線膨脹對圓盤剪精度影響分析

張金超，曹 陽

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

圓盤剪切廣泛用于縱向剪切厚度小于20mm的板材和薄帶材。由于刀片是旋轉(zhuǎn)的圓盤，因而可連續(xù)縱向剪切運動著的板帶，將其邊部切齊或切成窄條。對于鋁加工精整設(shè)備上的圓盤剪普遍采用以下結(jié)構(gòu)，偏心套調(diào)整刀盤重疊量，滾珠絲杠帶動下刀軸軸向位移來調(diào)整刀盤側(cè)隙，上下刀軸采用浮動盤傳動方式，結(jié)構(gòu)緊湊。本臺圓盤剪剪切帶材厚度最薄達0.15mm，剪切速度可達500m/min。這對圓盤剪的整機精度和穩(wěn)定性提出了很高要求，其中，刀盤綜合端面跳動需控制在0.005mm以內(nèi)。

某鋁加工廠圓盤剪使用時出現(xiàn)了剪切薄料時打刀現(xiàn)象，以及上刀軸不明原因發(fā)熱異常。現(xiàn)場維修人員反復(fù)拆裝多次，問題始終沒有解決，經(jīng)返廠修復(fù)后解決。本文針對以上兩個問題的排查解決來著重分析線膨脹對圓盤剪精度的影響。

1 圓盤剪打刀現(xiàn)象原因分析

首先對圓盤剪整機精度進行了全面檢測，對刀軸施加軸向力時，上刀軸軸竄0.002mm，合格；下刀軸軸竄0.05mm，不合格。應(yīng)先處理軸竄問題，經(jīng)分析是滾珠絲杠螺紋間隙未完全消除造成，將下刀軸側(cè)隙調(diào)整裝置拆除，通過調(diào)整消除滾珠絲杠間隙，回裝，檢測下刀軸軸竄0.005mm，合格。然后聯(lián)裝試車運轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)速1500r/min,空負載試轉(zhuǎn)3h，停機，檢測刀軸伸出箱體軸端部位溫度，上刀軸45℃，下刀軸29℃，系統(tǒng)溫度(機箱)28℃。上刀軸發(fā)熱異常。初步分析是由于上刀軸溫度高于系統(tǒng)溫度從而線膨脹造成使用打刀現(xiàn)象。

圖1所示為千分表檢測示意圖。試車剛停機時，在上下刀軸伸出軸端處各壓1塊千分表，表座固定在機箱上，表頭壓在軸端面上，記錄初始讀數(shù)。待設(shè)備完全冷卻后，觀察千分表讀數(shù)變化。經(jīng)檢測，上刀軸x方向回縮量0.05mm，下刀軸x方向回縮量0.005mm。上下刀盤裝配示意圖如圖2所示。剪切薄料時，間隙量不大于0.02mm，可以判斷上刀軸異常發(fā)熱造成線膨脹0.05mm抵消掉刀盤側(cè)隙量，從而引起打刀現(xiàn)象。

圖1 千分表檢測示意圖Fig.1 Micrometer detection diagram

2 發(fā)熱部位查找

引起上刀軸異常發(fā)熱可能會有以下幾個原因：(1)軸承自身原因轉(zhuǎn)動異常造成發(fā)熱；(2)稀油潤滑未起到冷卻作用造成上刀軸發(fā)熱；(3)上刀軸與機箱密封處唇形密封過緊造成發(fā)熱。

