用等是反映一个国家钢铁工业发展水平的重要标志［1］，是国家钢铁工业“十二五”发展规划的技术改造重点。

高强度钢的定义是相对于时代要求的技术进步程度在变化。一般讲，屈服强度在1 370 MPa以上，抗拉强度在1 620 MPa以上的合金钢称超高强度钢。超高强度钢必须具有高的抗拉强度和保持足够的韧性，还要求比强度(强度与密度之比)大和屈强比(σs/σb)高，以减轻构件的重量，而且要有良好的焊接性和成形性等工艺性能［2］。

切边圆盘剪是通过上、下刀盘的旋转运动实现纵向剪切板带钢的两侧边部，使剪切后的带钢边部整齐、精确，满足客户对板带钢不同规格的高精度尺寸要求。它是金属板带精整作业线(重卷机组、拉矫重卷机组、电镀锌机组、横切机组等)的核心设备。圆盘剪主要用于将成品金属板带边部缺陷切除，达到修剪边缘、符合宽度尺寸要求、符合带钢切口质量与毛刺要求的目的，而后经过横切工序切成单张板材供应用户，或者经过卷取机卷成卷材，以满足不同用户的需要［3］。

中国重型院在2010年以前侧重于冷轧薄板切边圆盘剪的研发，国内一重、二重、沈重、大重等几家企业在消化吸收SMS，麦斯塔技术的基础上开发了重型的中厚板切边圆盘剪，唯独针对特殊超高强度钢16.1 mm切边圆盘剪在国内尚属技术空白。中国重型机械研究院股份公司根据2010年承担的某特钢公司特殊钢板带材重卷、纵横切联合机组生产超高强特殊钢的实际情况，研发出一种适应实际生产状况的剪切中厚板的切边圆盘剪，对有关的关键技术进行科研攻关。

1 关键技术的研发点

针对某特钢公司特殊钢板带材重卷、纵横切联合机组剪切厚度为16.1 mm超高强度特殊钢的实际情况，对有关的关键技术进行科研攻关。我们主要对切边剪的箱体结构、偏心套装配技术、侧向间隙调整装置、重叠量调整装置、重叠量调整模型、刀具等方面进行攻关研究。

某特钢公司特殊钢板带材重卷、纵横切联合机组生产状况为:

剪切材质 热轧不锈钢、冷轧退火不锈钢

强度极限/MPa σb≤1 600

屈服极限/MPa σs≤1 200

来料厚度/mm 2.0～12.7

来料宽度/mm 800～1 600

根据德国标准DIN50150，可以查得所剪切板带材的抗拉强度为1 595 MPa时，它所对照的布氏硬度为466HB，维氏硬度为490HV，洛氏硬度为48.4HRC。所以我们的首要任务是研发出可以剪切这种超高强钢的耐磨、耐用、不易崩口的剪刃。

关于剪切力能参数的研究，国外的柯洛辽夫公式、诺沙里公式和村田正夫、前田桢公式及国内的邹家祥教授、鞍山钢铁学院的刘培鄂教授在深入研究的基础上都有新的见解，文中不再赘述，可参考相关文献资料［4-5］。

针对这种超高强度钢、中厚板剪切中废边不易导入废边溜槽的特点，将传统圆盘剪箱体结构进行改进，设计了上、下机架孔倾斜布置的箱体结构。为了实现对侧向间隙及重叠量的全自动高精度控制，又必须研发出高可靠性的侧向间隙调整检测机构与重叠量调整检测机构。

2 高耐磨耐冲击刀具

剪切超高强钢、特殊钢及不锈钢时有如下特点:

高强钢和超高强度钢的硬度接近HRC50，抗拉强度高，韧性好，切削过程中切削区的应力和热量集中，造成刀面磨损，导致刃口崩缺，刀具耐用度低。

在同等切削条件下，高强度钢和超高强度钢的切削力远大于剪切普碳钢。高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，切削时易发生铁削粘结在剪刃上，加剧剪刃的磨损。

为适应上述剪切特点，中国重型院采用了一种超高强度、高韧性、高耐磨性的剪刃专用钢HMK，其特殊性能可通过冷热加工使其表现出来:超高强度(抗拉强度可达3 150 MPa以上)、高硬度(可达64HRc以上)、高淬透性(Φ100可淬透)、高的红硬(回火稳定，经610-630℃ 回火其硬度仍可保持58-63HRc)性及冲击韧性(Ak可达到22.4 J/cm2)。这种剪刃通过在某特钢公司重卷生产线上使用，证明材质是可靠的，适合剪切超高强度中板。

3 独特的箱体结构

箱体是切边剪的核心部件。传统冷轧钢板圆盘剪的箱体刀架孔为垂直上下布置。剪切超高强钢、中厚板的切边剪，考虑废边能够顺利通过废边导槽进入碎边剪或者卷边机卷取，必须将传统箱体进行改进布置:上、下刀架孔错位于机架中心线。

