厚板切边圆盘剪切机优化改进研究★

方长锦， 楚志兵， 魏 栋

（1.宝钢工程技术集团有限公司， 上海 201900；2.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

试（实）验研究

厚板切边圆盘剪切机优化改进研究★

方长锦1， 楚志兵2， 魏 栋2

（1.宝钢工程技术集团有限公司， 上海 201900；2.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024）

针对目前圆盘剪剪切厚板剪切质量差以及生产效率低的问题，对传统圆盘剪切机进行优化改进。利用ABQUAS有限元模拟软件对传统和新型两种圆盘剪切机刀轴进行静力学分析，结果表明：优化改进后的新型圆盘剪可大大减小刀轴的挠度。利用两种圆盘剪切机进行剪切厚板实验，对剪切力及剪切后断面质量进行了宏观和微观分析，结果表明：改进后的新型圆盘剪切机可以大大提高使用寿命和剪切断面质量。

圆盘剪 优化改进 剪切力 剪切断面质量

近年来我国的钢铁生产和消费稳居世界第一，其中冷轧板带材占有很大的比例[1]。为了提高产品的质量，冷轧生产线中将精整工序设置为关键环节，而圆盘剪具有连续剪切的特点，所以其成为了板带精整工序中的核心设备之一，圆盘剪用来剪切带钢的两边的缺陷部分，实现对带钢宽度的精确控制，从而提高精度，广泛应用于酸洗机组、拉矫机组以及横切机组等。圆盘剪的切边质量直接影响冷轧带钢的质量[2]。

为了改善目前剪切过程的断面质量，大量学者对圆盘剪进行了分析和研究，景群平等人根据影响上、下刀盘端面跳动精度的各个零件形位公差的因素探讨了提高侧向间隙精度和稳定性的措施[3]，胡建军等人研究了工艺参数对剪切质量和剪切力等的影响[4]，许体武[5]和陈东文等人[6]，李剑峰等人[7]和韩光燕等人[8]对圆盘剪结构进行了优化改进和改造，但上述研究都存在一定的局限性。

由于目前设备机构和工艺不完善的原因，所以会导致剪切质量不稳定，断面容易出现飞边、毛刺过大以及二次断面等诸多问题[9]。本文以剪切中厚钢板为例，对圆盘剪设备机构进行优化改进，利用ABQUAS有限元模拟软件对优化前后的机构进行静力学变形分析，并利用优化前后的圆盘剪进行厚板剪切实验，对剪切断面进行分析，对圆盘剪的设计和制造有一定的指导意义。

1 圆盘剪结构优化改进

目前国内外使用的圆盘剪切机主要有两种类型，当剪切钢板厚度小于20～30 mm时采用第一种类型的圆盘剪切机，如下页图1－1所示，其刀盘采用的是悬臂式结构，该类型的圆盘剪切机在剪切钢板时受力不均匀，平衡性不好，尤其在剪切较厚钢板时刀轴会发生挠曲变形，致使剪切的钢板断面会出现斜面状缺陷，导致废品率的增加。当剪切30～40 mm的中厚钢板时，采用第二种类型的圆盘剪切机，其结构是将两台圆盘剪切机以相互串联的方式对钢板进行剪切，第一台圆盘剪切机切入钢板厚度的5%～10%，紧接着第二台圆盘剪切机将钢板全部切断，但是设备投资大，剪切效率低，而且在实际生产中由于剪切机的振动等因素可能导致两次剪切不重合，从而造成废品率的提高。

