謝東旭，李郝林，查德根

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2.上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)公司，上海201900）

0 引 言

切邊圓盤剪是用于金屬板帶精整作業(yè)線上的核心設(shè)備，其主要功能是對帶鋼的邊部缺陷進(jìn)行剪切，以滿足成品帶鋼的寬度要求，廣泛應(yīng)用于酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組、連續(xù)式酸洗機(jī)組、連續(xù)式退火機(jī)組、重卷機(jī)組［1］。圓盤剪按傳動(dòng)方式可分為拉剪和動(dòng)力剪，前者用于薄板的剪切，厚板的剪切采用后者［2］。目前，國外的圓盤剪設(shè)計(jì)理論比較成熟，具備超精密設(shè)計(jì)精度、裝備精細(xì)、機(jī)組穩(wěn)定性好和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，雖然結(jié)構(gòu)形式差別較大，但基本原理一致。近年來，通過對國外先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)、消化和吸收，國產(chǎn)縱剪機(jī)的裝配水平不斷提高，且經(jīng)濟(jì)適用性好，但對于質(zhì)量要求苛刻的板帶產(chǎn)品和自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)，仍難于與國外同類裝備抗衡。

本文以某鋼廠冷軋薄板精整機(jī)組中的切邊圓盤剪為研究對象，在分析國外先進(jìn)設(shè)備的基本組成與工作原理基礎(chǔ)上，對圓盤剪間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理、主要零件結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的選擇與計(jì)算方法做了深入探究，并應(yīng)用有限元分析軟件，對刀軸進(jìn)行優(yōu)化分析，對同類設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有借鑒意義。

1 設(shè)備簡介

1.1 設(shè)備組成及主要技術(shù)參數(shù)

圓盤剪主要由機(jī)架開度調(diào)整機(jī)構(gòu)、圓盤剪本體、去毛刺輥、底座、導(dǎo)板架、廢邊導(dǎo)槽、電機(jī)等組成，如圖1所示。其中，圓盤剪本體主要由機(jī)架、上刀軸、下刀軸、刀盤、側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 圓盤剪總體結(jié)構(gòu)布置圖

主要技術(shù)參數(shù)：來料厚度：0.2～3 mm；來料寬度：800～1 730 mm；剪切速度：Max.150 m／min；帶鋼強(qiáng)度：Max.650 MPa。

1.2 設(shè)備工作原理

圓盤剪的工作過程包括：（1）確定來料帶鋼規(guī)格及工藝參數(shù)，帶鋼處于停止?fàn)顟B(tài)；（2）根據(jù)帶鋼寬度，移動(dòng)底座，調(diào)節(jié)機(jī)架開度；（3）根據(jù)帶鋼厚度，調(diào)整剪刃側(cè)向間隙及重疊量；（4）帶鋼運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行邊部剪切；（5）帶鋼經(jīng)過去毛刺輥輸出，廢邊進(jìn)入廢邊導(dǎo)槽；（6）一個(gè)剪切周期完成，帶鋼停止運(yùn)動(dòng)。

在剪切過程中，該圓盤剪既可做動(dòng)力剪，亦可做拉剪。當(dāng)剪切速度在30 m／min以下時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)下刀軸旋轉(zhuǎn)，上刀軸在摩擦力作用下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)高速剪切時(shí)，依靠卷取機(jī)或拉力輥的拉力，將帶鋼拉過圓盤剪進(jìn)行剪切。

2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 機(jī)架開度調(diào)整機(jī)構(gòu)

圓盤剪的左右兩個(gè)機(jī)架相對于底座中心線對稱布置，分別安裝在操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)的移動(dòng)底座上。兩移動(dòng)底座通過滾珠絲桿傳動(dòng)而相對移動(dòng)。兩絲桿通過聯(lián)軸器連接，馬達(dá)在一端直接驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)架開度的調(diào)整。底座上安裝有行程開關(guān)，控制兩移動(dòng)機(jī)架的最大、最小開口度。機(jī)架開度調(diào)整范圍為570～1 900 mm。

2.2 側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)

剪刃側(cè)向間隙的調(diào)整是將下刀軸軸向固定，通過機(jī)架上的斜楔機(jī)構(gòu)調(diào)整上刀軸的軸向位置，從而獲得上、下剪刃間的側(cè)向間隙，如圖2所示。

機(jī)構(gòu)原理：搖動(dòng)手柄帶動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)，分度盤安裝在側(cè)板上，通過鍵聯(lián)接滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，滾珠安裝在螺母座上，螺母座兩側(cè)安裝有滑塊，滑塊可相對導(dǎo)軌前后移動(dòng)。左側(cè)導(dǎo)軌安裝在底板上，右側(cè)導(dǎo)軌安裝在斜墊板上，斜墊板固定在導(dǎo)軌座上。導(dǎo)軌座與上刀軸聯(lián)接，通過雙螺母鎖緊。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母座隨滾珠延絲杠軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有橫向位移，帶動(dòng)導(dǎo)軌座橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向間隙的調(diào)節(jié)。側(cè)向間隙的調(diào)整范圍為-7～+3 mm。