2.1 軸承自身原因發(fā)熱排查

該圓盤剪上刀軸中使用的軸承均為高精度軸承，手動可靈活盤動刀盤，無卡阻，拆除上刀軸后轉(zhuǎn)動軸承靈活，無異常。因此可排除因軸承自身原因發(fā)熱異常。

圖2 刀盤裝配示意圖Fig.2 Knife head assembly diagram

2.2 稀油潤滑系統(tǒng)排查

圓盤剪稀油潤滑系統(tǒng)不僅對機箱內(nèi)各轉(zhuǎn)動部位(軸承、齒輪等)進行潤滑，還可以對設(shè)備運轉(zhuǎn)時的正常發(fā)熱進行冷卻。如果潤滑系統(tǒng)異常，不能及時冷卻可能會造成發(fā)熱。拆除上刀軸，開啟稀油潤滑泵，給油指示器顯示正常，箱體內(nèi)齒輪潤滑正常。因潤滑液是通過偏心套上的油孔給到軸承的，所以需檢查偏心套內(nèi)各油孔油路是否給油正常(圖3)。偏心套潤滑口1、2、3的潤滑部位分別對應(yīng)各個軸承，經(jīng)逐一檢查出油正常，回油口4回油也正常。因此可以排除稀油潤滑系統(tǒng)的問題。

1-潤滑口①；2-潤滑口②；3-潤滑口③；4-回油口圖3 偏心套Fig.3 Eccentric bushing

2.3 上刀軸與機箱密封處排查

上刀軸與機箱密封處為唇形密封圈，密封位置軸徑設(shè)計為Φ120h11(0，-0.22)，實測為Φ120(-0.09)。首先，拆除此密封，按額定條件重新試轉(zhuǎn)，再次檢測溫度情況，上刀軸29℃，下刀軸27℃，系統(tǒng)溫度(機箱)25.5℃。溫度恢復(fù)至正常發(fā)熱范圍內(nèi)。由此可以判斷，異常發(fā)熱現(xiàn)象是由此密封位置導(dǎo)致的。

2.4 計算驗證

對于長度為h0的圓柱軸類零件,當溫度相對環(huán)境溫度變化ΔT后,長度變?yōu)閔1，晶體材料線性膨脹系數(shù)為α。軸向變形Δh可以采用計算材料熱膨脹系數(shù)的公式，h1=h0(1+α×ΔT)；Δh=h1-h0=h0×α×ΔT。刀軸材質(zhì)為40Cr，在20℃～100℃內(nèi)線膨脹系數(shù)α=11.2/10-6℃-1；機箱系統(tǒng)溫度26℃。(1)上刀軸。ΔT上=45℃-26℃=19℃；發(fā)熱有效長度h0=260mm；Δh上=260×11.2/10-6×19℃=0.055mm。(2)下刀軸。ΔT下=29℃-26℃=3℃；發(fā)熱有效長度h0=180mm；Δh下=180×11.2/10-6×3℃=0.006mm。通過計算可以看出Δh與之前打表檢測的刀軸回縮量基本一致。上刀軸的發(fā)熱異常造成線膨脹，并引起打刀現(xiàn)象。

2.5 解決方案

可通過適當增大密封和刀軸間的間隙來解決發(fā)熱現(xiàn)象。拆除上刀軸，重新配磨回裝至箱體，并將刀盤和隔離環(huán)裝配好，側(cè)隙調(diào)至0.02mm，按額定條件重新試轉(zhuǎn)。(1)檢測溫度情況，上刀軸32℃，下刀軸29.5℃，系統(tǒng)溫度(機箱)28℃。溫度恢復(fù)至正常發(fā)熱范圍內(nèi)。上刀軸，ΔT上=32℃-28℃=4℃；Δh上=260×11.2/10-6×4℃=0.011mm；下刀軸，ΔT下=29.5℃-28℃=1.5℃；Δh下=180×11.2/10-6×1.5℃=0.003mm。側(cè)隙變化量為Δh=Δh上-Δh下=0.007mm，側(cè)隙應(yīng)變?yōu)?.013mm。(2)實際檢測側(cè)隙約0.012mm，與Δh基本吻合，此間隙變化可滿足正常生產(chǎn)要求。

3 結(jié)束語

圓盤剪的精度和穩(wěn)定性對剪切性能參數(shù)起著至關(guān)重要的作用，因此由刀軸發(fā)熱線膨脹引起的整機精度變化在實際生產(chǎn)中不可忽視。本文通過某鋁廠圓盤剪發(fā)熱問題實例作出了詳細分析，并提出了切實可行的解決方案，現(xiàn)場反饋效果良好。同時也為高速圓盤剪的設(shè)計改進積累了實踐經(jīng)驗。