寬厚板滾切式雙邊剪上刀盒優化改造

易 濤，方 威

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

滾切式雙邊剪是寬厚板精整生產線的主要設備之一，用于將軋制后的鋼板毛邊切除至成品寬度。滾切式雙邊剪通過兩臺電機帶動主減速機，減速機有三根偏心的輸出軸，其中兩根偏心軸帶動連桿機構使上剪刃的圓弧刃口沿鋼板邊部的縱向作滾動式剪切，另外一根偏心軸帶動滑塊式機構通過上碎斷剪將廢料切斷[1]。雙邊剪模型見圖1。

圖1 雙邊剪模型圖

雙邊剪上剪刃裝配直接用于鋼板的剪切，其性能好壞直接影響到雙邊剪是否能正常運行，由刀盒、上剪刃、沉頭螺栓、螺母、墊片及導向塊等組成，其模型見圖2。剪刃裝配中的上刀盒用于安裝上剪刃，上刀盒則通過6個鎖緊缸固定在上刀臺上。雙邊剪上刀盒在使用過程中靠出口側螺栓孔處發現有裂紋，見圖3，嚴重者已經裂開，影響了剪刃裝配的數據及剪刃的使用。本文將對上刀盒進行分析并提出改造意見。

圖2 上剪刃裝配模型圖

圖3 上刀盒模型圖

1 上刀盒結構分析

斷裂部位由沉頭螺栓、錐套、隔墊及螺母組成。其中錐套用于剪刃的定位，而隔墊及螺母在合理緊固后可以將剪刃位置固定住。查看圖紙可以發現刀盒在斷裂處的厚度較小，只有10mm，見圖4和圖5。實際剪刃裝配時由于剪刃磨削后需要在剪刃上表面及側面增加墊片以彌補尺寸的缺失。由于裝配精度的關系，刀盒定位孔在實際使用過程中相關其它部位非定位孔受力較為復雜，原設計中為了保證剪刃有效使用厚度達到50mm，犧牲了刀盒定位孔的板厚，這就是此處頻繁開裂的原因。而事實上國內剪刃制造廠家并未達到該制造水平，因此認為可以對該設計方案進行優化改造。

圖4 斷裂部位模型局部放大圖

圖5 斷裂部位剖視圖

本文認為開裂的原因是斷裂部位厚度過于單薄，初步改造方案為增加此處厚度到20mm。由于增大厚度對其它的零件會產生影響，相應的其它零件的局部數據也將發生改變。

2 改造方案

將上刀盒斷裂部位由10mm改為20mm。此外由于尺寸增厚，為了保證螺母不會突出刀盒面，隔墊厚度尺寸需要更改，由24mm改為16mm，錐套的高度尺寸由圖紙上的73mm改為69mm，見圖6和圖7，改造后的裝配剖視圖見圖8。

圖6 隔墊變更后模型

圖7 錐套變更后模型

圖8 剪刃裝配剖視圖

改造方案中剪刃按原始厚度進行設計，由于剪刃在剪切過程中會有磨損鈍化和疲勞損傷，在使用一定時間后應下線磨削處理。而剪刃的制造可靠硬度厚度有限，當磨削多次后表面硬度已不能滿足使用要求。目前所使用的剪刃一般在厚度磨削到80mm時表面硬度已大幅下降，不再適合高負荷的生產要求。按剪刃80mm厚度計算時剪刃裝配時應增加20mm剪刃墊片以彌補剪刃厚度不足，此時錐套為了保證能繼續起到良好的定位作用也應增加20mm墊片。同時剪刃裝配的沉頭螺栓也應更換更長的以彌補長度不足，參考圖9。

圖9 剪刃厚度為80mm時的裝配剖視圖

3 強度分析

由于隔墊尺寸變化幅度較大，為了保證其能正常使用應進行強度驗算，本文采用有限分元，為了保證計算結果更接近于真實情況，將隔墊與錐套一同裝配起來進行分析。隔墊和錐套的材料選用42CrMo，抗拉強度σb=1080MPa，σs=930MPa。在solidworks自帶有限元分析軟件simulation中錐套的錐面及隔墊與刀盒的接觸面處應用固定幾何體命令作為邊界條件。兩個零件之間采用無穿透接觸約束。剪刃裝配沉頭螺栓大小為M36*2，等級為10.9級，其預緊力為531.7kN，以此作為負載施加在隔墊與螺母接觸面上。采用六面體單元對模型劃分網格，單元平均尺度為1mm，共劃分1117133個節點和786628個單元，見圖10。

圖10 邊界約束、載荷施加及網格劃分圖

對模型進行有限元應力分析后得到圖11的主應力云圖，應力最大處為隔墊與錐套的接觸面處（a）顯示為第一主應力，大小為242.8MPa，（b）顯示為第三主應力，大小為49.2MPa，是處于三向拉應力狀態，應以第一主應力進行校核，其數值小于材料屈服強度，且有較高的安全系數。而錐套主要受壓應力，其大小也在材料允許范圍內。

圖11 改造后的隔墊應力云圖

采用同樣的方法對改造前模型進行分析得到圖12的主應力云圖，并與改造后的受力結構進行比較，見表1。通過比較發現更改后主應力比更改前略有降低。

圖12 改造前的隔墊應力云圖

表1 改造前后應力對比情況

4 結語

寬厚板滾切式雙邊剪刀盒對于剪刃是否能正常使用起到較大作用。本文針對使用過程中的刀盒螺栓孔開裂的情況進行了分析、改造及強度分析，改造后的刀盒使用正常，已解決定位孔開裂問題，現總結如下：

（1）原有刀盒開裂定位孔部位受力較復雜，不易設計過低的板厚，可根據實際剪刃有效厚度削耗情況進行優化改進。

（2）對刀盒定位孔板厚變更后應同時考慮相配套的零件的強度及可裝配性。