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圆盘剪的设计与参数
选择
圆盘剪的设计与参数选择
【摘要】本文结合实际工程，介绍了推拉式酸洗线上圆盘剪的结构特点，刀具侧向间隙及刀盘重合度调整的方法等。

并给出了剪切力、驱动功率的计算公式和实际例子。

本圆盘剪已在华美推拉式酸洗线上使用。

【关键词】圆盘剪设计参数
目录：
1.圆盘剪概述
2.圆盘剪主要技术性能
3.圆盘剪结构
3.1机架
3.2调宽装置
3.3刀刃侧向间隙调整装置
3.4刀盘重合度调整装置
4.有关参数的选择和计算
4.1刀盘直径和厚度的选择
4.2刀盘重合度和侧向间隙的选择
4.3剪切力的计算
4.4剪切力矩的计算
4.5剪切电机功率校核
5.结束语
参考文献
1.圆盘剪概述
带钢在轧制过程中，有时边部会产生细小的裂缝等缺陷，如不及时切掉，极可能在后续加工过程中产生断带事故。

所以在酸洗机组中均设置圆盘剪，以便去掉边缘损伤，并使成品带钢达到要求的宽度。

另外圆盘剪还广泛用在冶金带钢生产线的其它机组中,如横切机组、纵剪机组、重卷机组、拉矫机组、镀锡机组及焊接机组等。

圆盘剪按其用途和构造可分为两大类:带两对刀盘和多对刀盘.两对刀盘的圆盘剪只用来剪切带材的边部,故称切边圆盘剪或切边剪;多对刀盘的圆盘剪在剪切带材边部的同时并将带材纵切成多条较窄的带材,故称分条圆盘剪或分条剪。

圆盘剪按其传动方式又分为拉剪和动力剪;所谓拉剪,即刀盘没有传动装置,直接由机后的张力辊及卷取机等设备将带钢拉过圆盘剪进行剪切.
本文介绍的圆盘剪是用在推拉式酸洗线上。

它的特点是传动系统中装有超越离合器，当机组速度低于穿带速度时，圆盘剪按动力剪状态工作；当机组速度超过穿带速度时，离合器将脱开传动系统，圆盘剪按拉剪状态工作。

为了使切边时不产生毛刺，并保持最小的宽度公差。

必须用防跑偏装置加以控制，以使带钢对中和无冲击地进入圆盘剪。

因此，在圆盘剪的入口侧布置了一套夹送辊纠偏装置。

2.圆盘剪主要技术性能
带钢厚度： 1.8～4.0mm
带钢宽度：700～1350mm
带钢强度极限：σb≤610Mpa
机组速度：
酸洗出口（圆盘剪）：最大 120m/min
穿带速度：最大 60m/min
剪刃直径：φ350mm
剪刃厚度：30mm
最大工作间距：1590mm
最小工作间距：630mm
切边精度：0～＋1mm
3.圆盘剪结构
圆盘剪由左右机架、上下刀轴、机架调宽机构、传动装置、刀盘重合度调整装置、刀刃侧向间隙调整装置、固定底座等组成。

详见图（1）、（2）。

图1 圆盘剪
1.底座
2.左机架
3.右机架
4.调宽装置
5.刀刃侧向间隙调整装置
图2 圆盘剪
1.机架
2.废边导向溜槽
3.刀盘
4.刀刃侧向间隙调整装置
5.刀盘传动装置
3.1 机架
图3 圆盘剪（左）机架装配
1.刀盘 2,机架 3.芯套 4.下刀轴 5.叠簧 6.超越离合器 7.刀盘驱动齿轮箱 8.上刀轴
9.刀刃侧向间隙调整装置 10.刀盘重合度调整装置 11.偏心套
圆盘剪两个机架左右对称布置，上下刀轴、刀盘、刀盘重合度调整装置、刀刃侧向间隙调整装置均装在机架上。

机架为箱形焊接结构，刀轴为悬臂式。

上下刀轴为圆盘剪的主要部件，详见图（3）。

其上安装有刀盘、压辊、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、芯套（下刀轴）、偏心套（上刀轴）、叠簧、液压螺母等。

