精密圓盤剪剪切單元結(jié)構(gòu)分析與探究

郭 杰

(西北機(jī)器有限公司 陜西寶雞722405)

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)鋼鐵消費(fèi)需求的變化，低品質(zhì)的冷軋成品帶鋼產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，而高品質(zhì)精密帶鋼65%以上還依賴進(jìn)口①。這對(duì)于國(guó)內(nèi)的鋼鐵冷軋企業(yè)來說既是一個(gè)莫大的機(jī)會(huì)，同時(shí)也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。帶鋼企業(yè)必須要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，由原來靠產(chǎn)量盈利的粗放式勞動(dòng)密集型經(jīng)營(yíng)模式向以質(zhì)取勝的精細(xì)化技術(shù)密集型模式轉(zhuǎn)變。那么，工藝路線的優(yōu)化革新以及生產(chǎn)設(shè)備的升級(jí)換代便成為鋼鐵企業(yè)共同面臨的問題。而圓盤剪作為金屬帶材加工成品段關(guān)鍵設(shè)備備受行業(yè)關(guān)注。

重點(diǎn)分析和探究圓盤剪剪切單元核心精度指標(biāo)的保證和控制。解決冷軋帶鋼在縱剪時(shí)成品精度和成才率的問題。根據(jù)后續(xù)加工設(shè)備(高速?zèng)_床等)的工藝要求，縱剪后的成品帶材有三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo):寬度公差、側(cè)彎以及毛刺。

寬度公差:是指金屬帶材經(jīng)過縱剪單元分切成多條成品以后，每條成品的寬度必須控制在一定的公差范圍以內(nèi)，這將直接影響到最終成品的精度和一致性。針對(duì)薄帶一般控制在±0.05mm，更高的要控制在±0.02mm 以內(nèi)。一般選取尺寸精度和一致性好的刀片和刀墊，采用液壓螺母鎖緊等，寬度公差的精度比較容實(shí)現(xiàn)。

側(cè)彎:也叫“S 彎”，由于縱剪單元是圓盤刀滾動(dòng)剪切的機(jī)理，由于設(shè)備的制造精度和剪切單元的軸向動(dòng)載分布不同②，圓盤刀會(huì)在剪切過程產(chǎn)生擺動(dòng)，帶材經(jīng)過縱剪單元分切以后，各條的側(cè)邊就會(huì)出現(xiàn)周期性的偏擺。側(cè)彎過大會(huì)導(dǎo)致高速?zèng)_床卡模，或者增加成品零件廢品。薄帶一般控制在1mm/m 以內(nèi)，目前高精度的要求要在0.3mm/m以內(nèi)。側(cè)彎的大小主要是要控制好上、下刀軸的平行度，后面根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)詳細(xì)描述。

毛刺:根據(jù)圓盤剪的剪切機(jī)理，同一刃口的上、下刀在剪切時(shí)必須有合理的側(cè)向間隙(以下簡(jiǎn)稱側(cè)隙)，側(cè)隙越小毛刺就越小，側(cè)隙越大，毛刺也就越大(大到一定程度料就剪不開了)。側(cè)隙過小刀具就很容易鈍，或者崩刀，大大降低刀具的使用壽命，側(cè)隙大了毛刺增大，不僅會(huì)擦傷帶料和設(shè)備，同時(shí)也嚴(yán)重的影響了成品的質(zhì)量。合理的側(cè)隙對(duì)于毛刺的控制十分重要。

毛刺的產(chǎn)生主要是由于設(shè)備的制造精度和剪切單元的動(dòng)載分布不同會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)側(cè)隙是不穩(wěn)定。而后道工序要求帶材剪切之后要么沒有毛刺，或者有穩(wěn)定的可控的毛刺。這種周期變化，時(shí)大時(shí)小的毛刺對(duì)成品帶材來說顯然是不允許的。毛刺的問題重點(diǎn)要控制穩(wěn)定、合理的側(cè)隙，控制好刀軸的軸向竄動(dòng)和上、下刀軸的平行度。

不難看出，要保證成品帶材的精度要求，上、下刀軸軸向竄動(dòng)和刀片動(dòng)態(tài)側(cè)隙成為剪切單元重點(diǎn)要控制的核心精度指標(biāo)。

對(duì)于刀軸的軸向竄動(dòng)的問題，解決起來相對(duì)容易。結(jié)合圖3 和圖4，在設(shè)備裝配時(shí)合理的修配相關(guān)軸承蓋，調(diào)整刀軸軸承的游隙，即可把刀軸竄動(dòng)控制合理的范圍內(nèi)。一般控制在0.03mm，要是選用進(jìn)口高精度軸承甚至可以達(dá)到0.01mm。刀軸的軸向竄動(dòng)一旦調(diào)好，精度的穩(wěn)定性和保持性也很好。這也是解決側(cè)隙穩(wěn)定性的一個(gè)前提。