为了克服现有圆盘剪切机剪切技术中存在的缺点，从而提高产品质量和生产效率，结合现场实际情况对传统的剪切中厚钢板圆盘剪切机进行优化改进。下页图1-2为新型圆盘剪切机，其特征是将现有技术旧机械式圆盘剪切机中的上下刀架轴由悬臂式改进为左右支撑式，通过螺栓连接在新本体1'的右侧面上，上下轴承座7、7'分别安装在上下支架板6、6'的中心轴孔11、11'内，在上下轴承座中分别装有上下锥面圆锥滚子轴承8、8'；上下刀架轴5、5'的右端分别安装在上下锥面圆锥滚子轴承8、8'内，其左端分别安装在上下刀架轴承3、3'内，上下刀架轴上安装有上下刀架4、4'；上下锥面圆锥滚子轴承8、8'的内侧面分别安装有上下迷宫套9、9'。通过上述优化，在剪切过程中不但可以避免传统圆盘剪切机因一端支撑引起的剪切过程中刀轴挠曲现象严重的情况，而且两端支撑的结构可以承受很大的剪切力。

图1 圆盘剪切机结构示意图

2 有限元模型建立及结果分析

2.1 有限元模型建立

考虑到圆盘剪切机刀盘和刀轴装配结构的复杂性以及有限元模拟软件计算的局限性，本文对刀轴装配体结构进行简化处理，图2为圆盘剪切机刀轴转配体有限元模型，为保证计算精度，采用六面体单元进行网格划分。

在进行载荷施加时予以简化，将实际剪切中的轧制力以线载荷的方式平均施加在剪刃上，由于实际剪切过程中上下剪刃的剪切力大小并不相同，下剪刃剪切力要大于上剪刃剪切力[10]，所以将上刀轴载荷设置为300 kN，下刀轴载荷设置为350 kN。接触关系定义为硬接触，静摩擦系数为0.2。

2.2 模拟结果分析

图2 刀轴装配体有限元模型

图3为刀轴挠度曲线，图中以刀轴内侧与机架轴承座连接位置为起始位置。从图3中可以看出由于下剪刃剪切力大于上剪刃剪切力，所以下刀轴挠度要稍大于上刀轴的挠度。结合实际情况，上剪刃位于距起始位置300 mm处，下剪刃位于距起始位置381 mm处。分别对比图3-1和图3-2不同圆盘剪的挠度曲线可以看出，优化改进后的上、下剪刃所在位置的刀轴挠度分别为0.07 mm和0.08 mm，要远远小于传统悬臂式圆盘剪切机上、下剪刃所在位置的刀轴挠度0.32 mm和0.56 mm，同时也可以看出优化改进的圆盘剪切机剪刃的偏角要远小于传统圆盘剪切机剪刃的偏角。综上所述，优化改进后的新型圆盘剪切机有利于保证剪切过程中的剪切质量。

图3 刀轴挠度曲线

3 实验研究

3.1 剪切力分析

实验以剪切30 mm厚Q235钢板为例，在某钢铁公司厚板生产线上进行改造实验，分别在两种结构的圆盘剪切机上进行剪切实验，并进行剪切力测试。图4为剪切力对比图，从图中可以看出剪切过程中下剪刃剪切力要大于上剪刃剪切力，这是因为剪切过程中钢板头部受压时尾部为上翘，为了防止钢板上翘，夹送辊会产生一个下压力并传递到下剪刃上。从图4还可以看出优化后的圆盘剪剪切力要小于传统的悬臂式圆盘剪的剪切力，从而降低了设备的承载要求，提高了圆盘剪的使用寿命。

图4 剪切力对比

3.2 剪切断面分析

图5是不同圆盘剪钢板剪切断面宏观图，从图中可以看出新型圆盘剪明显比传统圆盘剪剪切断面质量好。新型圆盘剪剪切下的钢板剪切断面比较平整光滑，基本无塌角和毛刺的出现；而传统圆盘剪的剪切断面有明显的失稳断裂面出现，剪切断面平整度下降，钢板断面塌角的高度较大，毛刺明显增多，有明显的二次断面的出现。

