景群平,張勇安,許展望,王曉慧

(1.中國重型機械研究院有限公司,陜西 西安 710032;2.太原科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院,山西 太原 030024)

1 概述

切邊圓盤剪是金屬板帶精整作業(yè)線的核心設(shè)備之一。由中國重型院設(shè)計、制造并成套的高精度全自動切邊圓盤剪已成功應(yīng)用于寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠精整線,其自動化程度、調(diào)整精度、設(shè)備制造水平及切邊質(zhì)量等已經(jīng)達(dá)到國外同類設(shè)備水平。

用戶對圓盤剪的調(diào)整越來越傾向于全自動調(diào)整。全自動調(diào)整是指帶材參數(shù)的自動傳輸,調(diào)整目標(biāo)值的自動計算,調(diào)整位置自動反饋,調(diào)整過程的邏輯控制。而重疊量調(diào)整精度、側(cè)向間隙調(diào)整精度以及刀盤側(cè)向間隙在旋轉(zhuǎn)運動過程中的穩(wěn)定性 (即刀盤端面跳動保證在一定范圍內(nèi))是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。

文獻(xiàn)[1,2]綜合分析了影響圓盤剪重疊量調(diào)整精度的諸多因素,給出了高精度圓盤剪重疊量調(diào)整的控制方法。本文根據(jù)影響上、下刀盤端面跳動精度的各個零件形位公差的因素結(jié)合機械設(shè)計及制造、傳感器位置檢測與電氣控制,探討了提高側(cè)向間隙精度和穩(wěn)定性的措施,給出了影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計算方法。

2 側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)原理分析

2.1 側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)

側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)如圖 1所示,調(diào)整裝置安裝在上刀軸箱上,采用高剛性的直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向元件,通過變頻調(diào)速齒輪馬達(dá)驅(qū)動滾珠絲杠使螺母升降帶動斜楔塊上下移動,而斜楔塊將直線導(dǎo)軌滑塊的直線運動方向改變 90°,從而使得上刀軸產(chǎn)生水平移動,達(dá)到調(diào)節(jié)刀刃側(cè)向間隙的目的。

圖 1 側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)原理示意圖

2.2 側(cè)向間隙調(diào)整的電氣控制方法

影響側(cè)間隙調(diào)整精度的重要因素之一是傳動鏈中的機構(gòu)間隙。消除機構(gòu)運動間隙的方法在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)描述。

切邊圓盤剪的操作側(cè)和傳動側(cè)的側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)的驅(qū)動馬達(dá)分別由兩臺變頻調(diào)速電機驅(qū)動,采用變頻調(diào)速裝置控制,調(diào)整的起始階段采用較高速度,接近目標(biāo)值時,以較低的速度逼近目標(biāo)值,可全自動完成整個調(diào)整過程。

在上位計算機或觸摸屏上設(shè)定和顯示圓盤剪側(cè)間隙調(diào)整電機的傳動參數(shù)和側(cè)間隙的調(diào)整值。圖 2為側(cè)間隙調(diào)整的電氣控制系統(tǒng)框圖。上位計算機或觸摸屏通過網(wǎng)絡(luò)通訊傳送帶材的參數(shù)給可編程控制器,可編程控制器按照數(shù)學(xué)模型計算出側(cè)間隙的目標(biāo)值,并和檢測元件測量的實際值進(jìn)行比較,通過變頻器控制電機,實現(xiàn)側(cè)間隙的調(diào)整。

圖 2 側(cè)向間隙調(diào)整的電氣控制系統(tǒng)框圖

3 關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計

3.1 影響切邊質(zhì)量的因素分析及相關(guān)指標(biāo)的檢測方法

板帶材的剪切斷面質(zhì)量與側(cè)向間隙調(diào)整精度以及刀盤側(cè)向間隙在旋轉(zhuǎn)運動過程中的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對于不同厚度與不同材質(zhì)(主要指機械性能)的板材,要求圓盤剪有不同的側(cè)向間隙值與其相對應(yīng)。圓盤剪的側(cè)向間隙值能保證刀軸的軸向竄動和刀盤的端面跳動控制在一定范圍內(nèi)。

在工程實踐中,刀軸的軸向竄動是通過裝配預(yù)緊來保證,其測量方法是將千分表的觸頭頂在刀軸軸端,用撬杠軸向撬動刀軸,軸向前后撬動力約 1 000 N,計量千分表最大差值。對于上、下刀盤端面跳動的測量分別以上、下刀軸的軸線為旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸線,將千分表的表座固定在機架的適當(dāng)位置,千分表的觸頭頂在刀盤端面的最外端,旋轉(zhuǎn)刀軸,計量千分表的最大差值。