而對(duì)于側(cè)隙的穩(wěn)定性的問題解決起來相對(duì)就復(fù)雜一點(diǎn)，剪切單元不同的結(jié)構(gòu)，側(cè)隙控制的方法和側(cè)重點(diǎn)也是不一樣的。對(duì)于圓盤剪的剪切單元，目前只有兩種結(jié)構(gòu)，一種是雙偏心式結(jié)構(gòu)，另一種便是滑塊式結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2 所示。下面就結(jié)合側(cè)隙的控制分別介紹一下兩種不同的剪切單元。

圖1 雙偏心式剪切單元

圖2 滑塊式剪切單元

1 雙偏心式結(jié)構(gòu)

1)雙偏心式結(jié)構(gòu)起源于20 世紀(jì)四、五十年代，在美國(guó)Stamoc(斯戴莫克)、德國(guó)Georg(喬格)、弗洛林等國(guó)外公司開始應(yīng)用，七、八十年代中鋁洛銅、甘肅西北銅等國(guó)內(nèi)大型國(guó)企開始引進(jìn)。本世紀(jì)初國(guó)內(nèi)一些設(shè)備制造企業(yè)開始國(guó)產(chǎn)化研究，在山東奧伯特、寧波博威等銅加工企業(yè)開始應(yīng)用。一般在銅帶、硅鋼等一些精密薄帶行業(yè)使用，國(guó)內(nèi)其他帶材行業(yè)應(yīng)用不是太多。

圖3 雙偏心式剪切單元結(jié)構(gòu)圖

2)雙偏心式剪切單元的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)兩根刀軸分別安裝在兩組帶有偏心齒輪的偏心套內(nèi)，工作時(shí)，刀軸在偏心套的軸承內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。刀軸升降是通過升降裝置驅(qū)動(dòng)兩組嚙合的偏心齒輪帶動(dòng)偏心套在左、右牌坊的內(nèi)孔轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。刀軸軸向竄動(dòng)的問題比較容易解決，這里不再贅述。由于刀軸支撐結(jié)構(gòu)剛性和穩(wěn)定性很好，刀片側(cè)隙的保證要優(yōu)于滑塊式結(jié)構(gòu)，通常上、下刀軸的平行度能控制在0.03mm/m 以內(nèi)，單牌坊③時(shí)能控制在0.05mm/m 以內(nèi)。雙偏心式結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)剪切線標(biāo)高不變。由于刀軸的升降是上、下刀軸同步進(jìn)行的，這種結(jié)構(gòu)即便在刀具磨損的情況下也能保證剪切線標(biāo)高不變。

(2)設(shè)備裝配難度小。只要零件加工時(shí)能夠保證左、右牌坊內(nèi)孔位置度準(zhǔn)確、偏心套和偏心齒輪的偏心量和偏心位置準(zhǔn)確、傳動(dòng)鏈間隙精確。設(shè)備裝配比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

(3)結(jié)構(gòu)剛性好，精度穩(wěn)定好。該結(jié)構(gòu)刀軸、偏心套和軸承總成后，相當(dāng)于模塊式整體結(jié)構(gòu)，刀軸總成在剪切時(shí)和調(diào)整時(shí)，偏心套的外徑和牌坊的內(nèi)孔大面積配合，牌坊的剛性有效的保證了刀軸的穩(wěn)定性，確保了剪切時(shí)刀片的側(cè)隙穩(wěn)定。同時(shí)，回轉(zhuǎn)體配合面易于加工，精度容易保證，配合面積大，設(shè)備磨損基本不用考慮，設(shè)備的精度保持性很好。

3)當(dāng)然該結(jié)構(gòu)也有自身的缺點(diǎn)。

(1)剪切單元開口度較小，刀片的利用率很低。由于雙偏心結(jié)構(gòu)的自身限制，偏心量不能太大，一般在8mm ～15mm，有限的空間(4 倍偏距)還要平衡開口度和磨刀量。因此，雙偏心式結(jié)構(gòu)刀軸的開口度不能太大，這就造成穿帶時(shí)操作不便。同時(shí)，偏心量的限制，圓盤刀的刃磨量較小，一般在單邊6mm ～10mm，這就使得用戶的刀具利用率低，成本很大，十分不經(jīng)濟(jì)(這是該結(jié)構(gòu)未能普及的一個(gè)主要原因)。

(2)零件加工精度和難度較大。由于雙偏心式結(jié)構(gòu)本身就是一個(gè)“過定位”的結(jié)構(gòu)，要保證整體精度和靈活性，零件的精度必須很高。首先，左、右牌坊必須在同一基準(zhǔn)下成對(duì)加工，才能保證牌坊內(nèi)孔的上下、左右一致性;其次，四個(gè)偏心套需要整體一次加工，偏心量精確定位、標(biāo)記;另外，四個(gè)偏心齒輪必須分組成對(duì)加工，偏心一致，齒、槽精確定位、標(biāo)記，這樣才能保證偏心套和齒輪的整體精度。這些關(guān)鍵零件加工的超差在裝配車間是無能為力的。

(3)用戶維修難度大。雙偏心結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，要求許多零件加工時(shí)是配對(duì)偶件，一旦一個(gè)零件損壞必須成對(duì)或成套更換，而且必須專業(yè)人員維修，給用戶使用造成一定的不便。

