冷轧薄板切边圆盘剪的设计研究

谢东旭，李郝林，查德根

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海200093；2.上海宝菱冶金设备工程技术公司，上海201900）

0 引 言

切边圆盘剪是用于金属板带精整作业线上的核心设备，其主要功能是对带钢的边部缺陷进行剪切，以满足成品带钢的宽度要求，广泛应用于酸洗轧机联合机组、连续式酸洗机组、连续式退火机组、重卷机组［1］。圆盘剪按传动方式可分为拉剪和动力剪，前者用于薄板的剪切，厚板的剪切采用后者［2］。目前，国外的圆盘剪设计理论比较成熟，具备超精密设计精度、装备精细、机组稳定性好和自动化程度高等特点，虽然结构形式差别较大，但基本原理一致。近年来，通过对国外先进设备的引进、消化和吸收，国产纵剪机的装配水平不断提高，且经济适用性好，但对于质量要求苛刻的板带产品和自动化生产作业，仍难于与国外同类装备抗衡。

本文以某钢厂冷轧薄板精整机组中的切边圆盘剪为研究对象，在分析国外先进设备的基本组成与工作原理基础上，对圆盘剪间隙调节机构原理、主要零件结构形式及参数的选择与计算方法做了深入探究，并应用有限元分析软件，对刀轴进行优化分析，对同类设备的设计与应用具有借鉴意义。

1 设备简介

1.1 设备组成及主要技术参数

圆盘剪主要由机架开度调整机构、圆盘剪本体、去毛刺辊、底座、导板架、废边导槽、电机等组成，如图1所示。其中，圆盘剪本体主要由机架、上刀轴、下刀轴、刀盘、侧向间隙调整机构、重叠量调整机构等组成。

图1 圆盘剪总体结构布置图

主要技术参数：来料厚度：0.2～3 mm；来料宽度：800～1 730 mm；剪切速度：Max.150 m／min；带钢强度：Max.650 MPa。

1.2 设备工作原理

圆盘剪的工作过程包括：（1）确定来料带钢规格及工艺参数，带钢处于停止状态；（2）根据带钢宽度，移动底座，调节机架开度；（3）根据带钢厚度，调整剪刃侧向间隙及重叠量；（4）带钢运动，进行边部剪切；（5）带钢经过去毛刺辊输出，废边进入废边导槽；（6）一个剪切周期完成，带钢停止运动。

在剪切过程中，该圆盘剪既可做动力剪，亦可做拉剪。当剪切速度在30 m／min以下时，电机驱动下刀轴旋转，上刀轴在摩擦力作用下被动旋转。当高速剪切时，依靠卷取机或拉力辊的拉力，将带钢拉过圆盘剪进行剪切。

2 主要机构的设计特点

2.1 机架开度调整机构

圆盘剪的左右两个机架相对于底座中心线对称布置，分别安装在操作侧和传动侧的移动底座上。两移动底座通过滚珠丝杆传动而相对移动。两丝杆通过联轴器连接，马达在一端直接驱动，从而实现机架开度的调整。底座上安装有行程开关，控制两移动机架的最大、最小开口度。机架开度调整范围为570～1 900 mm。

2.2 侧向间隙调整机构

剪刃侧向间隙的调整是将下刀轴轴向固定，通过机架上的斜楔机构调整上刀轴的轴向位置，从而获得上、下剪刃间的侧向间隙，如图2所示。

机构原理：摇动手柄带动分度盘转动，分度盘安装在侧板上，通过键联接滚珠丝杠机构，滚珠安装在螺母座上，螺母座两侧安装有滑块，滑块可相对导轨前后移动。左侧导轨安装在底板上，右侧导轨安装在斜垫板上，斜垫板固定在导轨座上。导轨座与上刀轴联接，通过双螺母锁紧。转动手柄，分度盘转动，带动丝杆转动，螺母座随滚珠延丝杠轴向运动，同时具有横向位移，带动导轨座横向移动，从而实现侧向间隙的调节。侧向间隙的调整范围为-7～+3 mm。

