冷轧带钢切边过程中缺陷形成机理及其影响因素研究

第41卷第2期2017年3月燕山大学学报Journal of Yanshan UniversityVol. 41 No. 2 Mar. 2017文章编号：1〇〇7-791X ( 2017) 02-0109-07冷轧带钢切边过程中缺陷形成机理及其影响因素研究白振华张君1，钱承、兴百宪、刘亚星、常金梁1(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚穗材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004)摘要:针对带钢剪切过程中产生的边部缺陷问题，充分考虑到带钢切边设备的结构和剪切工艺特点，在研究了带钢切边机理及力学变化的基础上，通过大量的现场调研以及带钢切边断面的微观形貌分析，揭示出了带钢 剪切过程中边部缺陷形成机理，深人分析了边部缺陷影响因素，并根据不同缺陷的类型特点，提出从切边设备 工艺优化人手的边部缺陷治理方案，减少了带钢切边缺陷，提高了切边质量控制水平，可以为企业带来较大的 经济效益。

D 0l :10.3969/j .issn .1007-791X .2017.02.002关键词：剪切;切边机理;边部缺陷;工艺优化 中图分类号：TG 333.2文献标识码：A0引言在带钢切边现场，边部质量作为带钢重要的质量指标之一日益受到用户的重视，带钢的切边 质量直接关系到后续金属制品的加工精度与材 料利用率。

带钢切边设备的切边过程由先及后 依次为弹性变形、塑性变形、裂纹扩展、材料断 裂，通过对切边设备工艺参数的合理设定进行相 应调整，并直接影响带钢剪切质量，当切边设备 的工艺参数设定不合理时,带钢边部会相应出现 一系列缺陷[|4]。

与此同时，下游客户对带钢切 边质量的要求也越来越高，对现场边部缺陷的控 制提出了更高的要求。

为此，国内外学者对于带 钢切边设备及带钢剪切过程中的缺陷进行了大 量研究，介升旗[5]等论述了圆盘剪纵剪过程及正常剪切断口特征，总结了纵剪钢带边缘可能出现 的质量问题;路家斌[6]、胡建军[7]等研究了镀锌板 断面形貌的形成机理，介绍了圆盘剪的结构和工 作原理;邹仲芹[8]、马瑞杰[9]等对于日常生产中圆 盘剪的崩刀情况做了分析;孔繁华、陶有能、张园 园、刘士铭等[1013]研究带钢切边设备的技术参数和结构特点，为改善设备剪切质量、优化切边设 备的设计参数提供了一定的依据。

但纵观以往 研究,大多是针对单一缺陷的分析及相应的工艺 优化,未对带钢剪切过程中边部缺陷及形成机理 进行全面地阐释。

为此，本文通过深人分析带钢 切边原理，系统地说明了带钢剪切过程中边部缺 陷形成机理及其影响因素，并提出了相应的控制 策略。

1带钢切边设备及切边机理简介如图1所示，带钢切边设备由上下两个刀片组成:上刀片安装在外侧，用于带钢剪切，下刀片 安装在内侧，用于辅助支撑。

两个刀片相邻端面 之间的距离称为间隙量，两个刀片互相重合的最 大尺寸称为重叠量,通过合理设定两个参数的数 值，对剪切质量进行控制。

带钢剪切过程主要经历压陷、切断、撕裂、扣 边4个阶段，上下刀盘对带钢不断挤压，先后经历 压陷、塑形变形、初生裂纹，在切边断面形成4个 区域压陷区、切断区、撕裂区、扣边区，如图2 所示。

收稿日期：2016-07-07基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2016203385);重型机械协同创新计划课题（ZX01-20140400-05)作者简介：*白振华（ 1975-),男，江苏南通人，博士，教授，博士生导师,主要研究方向为机械设计及自动化、轧钢设备及工艺、板形控 制及自动化，Email:bai_zhenhua@ 。

110燕山大学学报2017图1带钢切边设备结构示意图Fig.1 Schematic diagram of strip trimming equipment压陷区切断区撕裂区扣边区图2带钢切边断面各区域形貌及分布示意图Fig.2 Morphology and distribution ofeach area in the strip cut section带钢切边过程中，切边断面缺陷的形成过程 如图3所示，首先，带钢在上下刀片的接触咬人过 程中，受到剪切应力的作用，逐步被上刀片压陷形 成压陷区;伴随着带钢的进给，带钢承受的剪切力 越来越大，进人屈服状态，在刃口处产生大幅度塑 性变形，形成切断区;接着，带钢继续进给，上下刀 片错位距离继续增大，带钢塑性变形程度持续增 加，受加工硬化影响产生细微裂纹，相互间连接成 长为主裂纹，形成撕裂区；主裂纹也逐步拓展，导 致带钢和边丝的分离，该区域即为扣边区。

图3带钢切边断面缺陷形成过程Fig. 3 Forming process of strip edge defect 2带钢切边过程主要缺陷及其形成机理 研究2.1扣边缺陷扣边是指带钢在剪切过程中，上下刀盘挤压带钢，并向下拖动边部区域的金属，被剪刃强 行拉拽，沿着剪刃的运动方向进行延伸，直至刀 盘脱离切断区域，在带钢边部形成具有明显手感的“凸起”，图4为某带钢切边现场的扣边缺陷。

图4带钢切边的扣边缺陷Fig.4 Edge raised defect of strip steel cutting edge由于“扣边”缺陷只可改善、不可消除，因此，在此讨论的“扣边”是指针对特定的切边工艺，超 出带钢扣边高度控制要求、未达到切边质量判别 等级的缺陷。