分度盤旋轉(zhuǎn)角度θ與側(cè)向間隙變化量δc的關(guān)系為

式中，δc為側(cè)向間隙變化量，單位為mm；θ為分度盤旋轉(zhuǎn)角度，單位為°；S為絲桿導(dǎo)程，單位為mm，S=5；α為斜度，α=1∶125。

側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整精度可以達(dá)到0.005 mm。

2.3 重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)

剪刃重疊量的調(diào)整采用偏心套結(jié)構(gòu)形式，通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)上、下偏心套相對轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，刀軸安裝在偏心套內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)剪刃重疊量的調(diào)整，如圖3所示。其中，電機(jī)軸一端通過彈性柱銷聯(lián)軸器與小齒輪軸聯(lián)接，另一端安裝有編碼器，通過數(shù)字化控制保證重疊量的調(diào)節(jié)精度。重疊量的調(diào)整范圍為-2～+14 mm，其中，上下刀軸分離定義為“-”，上下刀軸重合定義為“+”。

圖3 重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)簡圖

電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度βm與重疊量變化量δΔ的關(guān)系為

式中，δΔ為重疊量變化量，單位為mm；e為偏心距，單位為mm，e=6；β為偏心輪旋轉(zhuǎn)角度，單位為°；其中，βm=βi；βm為電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度，單位為°；i為傳動(dòng)比，i=x2／x1。x1為小齒輪齒數(shù)，齒輪一與齒輪二齒數(shù)同為x2，三個(gè)齒輪的模數(shù)相同。

因此，式（2）可寫為

重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到0.015 mm。

3 設(shè)備基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 剪切力的計(jì)算

圓盤剪剪切過程中，上下刀盤以帶鋼運(yùn)行速度為線速度做圓周運(yùn)動(dòng)，形成一對無端點(diǎn)的剪刃［3］。隨著帶鋼被不斷咬入，鋼材依次發(fā)生彈性變形和塑性剪切滑移變形，當(dāng)變形量達(dá)到斷裂值時(shí)，產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，最終帶鋼被完全分離［4］。由于剪切過程的復(fù)雜性，很難得到精準(zhǔn)的剪切力計(jì)算公式，但設(shè)計(jì)時(shí)可參照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

常用的剪切力計(jì)算公式有諾沙里公式［5］、柯洛遼夫公式、村川正夫公式、前田楨三公式等。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示［6］，對于薄板剪切，諾沙里公式的計(jì)算值與實(shí)際值吻合，當(dāng)剪切厚板時(shí)，任何經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與實(shí)際值存在很大偏差。因此，本文采用諾沙里公式作為剪切力計(jì)算公式，即

對于圓盤剪，可建議取ε=1.25δ5，系數(shù)x1=1.4，通常取δ5=0.25，則式（4）可簡化為

式中，σb為被剪切帶鋼的強(qiáng)度極限，單位為MPa；h為被剪切帶鋼的厚度，單位為mm；ε為剪斷時(shí)的相對切入深度；α為咬入角，單位為°。

咬入角的大小可根據(jù)式（6）計(jì)算

式中，Δ為剪切一定厚度帶鋼所對應(yīng)的剪刃重疊量，單位為mm；D為刀盤最大直徑，單位為mm。

經(jīng)計(jì)算，最大剪切力近似為5 182.3 N。刀盤側(cè)向推力按剪切力的5%計(jì)算，約為259.1 N。

3.2 側(cè)向間隙c與重疊量Δ的選擇

側(cè)向間隙c與重疊量Δ是影響圓盤剪剪切質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

研究表明，側(cè)向間隙是影響切斷面的關(guān)鍵因素［7］。側(cè)向間隙過小，刀盤受到的作用力急劇增大，加速圓盤剪刀盤的磨損，降低刀盤使用壽命；側(cè)向間隙過大，材料所受的拉應(yīng)力明顯增大，材料過早發(fā)生拉伸斷裂，會產(chǎn)生較大毛刺。剪切冷軋鋼板、帶時(shí)，剪刃側(cè)向間隙取被剪切金屬厚度的9～11%。

重疊量是導(dǎo)致帶材跑偏的關(guān)鍵因素［8］。同時(shí)，重疊量不應(yīng)過大，否則會導(dǎo)致剪切力的增大；重疊量不應(yīng)過小，否則會出現(xiàn)帶鋼無法被剪斷的現(xiàn)象［9］。剪切冷軋薄板時(shí)，重疊量約為0.1～0.7 mm。