分度盘旋转角度θ与侧向间隙变化量δc的关系为

式中，δc为侧向间隙变化量，单位为mm；θ为分度盘旋转角度，单位为°；S为丝杆导程，单位为mm，S=5；α为斜度，α=1∶125。

侧向间隙调整机构的调整精度可以达到0.005 mm。

2.3 重叠量调整机构

剪刃重叠量的调整采用偏心套结构形式，通过马达驱动，由齿轮传动，带动上、下偏心套相对转动一定角度，刀轴安装在偏心套内，从而实现剪刃重叠量的调整，如图3所示。其中，电机轴一端通过弹性柱销联轴器与小齿轮轴联接，另一端安装有编码器，通过数字化控制保证重叠量的调节精度。重叠量的调整范围为-2～+14 mm，其中，上下刀轴分离定义为“-”，上下刀轴重合定义为“+”。

图3 重叠量调整机构简图

电机旋转角度βm与重叠量变化量δΔ的关系为

式中，δΔ为重叠量变化量，单位为mm；e为偏心距，单位为mm，e=6；β为偏心轮旋转角度，单位为°；其中，βm=βi；βm为电机轴旋转角度，单位为°；i为传动比，i=x2／x1。x1为小齿轮齿数，齿轮一与齿轮二齿数同为x2，三个齿轮的模数相同。

因此，式（2）可写为

重叠量调整机构的调节精度可以达到0.015 mm。

3 设备基本参数的设计计算

3.1 剪切力的计算

圆盘剪剪切过程中，上下刀盘以带钢运行速度为线速度做圆周运动，形成一对无端点的剪刃［3］。随着带钢被不断咬入，钢材依次发生弹性变形和塑性剪切滑移变形，当变形量达到断裂值时，产生裂纹，随着裂纹不断扩展，最终带钢被完全分离［4］。由于剪切过程的复杂性，很难得到精准的剪切力计算公式，但设计时可参照经验公式进行计算。

常用的剪切力计算公式有诺沙里公式［5］、柯洛辽夫公式、村川正夫公式、前田桢三公式等。根据实际生产试验结果显示［6］，对于薄板剪切，诺沙里公式的计算值与实际值吻合，当剪切厚板时，任何经验公式的计算值与实际值存在很大偏差。因此，本文采用诺沙里公式作为剪切力计算公式，即

对于圆盘剪，可建议取ε=1.25δ5，系数x1=1.4，通常取δ5=0.25，则式（4）可简化为

式中，σb为被剪切带钢的强度极限，单位为MPa；h为被剪切带钢的厚度，单位为mm；ε为剪断时的相对切入深度；α为咬入角，单位为°。

咬入角的大小可根据式（6）计算

式中，Δ为剪切一定厚度带钢所对应的剪刃重叠量，单位为mm；D为刀盘最大直径，单位为mm。

经计算，最大剪切力近似为5 182.3 N。刀盘侧向推力按剪切力的5%计算，约为259.1 N。

3.2 侧向间隙c与重叠量Δ的选择

侧向间隙c与重叠量Δ是影响圆盘剪剪切质量的关键因素。

研究表明，侧向间隙是影响切断面的关键因素［7］。侧向间隙过小，刀盘受到的作用力急剧增大，加速圆盘剪刀盘的磨损，降低刀盘使用寿命；侧向间隙过大，材料所受的拉应力明显增大，材料过早发生拉伸断裂，会产生较大毛刺。剪切冷轧钢板、带时，剪刃侧向间隙取被剪切金属厚度的9～11%。

重叠量是导致带材跑偏的关键因素［8］。同时，重叠量不应过大，否则会导致剪切力的增大；重叠量不应过小，否则会出现带钢无法被剪断的现象［9］。剪切冷轧薄板时，重叠量约为0.1～0.7 mm。

