螺旋剪刃滚筒飞剪的设计研究

隋冬枝

(北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141)

螺旋剪刃滚筒飞剪的设计研究

隋冬枝

(北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141)

结合北方重工集团有限公司设计的滚筒飞剪机，介绍了螺旋式剪刃的滚筒飞剪的剪切原理，并对滚筒飞剪力能参数进行计算。该滚筒飞剪采用电机通过膜片式联轴器驱动齿轮轴，具有主副齿结构的传动方式；采用螺旋式剪刃进行剪切。生产实践表明，定尺长度精度可控制在±0.5 mm以内。

滚筒飞剪；剪切力；螺旋剪刃；剪切原理；工作制度

0 前言

现代化板带材精整机组不断向高速、自动化方向发展，需要采有飞剪将行进中的板材剪切成定尺长度。作为横切机组的关键设备，飞剪的剪切速度、剪切质量对成品板材起着至关重要的作用。而滚筒飞剪具有附加动态力小、生产率高、控制精度高、剪切质量好等优点，在剪切厚度较小的精整机组中成为首选飞剪型式。滚筒飞剪的剪刃安装在上下滚筒刀轴的螺旋槽中，成为螺旋剪刃，随刀轴的旋转将运动的板材按规定的定尺长度剪断。刀轴采用交流伺服电机驱动，刀轴的转动使剪刃按一定的工作制度完成板材的快速准确定尺剪切。

1 滚筒飞剪的剪切原理

吉林麦达斯项目滚筒飞剪为北方重工自主研发设计的高新技术产品，飞剪采用交流伺服控制系统的启动工作制。通过在工控系统屏输入控制参数(剪切材料的强度极限、宽度、厚度、切断率及需要的定尺长度)，然后由剪前夹送辊给飞剪送料，夹送辊采用交流变频调速，在夹送辊前面的测量辊随带材运动被动旋转，测量辊上增量型编码器发出脉冲信号送到矢量控制器，从而计算出板材行走的长度和速度，按触摸屏上输入的定尺长度控制交流伺服电机动作，使电机加速进入剪切区，剪切板材后再减速停止，完成一次剪切过程。滚筒飞剪剪切过程运动简图如图1。

图1 滚筒飞剪剪切过程图Fig.1 The cutting processes of arum flying shears

在剪切过程中交流伺服电机尾部输出轴上的编码器把电机转动的角度位置用脉冲信号反馈给控制系统矢量控制器，控制器将反馈信号与输入的指令信号进行比较，及时修正出现的偏差，测量辊带编码器为40000脉冲/转，一个脉冲当量为0.01 mm，电机编码器为60000脉冲/转，一个脉冲当量为0.36′，所以剪刃的位置控制精度非常高，这样可保证剪刃在剪切区与带材完全同步，可保证剪切板材的定尺精度，剪刃起始位置由接近开关控制，该开关安装在上滚筒传动侧，可确定脉冲计数的起点，即：剪刃起始位置。

2 滚筒飞剪的剪切工作制度

(1)基本定尺连续转动工作制是飞剪最基本的一种工作制度，即飞剪剪刃连续地以与带材同步的速度转动，滚筒每转一转上下剪刃就相遇一次，完成一次剪切动作，剪刃的圆周周长即为剪切板材的定尺长度，剪切次数为滚筒转数。但对于实际生产中，剪切定尺长度往往并不等于剪刃的圆周长度，所以这只是一种基本工作制度。

(2) 启动工作制是飞剪最常用的一种工作制度，因为实际剪切的定尺长度一般都比剪刃的圆周长要长，如果剪刃连续转动只能剪切基本定尺，因此剪刃的圆周速度只能在剪切区里与带材同步，而在加速及减速区采用启动工作制，飞剪剪刃停在最高位置，根据控制器的指令剪刃启动加速，达到剪切速度进入匀速区，剪刃位置也刚好进入剪切区，待剪切完毕剪刃离开剪切区进入减速区，当到达最高点时剪刃停止，等待第二次剪切。

