閆 丹

(西馬克技術(shù)(北京)有限公司上海分公司 上海 200083)

1 前言

剖分剪用于精整線剪切區(qū)域內(nèi)，將經(jīng)過矯直、切頭、切邊后的成品帶鋼沿寬度方向進行剖分，經(jīng)過剖分后的兩片帶鋼仍為成品，其邊部切口質(zhì)量滿足成品要求[1]。目前，市場除了對帶鋼產(chǎn)品剪切質(zhì)量要求很高，對產(chǎn)品規(guī)格(帶鋼寬度尺寸及精度)要求也在不斷增加，這就要求剖分剪有著更好的工作性能和控制精度。因此現(xiàn)代化的剖分剪刀頭配備了伺服電機驅(qū)動的間隙重合量調(diào)整系統(tǒng)，能夠自動高效快速的調(diào)整剪刃間隙及重合量，既能保證剪切質(zhì)量，又能調(diào)高機組的生產(chǎn)效率。通常剖分剪上下刀頭裝置安裝在固定的鋼制框架上，不能進行寬度方向上的調(diào)整，導(dǎo)致產(chǎn)品類型單一，限制了機組的生產(chǎn)性能。由于上下刀頭位置分體固定，上下剪刃相對位置無法后期調(diào)整，這就要求提高前期設(shè)備安裝精度，加大了安裝難度。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計空間的局限性，在帶鋼連續(xù)生產(chǎn)過程中，在剖分剪不投入使用的情況下，可能會由于機組張力不穩(wěn)定造成設(shè)備與帶鋼下表面劃擦損傷。

改進后的剖分剪由于采用上下分體的刀頭驅(qū)動裝置，可實現(xiàn)更為靈活的剪切寬度調(diào)整，提高整個機組的綜合性能，從而滿足市場對帶鋼寬度變化范圍較大的需求。在剖分剪不投入使用情況下，可將剖分剪刀頭調(diào)整到離線位置，減少了對帶鋼表面質(zhì)量的不利影響。

2 剖分剪基本結(jié)構(gòu)

圓盤剖分剪基本結(jié)構(gòu)由上導(dǎo)向驅(qū)動裝置1、下導(dǎo)向驅(qū)動裝置2、上刀頭間隙調(diào)整裝置3、上刀頭傳動裝置4、下刀頭重疊量調(diào)整裝置5、下刀頭傳動裝置6、氣動馬達快抬裝置7(見圖1)組成。上下ASC高精度刀頭裝置分別固定在鋼制移動框架內(nèi)，移動框架在上下導(dǎo)向裝置上由各自交流齒輪電機通過滾珠絲杠進行位置調(diào)整，滾珠絲杠末端連接絕對值編碼器，可以對刀頭的位置進行連續(xù)監(jiān)控，具有運動平穩(wěn)、定位準確的特點。上刀頭配有伺服電機驅(qū)動的自動間隙調(diào)整裝置，間隙調(diào)整工作可靠性高，易于操作和維護。下刀頭配有伺服電機驅(qū)動的重疊量調(diào)整裝置，通過控制機械偏心結(jié)構(gòu)運動軌跡，實現(xiàn)重疊量的設(shè)置。

圖1 圓盤剖分剪機構(gòu)示意圖

3 基本結(jié)構(gòu)分析及性能描述

3.1 兩側(cè)板帶剪切寬度調(diào)整裝置

剖分剪上下刀頭安裝分別安裝在可移動的鋼制焊接框架上，在帶鋼兩側(cè)剪切寬度確定后，移動框架在上下導(dǎo)向驅(qū)動裝置作用下，可以帶動上下刀頭裝置精準到達指定位置，定位精度要求控制在0.5mm以內(nèi),否則會影響后期刀頭間隙微調(diào)整。

