特殊超高強(qiáng)鋼切邊圓盤(pán)剪關(guān)鍵技術(shù)研究

景群平，賈海亮，張勇安，冀俊杰，張康武，許展望

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

特殊鋼是重大裝備制造和國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)所需的關(guān)鍵材料，是鋼鐵材料中的高技術(shù)含量產(chǎn)品，其生產(chǎn)和應(yīng)用代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展水平。特殊鋼占鋼總量的比重、特殊鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和應(yīng)用等是反映一個(gè)國(guó)家鋼鐵工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志［1］，是國(guó)家鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的技術(shù)改造重點(diǎn)。

高強(qiáng)度鋼的定義是相對(duì)于時(shí)代要求的技術(shù)進(jìn)步程度在變化。一般講，屈服強(qiáng)度在1 370 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在1 620 MPa以上的合金鋼稱(chēng)超高強(qiáng)度鋼。超高強(qiáng)度鋼必須具有高的抗拉強(qiáng)度和保持足夠的韌性，還要求比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)大和屈強(qiáng)比(σs/σb)高，以減輕構(gòu)件的重量，而且要有良好的焊接性和成形性等工藝性能［2］。

切邊圓盤(pán)剪是通過(guò)上、下刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)縱向剪切板帶鋼的兩側(cè)邊部，使剪切后的帶鋼邊部整齊、精確，滿足客戶(hù)對(duì)板帶鋼不同規(guī)格的高精度尺寸要求。它是金屬板帶精整作業(yè)線(重卷機(jī)組、拉矯重卷機(jī)組、電鍍鋅機(jī)組、橫切機(jī)組等)的核心設(shè)備。圓盤(pán)剪主要用于將成品金屬板帶邊部缺陷切除，達(dá)到修剪邊緣、符合寬度尺寸要求、符合帶鋼切口質(zhì)量與毛刺要求的目的，而后經(jīng)過(guò)橫切工序切成單張板材供應(yīng)用戶(hù)，或者經(jīng)過(guò)卷取機(jī)卷成卷材，以滿足不同用戶(hù)的需要［3］。

中國(guó)重型院在2010年以前側(cè)重于冷軋薄板切邊圓盤(pán)剪的研發(fā)，國(guó)內(nèi)一重、二重、沈重、大重等幾家企業(yè)在消化吸收SMS，麥斯塔技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了重型的中厚板切邊圓盤(pán)剪，唯獨(dú)針對(duì)特殊超高強(qiáng)度鋼16.1 mm切邊圓盤(pán)剪在國(guó)內(nèi)尚屬技術(shù)空白。中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司根據(jù)2010年承擔(dān)的某特鋼公司特殊鋼板帶材重卷、縱橫切聯(lián)合機(jī)組生產(chǎn)超高強(qiáng)特殊鋼的實(shí)際情況，研發(fā)出一種適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)狀況的剪切中厚板的切邊圓盤(pán)剪，對(duì)有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)。

1 關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)點(diǎn)

針對(duì)某特鋼公司特殊鋼板帶材重卷、縱橫切聯(lián)合機(jī)組剪切厚度為16.1 mm超高強(qiáng)度特殊鋼的實(shí)際情況，對(duì)有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)。我們主要對(duì)切邊剪的箱體結(jié)構(gòu)、偏心套裝配技術(shù)、側(cè)向間隙調(diào)整裝置、重疊量調(diào)整裝置、重疊量調(diào)整模型、刀具等方面進(jìn)行攻關(guān)研究。

某特鋼公司特殊鋼板帶材重卷、縱橫切聯(lián)合機(jī)組生產(chǎn)狀況為:

剪切材質(zhì) 熱軋不銹鋼、冷軋退火不銹鋼

強(qiáng)度極限/MPa σb≤1 600

屈服極限/MPa σs≤1 200

來(lái)料厚度/mm 2.0～12.7

來(lái)料寬度/mm 800～1 600

根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN50150，可以查得所剪切板帶材的抗拉強(qiáng)度為1 595 MPa時(shí)，它所對(duì)照的布氏硬度為466HB，維氏硬度為490HV，洛氏硬度為48.4HRC。所以我們的首要任務(wù)是研發(fā)出可以剪切這種超高強(qiáng)鋼的耐磨、耐用、不易崩口的剪刃。

關(guān)于剪切力能參數(shù)的研究，國(guó)外的柯洛遼夫公式、諾沙里公式和村田正夫、前田楨公式及國(guó)內(nèi)的鄒家祥教授、鞍山鋼鐵學(xué)院的劉培鄂教授在深入研究的基礎(chǔ)上都有新的見(jiàn)解，文中不再贅述，可參考相關(guān)文獻(xiàn)資料［4-5］。

