切邊圓盤剪剪刃側隙與重疊量控制的研究

劉 鵬，郜 建，楊 洋

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

0 前言

切邊圓盤剪是冷軋板帶精整生產線核心設備［1］，用來剪切帶鋼邊部缺陷，保證整個帶鋼的寬度一致。切邊圓盤剪本身的制造精度、結構形式及其控制精度決定著帶鋼邊部剪切質量的高低，對產品后續的加工有著重要影響。本文以某鋼廠的切邊圓盤剪為例，研究切邊圓盤剪剪刃側隙量與重疊量的控制方法，以及剪刃側隙量與重疊量和帶鋼厚度的關系對剪切質量的影響，以提高圓盤剪的剪切效率及帶鋼切邊質量。

1 圓盤切邊剪的結構組成

如圖1所示，切邊圓盤剪由操作側剪架7與傳動側剪架11分別安裝在滑動底座8上組成，其動力由主傳動齒輪馬達1通過傳動分配箱9與12提供。兩側剪架上分別裝配有重疊量調整機構與側間隙調整機構。剪刃的開口度調整由齒輪馬達6驅動精密滾珠絲杠旋轉，帶動兩側剪架相對運動，相對于機組中心線對稱調整剪刃剪切寬度，調整量的大小通過一臺絕對值編碼器提供位置反饋信號。

2 圓盤剪的技術參數

刀盤尺寸/mm φ350×40

刀軸中心距/mm 328～362

剪切寬度/mm 600～1650

圖1 切邊剪圓盤結構示意圖Fig.1 Schematic of trimming disc shears

剪切厚度/mm 0.3～4.0

穿帶速度/m·min－118

工作速度/m·min－1300

單邊切邊寬度/mm 5～25

開口度度范圍/mm 580～1800

側隙調整精度/mm ±0.010

重疊量調整精度/mm ±0.030

開口度精度/mm 0～0.5

3 剪刃側隙量與重疊量控制原理

圓盤剪的控制示意圖如圖2所示，操作側、傳動側剪刃側隙量與重疊量的調整分別由四臺交流變頻電機進行控制。

圖2 圓盤剪剪刃側隙與重疊量的控制示意圖Fig.2 Schematic of disc shear gap and overlap control

3.1 剪刃側隙量控制

傳動側與操作側的剪刃側隙量調整是這樣實現的:上刀軸固定于機架上孔僅做旋轉運動，下刀軸固定于機架下孔中，它既能做旋轉運動，也能做軸向移動，當下刀軸做軸向移動時就實現了上下剪刃的側向間隙調整。下刀軸的軸向移動由一臺交流變頻電機通過減速機驅動精密滾珠絲杠，絲杠帶動一個齒輪使與下刀軸相連接的一個螺母旋轉，從而帶動下刀軸精確地進行軸向移動，實現了上下剪刃的側向間隙調整。剪刃間隙調整量通過直線位移傳感器檢測。

剪刃側隙量控制框圖如圖3所示，剪刃側隙的實際測量值通過直線位移傳感器檢測輸入給PLC，側隙的給定值來自過程控制計算機或操作臺人機界面，傳動裝置采用 Siemens Sinamics S120變頻系統，與電動機同軸的增量編碼器信號輸入給傳動S120作為速度反饋。通過PLC外部位置閉環對剪刃側隙進行位置控制。

圖3 剪刃側隙控制框圖Fig.3 Cutting gap control block

3.2 重疊量控制

剪刃重疊量調整是這樣實現的:上、下刀軸分別安裝在機架上、下孔中的偏心套內，重疊量調整是通過交流變頻電動機帶動齒輪箱中的偏心齒輪副轉動，偏心齒輪與偏心套固定在一起，從而改變上刀軸與下刀軸的中心距，達到剪刃重疊量調整的目的，重疊量控制電機帶有絕對值編碼器，對電機旋轉的角度進行測量。

