胡東倉(cāng)，吳永杰，劉渭苗，趙流韻

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 陜西西安 710061)

0 前言

近年來(lái)，隨著冷帶生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，冷帶成品質(zhì)量得到了大幅度提升。為進(jìn)一步追求高品質(zhì)板帶產(chǎn)品，用戶對(duì)冷帶邊部質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。為保證帶鋼邊部質(zhì)量，一般會(huì)利用圓盤剪設(shè)備對(duì)軋制后的帶鋼進(jìn)行切邊處理。然而，帶鋼在經(jīng)圓盤剪切邊后，切邊斷面毛刺缺陷明顯[4-6]，嚴(yán)重影響冷帶產(chǎn)品的成品質(zhì)量。因此，解決冷帶切邊斷面的毛刺缺陷問(wèn)題就成為進(jìn)一步提升板帶整體質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于切邊質(zhì)量問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了較多的研究，比較典型的有，趙干波[7]等通過(guò)總結(jié)重卷拉矯機(jī)組切邊圓盤剪的減壓環(huán)與刀盤配對(duì)、刀盤和裝配等方面的問(wèn)題，提出了一些提高重卷圓盤剪切邊質(zhì)量的措施；王飛[8]等擬合出切邊寬度系數(shù)計(jì)算多項(xiàng)式，并通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造實(shí)現(xiàn)了切邊寬度的自動(dòng)設(shè)定；白振華[9]等提出了一套帶鋼切邊質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，并開發(fā)出圓盤剪間隙量與重疊量綜合優(yōu)化設(shè)定技術(shù)。但這些研究均是從工藝上對(duì)圓盤剪設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以達(dá)到提高切邊質(zhì)量的目的。但由于圓盤剪的工作原理，帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷是無(wú)法避免的，圓盤剪工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)只能盡可能的降低毛刺缺陷，而不能從根本上消除毛刺缺陷。因此，本文設(shè)計(jì)了一套新型冷帶邊部修磨機(jī)。

1 新型冷帶邊部修磨機(jī)的設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)冷帶生產(chǎn)的實(shí)際情況，以及圓盤剪切邊過(guò)程的設(shè)備及工藝特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的冷帶邊部修磨機(jī)構(gòu)能夠線上使用的同時(shí)，還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)帶鋼切邊現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境的復(fù)雜性要求帶鋼邊部質(zhì)量修磨裝置具有小巧靈活的特點(diǎn)；

(2)能夠滿足精整產(chǎn)品的多樣性，適應(yīng)帶鋼規(guī)格的變化；

(3)修磨裝置與帶鋼切邊截面的貼合角度能夠任意調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同剪切參數(shù)下，帶鋼撕裂區(qū)與切斷區(qū)之間的角度變化；

(4)具備“隨動(dòng)性”，即使在帶鋼出現(xiàn)抖動(dòng)、跑偏的狀況下，依然可以保證修磨質(zhì)量。

1.2 機(jī)構(gòu)組成及原理

根據(jù)新型冷帶邊部修磨機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)冷帶生產(chǎn)設(shè)備的布局結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的新型冷帶邊部修磨機(jī)如圖1所示。主要由磨邊機(jī)構(gòu)、高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等五部分組成。

圖1 新型冷帶邊部修磨機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.1 磨邊機(jī)構(gòu)

磨邊機(jī)構(gòu)是冷帶邊部修磨機(jī)的核心工作機(jī)構(gòu)，通過(guò)磨邊機(jī)構(gòu)可以完成切邊斷面的磨削。如圖2所示，該機(jī)構(gòu)由角件1、電機(jī)軸向固定螺栓2、墊片3、磨輪4、電機(jī)支座螺栓5、平面推力軸承6、電機(jī)支座7、3510電機(jī)8、鋁型材9組成。

該機(jī)構(gòu)中磨輪4的兩端由電機(jī)軸向固定螺栓2、墊片3和平面推力軸承6保證運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。與此同時(shí)，磨輪4通過(guò)鍵D形孔與電機(jī)相對(duì)固定，實(shí)現(xiàn)與電機(jī)6的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，為磨邊機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)矩。

圖2 壓磨機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.2 高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)

高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)分為高度調(diào)整與角度調(diào)整，高度調(diào)整主要是為了確保帶鋼高度和壓磨作用處在同一高度，提高磨削效率；角度調(diào)整主要是為了保證磨輪與撕裂區(qū)毛刺的貼合。如圖3所示，該機(jī)構(gòu)由2020鋁型材1、鋁型材角件2、上面板3、型材固定螺栓4、推桿支架5、推桿銷6、后電動(dòng)推桿7、前電動(dòng)推桿8、大齒輪9、銅柱10、3D打印鉸接件11、銷用塞打螺釘12、鉸接件固定螺釘13、前電動(dòng)推桿固定螺釘14組成。

