切边圆盘剪剪刃侧隙与重叠量控制的研究

刘 鹏，郜 建，杨 洋

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.西安理工大学，陕西 西安 710048)

0 前言

切边圆盘剪是冷轧板带精整生产线核心设备［1］，用来剪切带钢边部缺陷，保证整个带钢的宽度一致。切边圆盘剪本身的制造精度、结构形式及其控制精度决定着带钢边部剪切质量的高低，对产品后续的加工有着重要影响。本文以某钢厂的切边圆盘剪为例，研究切边圆盘剪剪刃侧隙量与重叠量的控制方法，以及剪刃侧隙量与重叠量和带钢厚度的关系对剪切质量的影响，以提高圆盘剪的剪切效率及带钢切边质量。

1 圆盘切边剪的结构组成

如图1所示，切边圆盘剪由操作侧剪架7与传动侧剪架11分别安装在滑动底座8上组成，其动力由主传动齿轮马达1通过传动分配箱9与12提供。两侧剪架上分别装配有重叠量调整机构与侧间隙调整机构。剪刃的开口度调整由齿轮马达6驱动精密滚珠丝杠旋转，带动两侧剪架相对运动，相对于机组中心线对称调整剪刃剪切宽度，调整量的大小通过一台绝对值编码器提供位置反馈信号。

2 圆盘剪的技术参数

刀盘尺寸/mm φ350×40

刀轴中心距/mm 328～362

剪切宽度/mm 600～1650

图1 切边剪圆盘结构示意图Fig.1 Schematic of trimming disc shears

剪切厚度/mm 0.3～4.0

穿带速度/m·min－118

工作速度/m·min－1300

单边切边宽度/mm 5～25

开口度度范围/mm 580～1800

侧隙调整精度/mm ±0.010

重叠量调整精度/mm ±0.030

开口度精度/mm 0～0.5

3 剪刃侧隙量与重叠量控制原理

圆盘剪的控制示意图如图2所示，操作侧、传动侧剪刃侧隙量与重叠量的调整分别由四台交流变频电机进行控制。

图2 圆盘剪剪刃侧隙与重叠量的控制示意图Fig.2 Schematic of disc shear gap and overlap control

3.1 剪刃侧隙量控制

传动侧与操作侧的剪刃侧隙量调整是这样实现的:上刀轴固定于机架上孔仅做旋转运动，下刀轴固定于机架下孔中，它既能做旋转运动，也能做轴向移动，当下刀轴做轴向移动时就实现了上下剪刃的侧向间隙调整。下刀轴的轴向移动由一台交流变频电机通过减速机驱动精密滚珠丝杠，丝杠带动一个齿轮使与下刀轴相连接的一个螺母旋转，从而带动下刀轴精确地进行轴向移动，实现了上下剪刃的侧向间隙调整。剪刃间隙调整量通过直线位移传感器检测。

剪刃侧隙量控制框图如图3所示，剪刃侧隙的实际测量值通过直线位移传感器检测输入给PLC，侧隙的给定值来自过程控制计算机或操作台人机界面，传动装置采用 Siemens Sinamics S120变频系统，与电动机同轴的增量编码器信号输入给传动S120作为速度反馈。通过PLC外部位置闭环对剪刃侧隙进行位置控制。

图3 剪刃侧隙控制框图Fig.3 Cutting gap control block

3.2 重叠量控制

剪刃重叠量调整是这样实现的:上、下刀轴分别安装在机架上、下孔中的偏心套内，重叠量调整是通过交流变频电动机带动齿轮箱中的偏心齿轮副转动，偏心齿轮与偏心套固定在一起，从而改变上刀轴与下刀轴的中心距，达到剪刃重叠量调整的目的，重叠量控制电机带有绝对值编码器，对电机旋转的角度进行测量。

剪刃重叠量控制框图如图4所示，剪刃重叠量控制是通过Siemens Sinamics S120变频传动装置来完成。重叠量的给定值来自过程控制计算机或操作台人机界面，与电机同轴的绝对值编码器信号反馈输入给传动装置S120，作为位置反馈。通过S120内部进行位置闭环控制。本次重叠量是通过交流变频电机带动齿轮箱中的偏心齿轮副转动，偏心齿轮与偏心套固定在一起，从而改变上刀轴的中心距，达到剪刃重叠量调整的目的。

图4 剪刃重叠量控制框图Fig.4 Cutting edge overlap control chart

4 剪刃侧隙量、重叠量与带材厚度的关系

通常板厚范围与重叠量的调整范围由工艺人员给出，在实际的应用中，重叠量对剪切最终质量的影响没有剪刃侧隙量影响大。根据给定的厚度与侧隙量及重叠量的大小取其中间值简化，再利用数学多阶函数逼近法，给出其数学模型，从而简化控制软件编程。

(1)来料厚度与侧隙的关系。由工艺经验给出的一组侧隙量与钢板厚度的数据见表1。

表1 侧隙量与钢板厚度的范围Tab.1 The range of gap and plate thickness

根据表1带材厚度及侧隙范围，结合试验剪切数据，确定出一组优选值见表2。

表2 侧隙量与钢板厚度的关系Tab.2 Relationship of the gap with plate thickness

表2中的优选值可以运用多阶函数逼近法找出钢板厚度与侧隙量之间的关系式，我们用四阶多项式表示如下图5。由图5可见，剪刃的侧隙量计算值和经验值两条线基本是重合的。整理归纳，有钢板与侧隙的关系式如下:

将表2数据代入上式可得:

式中，y是侧隙值，mm;x是钢板厚度，mm。

图5 钢板厚度与侧隙的关系Fig.5 Relationship of plate thickness with gap

(3)来料厚度与重叠量的关系。虽然圆盘剪重叠量没有侧隙对剪切质量影响大，但是也不能忽视重叠量的影响。由工艺经验得到的一组侧隙与钢板厚度的数据见表3。

表3 重叠量与钢板厚度的范围Tab.3 The amount of overlap with the range of plate thickness

根据带材厚度及重叠量范围，结合试验剪切数据，确定出一组优选值见表4。

表4 重叠量与钢板厚度的关系Tab.4 Relationship of overlap and plate thickness

根据表4整理归纳，钢板厚度与重叠量的关系式为

式中，y是重叠量，mm;x是钢板厚度，mm。

钢板厚度与侧隙的关系如图6所示，剪刃的重叠量计算值与经验值两条线基本是重合的。

图6 钢板厚度与重叠量的关系Fig.6 Relationship of the plate thickness and overlap

5 结束语

切边圆盘剪剪刃侧隙量和重叠量的大小，直接影响剪切后的成品质量。生产过程中，及时根据实际材料的规格和机械性能进行剪刃重叠量和侧隙量的修改和调整，能切实有效地提高剪切效率和剪切质量。本文根据被剪材料的厚度得到的侧隙量和重叠量的计算方法，在多家钢厂得到成功应用，实践证明，该方法方便快捷，具有很高的实用价值。

［1］景群平，张勇安，王社昌，等.冷轧板带材切边圆盘剪重叠量调整方法探讨［J］.重型机械，2008(1):35～39.

［2］李庆扬.数值分析［M］，北京:清华大学出版社，2008.

［3］王永强，孙清泉，董凯，等.圆盘剪间隙调整及切边质量改进［J］.山东冶金，2007(3).

［4］程传奇.圆盘剪在带材生产设备中心的设计和应用［J］.有色金属加工，2010(1).

［5］刘士铭，祁平，沈婷婷，等.切边圆盘剪的新型设计［J］.机械设计与制造，2009(3).