图1是切边剪本体机架相关结构示意图，其中机架上孔偏向板带前进方向。偏心套安装在机架上、下孔内，而上、下刀轴分别安装在机架的两个孔内。当刀片直径变化时，通过重叠量调整机构驱动偏心套转动，从而改变上、下刀轴的空间距离，实现重叠量调整或者刀片更换。

由图1可知机架孔与机架中心线的夹角为

图1 箱体结构Fig.1 Frame structure

式中，O为上、下孔的偏移距离，mm;L为上、下孔的距离，mm。

文章［3］中讨论了冷轧切边圆盘剪偏心套的装配工艺及精确装配的重要性，本文不再赘述。

下面给出机架孔与机架中心线的夹角θ与板带厚度、机械性能的关系式:

θ=5.5°～6.5°，剪切板厚 为 6.0～25.4 mm;

θ=4.4°～5.4°，剪切板厚 为 4.0～12.7 mm;

θ=1.0°～2.0°，剪切板厚为1.0～5.0 mm;

θ=0°～1.0°，剪切板厚为0.2～2.0 mm。

上式中被剪材料抗拉强度越高，则夹角θ越大;处理废边的方式采用废边卷取机则夹角θ取小值，采用碎边剪则夹角θ取大值。

4 重叠量调整机构

重叠量调整机构采用偏心套结构形式，即上、下刀轴通过球面滚子轴承(前轴承)和面对面配置的单列圆锥滚子轴承(后轴承)等分别安装在上、下两个装配在机架上的以外圆定心的偏心套内，圆盘刀片紧固在上、下刀轴上，传动齿轮安装在上、下偏心套的中间位置，与减速齿轮马达通轴连接的小齿轮与上偏心齿轮啮合。图2是重叠量调整机构原理示意图。

重叠量调整时，齿轮马达正向或反向旋转，上、下刀轴分别以上、下偏心套的外圆中心为旋转圆心，并与两偏心套外圆中心连线的垂直平分线对称的正向或反向旋转，达到调整两刀轴中心距的目的，这样也就调整了两刀片的重叠量。同时定义调整重叠量是旋转偏心套在生产线的出口方向，这样切点位置会略低于作业线。

为了实现自动检测与调整重叠量的目的，在上偏心套上安装了一个与刀轴同轴的偏心盘，检测重叠量的直线位移传感器直接压在偏心盘的最顶端，当偏心套位置改变时，相应与其连接在一起的偏心盘位置发生改变，可认为此时剪刃直径或者上下剪刃的重叠量发生了改变，而直线位移传感器的信号也相应的发生了改变。通过数学模型的计算就可以得到重叠量的实际值。

切边圆盘剪的操作侧重叠量调整机构和传动侧重叠量调整机构单独控制，为了防止带材在剪切过程中发生跑偏，务必保证两侧重叠量调整的高精度与一致性，可以有效降低毛刺、弯钩或板带跑偏现象的发生。

图2 重叠量调整机构原理示意图Fig.2 Schematic diagram of overlap adjustment mechanism

5 重叠量调整数学模型

如图2所示，直线位移传感器能够检测上刀盘垂直方向的位置变化，而重叠量是上下刀盘倾斜状态下的重叠量，直线位移传感器无法直接检测。根据重叠量调整机构原理，下面进行重叠量调整数学模型的推导。

(1)偏心套旋转位置位于上、下刀轴距离最大时，即上、下偏心套外圆轴线与偏心孔轴线所构成的空间平面与机架上、下孔轴线所构成的空间平面重合时，如图3所示，偏心套从起始点A点运动到B点时重叠量调整模型的推导，图中直线位移传感器检测到的变化量为h。

分两种情况分别讨论偏心套的相位角(即刀轴的调整范围)位于机架的入口方向与出口方向时偏心套的偏心孔最高点的变化关系。

①偏心套的相位角(即刀轴的调整范围)位于机架的出口方向，即图3所示的机架孔中心连线左侧，起点为A，终点为B。在机架中心孔连线方向上的实际变化量Δ为

图3 偏心套相位角位于带材前进出口方向几何关系Fig.3 Geometry of eccentric sleeve phase angle in the direction of steel strip exit

式中，α为剪切角;R为偏心套的偏心值;h为传感器检测值。

由图3可知，传感器的检测值

在三角形ABO中

②偏心套的相位角(即刀轴的调整范围)位于机架的入口方向，即图4所示的机架孔中心连线左侧，起点为A，终点为B。在机架中心孔连线方向上的实际变化量Δ为

参考情况1可结合图4对剪切角的公式进行推导。

根据工程经验，一般偏心套的相位角(即刀轴的调整范围)位于机架的出口方向，即情况1所讨论的情况，而情况2几乎不会用到。

(2)通常情况下，重叠量增大或者减小，其起点并不在机架孔中心连线上，即偏心套旋转时处于一随机位置，其上、下偏心套外圆轴线与偏心孔轴线所构成的空间平面与机架上、下孔轴线所构成的空间平面有一夹角。

