基于滚切式定尺剪剪切机构参数设计探索

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基于滚切式定尺剪剪切机构参数设计探索
史 良
（山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照 276800）
摘 要：
近年来，随着我国社会经济的发展，我国工业领域也得到了快速的发展，而为了满足工业领域的生产需求及对加工材料精度的需求，需要对材料的剪切进行合理的设计。

滚切式剪切机是一种较为先进的剪切机，在其使用过程中，一定要对其参数进行合理的设计，才能够在保证剪切机正常运转的同时保证剪切质量。

基于此，本文主要研究滚切式定尺剪剪切机构参数设计，希望对相关人员有所启示。

关键词：
滚切式定尺剪；剪切机构；参数设计中图分类号：TG333.21 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2021）20-0156-2收稿日期：
2021-10作者简介：史良，男，生于1996年，汉族，山东济南人，助理工程师，研究方向：轧制工艺。

滚切式剪切机具有切口平整、剪切精度高、剪切效率高的特
点，且相比于其他剪切机，滚切式剪切机使用成本较低，功率损耗较低，故而被我国工业领域广泛的应用。

就目前情况而言，我国大部分滚切式剪切机均为国外引入，故而在其使用过程中，需要根据其工作原理对其力学性能进行分析，随后制定出合适的剪切机构参数，进而才能够确保滚动式剪切机的使用能够达到预期的使用目标。

1 滚切式剪切机概述1.1 剪切机的分类
剪切机是轧钢精整工序中的重要设备之一，在利用剪切机进行工作时，需要通过合理设计参数的方式来提高剪切机的精度与剪切质量，进而才能够确保剪切机能够顺利完成剪切工作。

总体而言，现阶段我国常用的剪切机主要包括四种，分别为平行刃剪切机、斜刃剪切机、圆盘式剪切机和滚切式剪切机。

平行刃剪切机是指上剪刃与下剪刃始终保持在平行的状态下，其剪切方向为纵向剪切，通过上下运动的方式为板材提供剪切力，该种剪切方式能够最大程度上提高剪切质量，但该种方式主要依靠上剪刃对板材的冲击力来提供剪切力，且对冲击力的要求较大，故而在实际使用过程中功率消耗较大。

通常情况下，平行刃剪切机应用于剪切一些比较薄的板材。

斜刃剪切机是指剪切机上剪刃与下剪刃左侧相连，上剪刃通过反复的弧形运动为板材提供剪切力。

斜刃剪切机的结构相对复杂，其使用成本及生产成本均较高，同时，由于斜刃剪切机主要依靠上剪刃向下弧形运行对板材产生剪切力，在此过程中将会对板材产生较大的推力，因此，板材受到了板材固定装置挤压力较大，易引发板材产生形变，故而通常情况下，大部分企业均不会选择斜刃剪切机。

滚切式剪切机是现阶段应用范围最广的剪切机，该剪切机对材料提供的剪切力大部分来源于上剪刃，且剪切机的上剪刃为圆弧形，下剪刃为直线型，该剪切机的剪切动作依靠曲轴带动连杆促使上剪刃两端产生运动，该剪切机的生产效率高、使用成
本低，且不易对剪切材料产生损害[1]。

1.2 滚切式剪切机的特点
首先，滚切剪在剪切板材过程中，就像真正的剪刀一样，必
然在上下剪刃之间存在一定的重叠量。

根据所要剪切的钢板的厚
度。

重叠量的值可以相应的调整。

滚切剪在滚切过程中上下剪刃间的重叠量变化很小，所以剪切力变化也很小，剪切质量很好。

其次由于滚切剪上剪刃是圆弧形的，有确定的半径，下剪刃是直线形的，所以上剪刃相对于下剪刃做的是往复的滚切运动，在实际的滚切运动过程中，上下剪刃保持一定相对稳定不变的重叠量。

由于是纯滚切运动，相对滑动量小，所以剪切阻力相对于斜刃剪来说小了很多。

减小了剪刃的磨损程度，剪刃的使用寿命得到了提高，成本也节约了。

再次，开口度较大。

斜刃剪在剪切时上下刀片是倾斜一定角度一起剪切的，开口度较小，而滚切剪采用的是圆弧形的上剪刃相对直线形下剪刃的滚动剪切，开口度相对斜刃剪来说大了许多，一般为所剪切板材厚度的3倍〜5倍，有利于钢板的顺利通过。

