曲柄擺式飛剪液壓空切原理及剪刃軌跡分析

萬 飛,景群平,金 敏,付友昌

(1.寶鋼工程技術(shù)有限公司軋鋼事業(yè)部,上海 201900;2.中國重型機(jī)械研究院有限公司,陜西 西安 710032;3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,北京 063200)

液壓單偏心空切機(jī)構(gòu)曲柄擺式飛剪是施羅曼飛剪的一種形式,空切機(jī)構(gòu)設(shè)置了液壓偏心機(jī)構(gòu),用液壓缸改變液壓偏心的角度,完成單尺或倍尺剪切[1]。文獻(xiàn)[1]分析了上下剪刃開始剪切帶鋼時(shí)的剪切角,以及在剪切過程中剪切角的變化位置,并指出使用中的飛剪在設(shè)計(jì)方面存在不足,通過計(jì)算確定了在剪切帶鋼時(shí)空切機(jī)構(gòu)的調(diào)整位置。

1 飛剪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和剪切原理

單偏心空切機(jī)構(gòu)曲柄擺式飛剪的本體由剪切機(jī)構(gòu)、空切調(diào)整機(jī)構(gòu)和剪刃間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成 (圖 1)。剪切機(jī)構(gòu)由曲柄 1、上刀架 2、下刀架 3、機(jī)械空切偏心軸 6和偏心軸調(diào)整液壓缸構(gòu)成。間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)由調(diào)整桿 5和上下刀架連接桿 4組成。飛剪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),曲柄的長度為定值不可調(diào)整。

剪切時(shí),空切機(jī)構(gòu)和剪刃間隙不調(diào)整,整個(gè)機(jī)構(gòu)就構(gòu)成了一個(gè)四桿機(jī)構(gòu),在曲柄的旋轉(zhuǎn)過程中,剪刃形成固定的運(yùn)動(dòng)軌跡,上剪刃作近似于橢圓形的運(yùn)動(dòng),下刀架作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),在軌跡相交區(qū)段形成剪切區(qū)。單獨(dú)調(diào)整空切機(jī)構(gòu)或間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)時(shí),就構(gòu)成五桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)同時(shí)調(diào)整空切機(jī)構(gòu)和間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)時(shí),就構(gòu)成一個(gè)六桿機(jī)構(gòu)。

單偏心空切機(jī)構(gòu)曲柄擺式飛剪的剪切過程包括上下剪刃的接近、相互咬入剪切帶鋼、剪切終了脫離帶鋼三個(gè)階段,形成一個(gè)完整的剪切過程。設(shè)計(jì)時(shí)要使剪刃能夠順利剪斷帶鋼,同時(shí)要使剪切區(qū)最小,并且使上下剪刃有一個(gè)合理的重合量。

帶鋼剪切的定尺長度用三種方法實(shí)現(xiàn),即調(diào)整帶鋼運(yùn)行速度、在一定范圍內(nèi)改變曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)速度、使用空切機(jī)構(gòu),一般使用空切機(jī)構(gòu)完成長定尺剪切。

設(shè)空切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角為β,當(dāng)β=0°、90°、180°和 270°時(shí)的上下剪刃位置如圖 1所示。

圖 1 不同空切偏心轉(zhuǎn)角的剪刃位置圖

2 飛剪剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法和步驟

建立以O(shè)5點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系;分別建立以 O1、O2、O3、O4和 O6點(diǎn)為原點(diǎn)的輔助動(dòng)坐標(biāo)系、和。

設(shè)曲柄半徑為 E1,曲柄回轉(zhuǎn)角為α,在坐標(biāo)系中,回轉(zhuǎn)點(diǎn)O2的坐標(biāo)可用下式計(jì)算:

下刀架以O(shè)6點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于上下刀架通過 O3點(diǎn)連接在一起運(yùn)動(dòng),要求曲軸旋轉(zhuǎn)過程中的上下剪切點(diǎn)位置,首先確定刀刃間隙調(diào)整桿的調(diào)整量和空切偏心軸的調(diào)整角度,然后確定 O3和O4的位置,當(dāng) O3和 O4的位置確定后,上下剪切點(diǎn)位置就可以確定。

若設(shè)O6、O3點(diǎn)的連線為 l1,當(dāng)偏心軸的轉(zhuǎn)角確定之后,O3點(diǎn)就在以 O6點(diǎn)為圓心,以 l1為半徑的圓周上轉(zhuǎn)動(dòng)。O3點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

計(jì)算內(nèi)容:

(1)在空切和間隙調(diào)整確定后,描述上下刀刃剪切點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡;

(2)確定剪切帶鋼時(shí)空切機(jī)構(gòu)調(diào)整角度;

(3)確定上下剪刃剪切帶鋼時(shí)的切入角;

(4)確定剪切帶鋼的剪切角和剪切長度。

計(jì)算步驟:

(1)輸入帶鋼厚度、寬度、上下刀片厚度和高度,下刀片需要中間高度,剪切帶鋼邊緣點(diǎn)的高度和邊部高度三個(gè)數(shù)據(jù),邊部高度用于檢驗(yàn)剪切時(shí)上下刀片間隙的變化情況。

(3)設(shè)定間隙調(diào)整量。

(4)設(shè)曲軸轉(zhuǎn)角為α,可求得上剪刃剪切點(diǎn)A1在固定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo) A1(x0a1,y0a1),以及上剪刃剪切點(diǎn) A2在固定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo) A2(x0a2, y0a2)。

(5)設(shè)定一系列的曲柄轉(zhuǎn)角為α,得到與之對應(yīng)的一系列的上剪刃剪切點(diǎn) A1的坐標(biāo) A1(x0a11, x0a12, ……x0a1n)和 (y0a11, y0a12, ……y0a1n),下剪刃剪切點(diǎn) A2點(diǎn)的坐標(biāo) A2(x0a21,x0a22, ……x0a2n)和 (y0a21, y0a22, …y0a2n)。

