冷軋帶鋼斜刃剪設計及分析

徐利璞

(中國重型機械研究院股份公司 陜西西安710032)

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冷軋帶鋼斜刃剪設計及分析

徐利璞①

(中國重型機械研究院股份公司 陜西西安710032)

針對冷軋帶鋼斜刃剪，從剪切機理入手，分析比較了幾種常用剪切力計算公式，闡明了斜刃剪的設計要點，對斜刃剪的設計具有理論指導意義。

冷軋 斜刃剪 傾斜角 剪刃側隙

1 前言

在單機架可逆冷軋生產線機前機后裝置和冷連軋機組開卷段出口及軋制段入口處通常配置有斜刃剪，用于帶材切頭尾、分卷及事故處理，是冷軋帶鋼生產中不可或缺的設備。相對于平刃剪，斜刃剪有一個剪刃是傾斜的，分為只有一個剪刃動作的單動剪和兩個剪刃均動作的雙動剪。圖1所示為雙動剪，將支座和上刀架或下刀架合并為一個零件即為單動剪。斜刃剪在剪切過程中，每個瞬間剪刃只對帶材寬度的一小部分進行剪切，大幅降低了剪切力，其相應的設備空間及重量隨之減小。針對冷軋帶鋼斜刃剪，本文從其剪切機理入手，分析比較幾種常用剪切力計算公式，闡明了斜刃剪的設計要點，對斜刃剪的設計具有指導意義。

2 剪切機理

帶材的真實剪切是個復雜的三向應力彈塑性變形過程，其大致過程如下：彈性變形—塑性變形—產生裂紋—材料斷裂。

圖1 冷軋帶鋼雙動斜刃剪

1-上刀架; 2-撞塊; 3-上剪刃; 4-限位塊; 5-導柱; 6-下剪刃; 7-下刀架; 8-支座; 9-油缸; 10-下橫梁

首先上下剪刃相對移動與帶材接觸，并形成剪切力偶作用在剪切截面兩側，剪刃擠壓帶材使其發生彈性變形。該階段剪切力較小，不足以克服帶材的抗剪能力。隨著剪刃的交匯，帶材在剪切力偶作用下產生彎曲，剪切截面發生塑性變形，且隨著剪刃壓入程度的增加而增加。

當剪刃壓入一定深度后，帶材的彎曲被上下剪刃擋住，剪切力偶和截面剪切力達到平衡，剪切過程由壓入變形階段過渡到剪切滑移階段，剪切截面開始出現剪切裂紋，進入到真正意義上的剪切。剪切力隨剪刃深入程度的增加而增加，到一定深度后剪切力達到最大，同時帶材沿橫截面被連續剪斷，從而完成整個剪切過程。

3 剪切力計算

斜刃剪設計的首要問題是剪切力的計算，對于板帶鋼有以下四種常用計算公式。

3.1 純剪切公式

P=τh2/2tanα

(1)

式中P—剪切力，N；τ—帶材剪切抗壓力，MPa；h—帶材厚度，mm；α—傾斜角，(°)。

在純剪切條件下，根據米塞斯強度理論可得剪切抗力與抗拉強度存在如下關系：

τ≈0.6σb

(2)

式中σb—帶材抗拉強度，MPa。

3.2 采利柯夫公式[1]

P=0.819KjδSσbh2/tanα

(3)

式中Kj—考慮剪刃傾斜角的影響系數，α=2o時取2.1，α=3o時取1.6，α=4o時取1.2；

δS—斷后伸長率。

3.3 富姆公式[2]

P=0.257σbh2/tanα×

(4)

式中c—剪刃側隙，mm。

3.4 諾沙里公式[2]

(5)

式中 Kd—考慮剪刃磨鈍的影響系數，取值范圍1.1-1.3，一般取1.2。

3.5 計算公式的比較分析

以Q235為例比較上述各公式計算值，如表1所示，其中α=3o，c=0.05mm，σb=500MPa，δS=26%。

表1 各公式計算值比較(剪切力)

富姆公式是英國某公司設計剪切設備的常用計算公式，計算結果較符合實際情況。中國重型機械研究院就是采用富姆公式進行斜刃剪的設計計算，現場應用情況良好。現以富姆公式計算值為參考對其他公式計算值進行比較分析。

從表1可以看出：由于未考慮眾多影響因素，僅將剪切過程簡化為剪切力沿斷面平均分布的純剪切應力狀態下的平面受力問題，純剪切公式計算值最小，是理想化的剪切模型。同時該公式將剪切抗力與抗拉強度進行了簡單比例關系，實驗表明剪切抗力并非常數，其大小同帶材材質、剪切速度、剪刃側隙及切入深度等因素有關[3]。利用該公式得到的計算值較實際剪切力偏小；采利柯夫公式與富姆公式計算值接近，該公式考慮了剪刃側隙、剪刃磨鈍、切入深度、延伸系數等因素的影響；諾沙里計算值最大，其考慮因素也最多，相對于采利柯夫公式進一步考慮了切頭長度、剪前壓緊等因素的影響。在設計計算時，許多國內設計單位采用諾沙里公式，這樣設計的設備可靠性好，安全系數高，但同時造成了一定程度的浪費。