最后，剪刃侧隙调整装置调整精度较高。

上下剪刃间的间隙能够根据所要剪切的板厚自动调整，上下剪刃间隙的合理调整，可以使被剪切后钢板断面的质量得到较大的提高[2]。

2 滚切式定尺剪的工作原理分析2.1 滚切式定尺剪的剪切过程
滚切式定尺剪在进行剪切工作时，主要是依靠两端的曲轴
为其提供动力，关键工作部位为滚切式定尺剪的上剪刃，下剪刃保持不变。

在曲轴的作用力下，滚切式定尺剪上剪刃右侧开始做垂直运动，曲轴沿顺时针方向运动，右侧上剪刃向下靠拢，直至与下剪刃接触，左侧上剪刃重复右侧上剪刃的动作，直至上剪刃完全与下剪刃接触，随后进入滚切式定尺剪的切入阶段。

在滚切式定尺剪工作时，曲轴的主要功能是为上剪刃提供动力，曲轴是一个圆形的轴，当连接滚切式定尺剪的轴线越过曲轴的最高点时，将继续重复上述动作，直至板材被切断。

2.2 滚切式定尺剪的三个剪切阶段
通过上文分析可知，滚切式定尺剪的剪切流程主要包括留个阶段，分别为初始位置、开始滚切、切入阶段、滚切阶段、切离阶段和滚切终止，但其中能够对板材产生剪切作用力的阶段只有切入阶段、滚切阶段和切离阶段，因此，在分析滚切式定尺剪剪切机构参数时，仅需对这三个阶段进行分析即可。

首先，从切入阶段来分析。

滚切式定尺剪上剪刃与板材刚接触时至左侧曲轴上的轴线到达最低点之间的滚切过程为切入阶段，在该过程中，由于滚切式定尺剪上剪刃与下剪刃之间的接触面积不断增大，但滚切式定尺剪对板材产生的剪切力呈现的是先增加、后减小的趋势，因此，在滚切式定尺剪剪切的切入阶段有一个剪切力峰值。

剪切力的峰值不仅会直接影响着整个滚切式定尺剪工作的精准度，还会影响剪切的质量，因此，对滚切式
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定尺剪剪切流程切入阶段进行参数分析，保证参数符合要求，从而才能够确保剪切的质量。

其次，从滚切阶段来分析。

滚切式定尺剪剪切流程的滚切阶段是指滚切式定尺剪上剪刃与下剪刃共同完成近似滚动的剪切运动，当剪切运动停止之后，滚切式定尺剪也就脱离了滚切阶段。

在滚切式定尺剪的滚切阶段，上剪刃与下剪刃重叠的面积并没有变化，故而对于滚切式定尺剪的滚切阶段而言，其对板材产生的剪切力并没有发生变化。

最后，从切离阶段来分析。

滚切式定尺剪剪切流程的切离阶段为上剪刃脱离板材，而此时若板材并未被完全切断，则会继续重复切入阶段、滚切阶段和切离阶段，直至板材完全切断。

3 滚切式定尺剪的关键参数分析
3.1 上剪刃圆弧半径的确定
在分析滚切式定尺剪的关键参数时，首先需要开展对上剪刃圆弧半径的分析。

上剪刃圆弧半径计算公式如下所示。

其中，R 为上剪刃圆弧半径，h max 为板材的最大厚度，s 为滚切式定尺剪的剪切力与上剪刃与下剪刃之间的重叠面积，为滚切的角度。

通过对上述公式的分析可知，剪切角越大，上剪刃圆弧半径越小，而此时滚切式定尺剪的剪切力将会减小，反之，剪切角越小，上剪刃圆弧半径越大，而促使此时滚切式定尺剪的剪切力将会越大，因此，需要合理的控制滚切式定尺剪的剪切角来保证剪切的质量。