图4 偏心套相位角位于带材前进入口方向几何关系Fig.4 Geometry of eccentric sleeve phase angle in the direction of steel strip entry

如图5所示，起点为B，终点为C，在机架中心孔连线方向上的实际变化量Δ仍为公式(2)。

图5 偏心套相位角位于随机位置的几何关系Fig.5 Geometry of eccentric sleeve phase angle at random location

根据h=h0+h1，h0已知，h1为传感器显示的变化量。计算出Δ，Δ=Δ0+Δ1，而Δ0为已知，所以求得斜线方向的变化量。以上分两种情况分别推导了偏心套相位角在不同位置时在机架中心孔连线方向上的实际变化量，实际上就是位移传感器检测到的上刀盘的变化量，而实际重叠量变化量则是上、下刀盘的变化量之和，下面还必须根据上刀盘的变化量求出上下刀盘的变化量之和。

图6是重叠量调整时上下刀轴的位置变化关系。

如图6所示，图中BC//AD，BM为B点到AD的垂线，CN为C点到AD的垂线，因此BM=CN，α1为上偏心套旋转的角度，α2为下偏心套旋转的角度，因此 α1=α2，所以 ΔBO1M≌ΔCO2N，所以AM=DN，即由公式(2)计算出的上刀盘在机架孔中心连线方向的变化量与下刀盘的变化量相等，重叠量变化量即为上刀盘在机架孔中心连线方向的变化量的2倍。

即实际重叠量变化量为

由图中可以看出，此种刀轴布置方式重叠量发生变化时，剪切点会沿着上下机架孔中心连线的垂直平分线向左下方或右上方有微小的偏移，这个偏移量对剪切质量没有影响。但为了使废边能够顺利的通过废边溜槽，调整时需要使剪切点偏向带材前进方向的左下方运动。

6 侧向间隙调整

剪刃侧向间隙调整机构采用螺纹副结构形式。带有直齿轮的外螺纹螺套与上偏心套的外圆同轴装配，同时此外螺纹螺套有轴向定位。与之配套的内螺纹螺套固定在机架的后孔内。图7是侧向间隙调整机构原理示意图。

侧向间隙调整时，齿轮马达正向或反向旋转，通过小齿轮驱动带有直齿轮的外螺纹螺套与固定在机架后孔内的内螺纹套做相对旋转运动，由于外螺纹套的旋转运动在内螺纹套中转化为强迫上偏心套在前后机架孔内的直线运动。而下刀轴在轴向方向是固定的，这样固定在上偏心套内的上刀轴随同偏心套一同做直线运动，从而实现了上、下剪刃侧向间隙的调整。

图7 侧间隙调整机构原理示意图Fig.7 Schematic diagram of lateral clearance adjustment mechanism

为了实现自动检测与调整侧向间隙的目的，在带有直齿轮的外螺纹套上安装了一个同轴的测量盘。检测侧向间隙的直线位移传感器直接压在测量盘的端面，当测量盘的轴向位置改变时，可认为此时上、下剪刃的侧向间隙发生了改变，而直线位移传感器的信号也相应的发生了改变。

切边圆盘剪的操作侧侧向间隙调整机构和传动侧侧向间隙调整机构单独控制，为了解决切边后带材边部毛刺，务必保证两侧侧向间隙准确调整到需要值。

7 结束语

中国重型机械研究院近年来对超高强钢、特殊钢中厚板剪切工艺关键技术的研究开发，对切边圆盘剪的高耐磨耐冲击刀具、独特的箱体结构、重叠量调整装置、重叠量调整模型及侧向间隙调整装置等的进行了深入研究，研制的新型切边圆盘剪在工业生产中使用良好，证明结构可靠、刀具耐用、调整方便、为使用厂家产生了较高的经济效益。

［1］蔡燮鳌.中国特殊钢现状及发展战略的思考［J］.中国冶金，2009(5).

［2］李杰，李志，颜鸣皋.高合金超高强度钢的发展［J］.材料工程，2007(4).

［3］景群平，张勇安，王社昌，等.冷轧板带材切边圆盘剪重叠量调整方法探讨［J］.重型机械，2008(1).

［4］周国盈.带钢精整设备［M］.北京:机械工业出版社，1982.

［5］刘培锷，吴国彦.圆盘剪切机剪切力和轴向力的实验研究［J］.重型机械，1994(5).