方長(zhǎng)錦， 楚志兵， 魏 棟

（1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司， 上海 201900；2.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

厚板切邊圓盤剪切機(jī)優(yōu)化改進(jìn)研究★

方長(zhǎng)錦1， 楚志兵2， 魏 棟2

（1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司， 上海 201900；2.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

針對(duì)目前圓盤剪剪切厚板剪切質(zhì)量差以及生產(chǎn)效率低的問題，對(duì)傳統(tǒng)圓盤剪切機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用ABQUAS有限元模擬軟件對(duì)傳統(tǒng)和新型兩種圓盤剪切機(jī)刀軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：優(yōu)化改進(jìn)后的新型圓盤剪可大大減小刀軸的撓度。利用兩種圓盤剪切機(jī)進(jìn)行剪切厚板實(shí)驗(yàn)，對(duì)剪切力及剪切后斷面質(zhì)量進(jìn)行了宏觀和微觀分析，結(jié)果表明：改進(jìn)后的新型圓盤剪切機(jī)可以大大提高使用壽命和剪切斷面質(zhì)量。

圓盤剪 優(yōu)化改進(jìn) 剪切力 剪切斷面質(zhì)量

近年來我國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)和消費(fèi)穩(wěn)居世界第一，其中冷軋板帶材占有很大的比例[1]。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，冷軋生產(chǎn)線中將精整工序設(shè)置為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而圓盤剪具有連續(xù)剪切的特點(diǎn)，所以其成為了板帶精整工序中的核心設(shè)備之一，圓盤剪用來剪切帶鋼的兩邊的缺陷部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼寬度的精確控制，從而提高精度，廣泛應(yīng)用于酸洗機(jī)組、拉矯機(jī)組以及橫切機(jī)組等。圓盤剪的切邊質(zhì)量直接影響冷軋帶鋼的質(zhì)量[2]。

為了改善目前剪切過程的斷面質(zhì)量，大量學(xué)者對(duì)圓盤剪進(jìn)行了分析和研究，景群平等人根據(jù)影響上、下刀盤端面跳動(dòng)精度的各個(gè)零件形位公差的因素探討了提高側(cè)向間隙精度和穩(wěn)定性的措施[3]，胡建軍等人研究了工藝參數(shù)對(duì)剪切質(zhì)量和剪切力等的影響[4]，許體武[5]和陳東文等人[6]，李劍峰等人[7]和韓光燕等人[8]對(duì)圓盤剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)和改造，但上述研究都存在一定的局限性。

由于目前設(shè)備機(jī)構(gòu)和工藝不完善的原因，所以會(huì)導(dǎo)致剪切質(zhì)量不穩(wěn)定，斷面容易出現(xiàn)飛邊、毛刺過大以及二次斷面等諸多問題[9]。本文以剪切中厚鋼板為例，對(duì)圓盤剪設(shè)備機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，利用ABQUAS有限元模擬軟件對(duì)優(yōu)化前后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)變形分析，并利用優(yōu)化前后的圓盤剪進(jìn)行厚板剪切實(shí)驗(yàn)，對(duì)剪切斷面進(jìn)行分析，對(duì)圓盤剪的設(shè)計(jì)和制造有一定的指導(dǎo)意義。

1 圓盤剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

目前國(guó)內(nèi)外使用的圓盤剪切機(jī)主要有兩種類型，當(dāng)剪切鋼板厚度小于20～30 mm時(shí)采用第一種類型的圓盤剪切機(jī)，如下頁(yè)圖1－1所示，其刀盤采用的是懸臂式結(jié)構(gòu)，該類型的圓盤剪切機(jī)在剪切鋼板時(shí)受力不均勻，平衡性不好，尤其在剪切較厚鋼板時(shí)刀軸會(huì)發(fā)生撓曲變形，致使剪切的鋼板斷面會(huì)出現(xiàn)斜面狀缺陷，導(dǎo)致廢品率的增加。當(dāng)剪切30～40 mm的中厚鋼板時(shí)，采用第二種類型的圓盤剪切機(jī)，其結(jié)構(gòu)是將兩臺(tái)圓盤剪切機(jī)以相互串聯(lián)的方式對(duì)鋼板進(jìn)行剪切，第一臺(tái)圓盤剪切機(jī)切入鋼板厚度的5%～10%，緊接著第二臺(tái)圓盤剪切機(jī)將鋼板全部切斷，但是設(shè)備投資大，剪切效率低，而且在實(shí)際生產(chǎn)中由于剪切機(jī)的振動(dòng)等因素可能導(dǎo)致兩次剪切不重合，從而造成廢品率的提高。