3.2 滚切式定尺剪剪切力学计算公式研究
据笔者调查研究显示，滚切式定尺剪对板材产生剪切力致使板材切断的作用力来源于剪切变形和剪切滑移。

在滚切式定尺剪前有压紧装置，当滚切式定尺剪对板材产生作用力时，板材压紧装置将会提供给板材一个反向与剪切力的相互作用力。

通过上文分析可知，当上剪刃与板材接触时，剪切力便会产生，且伴随着接触面积的增加，剪切力也会增加，也就是说，剪切刚开始时，产生的剪切力较小，故而不能够对板材产生较大的影响，只有当上剪刃与板材之间接触面积达到一定值时，才会导致板材发生形变或裂纹，通常情况下，将上剪刃与板材刚接触时至板材即将产生变形或裂纹的阶段称为压入变形阶段。

伴随着滚切式定尺剪的剪切作业，上剪刃与板材之间的接触面积将不断增加，也就是说，剪切力也会不断增大，而当剪切力增加到与板材的剪切阻力相近时，将会进入到滑移阶段。

板材的滑移方向为侧向滑行，当板材受到的滑移力越来越大时，板材将会发生断裂，但板材并不是在一瞬间完全断裂，而是呈现出撕裂的形式，而当板材撕裂的面积越来越大，板材所受到的剪切力也就会随之减小，当板材所受到的剪切力为0时，则说明板材完全断裂，滚切式定尺剪的剪切工作完成。

通常情况下，滚切式定尺剪在剪切板材时，并不需要剪切到板材的最低厚度，而是当板材承受剪切力达到板材断裂的临界点时板材便会断裂。

板材在压入变形阶段之后将会产生裂纹，而板材的裂缝也是沿着裂纹展开的，当板材承受最大剪切力时，板材会沿着裂缝崩裂，也就是说在板材完全崩裂之前，将会产生一个最大切入深度，此最大切入深度与剪切力有着直接的关系。

因此，需要在滚切式定尺剪剪切力学研究时，分析需要分析板材的最大切入深度。

板材最大切入深度如下所示。

其中，为上剪刃切入板材的深度，为被剪板厚度。

同时，通过上文分析可知，板材所承受的剪切力主要由三个部分构成，分别为板材承受的滚切式定尺剪提供的剪切力（P 1）、板材被剪掉部分发生形变产生的压力（P 2）和板材剪切区域发生局部弯曲产生的力（P 3），因此，板材承受的全部剪切力应为：。

3.3 上剪刃当量剪切角的计算
为了更好的分析滚切式定尺剪的参数，本文将滚切式定尺滚切阶段绘制成剪切面示意图，滚切阶段剪切面示意图如下图
所示。

图1 滚切阶段剪切面示意图
通过对上图的分析结合上文对剪切流程的分析可知，板材
最小厚度为P 点，但实际剪切的过程中，并不需要上剪刃必须达到P 点板材才会断裂，而是到达C/D 点时板材便会断裂，而此时板材的剪切最大深度为。

同时，上图中ABCD 四个点共同组成板材的实际剪切区域，即上剪刃在该剪切区域进行工作。

上剪刃剪切圆弧的弦为G 点，G 点位于A 点和D
点的中心，
为
圆心，与G
点的垂直线角度为，故滚切式定尺剪的剪切面积公式如下：
通常情况下，在进行对滚切式定尺剪的参数分析时，认为圆心为滚切式定尺剪上剪刃的半径，
即，才因此，上剪刃
当量剪切角的计算公式推导如下
：
4 结语
滚切式剪切机是我国现代工业领域常用到的辅助生产加工
设备，其运行参数的设计将会直接影响建材材料的剪切质量与剪切精度。

在实际使用滚切式剪切机时，一定要对其运行参数进行合理的设计，主要包括对上剪刃圆弧半径的确定、滚切式定尺剪剪切力学参数及上剪刃当量剪切角的计算，通过高精度、高准确度的参数分析来使用促使滚切式剪切机剪切材料的剪切质量，进而才能够促使滚切式剪切机真正的发挥其功能与价值。

参考文献
[1] 董桂伟,赵国群,王孝海.基于SolidWorks 的跟踪剪切机虚拟仿真设计系统的
开发与应用[J].实验技术与管理,2021,38(04):132-135+140.
[2]
王伟华,周自强,毛慧俊.10 MN 龙门剪切机液压系统设计及剪切回路仿真分析[J].机床与液压,2020,48(10):169-173.。