側(cè)向間隙c與重疊量Δ可參照圖4進(jìn)行選取。

圖4 側(cè)向間隙與重疊量的選值

3.3 刀盤直徑D與刀盤厚度δ的計(jì)算

刀盤尺寸決定圓盤剪的剪切能力，直徑越大，剪切能力越強(qiáng)，但設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)增大，成本增加。在保證剪切能力的前提下，選用直徑較小的刀盤，剪切質(zhì)量較好，但使用直徑較大的刀盤，其使用壽命更長。

刀盤直徑可按公式（7）計(jì)算

式中，D為刀盤直徑，單位為mm；h為被剪切帶鋼厚度，單位為 mm；α0為允許咬入角，一般取8°～12°；Δ為重疊量，單位為mm。

刀片厚度δ一般可按δ=（0.06～0.1）D計(jì)算。為使圓盤剪刀盤具有良好的剛性，其厚度不低于15 mm。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)刀盤的磨損情況，應(yīng)適當(dāng)增加帶鋼厚度。

該圓盤剪刀盤直徑D為230～250 mm，刀片厚度δ為20 mm。

4 關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 刀軸

圓盤剪的上、下刀軸均為懸臂式結(jié)構(gòu)，刀軸裝配如圖5所示，主要由圓螺母、齒輪、推力軸承、雙列圓柱滾子軸承、軸套、隔圈、偏心套、透蓋、刀墊、刀盤、壓環(huán)、壓蓋等組成。其中，壓環(huán)為組合件，內(nèi)圈材料為42Cr Mo，外圈材料為耐油橡膠，主要作用是在剪切過程中壓緊帶鋼。刀軸軸頭的壓蓋上開有“T”形孔，在更換刀盤時(shí)，只需將壓蓋旋轉(zhuǎn)一定角度，便可快速卸下刀盤。刀墊安裝在刀盤與軸肩之間，可減少刀盤頻繁更換對刀軸的磨損。

圖5 圓盤剪刀軸裝配圖

在圓盤剪剪切過程中，刀軸同時(shí)承受剪切力和反作用力，經(jīng)分解后刀軸承受軸向力和徑向力。刀軸的前后支撐均采用雙列圓柱滾子軸承，負(fù)載能力大，主要承受徑向力。刀軸的后支撐處設(shè)有兩盤軸向推力軸承，結(jié)構(gòu)簡單且剛度大，主要承受軸向力。

圓盤剪刀軸裝配是圓盤剪本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心部分，必須嚴(yán)格控制圓盤剪刀軸的裝配精度，以A-B軸線為基準(zhǔn)，軸肩端面全跳動(dòng)公差控制在0.004 mm以下；雙列圓柱滾子軸承處軸面的圓柱度公差控制在0.003 mm以下，徑向圓跳動(dòng)公差控制在0.004 mm以下；推力軸承處軸面的圓柱度公差控制在0.004 mm以下，徑向圓跳動(dòng)公差控制在0.006mm以下。

4.2 機(jī)架

圓盤剪機(jī)架為箱體結(jié)構(gòu)，刀軸、側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)、去毛刺輥、廢邊導(dǎo)槽等機(jī)構(gòu)均安裝在機(jī)架上，機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。上、下刀軸孔垂直布置，其行為公差及尺寸精度的控制直接影響刀軸的動(dòng)態(tài)平衡。為避免刀軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生顫動(dòng)，開有刀軸孔的兩機(jī)架側(cè)面的平行度公差控制在0.01 mm以下，相對于基面A，端面跳動(dòng)公差控制在0.006 mm以下，相對于基面B，垂直度公差控制在0.02 mm以下；兩刀軸孔的圓柱度公差控制在0.004 mm以下，相對于基面A的平行度公差控制在0.01 mm以下，相對于基面B的平行度公差控制在0.02 mm以下；以A面為基準(zhǔn)，面B的垂直度公差控制在0.08 mm以下。

圖6 圓盤剪機(jī)架零件圖

5 刀軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圓盤剪刀軸是圓盤剪剪切過程中主要受載零件，因此刀軸要具有一定的承載能力。同時(shí)，刀軸的徑向變形量直接影響重疊量的大小，刀軸的軸向變形量直接影響側(cè)向間隙的大小，進(jìn)而影響帶鋼剪切質(zhì)量。因此，刀軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)保證刀軸具有足夠強(qiáng)度，同時(shí)盡量增強(qiáng)刀軸剛度，減小變形量，在此基礎(chǔ)上使刀軸重量最小。本文應(yīng)用Ansys Workbench軟件對刀軸進(jìn)行分析與優(yōu)化。

5.1 建立刀軸模型

在進(jìn)行有限元分析之前，需對建立刀軸模型，由于圓盤剪兩側(cè)刀盤關(guān)于設(shè)備剪切中心線對稱布置，因而只對一側(cè)建立刀軸模型。由于上、下刀軸結(jié)構(gòu)形式極其相似，因此有限元分析過程僅以下刀軸為例。

