滾筒式切頭飛剪機(jī)剪切工藝過程分析

柳冉1，高玉田2，潘紀(jì)根2，付江2

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.上海寶山鋼鐵集團(tuán)公司，上海 201900)

摘要：分析了滾筒式熱板坯切頭飛剪機(jī)的“自然位移”參數(shù)(Δz、hj)；確定出不定積分常數(shù)Cj，平移自然位移剪刃側(cè)間隙曲線族，得出了剪切工藝過程剪刃側(cè)間隙恒定的結(jié)論。進(jìn)而闡明了上下剪刃位移間隙的連續(xù)可調(diào)性，可調(diào)雙向性。并確定了熱板坯的斷裂“區(qū)”、“點(diǎn)”及其有關(guān)問題等。

關(guān)鍵詞：切頭飛剪；自然位移；剪切工藝；側(cè)間隙

中圖分類號：TG333文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-02-16；修訂日期：2015-03-24

作者簡介：柳冉(1937-)，男，“外耦滾筒機(jī)構(gòu)協(xié)衡飛剪機(jī)”科研項(xiàng)目總設(shè)計師，該項(xiàng)目獲“世界知識產(chǎn)權(quán)組織中國發(fā)明專利金獎、國家香港《劉永齡科技獎》、 1999 年度國家機(jī)械工業(yè)局科技進(jìn)步特等獎, 1999 年度上海市優(yōu)秀發(fā)明一等獎, 2000 年度國家科技進(jìn)步二等獎”等九項(xiàng)大獎。枊冉在《鋼鐵》、《機(jī)械工程學(xué)報》、《重型機(jī)械》等雜志發(fā)表論文十幾篇。

Cutting process analysis of rotary

LIU Ran1, GAO Yu-tian2, PAN Ji-gen2, FU Jiang2

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710032,China;

2.Baosteel Co.， Ltd.，Shanghai 201900,China)

Abstract：This paper analyzed the natural displacement parameter Δz、hj, determined indefinite integral constant cj and curves of panning natural displacement gap part, and obtained a conclusion that natural displacement gap constant invariableness. Additionally, displacement gap could continuous adjusted and a two-way adjustment is feasible. While crack area and point and other relative issue were determined.

Keywords：

0前言

熱板坯平面圓弧頭曲線SRj與滾筒體剪刃空間類螺旋線LRj的加工關(guān)系在原理上是復(fù)雜的。切頭飛剪是粗糙的中間工藝設(shè)備，須采取簡化技術(shù)方為可行設(shè)計。其簡化點(diǎn)之一是取LRj的曲率半徑Rj=19 330 mm。這樣LRj在板坯平面上的展開曲線SRj從其中央1點(diǎn)P等分為左、右兩半時,等分后的弧長與弦長的絕對差值很小，其相對差趨于零(圖1K向)。例如寶鋼滾筒切頭飛剪的絕對差為0.06 mm，相對差為0.074‰?0。以弦代替弧進(jìn)行分析，不會失去計算精度。

事實(shí)上切頭飛剪機(jī)示意圖1的上下剪刃任意對應(yīng)1點(diǎn)的位移原理，與老式滾筒飛剪的上、下平行直線剪刃，O1、O2共y軸線，原始刀面擴(kuò)展角αk max=180°等確定機(jī)構(gòu)參數(shù)的特征條件相同。因此在給定轉(zhuǎn)角α區(qū)間內(nèi)，公式(7)剪刃側(cè)間隙位移固有余弦函數(shù)曲線Δz(α)在數(shù)理上滿足平移條件。切頭飛剪的創(chuàng)新點(diǎn)，在于沿y軸平移了兩次Δz(α)曲線，是必須的和充分的。但是在已有文獻(xiàn)中未見提出這個問題。

若以下剪刃半徑R1為主導(dǎo)。切頭飛剪分為R1R2型。切頭時先從剪刃LRj中央1點(diǎn)P切入板坯，本文僅對切頭過程進(jìn)行分析。

1寶鋼滾筒式切頭飛剪機(jī)R1

切頭飛剪上下滾筒體都由速比i=1的齒輪進(jìn)行了剛性聯(lián)鎖，那么R1≠R2的上下剪刃如何同時接觸板坯最大厚度hmax須進(jìn)行計算確定。令圖1(圖中數(shù)據(jù)為寶鋼切頭飛剪值，摘自文獻(xiàn)[6])中，α01為同時接觸角，則：

圖1　寶鋼切頭飛剪機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù) Fig.1　 Cutting head shear mechanism parameter of Baosteel

(1)

由α01決定位移區(qū)間的起點(diǎn)。將α01+180°=±α為以X軸的計數(shù)角?！捞柸鐖D1所示。在板坯溫度870 ℃

hj=Hg-(R1+R2)×sin±α

(2)

Δz=(R2-R1)×cos±α

(3)

