馬續(xù)創(chuàng)，余慧敏，雷 超，閆玉平，呂陽陽，高麗娜

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西安科正環(huán)境科技有限公司，陜西 西安 710021)

0 前言

在帶鋼連續(xù)生產線上，圓盤剪切邊產生的連續(xù)廢邊常采用碎邊工藝方式進行處理[1-3]。上世紀70年代到80年代，國內碎邊剪剪刃主要采用單滾筒平行布置平直刀和雙滾筒傾斜布置平直刀兩種形式。單滾筒平行布置平直刀的碎邊剪剪切沖擊大，噪聲大，剪刃壽命低；采用雙滾筒傾斜布置平直刀形式碎邊剪剪切平穩(wěn)，噪聲小，剪刃壽命高，但是受齒輪傳動間隙、鍵傳動間隙和剪刃結構及布置方式的影響，其剪刃側間隙無法調整到較小值，因此通常只用于厚度大于2 mm的機組[4-5]。

關于齒輪傳動間隙，方盛年[6]對碎邊剪切機減速箱的斜齒輪旋向選擇原則和主副齒輪消隙方法進行研究分析。關于鍵傳動間隙，中國重型機械研究院股份公司(中重院)實踐經(jīng)驗證明鍵傳動的配合間隙會造成剪刃側間隙的波動，應將傳動鍵用定位銷固定。關于剪刃布置方式的缺陷，上世紀80年代末到90年代初，陳祥生、薛培、趙振彥先后對國外引進的傾斜布置圓弧剪刃雙滾筒碎邊剪的數(shù)學模型、力學計算和結構進行了研究[7-9]。其中薛培還對螺旋剪刃的理論、力學性能進行了研究，但指出當時國內研制其無明顯優(yōu)勢，未查詢到國外應用實例[8]。

此后，國內對傾斜布置圓弧剪刃雙滾筒碎邊剪制造工藝研究并積累了大量實踐經(jīng)驗，在剪切結構上進行了創(chuàng)新。佟恒瑞探討了碎邊剪刀盤加工工藝及參數(shù)計算[10]。劉潘儒研究日本三菱日立的四刃口技術，提供了一種增加有效剪刃的方法[11]。楊增益分析了碎邊剪剪切缺陷產生的原因，并給出了改進措施[12]。孟憲躍將傾斜布置圓弧剪刃的雙滾筒碎邊剪引入到鋁板的碎邊剪切中[13]。冀俊杰對傾斜布置圓弧剪刃的雙滾筒碎邊剪的剪刃曲率半徑、剪切力進行了理論分析，并在側間隙調整機構中使用了主副螺母消隙機構，還在側間隙調整模型中考慮了斜齒輪軸線竄動的影響[14-16]。尤敏設計了一種曲柄滑塊的側間隙調整機構，該機構初始標定困難，但比蝸輪蝸桿結構調整精度高[17]。

但有關螺旋剪刃碎邊剪的研究與實殘較少。2006～2007年比利時CMI M+W設計了一臺螺旋剪刃碎邊剪。2014年，中重院自主設計了螺旋剪刃碎邊剪結構，并于2015年應用于鞍鋼，剪切性能穩(wěn)定，噪聲小，但換刀時三對刀的側間隙難以調整一致。2016年馬鞍山恒泰重工對自主開發(fā)螺旋剪刃的制造工藝申請了專利[18]。

目前已初步解決了螺旋剪刃碎邊剪的理論研究、結構設計、制造工藝等問題，且該剪切技術現(xiàn)場應用效果很好，但在刀片裝配和換刀時遇到很大的困難，限制了其推廣應用。故如何解決該問題，成為該發(fā)展該技術的難點。本文提出將刀具微動技術和螺紋消隙技術應用于螺旋剪刃的側間隙一致性調整的設想，并進行了分析。

1 螺旋剪刃曲線與側間隙獨立微調難題

1.1 螺旋剪刃理論曲線

如圖1所示為某螺旋剪刃的三維圖，其圓柱底半徑R0=80 mm，其螺旋線與圓柱直母線的夾角φ=30°，導程h=2πR0/tanφ=870.62 mm，沿軸線長度H=125 mm。

螺旋剪刃像具有特定升角的斜齒輪的一個齒，齒頂與齒廓的交線為螺旋線，如圖2所示為螺旋剪刃空間曲線，并建立如圖所示的坐標系。

圖2 螺旋線剪刃空間曲線

圖3 螺旋剪刃展開曲線

螺旋剪刃曲線的參數(shù)方程為

其中，左旋為“-”，右旋為“+”。

左旋螺旋剪刃曲線的向量表達式為

右旋螺旋剪刃的向量表達式為

1.2 螺旋剪刃側間隙的獨立微調整

自動側間隙調整機構對三對螺旋剪刃的側間隙同時進行調整。而單獨調整某對螺旋剪刃的側間隙需要手動調整。某螺旋剪刃獨立調整機構如圖4所示，下剪刃固定，上剪刃通過一對推拉螺栓被軸向調整，從而改變對應剪刃組的側間隙。