針對(duì)這種超高強(qiáng)度鋼、中厚板剪切中廢邊不易導(dǎo)入廢邊溜槽的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)圓盤(pán)剪箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了上、下機(jī)架孔傾斜布置的箱體結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)向間隙及重疊量的全自動(dòng)高精度控制，又必須研發(fā)出高可靠性的側(cè)向間隙調(diào)整檢測(cè)機(jī)構(gòu)與重疊量調(diào)整檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

2 高耐磨耐沖擊刀具

剪切超高強(qiáng)鋼、特殊鋼及不銹鋼時(shí)有如下特點(diǎn):

高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼的硬度接近HRC50，抗拉強(qiáng)度高，韌性好，切削過(guò)程中切削區(qū)的應(yīng)力和熱量集中，造成刀面磨損，導(dǎo)致刃口崩缺，刀具耐用度低。

在同等切削條件下，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的切削力遠(yuǎn)大于剪切普碳鋼。高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼具有良好的塑性和韌性，切削時(shí)易發(fā)生鐵削粘結(jié)在剪刃上，加劇剪刃的磨損。

為適應(yīng)上述剪切特點(diǎn)，中國(guó)重型院采用了一種超高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性的剪刃專(zhuān)用鋼HMK，其特殊性能可通過(guò)冷熱加工使其表現(xiàn)出來(lái):超高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度可達(dá)3 150 MPa以上)、高硬度(可達(dá)64HRc以上)、高淬透性(Φ100可淬透)、高的紅硬(回火穩(wěn)定，經(jīng)610-630℃ 回火其硬度仍可保持58-63HRc)性及沖擊韌性(Ak可達(dá)到22.4 J/cm2)。這種剪刃通過(guò)在某特鋼公司重卷生產(chǎn)線上使用，證明材質(zhì)是可靠的，適合剪切超高強(qiáng)度中板。

3 獨(dú)特的箱體結(jié)構(gòu)

箱體是切邊剪的核心部件。傳統(tǒng)冷軋鋼板圓盤(pán)剪的箱體刀架孔為垂直上下布置。剪切超高強(qiáng)鋼、中厚板的切邊剪，考慮廢邊能夠順利通過(guò)廢邊導(dǎo)槽進(jìn)入碎邊剪或者卷邊機(jī)卷取，必須將傳統(tǒng)箱體進(jìn)行改進(jìn)布置:上、下刀架孔錯(cuò)位于機(jī)架中心線。

圖1是切邊剪本體機(jī)架相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，其中機(jī)架上孔偏向板帶前進(jìn)方向。偏心套安裝在機(jī)架上、下孔內(nèi)，而上、下刀軸分別安裝在機(jī)架的兩個(gè)孔內(nèi)。當(dāng)?shù)镀睆阶兓瘯r(shí)，通過(guò)重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)偏心套轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變上、下刀軸的空間距離，實(shí)現(xiàn)重疊量調(diào)整或者刀片更換。

由圖1可知機(jī)架孔與機(jī)架中心線的夾角為

圖1 箱體結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure

式中，O為上、下孔的偏移距離，mm;L為上、下孔的距離，mm。

文章［3］中討論了冷軋切邊圓盤(pán)剪偏心套的裝配工藝及精確裝配的重要性，本文不再贅述。

下面給出機(jī)架孔與機(jī)架中心線的夾角θ與板帶厚度、機(jī)械性能的關(guān)系式:

θ=5.5°～6.5°，剪切板厚 為 6.0～25.4 mm;

θ=4.4°～5.4°，剪切板厚 為 4.0～12.7 mm;

θ=1.0°～2.0°，剪切板厚為1.0～5.0 mm;

θ=0°～1.0°，剪切板厚為0.2～2.0 mm。

上式中被剪材料抗拉強(qiáng)度越高，則夾角θ越大;處理廢邊的方式采用廢邊卷取機(jī)則夾角θ取小值，采用碎邊剪則夾角θ取大值。

4 重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)

重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)采用偏心套結(jié)構(gòu)形式，即上、下刀軸通過(guò)球面滾子軸承(前軸承)和面對(duì)面配置的單列圓錐滾子軸承(后軸承)等分別安裝在上、下兩個(gè)裝配在機(jī)架上的以外圓定心的偏心套內(nèi)，圓盤(pán)刀片緊固在上、下刀軸上，傳動(dòng)齒輪安裝在上、下偏心套的中間位置，與減速齒輪馬達(dá)通軸連接的小齒輪與上偏心齒輪嚙合。圖2是重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)原理示意圖。