計算結(jié)果列在表1中,據(jù)此作出圖2的hj(α)和Δz(α)兩條曲線。由表1和圖2看出，剪切段限定區(qū)間250°≤α′≤265.77°。其下限僅差0.23°的α=266°時，hj=-0.31 mm，Δz=-2.09 mm，就是上下剪刃的嚴(yán)重剛性碰撞和干涉。自然位移過程不能用于生產(chǎn)。

公式(2)，(3)的hj(α)和Δz(α)都是原函數(shù)。根據(jù)不定積分定義，沿圖2 Y軸正方向平移Δz(α)曲線(hj(α)是不可平移性曲線)。即令剪切工藝側(cè)間隙平移公式為

表1　寶鋼切頭飛剪機(jī) R 1< R 2位移參數(shù)計算表

Δj=Δz(α)+Cj

(4)

式中，Δz(α)由公式(3)求得，C下標(biāo)j為自然數(shù)，根據(jù)不定積分定理，常數(shù)Cj取不同值時，Δz(α)+Cj都是不同的原函數(shù)(原函數(shù)族)。只要兩個原函數(shù)導(dǎo)數(shù)之差

[Δz(α)+Cj=2]′-[Δz(α)+Cj=1]′=

Δz′(α)-Δz′(α)=0

根據(jù)微分應(yīng)用《定理》，在給定α角區(qū)間內(nèi)，二原函數(shù)之差

[Δz(α)+Cj=2|-|Δz(α)+Cj=1]=常量

(5)

圖2　寶鋼滾筒式切頭飛剪機(jī)R 1

公式(7)是可以平移的余弦曲線，但它的固有斜率太小，在限定α區(qū)間內(nèi)，與x軸形不成交點(diǎn)。但交點(diǎn)是數(shù)理解析問題的關(guān)鍵。寶鋼飛剪取R2-R1=30 mm，把固有斜率線性地放大了30倍，使其成為“陡峭”的近似直線。促使在α區(qū)間內(nèi)，與x軸形成了須用的交點(diǎn)。該交點(diǎn)相關(guān)值的確定可令公式(4)：(R2-R1)×cosα+Cj=0，并以x軸記數(shù)時，則有：

(6)

寶鋼飛剪取Δj(Δz)=0.4 mm，符合剪刃側(cè)間隙的經(jīng)驗(yàn)取值范圍。那么Cj=2=3.6 mm代入公式(6)計算，則α=263.1079°(即圖2Cj=2的Δz(α)曲線與X軸的交點(diǎn)C)。相關(guān)各值見表1。欄Ⅳ第2行Cj=2=3.6 mm的Δj=0是從基準(zhǔn)D點(diǎn)起，連續(xù)調(diào)節(jié)工藝側(cè)間隙大小的終點(diǎn)C。則該二零(交)點(diǎn)的側(cè)間隙值C：[-0.4～ 0]；D：[0～0.4]。定義[C，D]為板坯斷裂閉區(qū)間。在該區(qū)間內(nèi)，任意1點(diǎn)的側(cè)間隙值中恒有與X軸相交1點(diǎn)的Δj=0。

無論C點(diǎn)或D點(diǎn)，在給定α全區(qū)內(nèi)，表1欄Ⅳ兩行任意一點(diǎn)的差，代入公式(5)計算

[Δz(α)+cj=2]-[Δz(α)+cj=1]≡0.4 mm

滿足了理論和實(shí)踐的要求。其幾何意義如圖2所示，取值范圍在上下剪刃位移對應(yīng)點(diǎn)的“距離”恒定的兩條余弦曲線。剪刃側(cè)間隙調(diào)整范圍，cj=3.2～3.6 mm的連續(xù)表達(dá)形式，符合數(shù)學(xué)定理。

1.1[C,D]區(qū)間斷裂點(diǎn)“考證”與分析

1.2剪切工藝側(cè)間隙Δj的調(diào)節(jié)

工藝規(guī)程確定后，一臺切頭飛剪的剪刃工藝側(cè)間隙Δj一般不再變動。上述取常數(shù)Cj=1=3.2 mm，實(shí)際是LRj中央1點(diǎn)p為下剪刃Rj的定位點(diǎn)。它只能軸(R1)向移動。Cj=2=3.6 mm實(shí)際是LRj中央1點(diǎn)p上剪刃Rj的位置。它可以定軸(R2)橫向擺動，也可以軸向移動。Cj=3.2～3.6 mm連續(xù)調(diào)動的目的，主要是在裝配、安裝、更換刀片時實(shí)現(xiàn)Cj=1，Cj=2的準(zhǔn)確位置，以保證二余弦函數(shù)曲線對應(yīng)點(diǎn)剪切工藝側(cè)間隙Δj≡0.4 mm。所以精度要求是雙重的，除Δj大小外，還有對應(yīng)點(diǎn)的位置精度。不過該位置精度與上下剪刃Rj的中心線重合精度要求是一致的。只要后者精度達(dá)到了，Δj也就滿足了。