剪切寬度調(diào)整裝置，如圖2所示，由交流齒輪電機1、聯(lián)軸器2、精密滾珠絲杠及螺母3、軸向受力軸承4、導(dǎo)向軌道5、滾動輪及滑塊6、側(cè)導(dǎo)輪7、絕對值編碼器8、上移動框架9、下移動框架10等組成。移動框架與滾珠絲杠的螺母螺栓連接在一起，上移動框架裝有四個滾動輪，通過滾動輪滾動沿著導(dǎo)向軌道移動，下移動框架裝有四個滑動塊，可以在線性導(dǎo)軌上移動。在剪切位置調(diào)整時，低速大扭矩的齒輪電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)移動框架在水平方向的橫移。上移動框架配有四個側(cè)導(dǎo)輪，可以避免上移動框架移動過程中出現(xiàn)擺動的狀態(tài)，以保證運動的平穩(wěn)。滾珠絲杠末端連有絕對值編碼器，通過數(shù)據(jù)反饋到計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)移動框架位置的自動控制，對剪切位置可進行全程監(jiān)控；同時，上移動框架兩側(cè)設(shè)置的測導(dǎo)輪可以避免框架移動過程中出現(xiàn)擺動的狀態(tài)，以保證運動的平穩(wěn)；旋向螺距相同雙螺母通過帶疊形彈簧墊片的螺栓連接在一起，可以消除滾珠絲杠與雙螺母螺紋副兩側(cè)的空程間隙，從而保證移動框架的位置設(shè)置精度。

圖2 剪切寬度調(diào)整裝置

改進后的結(jié)構(gòu)改變了原有剖分剪只能在中間位置等剖板帶的性能，可以根據(jù)不同的板帶剪切寬度要求，在最大與最小極限位置間自動控制移動框架的位置。與改進前相比，機組產(chǎn)能大大提高。

3.2 上刀頭剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)及參數(shù)關(guān)系

西馬克剖分剪采用的是圓刀片，為了確保剪切質(zhì)量，間隙調(diào)整前刀片的軸向跳動及徑向跳動公差要控制在±0.02mm范圍內(nèi)。軸向跳動量越小，剪口越平直，間隙設(shè)置精度越高。

剖分剪的下刀頭在水平方向上位置是固定不變的，間隙調(diào)整是通過調(diào)整上刀相對于下刀的水平方向的相對位置來實現(xiàn)。上刀頭的間隙調(diào)整機構(gòu)如圖3，主要由伺服電機及內(nèi)置編碼器1、齒輪箱2、減速齒輪副3、夾緊裝置4、刀軸5、螺紋導(dǎo)向套6、螺紋導(dǎo)向套7等組成。調(diào)整間隙時，伺服電機通過齒輪箱及小側(cè)隙的減速齒輪副，帶動刀軸在螺紋導(dǎo)向套內(nèi)轉(zhuǎn)動；兩個螺紋導(dǎo)向套具有相同螺旋方向的梯形螺栓，螺距都為4mm。由于螺紋導(dǎo)向套與機架螺栓連接固定在一起，刀軸在旋轉(zhuǎn)時，刀軸上的導(dǎo)向螺栓使刀軸相對于螺紋導(dǎo)向套產(chǎn)生軸向相對位移；刀軸通過止推軸承帶動刀套沿著滑動套產(chǎn)生相應(yīng)軸向移動位移，從而調(diào)整上下剪刃之間水平方向的間隙。兩個螺紋導(dǎo)向套通過帶疊形彈簧墊片的螺栓連接在一起，可以消除螺紋副兩側(cè)的空程間隙，保證伺服電機正反轉(zhuǎn)間隙設(shè)定的準確性。

圖3 上刀頭剪刃間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)

伺服電機轉(zhuǎn)動角度與間隙值是成比例的線性關(guān)系，參數(shù)關(guān)系如下：

導(dǎo)向梯形螺紋螺距：4mm

減速箱傳動比：91

減速齒輪副的傳動比：1.6

間隙調(diào)整裝置的總的傳動比:145.6

每0.01mm的間隙調(diào)整量對應(yīng)伺服電機轉(zhuǎn)角：131.04°

3.3 下刀頭剪刃重合量調(diào)整結(jié)構(gòu)及參數(shù)關(guān)系

剖分剪上剪刃在垂直方向上的工作位置固定，即垂直方向最低點位置，最低點工作位置與機組生產(chǎn)線水平標高齊平。重合量調(diào)整是通過改變下剪刃在垂直方向上的位置，實現(xiàn)上下剪刃在垂直方向上間距的調(diào)整。

下刀頭的重合量調(diào)整機構(gòu)如圖4，主要由伺服電機1、齒輪箱2、銷軸3、偏心套4、機械連桿機構(gòu)5、下刀架6等組成。調(diào)整重合量時，伺服電機通過齒輪箱，使偏心套相對銷軸軸線回轉(zhuǎn)一個角度，直接帶動機械連桿機構(gòu)動作，從而使裝夾下刀頭的下刀架相對固定鉸接點回轉(zhuǎn)一個角度，也就是改變了下剪刃在垂直方向上的位置。