圖4 螺旋剪刃裝配三維圖

一般以其中某對剪刃的側間隙為基準，手動調整另外兩對剪刃的側間隙。原設計采用M8粗牙螺紋的推拉螺栓軸線調整上螺旋剪刃以調整側間隙。M8粗牙螺紋的螺距是1.25 mm，也就是每旋轉一圈，剪刃沿軸向移動1.25 mm，側間隙變化0.625 mm。而對于薄帶鋼往往需要其厚度5%～10%左右的側間隙，如0.2 mm厚的帶鋼需要0.01～0.02 mm的側間隙。要調整到該范圍內，側間隙調整精度需要到0.01 mm，刀片軸向調整精度需要到0.02 mm，如圖5所示。M8螺紋需要旋轉的角度為5.76°。即 0.02÷1.25×360°=5.76°

圖5 上剪刃軸向目標精度與側間隙目標精度的幾何關系

然而這對螺栓的旋轉是非常困難的。這里假設螺栓的旋轉精度為60°，也就是說旋轉角度α往往在0.00°～60.00°之間，假設其為正態(tài)分布。利用EXCEL工具的函數(shù)AVERAGE()、STDEV()、NORMDIST()，分別計算角度α算術平均值、標準差和正態(tài)分布累積值如表1所示。由表1可知角度在0°～5.76°的累積概率為8.09%。

8.09%的成功概率過低，不能滿足使用要求，成為阻礙螺旋剪刃碎邊剪推廣應用的一大難題。

表1 正態(tài)分布計算表

2 螺旋剪刃側間隙的獨立微調方法

常規(guī)的螺旋剪刃側間隙微調方法往往是斜楔法、蝸輪蝸桿法和曲柄滑塊法。斜楔法是采用斜楔、圓弧板等將一個方向的位移縮小若干倍轉換到另一個方向，如機械安裝工程中的斜墊鐵組找正技術、23輥矯直機的斜楔微調裝置。蝸輪蝸桿升降機利用其大傳動比來實現(xiàn)微調，如五輥矯直機蝸輪蝸桿升降機微調裝置和碎邊剪側間隙整體調整裝置。曲柄滑塊利用偏心軸旋轉不同角度而產生微小位移，如尤敏設計的新型碎邊剪側間隙調整機構[17]。

但斜楔法、蝸輪蝸桿法和曲柄滑塊法等三種方法都需要設計一套運動機構才能實現(xiàn)微調的目的。對已配置一套側間隙整體調整機構的碎邊剪大大增加其機構負擔。故設計一套簡單易行的側間隙獨立微調機構顯得更為實際可行。

本文引入螺距差微動技術和螺紋消隙技術，對原有結構做出較小的變動便可實現(xiàn)單對螺旋剪刃的微動。

2.1 螺距差微動技術

利用螺距差微動技術，可提高刀具的調整精度[19-20],其結構示意圖如圖6所示。

具體的實施方法：固定塊1和微動塊4內設置螺紋，雙頭螺柱2兩端的螺紋螺距不同，分別與雙頭螺柱的兩端螺紋螺距配合。微動塊4與微動部件刀具5連接。使用時，通過刻度環(huán)3轉動雙頭螺柱。因其兩端的螺距不相同，所以在固定塊和微動塊內旋進和旋出的長度是不相同的，螺距差由微動塊的微動量來補償，即微動塊4移動，從而帶動刀具移動。固定塊固定在基體上不動，微動塊4在調節(jié)過程中與基體可以相對移動，當移動完成之后與基體鎖緊在一起即可。鎖緊就需要用到螺紋消隙技術。

圖6 微動刀具結構示意圖

2.2 螺紋消隙技術

由于螺紋副配合間隙的存在，在剪切時刀具受軸向力作用可能會發(fā)生錯動，破壞調整好的剪刃側間隙。要消除螺紋副間隙，一方面應考慮選擇更小螺紋間隙的螺紋形式，降低螺紋副本身間隙帶來的誤差；另一方面應考慮螺紋消隙的合理方法。

螺紋聯(lián)接按螺紋的配合及其在使用上的要求，可分為三類：第一類為普通螺紋；第二類為過渡配合螺紋；第三類為傳動螺紋[21]。普通螺紋間隙較大，過渡配合螺紋螺紋間隙較小，傳動螺紋主要用在傳遞力的場合。故可采用普通螺紋的精密級或過渡配合螺紋來減小螺紋自身的間隙大小。

工程上有預緊力和相位差螺紋兩種消隙方式。預緊力消隙是傳統(tǒng)的消隙方法，其原理是通過預緊力制造相位差，使螺栓或螺桿在兩側內螺紋的拉力下達到平衡與軸向力的雙向自鎖。其應用十分廣泛，如周文浩介紹的工程中常用的七種預緊力消隙的結構[22]和阮祥偉的預緊力消隙防止軋輥竄動的案例[23]。相位差螺紋消隙方法是新方法，其原理是利用同一螺桿上具有相位差的兩段外螺紋，分別與同一內螺紋的上螺旋面和下螺旋面產生正壓力、從而造成軸向力的雙向自鎖，如任鳳玲的相位差螺紋線消隙技術在調諧裝置上的應用[24]。碎邊剪傳動齒輪中的相位差消隙方法，與相位差螺紋消隙原理相同。兩種消隙方式都可以解決當前上剪刃調整中出現(xiàn)的螺紋間隙。預緊力實施起來更為方便，故優(yōu)先選擇預緊力消隙方式。

