焊接机的分类及剪切力的计算

张华杰

（太重煤机有限公司，山西 太原030032）

剪切对焊接机是焊管生产线的主要设备之一。它位于矫平机和活套之间，其作用是将相邻两卷带钢之间，即前一卷带钢的尾部与下一卷带钢的端部焊接起来，为了保证焊缝的焊接质量，在对焊之前，前一卷带钢的尾部与下一卷带钢的端部应进行必要的剪切，以获得符合焊接规格的切口，然后进行焊接，再经活套充料、储料，供给主机，以保证焊管生产线能够连续不断的生产。

1 剪切对焊接机分类及剪切装置的种类

1.1 剪切对焊接机的分类

剪切对焊接的分类繁多，既可根据工作方式和控制方式分类，也可按照剪切方式分类，还可按照焊接方式分类，见表1。

表1 剪切对焊接方式的分类

1.2 剪切装置的种类

剪切对焊机的剪切装置通常有下剪切和上剪切之分。下剪切的结构特点是上剪刃固定，下剪刃向上剪切；上剪切的结构特点是下剪刃固定，上剪刃向下剪切。剪切装置一般采用斜剪刃，即一个剪刃相对于另一个剪刃成某一角度，剪刃斜度一般取1.5°~6.0°为宜。

现有焊管机组，常采用上剪切的结构形式。上剪切的结构形式如图1所示。

图1 上剪切的结构图

剪切系统由上横梁、油缸、上剪刃、下剪刃等组成。上剪刃安装在上横梁上，由导向装置实现导向，导向装置有齿轮、齿条组合式或耐磨板式，下剪刃安装在床身底座上。使用液压缸驱动上横梁，实现带钢头部、带钢尾部的剪切，在剪切时，压板装置压紧带钢，使带钢在剪切时位置固定，保证剪切的顺利完成。

2 剪切力的计算

剪切力计算的公式较多，目前设计中常采用下列几种公式：

2.1 柯洛辽夫公式

式中：K1为刀刃侧向间隙的影响系数，一般K1=1.3~1.5；K3为刀刃使用以后磨钝的影响系数，一般K3=1.1~1.3；τ为被剪切带钢的剪切抗力，一般可按试验决定，有时在设计计算时往往可近似地取τ=（0.7~0.75）σb，σb为被剪带钢的强度极限，MPa；S为带钢的剪切面积，mm2。

图2 剪切过程图

则上式可写成：

剪切过程如图2所示。剪切面积不是在带钢整个横断面上进行的，斜刀刃剪切面积，要比平行剪切面积小，因此斜刀刃的剪切力P也就比平行剪切小。实际剪切面积不是三角形ABC，而是梯形ABDE。这是由于当刀刃切入带钢深度为z=h-DE后，带钢便开始金属滑移，完成剪切过程。因此，顶部小三角形DEC早已被金属滑移而扯断，不再需要剪切。

相对切入率为：

式中：ε与被剪切带钢材料的塑性有关，一般ε=（1.2~1.6）δ5，δ5为伸长率，通常可按ε=1.25δ5计算。

剪切面积ABDE为（见图2）

将式（3）代入式（2），可得：

式中：α为剪刃的斜度；ε为相对切入率，ε=（1.2~1.6）δ5；h为带钢厚度，mm；σb为被剪带钢的强度极限MPa；δ5为相对伸长率。

由式（4）可知：若剪切相对切入率ε和被剪切带钢的强度极限σb增加，则剪切力P增加；剪切力P按被剪切带钢厚度平方关系数值增加，剪切力P与剪刃的斜度α成反比，增加α，可使剪切力P降低，但会增加剪刃的行程。显然，公式（4）仅适用于tanα＞的情况。h、b分别为带钢的厚度和宽度。

2.2 诺沙里公式

式中：σb为被剪带钢的强度极限，MPa；δ5为相对伸长率；z为切入深度；α为剪刃的斜度；y为系数，y=为剪刃侧向间隙，通常情况下，h≤5 mm，c=0.07 h；h＞5 mm，c=0.5 mm；x为系数为剪切平面至压板距离，初步计算时，取x=10；K3为刀刃使用以后磨钝的影响系数，一般取K1=1.1~1.3。

实际计算时，常采用（5）的简化公式。此时，假定ε=1.25δ5，z=1，y=0.07（若h≤5 mm），将上述数值代入公式（5）式中，则简化公式为：

以上两个公式比较，柯洛辽夫公式比较简便，但公式中许多系数均为范围值，因此，采用同一柯洛辽夫公式计算，由于系数值选择不同，可得到不同的计算结果，这就影响到计算的精确性。目前，国内设计单位采用诺沙里公式较多，有时为了某种需要，做一些粗略核算，可采用柯洛辽夫公式。

3 结语

通过对剪切对焊接机剪切力的计算，可有效避免设计的盲目性，为剪切对焊接机的结构及性能参数的设计提供理论依据。