不銹鋼冷連軋機入口橫切剪設計與計算

郭愛華

（中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223）

0 引言

橫切剪作為軋鋼車間的一個重要設備，主要用來橫向剪切帶鋼的頭部、尾部或者把其剪切到所需的定尺長度。其類別主要有板坯橫切剪、型鋼橫切剪、切頭切尾橫切剪、滾筒式橫切剪等等，這類橫切剪是對靜止的材料進行剪切。對運動著的帶鋼進行定尺長度剪切的橫切剪，叫飛剪。對于飛剪此文暫不進行分析。

1 橫切剪的類型及傳動裝置

1.1 剪刃布置形式

軋鋼車間橫切剪剪刃的布置形式有多種,可以按照其工作原理、剪刃配置形式來進行分類如下：

1）斜剪刃橫切剪。斜剪刃橫切剪指的是其兩個剪刃之一相對于另一個成一定角度來布置，可以是上下剪刃中的任何一片傾斜，另一片平行，剪切鋼板時兩剪刃不是同時剪切鋼板整個斷面而只是它的一部分。剪刃布置如圖1所示。斜剪刃橫切剪按其剪切方式分為上切式、下切式、浮動式3種。上切式斜剪刃橫切剪切帶鋼時，其下剪刃固定不動，上剪刃向下運動進行剪切。下切式是其上剪刃固定不動，下剪刃向上運動進行剪切。浮動式斜剪刃橫切剪的兩個剪刃都運動，剪切過程是通過下剪刃上升來實現，剪切過程的特點是：剪切開始時，上剪刃先下降，幾乎達到與鋼板接觸后停止，其后下剪刃上升進行剪切；切斷鋼板后，下剪刃首先下降回到原來的位置，接著上剪刃上升恢復到原位，一次剪切過程完成。

圖1 斜剪刃橫切剪

2）平行剪刃橫切剪。平行剪刃橫切剪指的是其兩個剪刃是平行布置的。剪切鋼板時兩剪刃同時剪切鋼板整個斷面。剪刃布置如圖2所示。

圖2 平行剪刃橫切剪

1.2 剪刃結構參數

1）剪刃行程。剪刃的行程與被剪鋼板的最大厚度、帶鋼能順利通過軋制線所需的開口度、剪刃的傾斜角度等都有關系。

a.平行剪刃的剪刃行程

式中：H為剪刃行程，mm；h為被剪鋼板的最大厚度，mm；c為下剪刃與帶鋼通過線之間的距離，一般取c=5～20 mm；e為上剪刃與帶鋼通過線之間的距離，一般取c=50～75 mm；△為上下剪刃的重疊量，一般取△=10～15 mm。

b.斜剪刃的剪刃行程

式中：H為剪刃行程，mm；h為被剪鋼板的最大厚度，mm；c為下剪刃與帶鋼通過線之間的距離，一般取c=5～20 mm；e為上剪刃與帶鋼通過線之間的距離，一般取c=50～75 mm；l為剪刃長度，mm；α為剪刃的傾斜角；△為上下剪刃的重疊量，一般取△=10～15 mm。

2）剪刃長度L。剪刃的長度主要是根據被剪鋼板的最大寬度來確定：

式中：L為剪刃長度，mm；B為被剪帶鋼的最大寬度，mm。

1.3 傳動裝置

經過多年的發展橫切剪的傳動方式、結構形式也發生了很大的變化。結構形式由曲柄連桿式、連桿式、杠桿式、浮動偏心軸式演化為簡單的連桿式、直推式。傳動方式隨著液壓傳動技術的不斷發展和完善，由電機間接驅動剪刃演化成了液壓缸直接驅動安裝在刀座上的剪刃。在冷軋車間的軋機、平整機、處理線等機組上常采用如圖3、圖4所示的傳動形式。圖3所示是上切式，采用液壓缸驅動連桿機構，連桿與裝有剪刃的刀架相連，實現剪切過程。圖4所示是下切式，位于下方的液壓缸直接驅動活動剪刃刀座，完成剪切過程。

圖3

圖4

2 剪切力的計算及應用

2.1 剪切力計算公式

由于斜剪刃橫切剪剪刃的傾斜角與所需的剪切力、被剪鋼板端面的質量、精度都有關系，傾斜角越大剪切能力越大，因此在軋鋼領域常采用斜剪刃［1］。

剪切力的計算公式主要有3個：

1）采利柯夫-諾沙利公式［1］：

式中：K1為考慮剪刃變鈍的系數，一般取K1≈1.2；K2=τmax/σb，對于鋼可取 K2≈0.7；τmax為最大剪切應力；σb為被剪切鋼板的強度極限；K3為考慮剪刃傾斜角影響的系數；n=a/τmax，對于鋼可取 n≈0.78；a 為單位剪切功 a=ε0τp；τp為被切鋼板的平均剪切應力；ε0為相對切入深度；α為剪刃的傾斜角；h為被剪鋼板的厚度，mm。