2.3 螺旋剪刃側間隙獨立微調方案

根據(jù)螺距差微動原理和預緊力消隙方法對原有機構改造的螺旋剪刃獨立微動機構如圖7所示。

圖7 螺旋剪刃微動機構方案

該機構由上剪刃、雙頭螺栓、推螺栓、鎖緊螺、端蓋、刻度環(huán)等組成。其中推螺栓用來粗調整上剪刃軸向位置；雙頭螺栓用來精調上剪刃軸向位置；刻度環(huán)用來記錄調整角度；鎖緊螺母用于預緊力消隙，防止推螺栓松動。端蓋與上刀軸連接在一起，固定不動。微調上剪刃時，雙頭螺栓順時針轉動一圈，雙頭螺栓向向右移動1.5 mm，上剪刃相對雙頭螺栓向左移動1.25 mm，也就是上剪刃相對端蓋相右移動0.25 mm。假設雙頭螺栓旋轉精度為60°，那么上剪刃向右調整精度為：0.25×60°÷360°=0.417 mm，側間隙的調整精度為0.417/2=0.208 mm，如圖8所示。

圖8 上剪刃調整精度與側間隙調整精度的幾何關系

側間隙調整0.01 mm，雙頭螺栓需要調整角度為0.01×2÷0.25×360°=28.8°。查表1知調整0°～28.8°成功的概率為45.4%。故螺距差技術將調整側間隙0.01 mm的成功率由8.09%提高到也45.4%，大大地提高其成功概率。

另一方面，為減小螺紋副自身間隙，對雙頭螺栓、端蓋、上剪刃、推螺栓、鎖緊螺母的螺紋副特別要求為過渡配合。過渡配合螺紋優(yōu)先公差帶如表2所示，選擇精密使用場合的優(yōu)先公差帶4H/2km。

表2 過渡配合螺紋優(yōu)先公差帶

2.4 螺旋剪刃側間隙獨立微調工藝方法

在螺旋剪刃獨立微動機構的結構基礎上，使用合理的調整工藝，便可以實現(xiàn)螺旋剪刃側間隙的精確調整。

相比普通的預緊力消隙應用場合，螺旋剪刃的消隙，不只要求使用時不發(fā)生松動，還要求螺紋間隙消除過程中，盡可能小的對剪刃側間隙造成影響。

分析剪刃側間隙的影響因素。雙頭螺栓和推螺栓施加預緊力過程中一般存在螺紋副彈性變形和螺紋間隙方向改變兩種不利影響。螺紋副彈性變形量較小，是不可避免的，且可以通過定扭矩預緊的方法來控制其變形量的大小。螺紋間隙方向的改變，對剪刃側間隙的影響較大，應通過合理的調整工藝將其避免。

為避免采用預緊力消隙技術過程中剪刃側間隙的方向發(fā)生改變，應注意確保調整時螺紋副接觸面與工作時的螺紋副接觸面一致；若無法實現(xiàn)接觸面一致，應使預緊力大于工作時的軸向力，確保工作狀態(tài)下有一定的預緊，避免振動或人為導致的松動。

正常工作狀態(tài)下，推螺栓應在剪刃推力、端蓋拉力和螺母拉力下達到平衡與軸向力的雙向自鎖，如圖9a所示。雙頭螺栓應在剪刃拉力與端蓋拉力下達到力平衡與軸向力的雙向自鎖，如圖9b所示。

圖9 推螺栓與雙頭螺栓受力狀態(tài)

為保證利用螺距差調整完側間隙后雙頭螺栓受力方向，應合理控制調整工藝。先將側間隙調整略大于目標值，然后向目標值靠近。在側間隙向更小值調整過程中，雙頭螺栓對上剪刃施加拉力，該拉力與雙頭螺栓正常工作時的受力方向一致。這樣可避免雙頭螺栓受力方向發(fā)生改變引起的螺紋間隙方向改變。

調整雙頭螺栓完成后，先擰緊推螺栓，再擰緊鎖緊螺母。擰緊過程中，由于螺紋副彈性變形的影響，剪切側間隙會發(fā)生輕微變化。故應使用力矩扳手，每次施加同樣大小的預緊力矩，以確保每次擰緊時，對側間隙產生的變化大小是一樣的，以便于對側間隙的修正。

3 結論

應用螺距差微動技術和螺紋消隙技術可將螺旋剪刃側間隙獨立調整精度0.01 mm的成功率由8.09%提高到45.4%，可大大降低螺旋剪刃側間隙一致性的調整難度，有益于螺旋剪刃碎邊剪的推廣。