重疊量調(diào)整時(shí)，齒輪馬達(dá)正向或反向旋轉(zhuǎn)，上、下刀軸分別以上、下偏心套的外圓中心為旋轉(zhuǎn)圓心，并與兩偏心套外圓中心連線的垂直平分線對(duì)稱(chēng)的正向或反向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)整兩刀軸中心距的目的，這樣也就調(diào)整了兩刀片的重疊量。同時(shí)定義調(diào)整重疊量是旋轉(zhuǎn)偏心套在生產(chǎn)線的出口方向，這樣切點(diǎn)位置會(huì)略低于作業(yè)線。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)整重疊量的目的，在上偏心套上安裝了一個(gè)與刀軸同軸的偏心盤(pán)，檢測(cè)重疊量的直線位移傳感器直接壓在偏心盤(pán)的最頂端，當(dāng)偏心套位置改變時(shí)，相應(yīng)與其連接在一起的偏心盤(pán)位置發(fā)生改變，可認(rèn)為此時(shí)剪刃直徑或者上下剪刃的重疊量發(fā)生了改變，而直線位移傳感器的信號(hào)也相應(yīng)的發(fā)生了改變。通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算就可以得到重疊量的實(shí)際值。

切邊圓盤(pán)剪的操作側(cè)重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)側(cè)重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)單獨(dú)控制，為了防止帶材在剪切過(guò)程中發(fā)生跑偏，務(wù)必保證兩側(cè)重疊量調(diào)整的高精度與一致性，可以有效降低毛刺、彎鉤或板帶跑偏現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of overlap adjustment mechanism

5 重疊量調(diào)整數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，直線位移傳感器能夠檢測(cè)上刀盤(pán)垂直方向的位置變化，而重疊量是上下刀盤(pán)傾斜狀態(tài)下的重疊量，直線位移傳感器無(wú)法直接檢測(cè)。根據(jù)重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)原理，下面進(jìn)行重疊量調(diào)整數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)。

(1)偏心套旋轉(zhuǎn)位置位于上、下刀軸距離最大時(shí)，即上、下偏心套外圓軸線與偏心孔軸線所構(gòu)成的空間平面與機(jī)架上、下孔軸線所構(gòu)成的空間平面重合時(shí)，如圖3所示，偏心套從起始點(diǎn)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)重疊量調(diào)整模型的推導(dǎo)，圖中直線位移傳感器檢測(cè)到的變化量為h。

分兩種情況分別討論偏心套的相位角(即刀軸的調(diào)整范圍)位于機(jī)架的入口方向與出口方向時(shí)偏心套的偏心孔最高點(diǎn)的變化關(guān)系。

①偏心套的相位角(即刀軸的調(diào)整范圍)位于機(jī)架的出口方向，即圖3所示的機(jī)架孔中心連線左側(cè)，起點(diǎn)為A，終點(diǎn)為B。在機(jī)架中心孔連線方向上的實(shí)際變化量Δ為

圖3 偏心套相位角位于帶材前進(jìn)出口方向幾何關(guān)系Fig.3 Geometry of eccentric sleeve phase angle in the direction of steel strip exit

式中，α為剪切角;R為偏心套的偏心值;h為傳感器檢測(cè)值。

由圖3可知，傳感器的檢測(cè)值

在三角形ABO中

②偏心套的相位角(即刀軸的調(diào)整范圍)位于機(jī)架的入口方向，即圖4所示的機(jī)架孔中心連線左側(cè)，起點(diǎn)為A，終點(diǎn)為B。在機(jī)架中心孔連線方向上的實(shí)際變化量Δ為

參考情況1可結(jié)合圖4對(duì)剪切角的公式進(jìn)行推導(dǎo)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般偏心套的相位角(即刀軸的調(diào)整范圍)位于機(jī)架的出口方向，即情況1所討論的情況，而情況2幾乎不會(huì)用到。

(2)通常情況下，重疊量增大或者減小，其起點(diǎn)并不在機(jī)架孔中心連線上，即偏心套旋轉(zhuǎn)時(shí)處于一隨機(jī)位置，其上、下偏心套外圓軸線與偏心孔軸線所構(gòu)成的空間平面與機(jī)架上、下孔軸線所構(gòu)成的空間平面有一夾角。

圖4 偏心套相位角位于帶材前進(jìn)入口方向幾何關(guān)系Fig.4 Geometry of eccentric sleeve phase angle in the direction of steel strip entry

如圖5所示，起點(diǎn)為B，終點(diǎn)為C，在機(jī)架中心孔連線方向上的實(shí)際變化量Δ仍為公式(2)。

圖5 偏心套相位角位于隨機(jī)位置的幾何關(guān)系Fig.5 Geometry of eccentric sleeve phase angle at random location