為了克服現(xiàn)有圓盤剪切機(jī)剪切技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)傳統(tǒng)的剪切中厚鋼板圓盤剪切機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。下頁(yè)圖1-2為新型圓盤剪切機(jī)，其特征是將現(xiàn)有技術(shù)舊機(jī)械式圓盤剪切機(jī)中的上下刀架軸由懸臂式改進(jìn)為左右支撐式，通過螺栓連接在新本體1'的右側(cè)面上，上下軸承座7、7'分別安裝在上下支架板6、6'的中心軸孔11、11'內(nèi)，在上下軸承座中分別裝有上下錐面圓錐滾子軸承8、8'；上下刀架軸5、5'的右端分別安裝在上下錐面圓錐滾子軸承8、8'內(nèi)，其左端分別安裝在上下刀架軸承3、3'內(nèi)，上下刀架軸上安裝有上下刀架4、4'；上下錐面圓錐滾子軸承8、8'的內(nèi)側(cè)面分別安裝有上下迷宮套9、9'。通過上述優(yōu)化，在剪切過程中不但可以避免傳統(tǒng)圓盤剪切機(jī)因一端支撐引起的剪切過程中刀軸撓曲現(xiàn)象嚴(yán)重的情況，而且兩端支撐的結(jié)構(gòu)可以承受很大的剪切力。

圖1 圓盤剪切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型建立及結(jié)果分析

2.1 有限元模型建立

考慮到圓盤剪切機(jī)刀盤和刀軸裝配結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及有限元模擬軟件計(jì)算的局限性，本文對(duì)刀軸裝配體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，圖2為圓盤剪切機(jī)刀軸轉(zhuǎn)配體有限元模型，為保證計(jì)算精度，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在進(jìn)行載荷施加時(shí)予以簡(jiǎn)化，將實(shí)際剪切中的軋制力以線載荷的方式平均施加在剪刃上，由于實(shí)際剪切過程中上下剪刃的剪切力大小并不相同，下剪刃剪切力要大于上剪刃剪切力[10]，所以將上刀軸載荷設(shè)置為300 kN，下刀軸載荷設(shè)置為350 kN。接觸關(guān)系定義為硬接觸，靜摩擦系數(shù)為0.2。

2.2 模擬結(jié)果分析

圖2 刀軸裝配體有限元模型

圖3為刀軸撓度曲線，圖中以刀軸內(nèi)側(cè)與機(jī)架軸承座連接位置為起始位置。從圖3中可以看出由于下剪刃剪切力大于上剪刃剪切力，所以下刀軸撓度要稍大于上刀軸的撓度。結(jié)合實(shí)際情況，上剪刃位于距起始位置300 mm處，下剪刃位于距起始位置381 mm處。分別對(duì)比圖3-1和圖3-2不同圓盤剪的撓度曲線可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后的上、下剪刃所在位置的刀軸撓度分別為0.07 mm和0.08 mm，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)懸臂式圓盤剪切機(jī)上、下剪刃所在位置的刀軸撓度0.32 mm和0.56 mm，同時(shí)也可以看出優(yōu)化改進(jìn)的圓盤剪切機(jī)剪刃的偏角要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)圓盤剪切機(jī)剪刃的偏角。綜上所述，優(yōu)化改進(jìn)后的新型圓盤剪切機(jī)有利于保證剪切過程中的剪切質(zhì)量。

圖3 刀軸撓度曲線

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 剪切力分析

實(shí)驗(yàn)以剪切30 mm厚Q235鋼板為例，在某鋼鐵公司厚板生產(chǎn)線上進(jìn)行改造實(shí)驗(yàn)，分別在兩種結(jié)構(gòu)的圓盤剪切機(jī)上進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行剪切力測(cè)試。圖4為剪切力對(duì)比圖，從圖中可以看出剪切過程中下剪刃剪切力要大于上剪刃剪切力，這是因?yàn)榧羟羞^程中鋼板頭部受壓時(shí)尾部為上翹，為了防止鋼板上翹，夾送輥會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下壓力并傳遞到下剪刃上。從圖4還可以看出優(yōu)化后的圓盤剪剪切力要小于傳統(tǒng)的懸臂式圓盤剪的剪切力，從而降低了設(shè)備的承載要求，提高了圓盤剪的使用壽命。

圖4 剪切力對(duì)比

3.2 剪切斷面分析

圖5是不同圓盤剪鋼板剪切斷面宏觀圖，從圖中可以看出新型圓盤剪明顯比傳統(tǒng)圓盤剪剪切斷面質(zhì)量好。新型圓盤剪剪切下的鋼板剪切斷面比較平整光滑，基本無塌角和毛刺的出現(xiàn)；而傳統(tǒng)圓盤剪的剪切斷面有明顯的失穩(wěn)斷裂面出現(xiàn)，剪切斷面平整度下降，鋼板斷面塌角的高度較大，毛刺明顯增多，有明顯的二次斷面的出現(xiàn)。