圖4 下刀頭剪刃重合量調(diào)整結(jié)構(gòu)

重合量與伺服電機轉(zhuǎn)動角度不是成比例關(guān)系的線性關(guān)系，電機轉(zhuǎn)動角度與重合量調(diào)整量的關(guān)系為：

重合量0時標定編碼器零點位置，對應(yīng)伺服電機轉(zhuǎn)角：0°。

重合量由0調(diào)整到最小重合量-1.291mm時，對應(yīng)伺服電機轉(zhuǎn)角：-5°。

重合量由0調(diào)整到最大重合量+0.985mm時，對應(yīng)伺服電機轉(zhuǎn)角：+4°。

3.4 剖分剪刀架及刀頭結(jié)構(gòu)

圓盤剖分剪的上下兩個機架都是焊接鋼制結(jié)構(gòu)，上下刀軸、導(dǎo)套、刀盤、重合度調(diào)整機構(gòu)都裝在機架上，如圖5所示。

上下刀軸都為懸臂式結(jié)構(gòu)，上下刀軸3&14上裝有兩套承受徑向力圓柱滾珠軸承5&7和一套承受軸向力的止推軸承6，刀軸套在刀軸及軸承外側(cè)，通過與端蓋16的螺栓連接和刀軸及內(nèi)部軸承構(gòu)成一個運動整體，是固定刀盤13的主要部件。通過調(diào)整刀軸套內(nèi)端部鎖緊機械螺母15和外部端蓋的位置，保證刀軸套內(nèi)部元件軸向間隙為0，間隙調(diào)整時刀軸套可以在刀軸及止推軸承的帶動下沿著滑動套8實現(xiàn)雙向軸向移動。由于軸向間隙為0，可以實現(xiàn)間隙調(diào)整的高精度控制。刀軸套局部外圈設(shè)計為輪齒結(jié)構(gòu)，來自傳動裝置的驅(qū)動，經(jīng)過兩個輪齒嚙合減速后，通過刀套輪齒帶動刀軸套旋轉(zhuǎn)。

圖5 刀架及刀頭結(jié)構(gòu)

刀頭由液壓鎖緊螺母9、橡膠襯環(huán)10&11&13、刀盤12組成。它利用液壓螺母鎖緊力將刀盤壓靠在刀軸套的軸肩上，從而實現(xiàn)刀盤與刀軸套的同步旋轉(zhuǎn)。拆裝刀盤時,只需松開鎖緊螺母,便可拆裝和更換橡膠襯環(huán)、刀盤等,操作方便快捷，時間短、效率高[2]。

橡膠襯環(huán)分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)，內(nèi)橡膠襯環(huán)套在刀軸套軸肩根部，起到軸向定位上剪刃，同時壓緊和穩(wěn)定帶鋼的作用。外橡膠襯環(huán)套裝在刀軸套上剪刃的外側(cè)，起到支撐帶鋼剪切邊部、防止外側(cè)剪刃劃傷帶鋼表面、提高剪切質(zhì)量的作用。出于優(yōu)化使用性能的角度，要合理選擇上、下橡膠襯環(huán)的直徑[3]，其選擇的關(guān)鍵點在于，刀盤內(nèi)襯膠環(huán)直徑要大于刀盤直徑，寬度要小于刀盤寬度，增大襯膠環(huán)對帶鋼剪切的穩(wěn)定作用的同時，可以避免大壓緊力下外側(cè)剪刃劃傷帶鋼表面。外襯膠環(huán)的直徑要小于刀盤直徑，支撐帶鋼的同時防止帶鋼邊部起鼓彎折，從而提高邊部剪切質(zhì)量。

4 結(jié)構(gòu)及操作模式的改進及效果

針對精整線剪切區(qū)域剖分剪剪切寬度的局限性及上述現(xiàn)有設(shè)備在生產(chǎn)中存在的問題，在保持原有刀頭設(shè)計的前提下，本實用新型提供帶有上下導(dǎo)向驅(qū)動調(diào)整裝置的改進剖分剪結(jié)構(gòu)。通過上下分體導(dǎo)向驅(qū)動橫移裝置的應(yīng)用，可改變原有設(shè)備剪切位置固定的特點，最大程度滿足客戶對產(chǎn)品寬度變化范圍的要求。同時，通過優(yōu)化操作模式，在剖分剪離線模式下可避免設(shè)備對帶鋼下表面帶來的劃傷，減少讓步材或廢品的產(chǎn)生，從而增加產(chǎn)品成材率。由于實現(xiàn)了剪切位置動態(tài)調(diào)節(jié)性能，也可以減少前期現(xiàn)場設(shè)備安裝難度。