由力的分析可以知道，在剪切时，上下刀盘有向上下方向倾翻的趋势，这将使刀盘重合度减小及刀刃侧向间隙增大。

直接的后果就是剪切质量下降，毛边产生，严重的可能导致剪不断，造成生产事故。

为避免上述现象发生，我们在上下刀轴上安装单列圆锥滚子轴承（成对安装）不允许刀轴窜动。

3.2 调宽装置
为剪切不同宽度的带钢，圆盘剪的机架安装有调宽装置，用以调整两对刀盘的开口度。

调宽要求准确，由一个安装有编码器的齿轮电机驱动两根左右旋向的螺杆，带动固定在左右机架下方的螺母，实现左右机架的同时开合。

3.3 刀刃侧向间隙调整装置
图4 刀刃侧向间隙调整装置
1.侧向间隙调整齿轮电机
2.蜗杆
3.蜗轮
4.芯套
5.下刀轴
刀刃侧向间隙调整时，上刀盘不动，由下刀盘轴向移动来实现。

通过齿轮电机驱动蜗杆，带动蜗轮。

蜗轮与下刀盘上的芯套用螺纹联接。

通过结构上的设计，保证蜗轮在芯套轴向上不能移动。

蜗轮的旋转运动经芯套转化为刀盘的轴向移动。

安装在下刀盘芯套尾部的有预紧力的碟簧，使装在下刀轴芯套上的蜗轮始终与装在机架上的挡块压紧。

将刀刃侧向间隙调小时，如图（3）所示，齿轮电机驱动蜗杆，带动蜗轮，使芯套带动下刀轴向左移动。

反之则可调大间隙。

齿轮电机尾部安装有旋转编码器，可以精确控制刀刃侧向间隙。

3.4 刀盘重合度调整装置
图5 刀盘重合度调整装置
1.刀盘重合度调整齿轮电机
2.蜗杆
3. 蜗轮
4.偏心套
5. 上刀轴
刀盘重合度调整时，下刀轴固定不动，用上刀轴绕偏心套旋转来控制。