(6)將上、下剪刃的一系列剪切點(diǎn) A1、A2繪制成圖形,就構(gòu)成了在各空切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角時(shí)的上下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 飛剪運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算實(shí)例

選用寶鋼五冷軋連退機(jī)組和 2030新增連退機(jī)組中的飛剪作為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。剪切帶鋼材質(zhì):CQ鋼,帶鋼厚度 2 mm,寬度1 600 mm。

調(diào)整空切機(jī)構(gòu)的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度β分別等于0°、90°、180°和 270°, 計(jì)算得到上下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡見圖 2。

圖 2 不同偏心轉(zhuǎn)角的剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡圖

從圖 2a可以看出,上下剪刃的最近點(diǎn)位置的距離為 29.09 mm,最遠(yuǎn)點(diǎn)位置的距離為257.77 mm,上剪刃距帶鋼上表面的最近點(diǎn)距離是 1.1 mm,下剪刃距帶鋼下表面最近點(diǎn)距離是 12.74 mm。在圖 2b中,上下剪刃的最近點(diǎn)位置為 -1.75 mm,最遠(yuǎn)點(diǎn)位置為 209.2 mm,上剪刃距帶鋼上表面的最近點(diǎn)是 -0.77 mm,下剪刃距帶鋼下表面最近點(diǎn)是 0.98 mm,位置點(diǎn)為負(fù)值時(shí)說明上剪刃位于剪切線以下,而下剪刃位于剪切線之上,上下剪刃剪切帶鋼,負(fù)值的大小表示上下剪刃重合量。在圖 2c中,上下剪刃的最近點(diǎn)位置的距離為 34.67 mm,最遠(yuǎn)點(diǎn)位置的距離為 257.84 mm,上剪刃距帶鋼上表面的最近點(diǎn)距離是 9.57 mm,下剪刃距帶鋼下表面最近點(diǎn)距離是 23.1 mm。在圖 2d中,上下剪刃的最近點(diǎn)位置的距離為 64.137,最遠(yuǎn)點(diǎn)位置的距離為 305.437 mm,上剪刃距帶鋼上表面的最近點(diǎn)距離是 12.86 mm,下剪刃距帶鋼下表面最近點(diǎn)距離是 49.28 mm。

當(dāng)空切機(jī)構(gòu)的偏心轉(zhuǎn)角等于 90°時(shí),飛剪處于剪切帶鋼的位置,剪切時(shí)上下剪刃重合量為1.75 mm。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角等于 245°時(shí),下剪刃首先將帶鋼向上托起,帶鋼邊部開始受到上下剪刃的剪切。這時(shí)上剪刃的傾斜角為 1.438°,下剪刃的傾斜角為 1.238°。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)至 255°時(shí),下剪刃的中點(diǎn)與上剪刃相接觸剪斷帶鋼。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)至 270°時(shí),下剪刃的中點(diǎn)與上剪刃的重合量達(dá)到最大值 1.75 mm。這時(shí)上剪刃的傾斜角為0.302°,下剪刃的傾斜角為 0.765°。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)至 276°時(shí),下剪刃繼續(xù)上升,上剪刃也開始上升脫離下剪刃的中點(diǎn),這時(shí)上剪刃的傾斜角為1.377°,下剪刃的傾斜角為 1.575°。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)至 292°時(shí),上、下剪刃脫離帶鋼的邊部,上剪刃繼續(xù)上升,下剪刃開始下降,這時(shí)上剪刃的傾斜角為 5.121°,下剪刃的傾斜角為 3.616°。完成剪切過程,曲柄剪切角 47°,剪切區(qū)行程32.88 mm。

4 結(jié)論

計(jì)算和分析結(jié)果得到以下結(jié)論:

(1)當(dāng)空切機(jī)構(gòu)的偏心轉(zhuǎn)角等于 90°時(shí),飛剪處于剪切帶鋼位置,下剪刃將帶鋼向上托起后進(jìn)行剪切,符合飛剪剪切帶鋼的要求;

(2)剪切帶鋼時(shí)的剪切角小,上下剪刃基本上處于垂直狀態(tài)下剪切帶鋼,即在剪切過程中上下剪刃基本保持平行剪切帶鋼;

(3)當(dāng)空切機(jī)構(gòu)的偏心轉(zhuǎn)角等于 270°時(shí),上剪刃距帶鋼上表面的最近點(diǎn)距離 12.86 mm,下剪刃距帶鋼下表面最近點(diǎn)距離 49.28 mm。距離帶鋼上、下表面都有較大的空切距離,不會(huì)擦傷帶鋼表面。因此選擇該角度為空切角;

(4)由于下刀架的 O6-O3連線 l1較長,處于剪切區(qū)的下剪刃回轉(zhuǎn)弧較為平緩,使得下剪刃在脫離剪切區(qū)后仍然距離帶鋼下表面較近,容易擦傷帶鋼。應(yīng)當(dāng)控制空切機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速率,即在上、下剪刃進(jìn)入剪切角之前,空切機(jī)構(gòu)偏心轉(zhuǎn)角已到達(dá) 90°位置,在上剪刃進(jìn)入下一次剪切角之前,空切機(jī)構(gòu)偏心轉(zhuǎn)角已回到270°位置,這樣可以使下剪刃在剪切范圍以外區(qū)域增大與帶鋼下表面的距離,減小對帶鋼下表面接觸的可能性。

[1] 周國盈.帶鋼精整設(shè)備 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[2] 武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院主編.板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1987.

[3] 鄒家祥.軋鋼機(jī)械 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.