侧向间隙c与重叠量Δ可参照图4进行选取。

图4 侧向间隙与重叠量的选值

3.3 刀盘直径D与刀盘厚度δ的计算

刀盘尺寸决定圆盘剪的剪切能力，直径越大，剪切能力越强，但设备结构尺寸相应增大，成本增加。在保证剪切能力的前提下，选用直径较小的刀盘，剪切质量较好，但使用直径较大的刀盘，其使用寿命更长。

刀盘直径可按公式（7）计算

式中，D为刀盘直径，单位为mm；h为被剪切带钢厚度，单位为 mm；α0为允许咬入角，一般取8°～12°；Δ为重叠量，单位为mm。

刀片厚度δ一般可按δ=（0.06～0.1）D计算。为使圆盘剪刀盘具有良好的刚性，其厚度不低于15 mm。在实际应用中，根据刀盘的磨损情况，应适当增加带钢厚度。

该圆盘剪刀盘直径D为230～250 mm，刀片厚度δ为20 mm。

4 关键零件的结构设计

4.1 刀轴

圆盘剪的上、下刀轴均为悬臂式结构，刀轴装配如图5所示，主要由圆螺母、齿轮、推力轴承、双列圆柱滚子轴承、轴套、隔圈、偏心套、透盖、刀垫、刀盘、压环、压盖等组成。其中，压环为组合件，内圈材料为42Cr Mo，外圈材料为耐油橡胶，主要作用是在剪切过程中压紧带钢。刀轴轴头的压盖上开有“T”形孔，在更换刀盘时，只需将压盖旋转一定角度，便可快速卸下刀盘。刀垫安装在刀盘与轴肩之间，可减少刀盘频繁更换对刀轴的磨损。

图5 圆盘剪刀轴装配图

在圆盘剪剪切过程中，刀轴同时承受剪切力和反作用力，经分解后刀轴承受轴向力和径向力。刀轴的前后支撑均采用双列圆柱滚子轴承，负载能力大，主要承受径向力。刀轴的后支撑处设有两盘轴向推力轴承，结构简单且刚度大，主要承受轴向力。

圆盘剪刀轴装配是圆盘剪本体结构设计的核心部分，必须严格控制圆盘剪刀轴的装配精度，以A-B轴线为基准，轴肩端面全跳动公差控制在0.004 mm以下；双列圆柱滚子轴承处轴面的圆柱度公差控制在0.003 mm以下，径向圆跳动公差控制在0.004 mm以下；推力轴承处轴面的圆柱度公差控制在0.004 mm以下，径向圆跳动公差控制在0.006mm以下。

4.2 机架

圆盘剪机架为箱体结构，刀轴、侧向间隙调整机构、重叠量调整机构、去毛刺辊、废边导槽等机构均安装在机架上，机架结构如图6所示。上、下刀轴孔垂直布置，其行为公差及尺寸精度的控制直接影响刀轴的动态平衡。为避免刀轴在运转中产生颤动，开有刀轴孔的两机架侧面的平行度公差控制在0.01 mm以下，相对于基面A，端面跳动公差控制在0.006 mm以下，相对于基面B，垂直度公差控制在0.02 mm以下；两刀轴孔的圆柱度公差控制在0.004 mm以下，相对于基面A的平行度公差控制在0.01 mm以下，相对于基面B的平行度公差控制在0.02 mm以下；以A面为基准，面B的垂直度公差控制在0.08 mm以下。

图6 圆盘剪机架零件图

5 刀轴结构优化

圆盘剪刀轴是圆盘剪剪切过程中主要受载零件，因此刀轴要具有一定的承载能力。同时，刀轴的径向变形量直接影响重叠量的大小，刀轴的轴向变形量直接影响侧向间隙的大小，进而影响带钢剪切质量。因此，刀轴结构优化应保证刀轴具有足够强度，同时尽量增强刀轴刚度，减小变形量，在此基础上使刀轴重量最小。本文应用Ansys Workbench软件对刀轴进行分析与优化。

5.1 建立刀轴模型

在进行有限元分析之前，需对建立刀轴模型，由于圆盘剪两侧刀盘关于设备剪切中心线对称布置，因而只对一侧建立刀轴模型。由于上、下刀轴结构形式极其相似，因此有限元分析过程仅以下刀轴为例。