由前后電動(dòng)推桿升降同樣高度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升下降；當(dāng)前后電動(dòng)推桿上升高度不一致時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)磨邊機(jī)構(gòu)與水平面呈一定的傾斜角度，從而使磨邊的范圍更大，提高帶鋼的質(zhì)量。

圖3 高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.3 水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)

水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)確保切下的碎屑向工作區(qū)外飛去，保證切下的碎屑不影響后續(xù)工藝。如圖4所示，該機(jī)構(gòu)由角件1、鋁型材2、電機(jī)支架固定螺釘3、42步進(jìn)電機(jī)支架4、42步進(jìn)電機(jī)5、法蘭聯(lián)軸器6、頂絲7、螺釘8、小齒輪9、大齒輪10、過(guò)渡板11、轉(zhuǎn)盤軸承12、銅柱13、鋁板連接板14組成。

在該機(jī)構(gòu)鋁板連接板上從下到上依次安裝銅柱、轉(zhuǎn)盤軸承、過(guò)渡板、大齒輪；在鋁板連接板的另一側(cè)依次安裝角件、鋁型材、電機(jī)支架固定螺釘、42步進(jìn)電機(jī)支架、42步進(jìn)電機(jī)、法蘭聯(lián)軸器、頂絲、螺釘、小齒輪，使小齒輪與大齒輪嚙合。轉(zhuǎn)盤軸承可以將壓磨機(jī)構(gòu)、高度調(diào)整機(jī)構(gòu)的重力卸載，是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)。并通過(guò)對(duì)42步進(jìn)電機(jī)編程控制，42步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小齒輪與大齒輪的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨邊機(jī)構(gòu)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.4 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)

隨動(dòng)機(jī)構(gòu)是保持壓磨機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“隨動(dòng)性”的核心機(jī)構(gòu)，通過(guò)該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)帶鋼邊部修磨裝置在帶鋼切邊生產(chǎn)過(guò)程中與帶鋼的實(shí)時(shí)跟隨；同時(shí)，該機(jī)構(gòu)提供壓磨機(jī)構(gòu)對(duì)于帶鋼切面的壓磨力。如圖5所示，該機(jī)構(gòu)由底板、牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓、氣缸固定螺栓、滑臺(tái)氣缸以及由四通、PU管、單向閥、節(jié)流閥、壓力表、消音器、二位五通電磁閥組成的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成。

在該機(jī)構(gòu)中將氣缸固定在底板上，通過(guò)伸縮氣缸實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼邊部的壓緊，確保磨輪始終與帶鋼接觸。氣瓶的可調(diào)壓強(qiáng)為0～0.8 MPa，通過(guò)改變氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的數(shù)值改變壓磨力的大小，相對(duì)于通過(guò)更換彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的壓力更加方便快捷。由牛眼輪、螺母、鋁板連接板、牛眼輪固定螺栓組成的支持機(jī)構(gòu)，提高了鋁板連接板的剛度，使得磨輪壓磨更加平穩(wěn)。

圖5 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.5 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)的主要作用是保證磨邊機(jī)可在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)帶鋼規(guī)格的變化，并給予帶鋼一定的壓磨力，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)裝置修磨角度的調(diào)整。如圖6所示，進(jìn)給機(jī)構(gòu)由手輪 、57步進(jìn)電機(jī)、固定電機(jī)螺釘、電機(jī)支座、聯(lián)軸器、沉頭螺釘、絲桿左支撐板、絲杠、光軸、絲桿右支撐板、軸承、長(zhǎng)滑塊、直線軸承、絲杠螺母、螺栓組成。手輪、57步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠連接，對(duì)57步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程控制或者轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的電動(dòng)或者手動(dòng)的橫向進(jìn)給，而且絲杠傳動(dòng)平穩(wěn)、精確，可以較好的適應(yīng)對(duì)不同寬度帶鋼的修磨。

圖6 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖

2 部件選型與參數(shù)

(1)磨輪。磨輪是修磨機(jī)的核心部件，為保證修磨質(zhì)量，選擇金剛石材質(zhì)，并設(shè)定其內(nèi)徑為10 mm、外徑為25 mm、高度為20 mm。

(2) 轉(zhuǎn)盤軸承。轉(zhuǎn)盤軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)方便、安裝簡(jiǎn)便和維護(hù)容易等特點(diǎn)，能夠同時(shí)承受較大的軸向負(fù)荷、徑向負(fù)荷和傾覆力矩等綜合載荷，本裝置選擇XRU5515轉(zhuǎn)盤軸承。

(3)磨削電機(jī)?？紤]帶鋼與磨輪的接觸壓力與相對(duì)摩擦系數(shù)，綜合現(xiàn)場(chǎng)帶鋼的必要修磨效率和廠家產(chǎn)品的特性曲線，選用帶有27:1減速箱的3510電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩。

