新型冷带边部修磨机的设计

胡东仓，吴永杰，刘渭苗，赵流韵

(中国重型机械研究院股份公司 陕西西安 710061)

0 前言

近年来，随着冷带生产技术的不断进步，冷带成品质量得到了大幅度提升。为进一步追求高品质板带产品，用户对冷带边部质量提出了越来越高的要求[1-3]。为保证带钢边部质量，一般会利用圆盘剪设备对轧制后的带钢进行切边处理。然而，带钢在经圆盘剪切边后，切边断面毛刺缺陷明显[4-6]，严重影响冷带产品的成品质量。因此，解决冷带切边断面的毛刺缺陷问题就成为进一步提升板带整体质量的关键。对于切边质量问题，国内外学者也进行了较多的研究，比较典型的有，赵干波[7]等通过总结重卷拉矫机组切边圆盘剪的减压环与刀盘配对、刀盘和装配等方面的问题，提出了一些提高重卷圆盘剪切边质量的措施；王飞[8]等拟合出切边宽度系数计算多项式，并通过自动化系统的改造实现了切边宽度的自动设定；白振华[9]等提出了一套带钢切边质量评价方法，并开发出圆盘剪间隙量与重叠量综合优化设定技术。但这些研究均是从工艺上对圆盘剪设备的工艺参数进行优化调节，以达到提高切边质量的目的。但由于圆盘剪的工作原理，带钢切边断面的毛刺缺陷是无法避免的，圆盘剪工艺参数的优化调节只能尽可能的降低毛刺缺陷，而不能从根本上消除毛刺缺陷。因此，本文设计了一套新型冷带边部修磨机。

1 新型冷带边部修磨机的设计原理

1.1 设计要求

根据现场冷带生产的实际情况，以及圆盘剪切边过程的设备及工艺特点，本文所设计的冷带边部修磨机构能够线上使用的同时，还应满足设计要求。

(1)带钢切边现场的工作环境的复杂性要求带钢边部质量修磨装置具有小巧灵活的特点；

(2)能够满足精整产品的多样性，适应带钢规格的变化；

(3)修磨装置与带钢切边截面的贴合角度能够任意调节，以适应不同剪切参数下，带钢撕裂区与切断区之间的角度变化；

(4)具备“随动性”，即使在带钢出现抖动、跑偏的状况下，依然可以保证修磨质量。

1.2 机构组成及原理

根据新型冷带边部修磨机构的设计要求，结合现场冷带生产设备的布局结构，所设计的新型冷带边部修磨机如图1所示。主要由磨边机构、高度和角度调整机构、水平角度调整机构、随动机构、进给机构等五部分组成。

图1 新型冷带边部修磨机构示意图

1.2.1 磨边机构

磨边机构是冷带边部修磨机的核心工作机构，通过磨边机构可以完成切边断面的磨削。如图2所示，该机构由角件1、电机轴向固定螺栓2、垫片3、磨轮4、电机支座螺栓5、平面推力轴承6、电机支座7、3510电机8、铝型材9组成。

该机构中磨轮4的两端由电机轴向固定螺栓2、垫片3和平面推力轴承6保证运转的平稳性。与此同时，磨轮4通过键D形孔与电机相对固定，实现与电机6的同步转动，为磨边机构提供转矩。

图2 压磨机构示意图

1.2.2 高度和角度调整机构

高度和角度调整机构分为高度调整与角度调整，高度调整主要是为了确保带钢高度和压磨作用处在同一高度，提高磨削效率；角度调整主要是为了保证磨轮与撕裂区毛刺的贴合。如图3所示，该机构由2020铝型材1、铝型材角件2、上面板3、型材固定螺栓4、推杆支架5、推杆销6、后电动推杆7、前电动推杆8、大齿轮9、铜柱10、3D打印铰接件11、销用塞打螺钉12、铰接件固定螺钉13、前电动推杆固定螺钉14组成。

由前后电动推杆升降同样高度时，可以实现机构的上升下降；当前后电动推杆上升高度不一致时，可以实现磨边机构与水平面呈一定的倾斜角度，从而使磨边的范围更大，提高带钢的质量。

图3 高度和角度调整机构示意图

1.2.3 水平角度调整机构

水平角度调整机构确保切下的碎屑向工作区外飞去，保证切下的碎屑不影响后续工艺。如图4所示，该机构由角件1、铝型材2、电机支架固定螺钉3、42步进电机支架4、42步进电机5、法兰联轴器6、顶丝7、螺钉8、小齿轮9、大齿轮10、过渡板11、转盘轴承12、铜柱13、铝板连接板14组成。

在该机构铝板连接板上从下到上依次安装铜柱、转盘轴承、过渡板、大齿轮；在铝板连接板的另一侧依次安装角件、铝型材、电机支架固定螺钉、42步进电机支架、42步进电机、法兰联轴器、顶丝、螺钉、小齿轮，使小齿轮与大齿轮啮合。转盘轴承可以将压磨机构、高度调整机构的重力卸载，是齿轮转动更加平稳。并通过对42步进电机编程控制，42步进电机将转动并带动小齿轮转动，通过小齿轮与大齿轮的传动实现磨边机构的水平转动。

图4 水平角度调整机构示意图

1.2.4 随动机构

随动机构是保持压磨机构实现“随动性”的核心机构，通过该机构可以实现带钢边部修磨装置在带钢切边生产过程中与带钢的实时跟随；同时，该机构提供压磨机构对于带钢切面的压磨力。如图5所示，该机构由底板、牛眼轮、螺母、铝板连接板、牛眼轮固定螺栓、气缸固定螺栓、滑台气缸以及由四通、PU管、单向阀、节流阀、压力表、消音器、二位五通电磁阀组成的气压传动系统组成。