4 設計要點

4.1 剪刃寬度及材料選擇

剪刃寬度由帶鋼最大寬度決定，一般帶寬兩側各留100mm余量。剪刃材料實際應用種類較多，如3Cr2W8，55CrNiW，5CrNiMo，6CrW2Si，8Cr3，9CrWMn，9Mn2V等，現場要求其熱處理硬度不低于HRC55。一般采用6CrW2Si作為剪刃材料，性能良好，性價比高。

4.2 傾斜角的選擇

斜刃剪傾斜角的大小直接影響著剪切力大小和剪切質量的好壞。傾斜角增大，可降低剪切力，但過大傾斜角會導致帶鋼產生橫向滑動，帶鋼斷面產生毛刺和翹曲，造成剪切困難和帶材跑偏。通常剪刃傾斜角取1°～6°，其大小的選擇與帶鋼厚度有關，帶鋼越厚，傾斜角越大。常規冷軋帶鋼厚度一般不大于5mm，傾斜角一般取1°～3°。

4.3 剪刃側隙的確定

剪刃側隙過大，剪切后的帶鋼扭曲變形，斷面毛刺嚴重，甚至難以剪斷、挫傷剪刃，剪刃過小則易造成上下剪刃碰撞導致崩刃。剪刃側隙取決于所剪切帶鋼的性能和厚度，帶鋼越厚，側隙越大，一般剪刃側隙為帶鋼厚度的10%，也有資料將其定為7%～9%。西門子—奧鋼聯推薦了3個典型剪刃側隙[4]，用于厚度0.18～2.0mm帶鋼的剪切，考慮不產生上下剪刃干涉，其剪刃側隙不小于0.06mm。

表2 剪刃側隙調整值

根據中國重型機械研究院工程技術人員現場調試經驗，并考慮到剪切裝置制造安裝精度和冷軋機組軋制產品規格范圍，為便于現場操作簡單，一般將剪刃側隙優先調整為0.05mm，再根據現場實際生產情況調整。通常該側隙不用再做調整，該側隙值對剪刃壽命及帶鋼剪切質量均表現良好。

4.4 壓板設計

由前面分析可知：當剪刃壓入帶材后，上下剪刃力偶使得帶材彎曲轉動，剪刃壓入越深，轉動越大，軋件被剪斷后會形成端部翹起，這會對剪前剪后的輥道造成沖擊磨損，甚至損壞剪刃，改變剪刃側隙，以致造成剪切困難，為克服軋件在剪切過程中轉動帶來的缺點，同時避免剪刃受到帶頭碰撞，一般在剪刃前后設置壓板，如圖2所示。剪切時，壓板能夠在彈簧的作用下先于剪刃與帶材接觸，并在剪切過程中將其壓緊。

圖2 斜刃剪壓板結構

4.5 同步機構的設置

斜刃剪多采用雙油缸驅動，即使現場對稱配管，因其每個油缸內部摩擦不同，兩個油缸難以實現同步運動，造成剪切時沖擊振動，甚至導桿扭曲卡死，需要采用同步機構加以解決。同步機構有機械和液壓兩種形式。液壓同步回路形式較多，現場主要采用流量調節閥，便于調節。機械同步主要采用齒輪齒條機構，簡單可靠，應用廣泛。考慮到液壓同步機構的設置增加了漏油點，且其同步穩定性不高，效果不如齒輪齒條機構可靠，一般主要采用后者進行設計。

5 結語

比較分析了冷軋帶鋼常用剪切力計算公式，闡明了斜刃剪的設計要點，對冷軋生產線剪切設備的新設計和改造具有實際應用和理論指導意義。

[1]武漢鋼鐵設計院.板帶車間機械設備設計(下冊)[M].北京:冶金工業出版社,1981:160-170.

[2]周國盈.帶鋼精整設備[M].北京:機械工業出版社,1979:68-70.

[3]黃慶學.軋鋼機械設計[M].北京:冶金工業出版社,2007:224-242.

[4]張貴春.滾筒式飛剪結構分析與剪刃側隙調節[J].冶金設備,2013(S1):40-42.

Design and Analysis of the Oblique Blade Shears for Cold-Rolled Strip

Xu Lipu

(China Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032)

For oblique blade throat shears of cold-rolled strip steel, first this paper studies shear mechanism, then analyzes and compares the shear force of several commonly used formulas, and clarifies the design features. It offers theoretical guidance for the design of oblique blade shears.

Cold-rolling Oblique blade shears Inclination angle Blade clearance

徐利璞，男，1984年出生，畢業于燕山大學機械設計及理論專業，碩士，工程師，主要從事板帶軋制裝備的設計與研發

TG333.21

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.012

2013-09-11)