圖6為剪切斷面微觀形貌圖，從圖中可以看出傳統(tǒng)圓盤剪剪切下的斷面首先在切口周圍出現(xiàn)大量的塑性變形帶，其塑性變形一直擴(kuò)展到斷口的中間區(qū)域，在斷面的光亮帶和斷裂帶區(qū)域都可以看到很多由于撕裂造成的撕裂棱。而新型圓盤剪剪切下的斷面在切口附近的塑性變形區(qū)較小，斷面顏色較亮，呈現(xiàn)出短的河流花樣，有很多反光的小平面，斷口形態(tài)類似于解理斷裂的形態(tài)，該產(chǎn)生的撕裂棱很少，從而保證了剪切斷面的平整。

圖5 剪切斷面宏觀圖

圖6 剪切斷面微觀形貌圖

綜上所述，優(yōu)化改進(jìn)后的圓盤剪切機(jī)大大提高了圓盤剪的使用壽命和鋼板的剪切斷面質(zhì)量。

4 結(jié)論

1）本文結(jié)合圓盤剪現(xiàn)場(chǎng)剪切的實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)傳統(tǒng)圓盤剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2）利用ABQUS有限元模擬軟件對(duì)傳統(tǒng)圓盤剪和改進(jìn)后新型圓盤剪的刀軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明優(yōu)化改進(jìn)后的新型圓盤剪可大大減小刀軸的撓度。

3）利用傳統(tǒng)圓盤剪切機(jī)和新型圓盤剪切機(jī)進(jìn)行剪切30 mm厚Q235鋼板實(shí)驗(yàn)，對(duì)剪切力及剪切后斷面質(zhì)量進(jìn)行了宏觀和微觀分析，結(jié)果表明改進(jìn)后的新型圓盤剪切機(jī)可以大大提高使用壽命和剪切斷面質(zhì)量，對(duì)圓盤剪的設(shè)計(jì)制造有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 周國(guó)盈.帶鋼精整設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[2] 景群平，賈海亮，雙遠(yuǎn)華，等.切邊圓盤剪剪切過程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（5）：32-36.

[3] 景群平，張勇安，許展望，等.冷軋板帶材切邊圓盤剪側(cè)向間隙及精度的探討[J].重型機(jī)械，2010（2）：29-31.

[4] 胡建軍，周保欣，劉順明.圓盤剪剪切原理及切邊質(zhì)量控制[J].重型機(jī)械，2012（6）：58-62.

[5] 許體武.圓盤剪剪切過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[D].合肥：安徽工業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 陳東文，黃貞益，郝震宇，等.圓盤剪剪切工藝優(yōu)化研究[J].軋鋼，2015，32（2）：90-95.

[7] 李劍鋒，薛麗菲，曲杰.一種新型切邊圓盤剪的設(shè)計(jì)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014（2）：34-37.

[8] 韓光燕，康華偉，孿貽忠，等.1 500 mm冷帶切邊圓盤剪的優(yōu)化改造[J].軋鋼，2012，29（2）：70-72.

[9] 陶有能.切邊圓盤剪設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2006，23（S2）：77-79.

[10] 賈海亮.圓盤剪剪切過程的有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2010.

（編輯：苗運(yùn)平）

Research on Optimization Improvement of Rotary Shear for Thick Plate

FANG Changjin1,CHU Zhibing2,WEI Dong2
（1.Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900; 2.Heavy Machinery Engineering Research Center of Ministry of Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024）

For bad shearing quality and low productivity of cut thick plate by rotary shear,the traditional rotary shearing machine is optimized and improved.The finite element simulation software ABQUAS is used to analyze the cutter shaft of two kinds of rotary shearing machine.And the results show that the deflection of the cutter shaft is greatly reduced by new rotary shearing machine.The two kinds of rotary shearing machine are used to cut the thick plate and the shearing force and the cross section quality after cut are analyzed.The results show that the service life and shearing quality of new rotary shearing machine are greatly improved.

rotary shear,optimizing improvement,cutting force,cross section quality

TG333.21

A

1672-1152（2017）03-0001-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.01

2017-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105264）；山西省青年科技基金資助項(xiàng)目（2015021111）；專利推廣實(shí)施資助專項(xiàng)（20161006）；山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目（2016SY055）；校博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（20122017）

方長(zhǎng)錦（1982—），男，現(xiàn)就職于寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，工程師。

楚志兵（1981—），男，副教授，主要研究方向?yàn)楦呔溶堉圃O(shè)備及工藝。