(3) 加速工作制是飞剪剪切定尺长度比剪刃圆周长度短时所采用的工作制度，与上述工作制度同样的是剪刃在剪切区里圆周速度与带材运行线速度一致，而在剪切区外剪刃均以快于带材的速度转动，即一出剪切区剪刃就开始加速，当剪刃达到最高点时开始减速，直至进入剪切区后达到与带材同步开始下一次剪切。在剪切短定尺时原则上带材运行的线速度应降低。

3 滚筒飞剪力能参数计算分析

3.1 飞剪技术参数

剪切材料 铝及铝合金1XXX-8XXX

板材厚度h0.3～2.5 mm

板材宽度b800～2200 mm

定尺长度L1 000～10 000 mm

剪切速度v70 m/min

剪切次数 最大70次/min

剪刃螺旋角β2.5°

3.2 剪切力计算

滚筒飞剪剪切过程类似于圆盘剪切，其切入板材是依次相遇而切入的，剪切原理与平行剪刃斜刃剪相似。剪切力的计算是确定剪机能力的依据，设计时滚筒直径及轴颈处支承轴承的选择以及电机功率的选择均依据剪切力大小而确定。为减小剪切力，滚筒飞剪剪刃采用螺旋式剪刃，这样可以节省电机功率，并可降低剪刃磨损，提高了剪刃的使用寿命。

设计时剪切力计算按采利柯夫-诺沙里公式确定滚筒飞剪总剪切力,但是与普通斜刃剪不同，滚筒飞剪剪切时需要考虑剪切阻力因素影响。

P=P1+P2+P3+P4

P1为纯剪切力，可根据剪切面积确定，取决于剪切材料的强度极限及剪切板材的厚度，与设备的螺旋角有关； P1=0.6σbδh2/Ktgβ，带入数值后得P1=109 938N；δ为剪切材料的延伸率；K为剪切斜率与螺旋刃斜率的比值系数。

P2为悬臂弯曲力，对于冷剪薄板的滚筒飞剪来说，此力很小，或者不存在，原因是剪切板材较薄，剪切较平稳，上下剪刃重叠量很小，只有剪切厚板时考虑悬臂弯曲力。

P3为碗形弯曲力，碗形现象在剪切工作中普遍存在，对于飞剪也是一样，但飞剪剪切时无压板，却是在有张力情况下剪切，与压板作用相当，可按斜刃剪切时压板力公式计算：

P3=P1/(1+100δ/σby2x)

式中，y为剪刃侧面相对系数；当x=10,y=0.07时，P3=44 850N。

P4为剪切综合阻力，这个力对普通斜刃剪是不考虑的。对滚筒飞剪其剪切综合阻力考虑4个因素，即

剪刃与板材速度不同步引起的剪切阻力系数Kβ=0.017～～0.025；侧推力造成的阻力系数KT=0.04～0.08；上下剪刃线速度差造成的阻力系数Kv=0.017～0.025；刀片磨钝阻力系数Kξ=0.08～0.10；则总阻力系数KP4=0.16～0.23。

P4=KP4P1=17 590N

则总剪切力P=172 378N

设计时根据总剪切力及剪切次数为依据确定总的剪切力矩及传动电机功率，同时选择上下滚筒直径及支承轴承的型号规格，满足剪切力能的要求。

4 滚筒飞剪结构特征的分析

滚筒飞剪主要由测量辊及夹送辊、飞剪本体组成。所有组成部分安装在一个共同的底座上面。设备组成如图2所示。设备结构在设计过程中进行了多项创新。

图2 滚筒飞剪侧面图Fig.2 The lateral view of arum flying shears

4.1 测量辊及夹送辊

位于设备的入口侧，包括有夹送辊、测量辊、支承辊、中间导板、覆膜支撑装置、导辊、张紧轮等。夹送辊主要用于给滚筒飞剪夹送板材，测量辊用来测量板材定尺长度后将信号发送给飞剪实施剪切动作，保证定尺剪切精度。夹送辊采用交流变频电机驱动，可满足不同剪切速度要求，夹送辊的线速度与带材运行速度保持一致。测量辊为被动辊，夹送辊压下采用液压缸同步压下，上夹送辊的同步压下通过齿轮齿条来实现。为保证带材表面质量，所有辊子表面均为挂胶辊。