图6为剪切断面微观形貌图，从图中可以看出传统圆盘剪剪切下的断面首先在切口周围出现大量的塑性变形带，其塑性变形一直扩展到断口的中间区域，在断面的光亮带和断裂带区域都可以看到很多由于撕裂造成的撕裂棱。而新型圆盘剪剪切下的断面在切口附近的塑性变形区较小，断面颜色较亮，呈现出短的河流花样，有很多反光的小平面，断口形态类似于解理断裂的形态，该产生的撕裂棱很少，从而保证了剪切断面的平整。

图5 剪切断面宏观图

图6 剪切断面微观形貌图

综上所述，优化改进后的圆盘剪切机大大提高了圆盘剪的使用寿命和钢板的剪切断面质量。

4 结论

1）本文结合圆盘剪现场剪切的实际生产情况，对传统圆盘剪结构进行了优化改进。

2）利用ABQUS有限元模拟软件对传统圆盘剪和改进后新型圆盘剪的刀轴进行静力学分析，结果表明优化改进后的新型圆盘剪可大大减小刀轴的挠度。

3）利用传统圆盘剪切机和新型圆盘剪切机进行剪切30 mm厚Q235钢板实验，对剪切力及剪切后断面质量进行了宏观和微观分析，结果表明改进后的新型圆盘剪切机可以大大提高使用寿命和剪切断面质量，对圆盘剪的设计制造有一定的指导意义。

[1] 周国盈.带钢精整设备[M].北京：机械工业出版社，1979.

[2] 景群平，贾海亮，双远华，等.切边圆盘剪剪切过程的数值模拟和实验研究[J].塑性工程学报，2010，17（5）：32-36.

[3] 景群平，张勇安，许展望，等.冷轧板带材切边圆盘剪侧向间隙及精度的探讨[J].重型机械，2010（2）：29-31.

[4] 胡建军，周保欣，刘顺明.圆盘剪剪切原理及切边质量控制[J].重型机械，2012（6）：58-62.

[5] 许体武.圆盘剪剪切过程数值模拟及工艺优化[D].合肥：安徽工业大学，2013.

[6] 陈东文，黄贞益，郝震宇，等.圆盘剪剪切工艺优化研究[J].轧钢，2015，32（2）：90-95.

[7] 李剑锋，薛丽菲，曲杰.一种新型切边圆盘剪的设计研究[J].锻压装备与制造技术，2014（2）：34-37.

[8] 韩光燕，康华伟，孪贻忠，等.1 500 mm冷带切边圆盘剪的优化改造[J].轧钢，2012，29（2）：70-72.

[9] 陶有能.切边圆盘剪设计[J].华中科技大学学报（城市科学版），2006，23（S2）：77-79.

[10] 贾海亮.圆盘剪剪切过程的有限元模拟和实验研究[D].太原：太原科技大学，2010.

（编辑：苗运平）

Research on Optimization Improvement of Rotary Shear for Thick Plate

FANG Changjin1,CHU Zhibing2,WEI Dong2
（1.Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900; 2.Heavy Machinery Engineering Research Center of Ministry of Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024）

For bad shearing quality and low productivity of cut thick plate by rotary shear,the traditional rotary shearing machine is optimized and improved.The finite element simulation software ABQUAS is used to analyze the cutter shaft of two kinds of rotary shearing machine.And the results show that the deflection of the cutter shaft is greatly reduced by new rotary shearing machine.The two kinds of rotary shearing machine are used to cut the thick plate and the shearing force and the cross section quality after cut are analyzed.The results show that the service life and shearing quality of new rotary shearing machine are greatly improved.

rotary shear,optimizing improvement,cutting force,cross section quality

TG333.21

A

1672-1152（2017）03-0001-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.01

2017-04-25

国家自然科学基金资助项目（51105264）；山西省青年科技基金资助项目（2015021111）；专利推广实施资助专项（20161006）；山西省研究生教育创新项目（2016SY055）；校博士科研启动项目（20122017）

方长锦（1982—），男，现就职于宝钢工程技术集团有限公司，工程师。

楚志兵（1981—），男，副教授，主要研究方向为高精度轧制设备及工艺。