为此，特提出扣边高度的概念，使用螺旋测微 器在带钢边部取点测量，各离散点的测量厚度与 带钢平均厚度作差之后取平均值，该数值即称为 扣边高度。

图5为取样带钢的扣边高度测量方法 示意图。

图5扣边高度测量方法示意图Fig.5 Schematic diagram of measuring method foredge raised height扣边高度的计算表达式为n】（〜-"0)Hk=t---------，(1)n第2期白振华等冷轧带钢切边过程中缺陷形成机理及其影响因素研究111压陷区切断区撕裂区扣边区图7带钢切断面切断比失衡示意图Fig.7 Schematic diagram of unbalanced percentage ofcutting area in cut section随着带钢切边过程的进行，撕裂区总是先于 切断区减薄，可由金属变形机理进行解释:切断区 经过了塑性变形而产生加工硬化，抗力指标上升 而塑性变形能力减弱；撕裂区部分由于直接撕裂 的作用，其内部金属并未发生很大程度的强化作 用，因而塑性变形能力依然很强，变形抗力却相对 较弱。

2.4折边缺陷折边缺陷是指带钢剪切过程中，切边设备的 驱动电机和带钢的进给驱动电机信号不同步，带 钢不能及时停止运行而继续通过圆盘剪而引发 的一^小段边浪，如图8所示。

折边缺陷会在一^定 程度上影响成品钢卷的美观程度与卷取质量。

图8折边缺陷示意图Fig.8 Schematic diagram of folding defect2.3切断比失衡切断比失衡是在带钢剪切断面上，切断区占 整体带钢厚度的比例超出正常范围，造成带钢边 部出现锯齿、破边等质量缺陷。

图7为带钢切断 面切断比失衡示意图，对于普通带钢，若要保证切 边质量良好，要求切断区约占带钢厚度的1/5〜 1/3，对于软质带钢，切断区为3/5〜4/5。

式中，圮为毛刺扣边高度（mm ) ;&为第纟处带钢 边部的厚度（mm ) 为取点总数;^为取样带钢的平均厚度（mm )。

基于以上提出的扣边高度新概念，对某厂带 钢剪切过程中的扣边缺陷进行等级评定，表1为 某厂不同等级钢卷的扣边缺陷质量表。

表1不同等级钢卷的扣边缺陷质量表Tab.1 The quality of the edge defect of different grades钢卷等级仏数值范围/mm触感SG1砭0.04明显手感SG2砭0.03轻微手感SG3砭0.02轻微手感SG4砭0.01无明显手感2.2毛刺缺陷毛刺缺陷是指切边设备在剪切过程中，带钢 边部形成的长度小、密度大的刺状物，易发生在切 边断面的撕裂区和扣边区。

图6为带钢切边断面上的切断区和撕裂区， 通过观察可以看出，切断区域光滑、平整，撕裂区 则十分毛糙;撕裂区是在带钢剪切变形时，由于 主裂缝不断扩展直至上下裂缝重合而形成的，故 撕裂区是切边断面上最常出现毛刺缺陷的区域。

表2给出了切边断面各区域缺陷分布情况。

图6带钢切边断面上的切断区和撕裂区Fig.6 Cutting area and tearing area of the cut section表2切断断面各区域分布情况Tab.2 Distribution of edge quality defect in the cut section断面区域 缺陷名称 出现频率 对质量影响程度压陷区塌角缺陷较少较小切断区毛刺缺陷极少很小撕裂区毛刺缺陷常见中等扣边区扣边缺陷常见较大带钢切边断面112燕山大学学报2017 2.5暴口板带在带钢切边现场，切边设备经常发生刀盘崩口现象，如图9所示。

有豁口的刀刃在剪切带钢时，对带钢边部强行拉伸，造成带钢周期性的暴口，引发切边质量缺陷---暴口板带，如图10所示。

Fig. 10 Strip collapse defect in the edge of steel coil3带钢切边质量影响因素分析3.1间隙量与重叠量设定不合理间隙量与重叠量是带钢切边设备最重要的工艺参数，合理设定切边设备工艺参数的调整精度，是减少带钢边部缺陷、提高带钢切边质量的关键措施。

图11为切边设备的间隙量与重叠量示意图。

重叠量、间隙量设定的数学模型为=e〇1+8ln S l]\、A0^■.中i =中01 - Zln S l]V "y.⑵式中，&为针对第〖种某种带钢产品、第J种规格的 产品的最优间隙量设定值;心为针对第〖种特殊带钢产品、第y种规格的产品的最优重叠设定值…。

为切边现场的间隙量设定百分比，由工况条件确定;也为切切边现场的重叠量设定百分比，由工况条件确定;5为某带钢产品的最优钢种优化系数，表征钢种对于间隙量设定的影响;Z为某带钢产品 的最优钢种优化系数，表征钢种对于重叠量设定 的影响;^y.为第〖种带钢，第y种规格带钢产品的屈服强度；A为带钢产品期望的屈服强度，且H n y'y.，其中似为现场带钢产品的钢种数目，^为现场带钢产品的规格种数，为第i种钢 种、第i种规格带钢产品的产量在现场一^般带钢产品总产量中的所占比例，且有i i n.=1;\为第i种钢种、第7种规格带钢产品的厚度规格。

Fig. 11 Schematic diagram of gap and lap ofstrip trimming equipment当切边设备间隙量设定过小时，会导致上下 刀片剪刃受力超载，磨损严重，上下裂纹交错，引起带钢切边断面上极为毛糙，出现大量毛刺缺陷；当间隙量过大时，如图12所示，上下刀片刃口处 的主裂纹无法相交，带钢中心区域被强行拉拽直 至断裂，导致撕裂区出现大量的毛刺缺陷，同时造 成严重的扣边缺陷。