根據(jù)h=h0+h1，h0已知，h1為傳感器顯示的變化量。計(jì)算出Δ，Δ=Δ0+Δ1，而Δ0為已知，所以求得斜線方向的變化量。以上分兩種情況分別推導(dǎo)了偏心套相位角在不同位置時(shí)在機(jī)架中心孔連線方向上的實(shí)際變化量，實(shí)際上就是位移傳感器檢測(cè)到的上刀盤(pán)的變化量，而實(shí)際重疊量變化量則是上、下刀盤(pán)的變化量之和，下面還必須根據(jù)上刀盤(pán)的變化量求出上下刀盤(pán)的變化量之和。

圖6是重疊量調(diào)整時(shí)上下刀軸的位置變化關(guān)系。

如圖6所示，圖中BC//AD，BM為B點(diǎn)到AD的垂線，CN為C點(diǎn)到AD的垂線，因此BM=CN，α1為上偏心套旋轉(zhuǎn)的角度，α2為下偏心套旋轉(zhuǎn)的角度，因此 α1=α2，所以 ΔBO1M≌ΔCO2N，所以AM=DN，即由公式(2)計(jì)算出的上刀盤(pán)在機(jī)架孔中心連線方向的變化量與下刀盤(pán)的變化量相等，重疊量變化量即為上刀盤(pán)在機(jī)架孔中心連線方向的變化量的2倍。

即實(shí)際重疊量變化量為

由圖中可以看出，此種刀軸布置方式重疊量發(fā)生變化時(shí)，剪切點(diǎn)會(huì)沿著上下機(jī)架孔中心連線的垂直平分線向左下方或右上方有微小的偏移，這個(gè)偏移量對(duì)剪切質(zhì)量沒(méi)有影響。但為了使廢邊能夠順利的通過(guò)廢邊溜槽，調(diào)整時(shí)需要使剪切點(diǎn)偏向帶材前進(jìn)方向的左下方運(yùn)動(dòng)。

6 側(cè)向間隙調(diào)整

剪刃側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺紋副結(jié)構(gòu)形式。帶有直齒輪的外螺紋螺套與上偏心套的外圓同軸裝配，同時(shí)此外螺紋螺套有軸向定位。與之配套的內(nèi)螺紋螺套固定在機(jī)架的后孔內(nèi)。圖7是側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)原理示意圖。

側(cè)向間隙調(diào)整時(shí)，齒輪馬達(dá)正向或反向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)小齒輪驅(qū)動(dòng)帶有直齒輪的外螺紋螺套與固定在機(jī)架后孔內(nèi)的內(nèi)螺紋套做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于外螺紋套的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在內(nèi)螺紋套中轉(zhuǎn)化為強(qiáng)迫上偏心套在前后機(jī)架孔內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)。而下刀軸在軸向方向是固定的，這樣固定在上偏心套內(nèi)的上刀軸隨同偏心套一同做直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了上、下剪刃側(cè)向間隙的調(diào)整。

圖7 側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of lateral clearance adjustment mechanism

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)整側(cè)向間隙的目的，在帶有直齒輪的外螺紋套上安裝了一個(gè)同軸的測(cè)量盤(pán)。檢測(cè)側(cè)向間隙的直線位移傳感器直接壓在測(cè)量盤(pán)的端面，當(dāng)測(cè)量盤(pán)的軸向位置改變時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)上、下剪刃的側(cè)向間隙發(fā)生了改變，而直線位移傳感器的信號(hào)也相應(yīng)的發(fā)生了改變。

切邊圓盤(pán)剪的操作側(cè)側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)側(cè)側(cè)向間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)單獨(dú)控制，為了解決切邊后帶材邊部毛刺，務(wù)必保證兩側(cè)側(cè)向間隙準(zhǔn)確調(diào)整到需要值。

7 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)重型機(jī)械研究院近年來(lái)對(duì)超高強(qiáng)鋼、特殊鋼中厚板剪切工藝關(guān)鍵技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，對(duì)切邊圓盤(pán)剪的高耐磨耐沖擊刀具、獨(dú)特的箱體結(jié)構(gòu)、重疊量調(diào)整裝置、重疊量調(diào)整模型及側(cè)向間隙調(diào)整裝置等的進(jìn)行了深入研究，研制的新型切邊圓盤(pán)剪在工業(yè)生產(chǎn)中使用良好，證明結(jié)構(gòu)可靠、刀具耐用、調(diào)整方便、為使用廠家產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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