新型碎邊剪結構分析及剪刃側間隙的調整模型

冀俊杰，景群平，馮 沙，張勇安，任玉成

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

硅鋼是電力、電子、電機、變壓器、家用電器、儀器儀表等行業不可缺少的重要軟磁合金。低鐵損、高磁感硅鋼是鋼鐵工業“十二五”發展規劃中鋼鐵重點升級產品。

高磁感冷軋取向硅鋼又稱Hib 鋼，被譽為取向硅鋼"家族"中的頂尖級產品，厚度薄、磁感高、鐵損低、超寬幅，生產工藝極為復雜，是制造特大型節能變壓器的關鍵材料。目前能夠生產Hib 鋼的企業全球只有七家，而根據相關預測，2012 年武鋼股份Hib 鋼的產量僅可達到30 萬t，遠遠不能滿足國內需求。

截止2011 年之前，國內鋼鐵企業生產硅鋼的精整剪切設備全部依賴進口，更遑論生產Hib極品硅鋼的剪切設備了。中國重型機械研究院股份公司立足某鋼鐵企業高端硅鋼產品技改項目，針對Hib 鋼超薄(厚度僅為0.15～0.35 mm)、易脆、邊裂深(最深邊裂有40 mm)、邊浪高(可達到30～40 mm)、剪切廢邊無法卷取的特點開發出一種新型的薄板碎邊剪。

薄板碎邊剪剪刃側隙約為帶材厚度的1/10，以剪切0.2 mm 的薄板為例，剪刃間隙需調整為0.02～0.03 mm，薄板剪刃側隙相對厚板剪刃側隙要成倍減小，側隙調整機構的精度要相對于厚板剪切機側隙調整精度成倍數提高。

本文通過分析現有生產常規鋼鐵產品碎邊剪的結構，著重對剪切0.2～0.3 mm 的新型薄板碎邊剪的碎邊剪側隙調整機構及刀片安裝旋向與齒輪旋向相對布置關系進行探討，說明其滿足生產Hib 鋼的結構特點，并由此設計出適合薄板碎邊剪的側隙調整機構，推導出剪刃側向間隙調整的數學模型，優化刀片旋向布置與齒輪旋向間的布置關系，為實現自動控制側隙奠定基礎。

1 碎邊剪結構分析

碎邊剪剪刃布置分為平行布置、傾斜布置、及螺旋布置三種方式，目前普遍采用傾斜布置剪刃的方式，實現剪刃側間隙自動化調整的基礎在于數學模型的建立。數學模型的建立為優化剪刃布置方式與齒輪布置方式關系提供理論依據。

傳統厚板碎邊剪結構如圖1 所示。傳統中厚板碎邊剪剪刃側隙調整機構采用蝸輪蝸桿結構，此種結構對于剪切中厚板是合適的，蝸輪蝸桿的機械精度及誤差對于厚板剪刃間隙的影響比例在允許范圍內。對于薄板碎邊剪剪刃間隙約為0.03 mm，蝸輪蝸桿的機械精度已無法滿足此項要求，因此蝸輪蝸桿調整側隙的方式在薄板碎邊剪中是不適用的。

圖1 傳統中厚板碎邊剪機構示意圖Fig.1 Mechanism diagram of traditional scrap cutter suitable for moderate thickness plate

2 新型薄板碎邊剪結構

碎邊剪工作時下刀軸傳動，通過傳動齒輪與正副齒輪同速傳動，上下刀盤同速旋轉各對刀片形成剪切，如圖2、圖3 所示。各對刀片側間隙的同步調整是通過上刀軸的軸向移動實現。

圖2 碎邊剪結構圖Fig.2 Structure chart of scrap cutter

圖3 刀盤剪刃布置結構Fig.3 Blade arrangement of cutter

3 新型薄板碎邊剪剪刃側間隙調整機構

刀盤刀片布置見圖3。設定刀片布置斜度15°，斜齒輪角度11°28'42″。刀片側間隙調整機構如圖4 所示。

圖4 側間隙調整機構Fig.4 Side clearance adjusting mechanism

此種側隙調整機構采用螺紋副傳動，移動小軸前后移動推動上刀軸移動，螺紋副采用正副螺母，消除移動小軸軸向竄動，控制側隙調整機構自身的竄動對剪刃側隙的影響。

4 剪刃側間隙調整模型分析

通過調整機構推動上刀軸向前移動調整側間隙。在此過程中有兩個因素決定側間隙變化的大小:①上刀軸向前的移動量;②上刀軸向前運動產生的上下刀軸旋轉量。

通過計算以上兩個因素對側間隙的影響量，可以推導出側間隙變化的數學模型，為側間隙自動化控制提供模型，實現控制的自動化。

剪刃傾斜方向與齒輪旋向有兩種情況存在①旋向一致;②旋向相反。

5 剪刃側間隙數學模型建立

(1)側間隙調整機構采用螺紋或滾珠絲杠進行上刀軸的橫向移動，設定其導程為p。設定刀片旋向角度為α 齒輪旋向角度為β，α 與β 旋向相同(見圖5)。上刀軸單位移動量側間隙變化量。

不考慮旋轉，單軸向移動對側間隙的影響:刀片側間隙變化值

單考慮旋轉對側間隙影響:刀軸橫向移動p，其旋轉圓弧長度為

(此旋轉量為相對旋轉)

刀盤相對旋轉圓弧長度:

式中，D1為齒輪分度圓，D2為刀盤回轉直徑。

式中，Δh為刀片重疊量。

相對旋轉l'后，側間隙變化值

從圖5 可看出dip2的變化方向與dip1的變化方向相反

圖5 α 與β 旋向相同Fig.5 α and β spin in same direction

由此可知α ＞β 時有側間隙產生，α ＜β 側間隙縮小，刀軸移動方向需改變。

②設定刀片旋向角度為α 齒輪旋向角度為βα 與β 旋向相反(見圖6)。

上刀軸單位移動量側間隙變化量

不考慮旋轉，單軸向移動對側間隙的影響:刀片側間隙變化值

單考慮旋轉對側間隙影響:刀軸橫向移動P，其旋轉圓弧長度為

(此旋轉量為相對旋轉)

刀盤相對旋轉圓弧長度:

式中，D1為齒輪分度圓，D2為刀盤回轉直徑。

相對旋轉l'后，側間隙變化值

從圖6 可看出dip2的變化方向與dip1的變化方向相同。

圖6 α 與β 旋向相反Fig.6 α and β spin in opposite direction

以上數學模型的得出為自動調整剪刃側間隙提供了數學模型基礎。

從以上分析可以得出，剪切厚板時所需的側間隙值大，側間隙調整量大需快速得到預定值，建議選取α 與β 旋向相反的布置結構，當剪切硅鋼薄帶(0.2～0.5 mm)時所需的側間隙值為0.02～0.05 mm，側間隙調整量為0.001 mm，為了精確得到側間隙預定值，選取剪刃傾斜方向與齒輪旋向相同的布置結構。新型薄板碎邊剪采用剪刃傾斜方向與齒輪旋向相同的布置結構。

6 結論

新型薄板碎邊剪側隙調整采用新型側隙調整機構，采用適用薄板剪切間隙的刀片旋向布置和齒輪旋向布置。上述兩種新型結構和布置，為新型薄板碎邊剪實現提供基礎及模型。

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