光亮退火机组液压斜刃剪的分析

□ 马 威

上海电气上重碾磨特装设备有限公司 上海 200245

1 分析背景

在板带车间的生产线和处理线上,装有不同型式的剪切机,用于剪切带钢头部、尾部,或进行分切、定尺。其中,大多数剪切机采用液压传动[1-2]。为了减小剪切负荷,剪切机中有一个刀片布置为一定倾斜角度,称为液压斜刃剪。近年来,下切式液压斜刃剪得到广泛应用,这种斜刃剪具有结构简单紧凑、质量轻、剪切动作平稳、自动防止过载等优点[3]。

某光亮退火机组来料带钢主要是06Cr19Ni10冷轧不锈钢,厚度为0.075～1 mm,宽度为300～670 mm。根据生产工艺需要,在机组入口、出口均设置液压斜刃剪,用于剪切带钢头尾及分卷。液压斜刃剪在车间装配完成后进行剪板试验,对于厚度为0.3 mm以下的较薄带钢,液压斜刃剪剪切困难,出现剪不断、卷边等问题。为了解决这一问题,笔者对液压斜刃剪进行结构及受力分析,找到结构缺陷,并加以改进。

2 液压斜刃剪结构分析

光亮退火机组中液压斜刃剪基本结构如图1所示。上剪刃水平,下剪刃倾斜,上下剪刃由螺钉固定在上下刀座上。剪切钢板时,上刀座通过锁紧拉杆拉紧,固定于机架上部。液压缸推拉摆臂连杆,驱动带剪刃的下刀座上下运动,从而完成剪切动作。液压斜刃剪在使用时,上下剪刃的间隙并不是固定不变的。当剪切带材的厚度规格发生变化,剪刃厚度方向产生磨损,或液压斜刃剪更换剪刃时,都需要通过间隙调整机构调整得到合适的剪刃间隙[4]。调整间隙时,下刀座固定不动,上刀座锁紧缸打开,此时上刀座在弹簧压力下仍紧贴在机架上部。旋转螺旋推进器推拉斜楔,使上刀座克服弹簧压力前后移动,从而达到调整上下剪刃间隙的目的。剪刃间隙调整如图2所示。

图1 液压斜刃剪结构

图2 剪刃间隙调整

3 剪切原理

钢板的剪切过程是一个复杂的弹塑性变形过程,具体为弹性变形、塑性变形、产生裂纹、材料断裂。剪切时,上下剪刃相对移动与带材接触,形成剪切力偶,作用在剪切截面两侧。剪刃挤压带材,使带材发生弹性变形。在这一阶段,剪切力相对较小,不足以克服带材的抗剪力。随着剪刃的交汇,带材在剪切力偶作用下产生弯曲,剪切截面发生塑性变形,变形随着剪刃压入程度的增大而增大。当剪刃压入一定深度后,带材的弯曲被上下剪刃挡住,剪切力偶和截面剪切力达到平衡,剪切过程由压入变形阶段过渡到剪切滑移阶段,剪切截面开始出现剪切裂纹,由此开始真正意义上的剪切。剪切力随剪刃深入程度的增大而增大,剪切到一定深度后,剪切力达到最大,同时带材沿横截面被连续剪断,从而完成整个剪切过程。

4 剪刃间隙的确定

液压斜刃剪上下剪刃之间必须保持一定的侧向间隙来实现对带材的剪切[5]。剪刃间隙过大,会造成剪切后钢板扭曲变形、端面毛刺严重,甚至难以剪断而锉伤剪刃。剪刃间隙过小,会增大剪切力,甚至可能出现崩刃的情况[6]。合理地选择剪刃间隙,对钢板的剪切质量和剪切机的使用寿命而言,至关重要[7]。由此可见,剪刃间隙的控制是液压斜刃剪结构设计的重点和难点,是控制剪切带钢质量的关键。

剪刃间隙的设定取决于所剪切带钢的性能和厚度,带钢越厚,剪刃间隙越大。当带钢厚度为0.3～1 mm时,一般剪刃间隙设定为带钢厚度的7%～9%。当带钢厚度小于0.3 mm时,一般剪刃间隙设定为0.02 mm[8]。

5 受力分析

由剪切原理分析可知,剪切带钢时,剪刃主要承受剪切力P和侧推力T的作用[9]。剪刃受力分析如图3所示。

图3 剪刃受力分析

液压斜刃剪的剪切力一般使用诺萨列夫公式进行计算,在此基础上设计的设备可靠性高,安全因数高[10]。剪切力P为:

(1)

式中:δ为带材延伸率;σb为带材抗拉强度,取515 MPa;h为带材厚度,取0.1 mm;α为剪刃倾斜角度,取1.72°;Z为弯曲力因数,取0.95;Y为上下剪刃间的相对侧隙,取0.2;X为压板相对距离,取50;Kd为刀钝因数,取1.2。

将各值代入式(1),求得剪切力P为103 N。

在剪切滑移阶段,带钢所受剪切力P所产生的力矩与侧推力T所产生的力矩达到平衡状态。侧推力T为:

T=Ptanγ

(2)

式中:γ为带钢转动角度,无压板剪切时,取10°～20°,有压板剪切时,取5°～10°。

本液压斜刃剪有压板,γ取10°,代入式(2),求得剪切厚度为0.1 mm的较薄带钢时,侧推力T为18 N。

6 问题分析

某光亮退火机组出入口共配置下切式液压斜刃剪三台,液压斜刃剪在车间装配完成后,按要求厚度进行剪板试验,发现对于0.3 mm、1 mm等较厚钢板剪切良好,但对于0.1 mm厚度的较薄带钢剪切困难,出现剪不断、卷边等问题。根据前述结构及受力分析判断,当剪切0.1 mm厚度较薄带钢时,通过目前的剪刃间隙调整结构,无法保证剪刃间隙均匀地处于0.02 mm以内的要求值,从而出现剪切困难的现象。剪切较薄带钢时,刀片所受的侧推力很小,而对上下刀片的平行度要求极高,据此推断装配后上下刀片的平行度超差是导致剪刃间隙超出设定值的主要原因。经车间现场对三台液压斜刃剪装配后的上下刀片进行检测验证,平行度为0.03～0.05 mm,无法满足剪切厚度小于0.3 mm较薄带钢的剪刃间隙要求,必须加以改进。

7 结构改进

原来的单楔块式剪刃间隙调整结构虽然结构简单,但是一般适用于剪切厚度较大的钢板。当剪切厚度小于0.3 mm的较薄带钢时,此种结构对刀片和刀座的加工精度要求极高,往往难以实现。为降低加工难度,节约加工成本,建议采用双楔块式剪刃间隙调整结构,如图4所示。采用这一结构,能够通过旋转拉杆,实现刀片平行度的微调。另一方面,采用如下工艺手段保证楔块加工精度:① 左楔块和左调整块、右楔块和右调整块斜面配对加工,斜度一致,接合面接触率要求大于80%[11];② 配对后的左右楔块下底面、左右调整块上表面应在同一平面,平行度小于0.02 mm;③ 加工完成后打钢印标记,避免装配时混淆。车间三台液压斜刃剪通过以上改进后,均能顺利完成剪切厚度0.1 mm的不锈钢板,经用户现场实际使用检验,剪切效果良好。

图4 双楔块式剪刃间隙调整结构

8 结束语

笔者对光亮退火机组液压斜刃剪进行了分析和改进。实践证明,双楔块式液压斜刃剪剪刃间隙调整结构易于加工,调整方便,能够保证良好的剪刃平行度,对于今后有剪切较薄带钢需求的液压斜刃剪的设计具有参考意义。