利用SolidWorks建立圆盘剪下刀轴模型，导入Ansys Workbench中。综合考虑有限元网格划分特点及计算机性能，需对模型做必要简化，其中轴承简化为内圈、滚子和外圈三部分。网格单元大小为10 mm。

5.2 定义接触

在结构分析中，接触的定义表示部件之间的相互作用关系，提供了部件之间载荷传递的方法。根据圆盘剪刀轴的结构形式，刀轴分别与轴承内圈、刀垫内圈接触，刀盘侧面与刀垫侧面接触，刀垫另一侧与刀轴轴肩接触。依据机械设计手册，刚-刚接触摩擦因数定义为0.15，圆柱滚子轴承处摩擦因数定义为0.002。

5.3 添加约束及载荷

根据圆盘剪的实际剪切情况，前后双列圆柱滚子轴承为主要支撑件，需在轴承外圈添加Cylindrical Support，即圆柱面约束，同时限制滚子轴向自由度。刀轴上的载荷来源于剪切力，剪切力作用于刀盘上，因此在刀盘上表面施加远程力，方向定义为“-”，表示压力，大小为5 182.3 N。另外，在剪切过程中，刀轴处于旋转状态，故在刀轴传动端施加惯性载荷，即转速，大小为3.18 rad／s。

5.4 求解与分析

求解项主要包括两方面：一是刀轴应力应变分布情况，二是刀轴在轴向和径向的变形情况。刀轴应力应变分布情况如图7中（a）、（b）所示，最大应力应变出现在刀轴与轴承接触处，出现在上表面，大小为7.5896 MPa；刀轴总应变为0.0075484 mm；刀轴径向最大变形量约为0.0075484 mm，轴向最大变形量约为0.0047 mm。

图7 有限元分析结果

5.5 优化设计

应用Design Explorer模块调入目标驱动优化工具进行实验设计，设计变量为刀轴各段直径D1～D8，目标变量为刀轴质量M，刀轴的最大应力值、轴向及径向最大变形量为输出参数，分别为T、Dx和Dy。优化模型为

110≤D1≤160

160≤D2≤220

100≤D3≤145

90≤D4≤130

设计变量：

70≤D5≤110

60≤D6≤99

60≤D7≤95

36≤D8≤44

目标函数：Min M｛D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D 8｝Dx≤0.0047

约束条件：Dy≤0.0076 T≤7.5896

实验设计点为100，设计变量为连续变量，以中心组合的实验设计方式［10］，分析计算后的结果如表1所示。

表1 优化设计结果

通过实验结果可知，优化后刀轴的应力应变情况有所改善，优化后的刀轴质量较优化前减少26%，对于减轻设备总体重量，降低成本具有重要意义。

6 总 结

（1）分析了机架开度调整机构、剪刃重叠量调整机构、剪刃侧向间隙调整机构的设计特点及工作原理，并推导出间隙量调整的数学模型，对于计算机构的调整精度及调整范围有借鉴意义。

（2）提出了圆盘剪基本参数的选择及计算方法，明确指出剪切力计算公式的使用条件，分析了剪刃侧向间隙和重叠量对剪切质量的影响，对合理选择工艺参数有重要影响。

（3）根据圆盘剪实际工作状况，提出了圆盘剪刀轴、机架的结构形式及形位公差的设计方法。合理的结构设计及对公差的严格控制，有效减少刀具磨损，使换刀方便、高效，保证了高精度剪切。

（4）应用有限元分析软件，对刀轴强度及刚度进行分析，分析结果表明，最大应力出现在刀轴与轴承接触处。因此，对于刀轴的设计与改进中，轴承安装处的轴径应尽量大些，同时尽可能减少剪切端刀轴的悬伸量。

（5）刀轴优化结果显示，刀轴在保证较高强度与刚度的同时，很大程度上减少刀轴质量，对于缩小设备尺寸，减轻设备重量，降低成本具有重要意义。

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