4.2 飞剪本体

飞剪本体位于夹送辊出口侧，滚筒刀轴与夹送辊轴中心线成2.5°夹角布置，也就是说滚筒刀轴中心线与机组中心线不是垂直布置的，这样可保证剪切板材断面是平直的，这个夹角通过安装在底座上的螺栓可以调整并定位。

飞剪本体由左右两个机架、上下两个滚筒刀轴、主传动电机及一个焊接的底板组成，滚筒支承在两侧机架上，机架及主电机直接把合在底板上。

本设备采用创新设计的传动方式，这种传动结构新颖，可满足准确剪切定尺长度要求。滚筒飞剪主传动电机采用交流伺服电机，根据控制器发出的指令，电机启动、加速、减速、停止，通过一级齿轮减速及一级分配齿轮驱动上下滚筒相向旋转，从而完成对行走板材的定尺剪切动作。

滚筒飞剪传动机构是主传动电机通过膜片式联轴器驱动一根齿轮轴，齿轮轴安装在传动侧机架内，齿轮轴为6级精度斜齿轮，与装在下滚筒刀轴外侧的主副齿轮进行一级减速，从而带动下滚筒旋转，下滚筒两侧还装有分配齿轮，与上滚筒上的分配齿轮啮合，这样就可同时驱动上滚筒旋转，为了消除齿轮传动啮合间隙，满足高精度剪切，上滚筒分配齿轮也采用主副齿结构，下滚筒分配齿轮则采用单齿轮传动。装配时根据主齿轮的啮合侧隙来修配主副齿轮之间的调整垫的厚度来消除副齿与相啮合齿轮之间的侧隙，在传动侧可加厚调整垫的厚度，操作侧则减薄调整垫的厚度，可以保证上下剪刃间隙在剪切过程中的准确性。上下滚筒分配齿轮传动产生的轴向力由推力圆柱滚子轴承承受，推力轴承安装在操作侧机架上。主传动减速齿轮传动产生的轴向力由深沟球轴承来承受，深沟球轴承安装在传动侧机架上。所有齿轮均采用优质合金齿轮钢制作而成，齿面经硬化处理，保证高速剪切齿轮啮合要求。

此种传动方式与以往滚筒飞剪庞大减速均速机构相比，既减轻了设备重量又可以保证剪切各种长度定尺板材要求，结构新颖，调整方便，该创新结构的采用可为设备节省近一半的投资。

滚筒是飞剪的剪切执行机构，上下剪刃通过楔形压块固定在滚筒刀轴的螺旋槽内，上下滚筒刀轴的螺旋槽角度相同，但旋向相反，在楔块的作用下，上下剪刃发生弹性变形，按滚筒刀轴螺旋槽旋向形成螺旋剪刃。此种结构为本设备的重要创新技术，与以往滚筒式平刃飞剪相比，这种飞剪剪切力比较小，可以减小滚筒直径，减轻设备重量。装配后剪刃螺旋角为2.5°，上滚筒为右旋，下滚筒为左旋。剪刃螺旋角对剪切力影响较大，螺旋角过小，剪切力变大，螺旋角过大，则剪切时侧推力也增加，使剪刃容易剥落，影响轴承寿命。在上滚筒剪刃的背面沿轴向还设有多个调整杆，调整杆为偏心结构，可对上剪刃进行微调，保证装配时上下剪刃之间间隙均匀一致，而下剪刃则只采用采用楔块锁紧方式定位，楔块采用螺栓把合在刀轴的螺旋槽内，装配后不需要调整。上下滚筒均采用优质合金钢锻制而成，为保证使用寿命，刀轴要求进行超声波探伤检查。上下剪刃采用专用剪刃钢制作，为保证剪切质量，上下剪刃均制作为锐角形状，剪刃要求表面淬火处理，硬度要求达到55～58HRC。