2 滑塊式結(jié)構(gòu)

1)滑塊式結(jié)構(gòu)由來已久，從圓盤剪誕生，該結(jié)構(gòu)就如影隨形，現(xiàn)在也在大量使用。德國(guó)B +S、喬格、臺(tái)灣威臺(tái)、榮華以及一些日韓設(shè)備制造企業(yè)都在使用，國(guó)內(nèi)基本80%的圓盤剪都是這種結(jié)構(gòu)。廣泛的應(yīng)用在碳鋼、不銹鋼、硅鋼、有色金屬等行業(yè)。

2)滑塊式結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該結(jié)構(gòu)下刀軸安裝在左、右牌坊的內(nèi)孔中，上刀軸安裝在一對(duì)滑塊中，總成后兩滑塊在左右“U”型牌坊內(nèi)滑動(dòng)。工作時(shí)，刀軸在左、右牌坊和滑塊內(nèi)的軸承里轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整時(shí)，左、右升降裝置通過蝸輪—絲杠副驅(qū)動(dòng)上刀軸滑塊上下移動(dòng)，下刀軸固定不動(dòng)(可轉(zhuǎn)動(dòng))。刀軸的軸向竄動(dòng)通過其動(dòng)力側(cè)的雙螺母鎖緊，調(diào)整比較容易。側(cè)隙的保證要調(diào)整軸承蓋Ⅰ、Ⅱ的楔形，調(diào)整很方便?？傮w剛性和精度要稍差于雙偏心式結(jié)構(gòu)。兩刀軸的平行度一般控制在0.05mm/m 左右，單牌坊③時(shí)能控制在0.1mm/m?；瑝K式結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖4 滑塊式結(jié)構(gòu)圖

(1)剪切單元開口度大，刀片刃磨量大，利用率很高?；瑝K式結(jié)構(gòu)不受偏心限制，剪切單元的開口度可以很大，一般在150mm ～200mm。穿帶時(shí)操作很方便，磨刀量不受結(jié)構(gòu)限制，可達(dá)到單邊20 ～30mm，用戶的刀具成本大大降低，深受用戶歡迎。

(2)零件加工簡(jiǎn)單，設(shè)備維護(hù)方便。該結(jié)構(gòu)零件精度要求相對(duì)較低，均為分立元件，相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，即便個(gè)別零件超差也可單件修配，這也給設(shè)備的維護(hù)帶來諸多便利。

(3)上刀軸的平行度控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便。刀軸的平行度直接影響到剪切側(cè)隙的穩(wěn)定性，從圖4 可以看出，滑塊式剪切單元的上刀軸平行度主要是由滑塊Ⅰ和滑塊Ⅱ來控制，而滑塊式結(jié)構(gòu)在軸承蓋和左、右牌坊的滑動(dòng)面處增加一個(gè)銅基耐磨材料的楔形摩擦副，如圖5 所示，不論是設(shè)備廠總裝調(diào)整出廠精度還是用戶現(xiàn)場(chǎng)因零件磨損而精度變差時(shí)精度的恢復(fù)，只需調(diào)整螺桿，推動(dòng)楔形摩擦副消除因零件磨損而造成的間隙，設(shè)備精度很方便的得到保證。

圖5 楔形摩擦副

3)同樣，滑塊式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也是明顯的:

(1)剪切線標(biāo)高隨著刀具磨損而下降?；瑝K式結(jié)構(gòu)下刀軸不升降，開口度完全有上刀軸來實(shí)現(xiàn)，那么當(dāng)?shù)毒吣p后剪切線標(biāo)高就會(huì)下降，這就要求圓盤剪的入口到位也要隨之調(diào)整，給操作帶來一定不便。

(2)設(shè)備剛性稍差，裝配稍顯復(fù)雜?；瑝K式結(jié)構(gòu)的下刀軸剛性很好，精度也容易保證，但是上刀軸是安裝在牌坊的滑塊里面，滑塊與牌坊的“U”槽間隙就沒有回轉(zhuǎn)體好控制，需要人工刮研;工作時(shí)上刀軸的剪切力完全有壓下絲杠副來支撐，受力狀況和結(jié)構(gòu)剛性都要比雙偏心的差一些。

3 結(jié)束語(yǔ)

縱剪線是鋼鐵冷軋成品段的一個(gè)關(guān)鍵工藝裝備，而圓盤剪精度直接影響著縱剪線最終產(chǎn)品的質(zhì)量。旨在說明在圓盤剪剪切單元的設(shè)計(jì)和選購(gòu)時(shí)應(yīng)該把握的原則和注意的問題，促進(jìn)國(guó)鋼鐵企業(yè)裝備升級(jí)換代，提高成品帶材的精度和品質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)高端板帶自給自足開拓了一條道路。

［1］鄒家祥. 軋鋼機(jī)械(第三版). 北京:冶金工業(yè)出版社，2006.

［2］黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì).北京:冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］蘭利亞，李耀群等.銅及銅合金精密帶材生產(chǎn)技術(shù).北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

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