2）諾沙利公式［1］：

式中：P1為純剪切力，P1=h2a/tanα；a 為單位剪切功，a=K4σbK5δ5，冷剪時取 K4=0.6，K5=1.0；S 為與切頭長短有關的系數；y為剪刃側向間隙與被切板帶材厚度h的比值，當h＜5 mm時，可取y=0.07；x為剪切面到壓板中心之間的距離，冷剪時可取 x≈10；δ5≈0.8ε0。

3）富姆公式［2］：

式中：c為兩剪刃側向間隙，mm；R為剪刃斜度，R=tanα，α為剪刃傾斜角；σb為被剪切鋼板強度極限；h為被剪切鋼板厚度，mm。

3.2 計算事例

由我公司承接的某鋼廠六機架不銹鋼冷連軋生產線在機組頭部配有一臺雙層剪，在軋機入口配有一臺事故剪。入口的雙層剪采用了兩臺單剪上下疊加形成兩個通道的方式，與軋機入口的事故剪設計。該機組原料主要來自于前工序酸洗過的不銹鋼白卷或冷軋退火后的不銹鋼卷。機組原料的主要參數為：厚度hmax=3.0 mm；寬度wmax=730 mm；屈服強度 σs=600 MPa；抗拉強度 σb=800 MPa；最大剪切應力τmax=470 MPa；彈性模量E=206 GPa。

以下確定剪刃的結構參數：△為上下剪刃的重疊量，取△=13 mm；H0為剪刃的開口度，由于經上道工序過來的帶頭有板形不良、粘結、以及運輸過程中產生邊折等缺陷，所以需要有較大的開口度，取H0=120 mm；α為剪刃的傾斜角，剪刃傾斜角不僅影響剪切力，也直接影響剪切質量和精度。剪刃的傾斜角大小與剪切鋼板也有關系，如表1［2］所示，剪切較厚鋼板時，選用較大的傾斜角。此處帶鋼厚度為2.0～3.0 mm，屬于比較厚的鋼板，將剪刃的傾斜角取為3°；l為剪刃長度，根據帶鋼的最大寬度，取l=950 mm；H 為剪刃行程，H=H0+△+h+l·tanα=3+13+120+950·tan3°=185.8 mm，適當加大剪刃的開口度，選定剪刃得行程為190 mm；K1為考慮剪刃變鈍的系數，取K1=1.2；K3為考慮剪刃傾斜角α影響的系數，取K3=2.1；ε0為相對切入深度，取ε0=0.4；y為剪刃側向間隙與被切板材厚度的比值，取y=0.07；x為剪切面到壓板中心之間的距離與被切板材厚度的比值，取x=10。

采用以上3個公式分別計算所需要的剪切力如表1所示。

表1 剪切力計算對比

由于影響剪切力的因素很多，各個系數值選擇不同得到的計算結果也有一定的差別。從表1的計算結果可以看出，采利柯夫-諾沙利公式計算的結果偏小,而諾沙利公式又過于偏大，浪費資源，與以往實際應用過的橫切剪的剪切力進行比較，發現采用富姆公式的計算結果更接近工程實際。

根據計算出的剪切力計算驅動液壓缸的大小。

采用圖3所示的上切式方式計算液壓缸直徑。忽略刀架、剪刃等零部件的重量，當剪刃開始剪切帶鋼時所需的剪切力是最大的，其受力圖如圖5所示。此時α=3°，β=2.75°，γ=72.21°，因此F=2Pcosαcotγ/cosβ=2×503 5×0.998 6÷（0.998 8×3.116）=3 231。

圖5

用求得的液壓缸需提供的推力計算液壓缸的直徑

式中：F為單個液壓缸所需提供的推力；P為液壓系統壓力，P=8.5 MPa；η為效率，考慮活塞與液壓缸缸體之間密封元件摩擦損失，一般 η=0.85～0.90，取 η=0.85。

由F=32 310 N代入式（7），得d≈7.6 m=76 mm。

初選液壓缸缸徑為125 mm，活塞桿徑90 mm，為了不使橫切剪走空行程，校核油缸縮回時能提供的推力F=（1252-902）×8.5×0.85=42 700 N＞32 310 N，考慮剪刃變鈍以及帶頭帶尾帶鋼厚度超差等影響因素，液壓缸型號往上跳一級,根據手冊［3］選定液壓缸缸徑為140 mm，活塞桿直徑為100 mm，型號為CD250E140/100。

4 結語

本文對橫切剪的類型、驅動方式等進行了分析討論，并聯系工程實際，對冷連軋不銹鋼生產機組上的橫切剪進行了結構選型和剪切力的計算，該機組投產大半年來該設備運行良好，證明該設計計算是可行的。

［1］ 冶金工業部武漢鋼鐵設計研究院.板帶車間機械設備設計［M］.北京：冶金工業出版社，1984.

［2］ 周國盈.帶鋼精整設備［M］.北京：機械工業出版社出版，1979：166.

［3］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.