3.2 關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計方法

裝配零件位置關(guān)系的傳統(tǒng)設(shè)計方法為建立裝配尺寸鏈[3],用圖形來描述位置關(guān)系,由于位置涉及不同的方向,因此畫出的尺寸鏈圖較復(fù)雜,也很容易把位置關(guān)系搞錯,對于復(fù)雜裝配體更是如此。裝配尺寸式[4]是一種描述裝配尺寸或位置關(guān)系的新方法,該方法不需繪圖、建立尺寸或位置關(guān)系方便,便于計算機輔助設(shè)計等特點。圖 3為圓盤剪的上下刀軸裝配示意圖,圖中共有 13個裝配要素,即:A2為上刀剪切面,B2,3為上刀盤與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),C3,1為上主軸與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),D1,4為上主軸軸頸與軸承內(nèi)孔的裝配基準(zhǔn)軸線,M4,5為上偏心套與軸承的裝配基準(zhǔn)軸線;H5,6為上偏心套與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線,K6,7為機架上孔與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線,E11,8為下主軸軸頸與軸承內(nèi)孔的裝配基準(zhǔn)軸線,J12,11為下偏心套與軸承的裝配基準(zhǔn)軸線,P13,12為下偏心套與銅套的裝配基準(zhǔn)軸線;Q7,13為銅套與機架的裝配基準(zhǔn)軸線;G10,9為下刀盤與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn),也是下刀盤的剪切面;F8,10為下主軸與隔環(huán)的裝配基準(zhǔn)。

經(jīng)分析,圖 3中描述封閉環(huán)與組成環(huán)位置關(guān)系的裝配尺寸式如下:

圖 3 上、下刀軸裝配示意圖

式中,A2∥B2,3為零件 2(上刀盤)兩個端面的平行度;A2↗D1,4為剪切面 A2對其刀軸軸線 D1,4的跳動;同理類推。

由于零件 6、13與零件 7是過盈裝配,公式(3)可以簡化為 (同時將下標(biāo) 6與 13改為 7),即

3.3 算例

本文以上、下刀盤剪切面端面跳動誤差為0.005 mm、上、下刀軸空間平行度 0.02 mm為目標(biāo)來確定相關(guān)零件的形位公差。

公式 (1)、(2)與公式 (3)建立的裝配尺寸式描述了封閉環(huán)與組成環(huán)的位置關(guān)系,據(jù)此可以計算確定相關(guān)組成環(huán)的位置公差,包括尺寸式計算[5]與公差分配兩部分內(nèi)容。

圓盤剪參數(shù):刀盤直徑 320 mm;隔環(huán)直徑250 mm;上刀軸軸肩距離后支撐軸承 395 mm。

根據(jù)文獻(xiàn) [6]中的 GB/T 1184-1996,查得:δ(A2∥B2,3)=0.005 mm,δ(B2,3∥C3,1)=0.004 mm,δ(C3,1↗D1,4)=0.004 mm。引入調(diào)整系數(shù) k1,根據(jù)概率法計算與上、下刀盤端面跳動有關(guān)零件的形位公差如下。

同樣,根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的 GB/T 1184-1996,并引入調(diào)整系數(shù) k2,根據(jù)概率法計算與上、下刀軸空間平行度有關(guān)零件的形位公差如下。

到此,影響剪刃端面跳動及剪切面平行度的全部零件的位置公差全部確定完,即按照該位置公差對零件進(jìn)行加工,裝配后能夠滿足剪切面端面跳動不大于 0.005 mm,上下刀盤剪切面平行度不大于 0.02 mm。

4 結(jié)論

該切邊圓盤剪已在國內(nèi)幾個主要大型鋼鐵企業(yè)如寶鋼冷軋廠、鞍鋼冷軋廠等成功推廣應(yīng)用了八套,取得了良好的效果。通過工程實際應(yīng)用,切邊圓盤剪的側(cè)向間隙及其精度有如下結(jié)論。

(1)采用側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)可以實現(xiàn)大速比傳動,目前工業(yè)應(yīng)用中的幾臺圓盤剪側(cè)向間隙調(diào)整綜合精度可與國外圓盤剪相媲美;

(2)基于上、下刀盤端面跳動精度的關(guān)鍵零件形位公差的設(shè)計方法,保證了剪切高端板材對圓盤剪刀盤端面跳動的高要求;

(3)提出影響上、下刀軸空間平行度的各零件形位公差的計算方法,保證了重疊量調(diào)整精度的穩(wěn)定性。

[1] 許展望,張勇安,景群平等.高精度圓盤剪重疊量調(diào)整控制方法的研究 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,(21):161-163.

[2] 景群平,張勇安,王社昌等.冷軋板帶材切邊圓盤剪重疊量調(diào)整方法探討[J].重型機械,2008,(1):35-39.

[3] 顧崇銜.機械制造工藝學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1980:89-95.

[4] 王曉慧,李改全,吉慧琴.裝配尺寸式的研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2008,15(3):170-172.

[5] 王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:172-173.

[6] 重型機械標(biāo)準(zhǔn)第 1卷[M].云南:云南出版集團公司,2008,349-350.