滚筒飞剪的上下滚筒刀轴两侧均支承在两侧机架的轴承座孔内，每根滚筒均由两个大承载力的单列圆柱滚子轴承来承受剪切力，此轴承选择要求满足承载能力大及高速旋转工况，轴承为可分离型，方便装配调整，轴承精度等级为P4级，轴承游隙采用较小值，满足剪切精度的要求。为方便上下剪刃装配时位置调整，上下滚筒上的齿轮与刀轴之间均采用胀紧联结套方式传递扭矩，此种联接方式是本设备结构的另一个创新点，既可以避免刀轴上开键槽影响刀轴强度，又很方便上下剪刃间隙的调整。滚筒飞剪本体结构特征如图3所示。

图3 滚筒飞剪本体图Fig.3 The view of arum flying shears

剪切不同厚度的板材要求上下剪刃之间具有一定的剪刃间隙及重叠量。

滚筒飞剪的剪刃间隙值设计是可调整的，剪切板材厚度不同，剪刃间隙值不同。具体调整方式是在上滚筒的操作侧机架上设有一液压缸，液压缸接头与安装于上滚筒操作侧侧隙调整装置用销轴连接，根据剪切的板材厚度不同，旋转操作侧剪刃间隙调节油缸头部的螺栓，带动上滚筒端部的滚珠丝杆旋转，由于丝杆上的螺母固定不动，这样丝杆就带动上滚筒及下滚筒旋转，使上滚筒产生轴向位移，使上下剪刃的间隙发生改变，滚珠丝杆与螺母之间螺纹间隙很小，可以保证剪刃间隙值的准确性。这也是本设备采用创新技术之一。剪刃间隙过大过小对剪切质量影响都很大。在剪切时剪刃间隙数值一般按板厚的0.05～0.15倍调整，可根据实际剪切断面质量情况来调整。

滚筒飞剪上下剪刃重叠量设计采用为固定值，重叠量过大将会使剪切力变大，使滚筒刀轴加大，增加设备重量，造成不必要的浪费。根据剪切板材厚度一般取板厚的0.25～0.75倍比较合适。

飞剪本体两侧机架采用焊接式箱体结构，机架内齿轮及轴承均采用稀油润滑方式，每侧机架各有一台交流电机驱动齿轮油泵将润滑油从机架箱体内吸出，通过滤油器及油量分配器将润滑油送往各润滑点，即各齿轮啮合处及各轴承处，足够的润滑可保证齿轮及轴承工作顺利。

为满足板带进入及输出滚筒飞剪，在滚筒飞剪入口及出口侧各设有一段导板，导板为酚醛层压玻璃布板，在所有导板中间设置多个导辊，所有的导辊都为非金属材料，可以保证板材输送时的刚度并避免板材表面划伤。这种设置是以往设计所没有考虑的环节，所有往往会对板材表面质量及剪切质量造成不好的影响。

5 结束语

(1) 采用创新设计的交流伺服控制系统的滚筒飞剪具有结构新颖、设备重量轻及剪切定尺精度高、控制精度高、技术先进、生产率高等优点，其定尺长度精度可控制在±0.5 mm以下，可满足目前各行业快速发展的需要。

(2) 螺旋式剪刃的采用可大大提高剪刃寿命，降低了剪切时的力能消耗，节约成本。

(3)采用交流伺服控制系统可满足各种剪切定尺长度要求，具有更广泛的前途。

(4) 螺旋剪刃滚筒飞剪已经成功应用于洛阳龙鼎、东北轻合金及吉林麦达斯项目，现场使用情况良好，定尺精度高、剪切断面质量优、剪切次数高、生产率高，得到用户肯定。

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Design Research of Drum Flying Shears With Spiral Scissors

SUI Dong-zhi

(Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd., Shenyang 110141,China)

This paper introduces the cutting principle of arum flying shears, calculates the force parameters the equipment Combining with the northern heavy industries group Co.，Ltd.’s product. The arum flying shears uses the motor drive gear shaft with the diaphragm coupling ,the equipment structure haves main gear and pinion, cutting with the Spiral Scissors. Production practice shows that the cutting lengths precision can control in ±0.5 mm.

arum flying shears； cutting force； spiral scissors; cutting principle; work calulation

2015-11-25；

2016-02-18

隋冬枝(1964-)， 女 ，高级工程师，从事轧钢设备设计与研究工作。

TG333

A

1001-196X(2016)02-0046-05