在该机构中将气缸固定在底板上，通过伸缩气缸实现对带钢边部的压紧，确保磨轮始终与带钢接触。气瓶的可调压强为0～0.8 MPa，通过改变气瓶内压强的数值改变压磨力的大小，相对于通过更换弹簧来实现不同的压力更加方便快捷。由牛眼轮、螺母、铝板连接板、牛眼轮固定螺栓组成的支持机构，提高了铝板连接板的刚度，使得磨轮压磨更加平稳。

图5 随动机构示意图

1.2.5 进给机构

进给机构的主要作用是保证磨边机可在一定范围内移动，以适应现场带钢规格的变化，并给予带钢一定的压磨力，同时还可以实现装置修磨角度的调整。如图6所示，进给机构由手轮 、57步进电机、固定电机螺钉、电机支座、联轴器、沉头螺钉、丝杆左支撑板、丝杠、光轴、丝杆右支撑板、轴承、长滑块、直线轴承、丝杠螺母、螺栓组成。手轮、57步进电机通过联轴器与丝杠连接，对57步进电机进行编程控制或者转动手轮，可以实现对装置的电动或者手动的横向进给，而且丝杠传动平稳、精确，可以较好的适应对不同宽度带钢的修磨。

图6 进给机构示意图

2 部件选型与参数

(1)磨轮。磨轮是修磨机的核心部件，为保证修磨质量，选择金刚石材质，并设定其内径为10 mm、外径为25 mm、高度为20 mm。

(2) 转盘轴承。转盘轴承具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便和维护容易等特点，能够同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，本装置选择XRU5515转盘轴承。

(3)磨削电机。考虑带钢与磨轮的接触压力与相对摩擦系数，综合现场带钢的必要修磨效率和厂家产品的特性曲线，选用带有27:1减速箱的3510电机，输出转矩。

(4)丝杆滑台。丝杆滑台用来保证装置整体的进给，适应不同规格的带钢，驱动方式有用步进电机驱动和转动手轮驱动两种方式。现场的安装空间是丝杆滑台的限制条件，经测量，为保证装置的进给同时增大承重量，本文选购的丝杆滑台参数：

滑台材料：全铝，CNC精加工，表面喷砂，阳极氧化；

滚珠丝杠：1605 导程5 mm，即电机转一圈5 mm；

光轴：标配20镀铬光轴标准滑块；

定位精度：重复定位精度≦0.02 mm；

载重：水平负载≦600 kN;垂直负载≦300 kN。

(5)滑台气缸。滑台气缸的目的是确保磨轮始终与带钢接触，提供压磨力。通过调整气压，可以改变压磨力。选择滑台气缸型号为MXS12-30。

(6)电动推杆。装置高度和角度的调整通过电动推杆实现。电动推杆参数：

工作电压：DC24V；

工作行程：50 mm；

最大推力：180 N；

速度：50 mm/s。

(7)步进电机。修磨机在轧制平面内转动通过步兵电机驱动。步进电机参数：

型号：42BYGH47-401A；

步距角：1.8°；

机身长度：48 mm；

扭矩：0.55 N·m。

经过后期的加工、组装，研发出一套新型的冷带边部修磨机，实物图如图7所示。

图7 新型冷带边部修磨机实物图

3 新型冷带边部修磨机的调试

新型带钢修磨装置在能够适应现场复杂的工作环境的同时，其进给机构、随动机构保证了机构与带钢贴合磨削，并且通过楔块可以针对性地进行角度调整。

首先通过控制前后电动推杆的伸出长度调整上面板的倾斜角度，使修磨机倾斜角度与带钢切边断面倾斜角度一致。在带钢厚度h、机组圆盘剪侧隙量s、切边带钢撕裂区占带钢厚度的比例等参数已知的前提下，上面板的调整角度可由式(1)确定。

(1)

然后，设定前电动推杆伸出后长度为l1，后电动推杆伸出后长度为l2，前后电动推杆初始长度为l0，中心距在进给方向的投影为x，其关系如式(2)所示，依据式(2)调整电动推杆的伸出长度。

(2)

最后，控制步进电机或者转动手轮，在丝杆和丝杆螺母作用下，进给底板及其上方机构一起进给，当磨轮接触带钢边部后，二位五通电磁阀得电，滑台气缸伸出，给与带钢边部一定的压磨力，达到一定压磨力后，机组运行，通过can协议传送给3510电机信号，磨轮在电机转矩作用下转动，编码器实时检测运转情况，使其匀速转动，形成滑动摩擦。

当带钢跑偏，随动机构的作用会使压磨机构始终紧贴带钢边部，保证磨边的均匀性。同时，由于平面转动机构，磨边机构可以在轧制平面内转动，使切下的碎屑向工作区外飞去，保证切下的碎屑不影响后续工艺。

具体调试流程如图8所示。通过试验表明，该套新型冷带边部修磨机的高度和角度调整机构于水平角度调整机构实现了对切边断面的精准修磨，随动机构保证了修磨过程的稳定性，最终能够从根本上消除带钢切边断面的毛刺缺陷。

图8 调试过程流程图

4 结束语

根据现场实际情况与设计要求，本文设计了一套新型的冷带边部修磨机，该修磨机的主要机构包括磨边机构、高度和角度调整机构、水平角度调整机构、随动机构、进给机构等五部分。通过调试与试验，新型冷带边部修磨机能够从根本上消除带钢切边断面的毛刺缺陷，保证了带钢边部质量，具有进一步推广应用的价值。