利用SolidWorks建立圓盤剪下刀軸模型，導(dǎo)入Ansys Workbench中。綜合考慮有限元網(wǎng)格劃分特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)性能，需對模型做必要簡化，其中軸承簡化為內(nèi)圈、滾子和外圈三部分。網(wǎng)格單元大小為10 mm。

5.2 定義接觸

在結(jié)構(gòu)分析中，接觸的定義表示部件之間的相互作用關(guān)系，提供了部件之間載荷傳遞的方法。根據(jù)圓盤剪刀軸的結(jié)構(gòu)形式，刀軸分別與軸承內(nèi)圈、刀墊內(nèi)圈接觸，刀盤側(cè)面與刀墊側(cè)面接觸，刀墊另一側(cè)與刀軸軸肩接觸。依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，剛-剛接觸摩擦因數(shù)定義為0.15，圓柱滾子軸承處摩擦因數(shù)定義為0.002。

5.3 添加約束及載荷

根據(jù)圓盤剪的實(shí)際剪切情況，前后雙列圓柱滾子軸承為主要支撐件，需在軸承外圈添加Cylindrical Support，即圓柱面約束，同時(shí)限制滾子軸向自由度。刀軸上的載荷來源于剪切力，剪切力作用于刀盤上，因此在刀盤上表面施加遠(yuǎn)程力，方向定義為“-”，表示壓力，大小為5 182.3 N。另外，在剪切過程中，刀軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故在刀軸傳動(dòng)端施加慣性載荷，即轉(zhuǎn)速，大小為3.18 rad／s。

5.4 求解與分析

求解項(xiàng)主要包括兩方面：一是刀軸應(yīng)力應(yīng)變分布情況，二是刀軸在軸向和徑向的變形情況。刀軸應(yīng)力應(yīng)變分布情況如圖7中（a）、（b）所示，最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在刀軸與軸承接觸處，出現(xiàn)在上表面，大小為7.5896 MPa；刀軸總應(yīng)變?yōu)?.0075484 mm；刀軸徑向最大變形量約為0.0075484 mm，軸向最大變形量約為0.0047 mm。

圖7 有限元分析結(jié)果

5.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)用Design Explorer模塊調(diào)入目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量為刀軸各段直徑D1～D8，目標(biāo)變量為刀軸質(zhì)量M，刀軸的最大應(yīng)力值、軸向及徑向最大變形量為輸出參數(shù)，分別為T、Dx和Dy。優(yōu)化模型為

110≤D1≤160

160≤D2≤220

100≤D3≤145

90≤D4≤130

設(shè)計(jì)變量：

70≤D5≤110

60≤D6≤99

60≤D7≤95

36≤D8≤44

目標(biāo)函數(shù)：Min M｛D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D 8｝Dx≤0.0047

約束條件：Dy≤0.0076 T≤7.5896

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)為100，設(shè)計(jì)變量為連續(xù)變量，以中心組合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式［10］，分析計(jì)算后的結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后刀軸的應(yīng)力應(yīng)變情況有所改善，優(yōu)化后的刀軸質(zhì)量較優(yōu)化前減少26%，對于減輕設(shè)備總體重量，降低成本具有重要意義。

6 總 結(jié)

（1）分析了機(jī)架開度調(diào)整機(jī)構(gòu)、剪刃重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)、剪刃側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及工作原理，并推導(dǎo)出間隙量調(diào)整的數(shù)學(xué)模型，對于計(jì)算機(jī)構(gòu)的調(diào)整精度及調(diào)整范圍有借鑒意義。

（2）提出了圓盤剪基本參數(shù)的選擇及計(jì)算方法，明確指出剪切力計(jì)算公式的使用條件，分析了剪刃側(cè)向間隙和重疊量對剪切質(zhì)量的影響，對合理選擇工藝參數(shù)有重要影響。

（3）根據(jù)圓盤剪實(shí)際工作狀況，提出了圓盤剪刀軸、機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式及形位公差的設(shè)計(jì)方法。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對公差的嚴(yán)格控制，有效減少刀具磨損，使換刀方便、高效，保證了高精度剪切。

（4）應(yīng)用有限元分析軟件，對刀軸強(qiáng)度及剛度進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀軸與軸承接觸處。因此，對于刀軸的設(shè)計(jì)與改進(jìn)中，軸承安裝處的軸徑應(yīng)盡量大些，同時(shí)盡可能減少剪切端刀軸的懸伸量。

（5）刀軸優(yōu)化結(jié)果顯示，刀軸在保證較高強(qiáng)度與剛度的同時(shí)，很大程度上減少刀軸質(zhì)量，對于縮小設(shè)備尺寸，減輕設(shè)備重量，降低成本具有重要意義。

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