焊接機的分類及剪切力的計算

張華杰

（太重煤機有限公司，山西 太原030032）

剪切對焊接機是焊管生產線的主要設備之一。它位于矯平機和活套之間，其作用是將相鄰兩卷帶鋼之間，即前一卷帶鋼的尾部與下一卷帶鋼的端部焊接起來，為了保證焊縫的焊接質量，在對焊之前，前一卷帶鋼的尾部與下一卷帶鋼的端部應進行必要的剪切，以獲得符合焊接規格的切口，然后進行焊接，再經活套充料、儲料，供給主機，以保證焊管生產線能夠連續不斷的生產。

1 剪切對焊接機分類及剪切裝置的種類

1.1 剪切對焊接機的分類

剪切對焊接的分類繁多，既可根據工作方式和控制方式分類，也可按照剪切方式分類，還可按照焊接方式分類，見表1。

表1 剪切對焊接方式的分類

1.2 剪切裝置的種類

剪切對焊機的剪切裝置通常有下剪切和上剪切之分。下剪切的結構特點是上剪刃固定，下剪刃向上剪切；上剪切的結構特點是下剪刃固定，上剪刃向下剪切。剪切裝置一般采用斜剪刃，即一個剪刃相對于另一個剪刃成某一角度，剪刃斜度一般取1.5°~6.0°為宜。

現有焊管機組，常采用上剪切的結構形式。上剪切的結構形式如圖1所示。

圖1 上剪切的結構圖

剪切系統由上橫梁、油缸、上剪刃、下剪刃等組成。上剪刃安裝在上橫梁上，由導向裝置實現導向，導向裝置有齒輪、齒條組合式或耐磨板式，下剪刃安裝在床身底座上。使用液壓缸驅動上橫梁，實現帶鋼頭部、帶鋼尾部的剪切，在剪切時，壓板裝置壓緊帶鋼，使帶鋼在剪切時位置固定，保證剪切的順利完成。

2 剪切力的計算

剪切力計算的公式較多，目前設計中常采用下列幾種公式：

2.1 柯洛遼夫公式

式中：K1為刀刃側向間隙的影響系數，一般K1=1.3~1.5；K3為刀刃使用以后磨鈍的影響系數，一般K3=1.1~1.3；τ為被剪切帶鋼的剪切抗力，一般可按試驗決定，有時在設計計算時往往可近似地取τ=（0.7~0.75）σb，σb為被剪帶鋼的強度極限，MPa；S為帶鋼的剪切面積，mm2。

圖2 剪切過程圖

則上式可寫成：

剪切過程如圖2所示。剪切面積不是在帶鋼整個橫斷面上進行的，斜刀刃剪切面積，要比平行剪切面積小，因此斜刀刃的剪切力P也就比平行剪切小。實際剪切面積不是三角形ABC，而是梯形ABDE。這是由于當刀刃切入帶鋼深度為z=h-DE后，帶鋼便開始金屬滑移，完成剪切過程。因此，頂部小三角形DEC早已被金屬滑移而扯斷，不再需要剪切。

相對切入率為：

式中：ε與被剪切帶鋼材料的塑性有關，一般ε=（1.2~1.6）δ5，δ5為伸長率，通常可按ε=1.25δ5計算。

剪切面積ABDE為（見圖2）

將式（3）代入式（2），可得：

式中：α為剪刃的斜度；ε為相對切入率，ε=（1.2~1.6）δ5；h為帶鋼厚度，mm；σb為被剪帶鋼的強度極限MPa；δ5為相對伸長率。

由式（4）可知：若剪切相對切入率ε和被剪切帶鋼的強度極限σb增加，則剪切力P增加；剪切力P按被剪切帶鋼厚度平方關系數值增加，剪切力P與剪刃的斜度α成反比，增加α，可使剪切力P降低，但會增加剪刃的行程。顯然，公式（4）僅適用于tanα＞的情況。h、b分別為帶鋼的厚度和寬度。

2.2 諾沙里公式

式中：σb為被剪帶鋼的強度極限，MPa；δ5為相對伸長率；z為切入深度；α為剪刃的斜度；y為系數，y=為剪刃側向間隙，通常情況下，h≤5 mm，c=0.07 h；h＞5 mm，c=0.5 mm；x為系數為剪切平面至壓板距離，初步計算時，取x=10；K3為刀刃使用以后磨鈍的影響系數，一般取K1=1.1~1.3。

實際計算時，常采用（5）的簡化公式。此時，假定ε=1.25δ5，z=1，y=0.07（若h≤5 mm），將上述數值代入公式（5）式中，則簡化公式為：

以上兩個公式比較，柯洛遼夫公式比較簡便，但公式中許多系數均為范圍值，因此，采用同一柯洛遼夫公式計算，由于系數值選擇不同，可得到不同的計算結果，這就影響到計算的精確性。目前，國內設計單位采用諾沙里公式較多，有時為了某種需要，做一些粗略核算，可采用柯洛遼夫公式。

3 結語

通過對剪切對焊接機剪切力的計算，可有效避免設計的盲目性，為剪切對焊接機的結構及性能參數的設計提供理論依據。