剪刃重疊量控制框圖如圖4所示，剪刃重疊量控制是通過Siemens Sinamics S120變頻傳動裝置來完成。重疊量的給定值來自過程控制計算機或操作臺人機界面，與電機同軸的絕對值編碼器信號反饋輸入給傳動裝置S120，作為位置反饋。通過S120內部進行位置閉環控制。本次重疊量是通過交流變頻電機帶動齒輪箱中的偏心齒輪副轉動，偏心齒輪與偏心套固定在一起，從而改變上刀軸的中心距，達到剪刃重疊量調整的目的。

圖4 剪刃重疊量控制框圖Fig.4 Cutting edge overlap control chart

4 剪刃側隙量、重疊量與帶材厚度的關系

通常板厚范圍與重疊量的調整范圍由工藝人員給出，在實際的應用中，重疊量對剪切最終質量的影響沒有剪刃側隙量影響大。根據給定的厚度與側隙量及重疊量的大小取其中間值簡化，再利用數學多階函數逼近法，給出其數學模型，從而簡化控制軟件編程。

(1)來料厚度與側隙的關系。由工藝經驗給出的一組側隙量與鋼板厚度的數據見表1。

表1 側隙量與鋼板厚度的范圍Tab.1 The range of gap and plate thickness

根據表1帶材厚度及側隙范圍，結合試驗剪切數據，確定出一組優選值見表2。

表2 側隙量與鋼板厚度的關系Tab.2 Relationship of the gap with plate thickness

表2中的優選值可以運用多階函數逼近法找出鋼板厚度與側隙量之間的關系式，我們用四階多項式表示如下圖5。由圖5可見，剪刃的側隙量計算值和經驗值兩條線基本是重合的。整理歸納，有鋼板與側隙的關系式如下:

將表2數據代入上式可得:

式中，y是側隙值，mm;x是鋼板厚度，mm。

圖5 鋼板厚度與側隙的關系Fig.5 Relationship of plate thickness with gap

(3)來料厚度與重疊量的關系。雖然圓盤剪重疊量沒有側隙對剪切質量影響大，但是也不能忽視重疊量的影響。由工藝經驗得到的一組側隙與鋼板厚度的數據見表3。

表3 重疊量與鋼板厚度的范圍Tab.3 The amount of overlap with the range of plate thickness

根據帶材厚度及重疊量范圍，結合試驗剪切數據，確定出一組優選值見表4。

表4 重疊量與鋼板厚度的關系Tab.4 Relationship of overlap and plate thickness

根據表4整理歸納，鋼板厚度與重疊量的關系式為

式中，y是重疊量，mm;x是鋼板厚度，mm。

鋼板厚度與側隙的關系如圖6所示，剪刃的重疊量計算值與經驗值兩條線基本是重合的。

圖6 鋼板厚度與重疊量的關系Fig.6 Relationship of the plate thickness and overlap

5 結束語

切邊圓盤剪剪刃側隙量和重疊量的大小，直接影響剪切后的成品質量。生產過程中，及時根據實際材料的規格和機械性能進行剪刃重疊量和側隙量的修改和調整，能切實有效地提高剪切效率和剪切質量。本文根據被剪材料的厚度得到的側隙量和重疊量的計算方法，在多家鋼廠得到成功應用，實踐證明，該方法方便快捷，具有很高的實用價值。

［1］景群平，張勇安，王社昌，等.冷軋板帶材切邊圓盤剪重疊量調整方法探討［J］.重型機械，2008(1):35～39.

［2］李慶揚.數值分析［M］，北京:清華大學出版社，2008.

［3］王永強，孫清泉，董凱，等.圓盤剪間隙調整及切邊質量改進［J］.山東冶金，2007(3).

［4］程傳奇.圓盤剪在帶材生產設備中心的設計和應用［J］.有色金屬加工，2010(1).

［5］劉士銘，祁平，沈婷婷，等.切邊圓盤剪的新型設計［J］.機械設計與制造，2009(3).