4.1 完善上刀頭提升驅(qū)動裝置

剖分剪中上刀頭的空間上下位置調(diào)整是通過氣動馬達驅(qū)動實現(xiàn)的。上刀頭的離線位置是最上面的極限位置，剖分剪投入使用前，氣動馬達驅(qū)動蝸輪蝸桿減速裝置使上刀頭向下運動，直至到達指定工作位置，即上剪刃最低點與生產(chǎn)線重合。在剪切時，當(dāng)板帶厚度臨近極限值或板型有波浪時，上刀頭會向上有個微小的位置移動，這是由于氣體壓縮變形引起的，因此采用液壓馬達代替氣動馬達驅(qū)動的方案。這個改進方案無需改變刀頭的主體設(shè)計，又能保證設(shè)備的使用性能。

4.2 增設(shè)上下導(dǎo)向驅(qū)動調(diào)整裝置

當(dāng)客戶對機組產(chǎn)能要求大幅提高時，單純通過完善設(shè)備功能，提高換刀效率已經(jīng)不能滿足要求，只能通過增設(shè)上下導(dǎo)向驅(qū)動裝置來實現(xiàn)。雖然這種措施大幅增加了加工制造成本，卻是解決產(chǎn)能問題最有效的方法。想要在固定框架上添設(shè)驅(qū)動導(dǎo)向裝置就必須面對兩個難點:移動框架空間緊湊及如何保證定位精度及平穩(wěn)性。

上下刀頭裝置及馬達快抬裝置固定在上下移動框架內(nèi)，移動框架的結(jié)構(gòu)尺寸既要保證原有刀頭裝置的安裝尺寸，尺寸又不能太大，否則機構(gòu)受力狀態(tài)下容易產(chǎn)生扭曲變形，導(dǎo)致框架移動過程中跑偏。

在剪切位置調(diào)整時，低速大扭矩的齒輪電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)移動框架在水平方向的橫移。上移動框架配有四個側(cè)導(dǎo)輪，可以避免上移動框架移動過程中出現(xiàn)擺動的狀態(tài)，以保證運動的平穩(wěn)。滾珠絲杠末端連有絕對值編碼器，通過數(shù)據(jù)反饋到計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)移動框架位置的自動控制，對剪切位置可進行全程監(jiān)控；同時，上移動框架兩側(cè)設(shè)置的測導(dǎo)輪可以避免框架移動過程中出現(xiàn)擺動的狀態(tài)，以保證運動的平穩(wěn)；旋向螺距相同雙螺母通過帶疊形彈簧墊片的螺栓連接在一起，可以消除滾珠絲杠與雙螺母螺紋副兩側(cè)的空程間隙，從而保證移動框架的位置設(shè)置精度。

4.3 優(yōu)化剖分剪的操作模式

在原始剖分剪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的空間限制，下刀頭最低調(diào)整位置距離帶鋼下表面距離只有25mm。在剖分剪不投入使用的操作模式下，如果帶鋼張力不穩(wěn)定或帶鋼板型不好，下刀頭會在板帶下表面產(chǎn)生劃傷等缺陷[4]。

設(shè)計改進后，在機組無剖分要求的工況下，剖分剪可以設(shè)置為離線模式。離線模式下，上刀頭抬起，下刀頭落下。隨后，齒輪電機驅(qū)動滾珠絲杠，將移動框架移動至離線位置。離線位置的刀頭不會對帶鋼表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，同時減少了對刀片的磨損。

5 結(jié)論

系統(tǒng)地敘述了精整線剖分剪結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，滿足了先進、高效、節(jié)能要求的的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)精整線原有剖分剪使用性能受限的問題，通過改進機械設(shè)計及增設(shè)輔助設(shè)備等方式，提出了解決問題的措施。改進后的剖分剪，保持了原有設(shè)計的剪切質(zhì)量，增加了刀片使用壽命，減少了產(chǎn)品的廢品率。該結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的經(jīng)濟效益是十分可觀的，不僅適應(yīng)了產(chǎn)品需求的變化，同時大幅度的提高了機組的生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)企業(yè)的升級改造提供一種新思路，對鋼鐵工業(yè)的技術(shù)進步有積極促進作用。