1.3滾筒式飛剪機(jī)能耗

現(xiàn)場看到的圖2a切頭斷面畸形是R2?R1所致，剪切厚度突破hmax=40 mm的歷史記錄，滾筒飛剪機(jī)剪切板坯厚度hmax≥60 mm時出現(xiàn)的。因?yàn)榧羧芯€速度差太大，造成剪切板坯斷面連續(xù)“滑移”，剪刃一直處在側(cè)間隙為-Δz的壓入板坯過程中。直到逼近試驗(yàn)值時，設(shè)計者使用數(shù)學(xué)、力學(xué)方法進(jìn)行平移側(cè)間隙曲線，造成復(fù)雜應(yīng)力，迫使板坯在預(yù)定位置斷裂。結(jié)果還是壓入滑移段占了全過程的93﹪以上，斷裂段不足7﹪.(連桿式切頭飛剪分別約為60﹪和40﹪。且無因線速度差造成的斷面滑移。)做功能耗過大。尤其在剪切的初級階段，剪刃壓入板坯的面積由小增大，壓強(qiáng)減小，阻力矩急劇增大，作用力的方向連續(xù)變化等整個過程處在動態(tài)中，能量損失嚴(yán)重。此外圖2a板坯寬度為Bs的畸形斷面“嘴”是否有造成二次低溫硬帶頭的可能，應(yīng)與連桿式切頭飛剪進(jìn)行相應(yīng)的測定比較。

圖2所示的間隙曲線等，沒有考慮LRj左、右旋問題。圖1所示的α01角是飛剪區(qū)段傳動輥道標(biāo)高下降量的基準(zhǔn)。

2鞍鋼滾筒式切頭飛剪機(jī)R1=R2型剪切工藝過程分析

這種型式飛剪是由國內(nèi)設(shè)計，與國外合作制造成功的。剪切工藝示意圖與圖1基本相同。不過一個滾筒上兩把剪刀[5]的相位差為90°，與圖1所示的不同。文獻(xiàn)[6]稱[文獻(xiàn)5]滾筒式切頭飛剪為“同周速飛剪”，R1=R2=504 mm。其余參數(shù)[5]Hg=1 000 mm,剪刃最大重合度為8 mm，熱板坯hmax×Bs=40 mm×1 550 mm,板坯圓弧頭半徑Rj=19 330 mm，剪刃平移側(cè)間隙調(diào)節(jié)范圍Cj=0.6～0.9 mm，起動工作制。

由于R1=R2，公式(3)不能直接用于該飛剪的計算。在給定α區(qū)間內(nèi)，按滾筒飛剪機(jī)固有余弦函數(shù)曲線斜率進(jìn)行計算。令A(yù)=1(mm)，則

Δz=A·cosα

(7)

將該型飛剪的相關(guān)數(shù)值代入公式(1)、(2)、(7)、(4)、(5)進(jìn)行計算，結(jié)果列見表2，據(jù)此做出圖3。分別將平移值Cj=1=0.6 mm和Cj=2=0.9 mm代入(4)式計算，將兩次的結(jié)果按公式(5)求差值，任意對應(yīng)一點(diǎn)的Δj≡0.3 mm(見表2第Ⅳ欄)。

該型飛剪確定定位點(diǎn)的自由度大，可以選定下剪刃或上剪刃只做軸向移動，另一剪刃做雙向調(diào)動。這種型飛剪國內(nèi)多處使用。

圖3　鞍鋼滾筒式切頭飛剪機(jī)R 1=R 2 Fig.3　 Rotary cutting head flying shear of Ansteel

給定剪刃半徑R轉(zhuǎn)角α或-α/(°)待切入板坯高度hj(或剪刃重疊量-h,開口度h)/mm剪刃自然位移側(cè)間隙ΔZ/mm剪刃工藝側(cè)間隙公式Δj=ΔZ(α)+CjCj=1=0.6mmCj=2=0.9mmⅠⅡⅢⅣ25241.33503157-0.3090169940.2909830060.590983006252.2472140-0.3049106750.2950893250.59508932525336.04480599-0.2923717050.3076282950.607628295……………2621.809786708-0.1391731010.4608268990.760826899262.7766310-0.1257378730.4742621270.774262127263-0.486520854-0.1218693430.4781306570.778130657……………270-800.60.9……………277-0.4865208540.1218693430.7218693431.0218693432781.8097867080.1391731010.7391731011.039173101……………28736.044805990.2923717050.8923717051.192371705287.75279400.3049106750.9049106751.20491067528841.335031570.3090169940.9090169941.209016994

武鋼熱連扎廠切頭飛剪機(jī)也是從日本引進(jìn)，屬于R1=R2型。但曾按R1>R2型做了分析，得出了可行結(jié)論。

3結(jié)論

(1)分析了引進(jìn)的滾筒式熱板坯切頭飛剪機(jī)設(shè)計理論，對上下剪刃任意點(diǎn)的剪切板坯高度hj=hj(α)和自然位移剪刃側(cè)間隙Δz=Δz(α)進(jìn)行了計算；

(2)得出了剪切工藝過程剪刃側(cè)間隙恒定的結(jié)論；

(3)上下剪刃位移間隙是連續(xù)可調(diào)的。

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