(4)絲桿滑臺(tái)。絲桿滑臺(tái)用來(lái)保證裝置整體的進(jìn)給，適應(yīng)不同規(guī)格的帶鋼，驅(qū)動(dòng)方式有用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)手輪驅(qū)動(dòng)兩種方式?，F(xiàn)場(chǎng)的安裝空間是絲桿滑臺(tái)的限制條件，經(jīng)測(cè)量，為保證裝置的進(jìn)給同時(shí)增大承重量，本文選購(gòu)的絲桿滑臺(tái)參數(shù)：

滑臺(tái)材料：全鋁，CNC精加工，表面噴砂，陽(yáng)極氧化；

滾珠絲杠：1605 導(dǎo)程5 mm，即電機(jī)轉(zhuǎn)一圈5 mm；

光軸：標(biāo)配20鍍鉻光軸標(biāo)準(zhǔn)滑塊；

定位精度：重復(fù)定位精度≦0.02 mm；

載重：水平負(fù)載≦600 kN;垂直負(fù)載≦300 kN。

(5)滑臺(tái)氣缸。滑臺(tái)氣缸的目的是確保磨輪始終與帶鋼接觸，提供壓磨力。通過(guò)調(diào)整氣壓，可以改變壓磨力。選擇滑臺(tái)氣缸型號(hào)為MXS12-30。

(6)電動(dòng)推桿。裝置高度和角度的調(diào)整通過(guò)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)推桿參數(shù)：

工作電壓：DC24V；

工作行程：50 mm；

最大推力：180 N；

速度：50 mm/s。

(7)步進(jìn)電機(jī)。修磨機(jī)在軋制平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)步兵電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)參數(shù)：

型號(hào)：42BYGH47-401A；

步距角：1.8°；

機(jī)身長(zhǎng)度：48 mm；

扭矩：0.55 N·m。

經(jīng)過(guò)后期的加工、組裝，研發(fā)出一套新型的冷帶邊部修磨機(jī)，實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 新型冷帶邊部修磨機(jī)實(shí)物圖

3 新型冷帶邊部修磨機(jī)的調(diào)試

新型帶鋼修磨裝置在能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工作環(huán)境的同時(shí)，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)保證了機(jī)構(gòu)與帶鋼貼合磨削，并且通過(guò)楔塊可以針對(duì)性地進(jìn)行角度調(diào)整。

首先通過(guò)控制前后電動(dòng)推桿的伸出長(zhǎng)度調(diào)整上面板的傾斜角度，使修磨機(jī)傾斜角度與帶鋼切邊斷面傾斜角度一致。在帶鋼厚度h、機(jī)組圓盤剪側(cè)隙量s、切邊帶鋼撕裂區(qū)占帶鋼厚度的比例等參數(shù)已知的前提下，上面板的調(diào)整角度可由式(1)確定。

(1)

然后，設(shè)定前電動(dòng)推桿伸出后長(zhǎng)度為l1，后電動(dòng)推桿伸出后長(zhǎng)度為l2，前后電動(dòng)推桿初始長(zhǎng)度為l0，中心距在進(jìn)給方向的投影為x，其關(guān)系如式(2)所示，依據(jù)式(2)調(diào)整電動(dòng)推桿的伸出長(zhǎng)度。

(2)

最后，控制步進(jìn)電機(jī)或者轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，在絲桿和絲桿螺母作用下，進(jìn)給底板及其上方機(jī)構(gòu)一起進(jìn)給，當(dāng)磨輪接觸帶鋼邊部后，二位五通電磁閥得電，滑臺(tái)氣缸伸出，給與帶鋼邊部一定的壓磨力，達(dá)到一定壓磨力后，機(jī)組運(yùn)行，通過(guò)can協(xié)議傳送給3510電機(jī)信號(hào)，磨輪在電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，形成滑動(dòng)摩擦。

當(dāng)帶鋼跑偏，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用會(huì)使壓磨機(jī)構(gòu)始終緊貼帶鋼邊部，保證磨邊的均勻性。同時(shí)，由于平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，磨邊機(jī)構(gòu)可以在軋制平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使切下的碎屑向工作區(qū)外飛去，保證切下的碎屑不影響后續(xù)工藝。

具體調(diào)試流程如圖8所示。通過(guò)試驗(yàn)表明，該套新型冷帶邊部修磨機(jī)的高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)于水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)切邊斷面的精準(zhǔn)修磨，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)保證了修磨過(guò)程的穩(wěn)定性，最終能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷。

圖8 調(diào)試過(guò)程流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一套新型的冷帶邊部修磨機(jī)，該修磨機(jī)的主要機(jī)構(gòu)包括磨邊機(jī)構(gòu)、高度和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、水平角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等五部分。通過(guò)調(diào)試與試驗(yàn)，新型冷帶邊部修磨機(jī)能夠從根本上消除帶鋼切邊斷面的毛刺缺陷，保證了帶鋼邊部質(zhì)量，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。