通过齿轮电机驱动蜗杆，带动蜗轮。

蜗轮与上刀轴上的偏心套用键联接。

由于上刀轴和偏心套有25mm的偏心量，偏心套的旋转，将使上刀盘的垂直位置发生变化，从而调整上下刀盘的重合度。

齿轮电机安装有旋转编码器，可以对重合度精确调整。

4.有关参数的选择和计算
圆盘剪的基本参数是剪切力、重合量、侧向间隙、刀盘厚度、刀盘直径等。

4.1 刀盘直径和厚度的选择
刀盘形状是薄圆柱体，主要几何尺寸是刀盘直径D和厚度b。

刀盘直径D主要取决于板带的厚度h，刀盘重合量S和最大咬入角α1。

参考类似的机组数据，我们选择刀盘直径为350mm。

选择刀盘的厚度b应使刀盘具有足够的刚度，一般选取b=(0.06~0.10)D，本刀盘选取b=30mm。

刀盘的材质应具备强度大、韧性好和硬度高的性能。

剪刃性能与制造工艺密切相关，制造性能好的剪刃，必须选用优质材料，精心锻造，合理热处理。

材料选用Cr12MoV，表面淬火硬度HRC≥58，表面粗糙度0.8～0.4μm，端面跳动6μm。

4.2 刀盘重合度和侧向间隙的选择
刀盘重合量s和侧向间隙∆与被剪切的带钢厚度有关，如图6所示。

图6 圆盘剪刀盘重合量s和侧向间隙∆与被剪钢板厚度h的关系曲线
由图可见，随着钢板厚度的增加，刀盘重合量s减小。

当钢板厚度＞5mm时，重合量为负值。

剪切时，如重合量不够，会引起机械超负荷和带材局部弯曲；若重合量太大，则引起带材“竖立”现象。

为了避免圆盘剪剪刃之间的磨损，在两个剪刃侧向之间，应该有一定的间隙。

确定该间隙时，要考虑被切带钢的厚度和强度。

根据生产实践，冷剪时，侧向间隙∆可取被切带钢厚度的14～17％。

如果侧向间隙设置得不合理，对剪切面和设备均有很大的影响。

当剪刃之间的间隙过大时，剪切面出现不整齐，因为在剪切面附近会产生塑性变形，该断口不是被剪断的，而是以揉搓形式产生的撕裂现象。

这种剪断口，在剪切较厚而软的低碳钢板时较容易见到。

当剪刃之间的间隙过小时，又会导致设备超载，而且易使上下移动的剪刃面擦伤而过早损坏，其结果将使带钢的剪切面产生毛刺而不整齐。

左右机架上的剪刃重合量要一致，如果重合量不一致，则两机架上的剪刃受力不等，带钢两边受力亦不等，结果会导致带钢向侧面串动，发生跑偏现象。

侧向间隙小，剪切进行得快些，反之则慢一些。

所以，如果左右机架上的剪刃侧向间隙不一致，带钢两侧一边剪得快，一边剪得慢，带钢两边受力不等，必然产生跑偏现象。

4.3 剪切力的计算
剪切过程一般由两个阶段组成：压入变形阶段和滑移阶段。

剪切力是随着切入深度Z的变化而变化的，当剪刃刚接触并逐渐压入带钢时，剪切力由零逐渐增大。

在整个压入阶段，在剪切断面上产生的剪切力小于带钢本身的抗剪能力，带钢只产生局部压缩塑性变形，这时带钢将产生偏转。

随着剪刃的逐渐压入，剪切力继续增加，当剪切力产生的剪应力等于带钢的抗剪能力时，带钢的的转角不再增加。

当剪切力稍大于此值时，在剪切断面上的剪应力就大于了带钢的抗剪能力，这时带钢便沿整个断面产生了相对滑移。

在滑移阶段，剪切断面逐渐减小，剪切力也随着不断减小，直至剪断带钢，剪切力为零。

在圆盘剪上剪切金属时，作用在单个圆盘剪剪刃上的总剪切力由两部分组成：
P=P1十P2
式中 Pl——纯剪切力；
P2——钢板被剪掉部分的弯曲力，是由于剪切伴随着钢板的复杂弯曲而产生的，如图（7）。

图7 圆盘剪切机剪切板边示意图
剪切力的计算方法较多，下面分别采用两种公式来计算：
方法一：
由上述可知，作用在单个剪刃上的总剪切力由两部分组成：
P=P1十P2
纯剪切力P1的确定在原则上与斜刀剪类似，参见图（8）。

图8 在圆盘剪上剪切金属时的压力图
假定实际剪切面积只局限于弧AB 及CD 之间，因为在BD 线之外剪切的相对切入深度大于ε0，即剪切过程已彻底完成了。

其次，将弧AB 和CD 视为弦。

作用于宽度为dx 的微小面积上的剪切力为
dP1＝qxdx=τhdx
式中 qx ——作用在接触弧AB 水平投影单位长度上的剪切力。

qx=τh 式中 τ——剪切应力 MPa h ——板厚 mm 相对切入深度由下式计算：
h
x αεtan 2=
微分后得
εα
d h
dx tan 2=
式中 α——弦AB 与CD 间夹角的一半。

所以纯剪切力为
a h d h hdx P α
ετατtan 2tan 2221===⎰⎰
式中 a ——单位剪切功，⎰=ετd a 。

在圆盘剪上冷剪时，a 值可按下式求得
5521δσδσb b K K a ==
式中 K 1、K 2——换算系数，取 K 1 K 2＝1
b σ 、δ——被剪切钢板的强度极限(MPa)和延伸率。

P 2——钢板被剪掉部分的弯曲力，由下式计算：
δ
α
tan 1
12Z P P =
总剪切力计算公式为
)tan 1(1
112δ
α
Z P p p P +=+=
系数Z l 决定于被剪掉的板边宽度与板厚的比值d ／h ，参见图（9）。

图9 被剪切钢板的相对宽度d/h与系数Z1的关系由图中可知，当d／h≥15时，Z l的数值趋近于渐近线Z l＝1.4。

假设合力P的作用点在弦AB和CD中间，则α可按下式求得
s
D
D
EF-
=
+α
cos
或
D
EF
s+
-
=1
cosα
式中 s——刀片重叠量。

又
h
EF)
2
1
(0
ε
-
=
D
h
s)
2
1(
1
cos
ε
α
-
+
-
=
以板厚h＝4mm，2
/
60mm
kg
b
＝
σ为例：
根据图（6），取s=0.3mm
根据表（1），取ε0=0.33
表(1)相对延伸率
5
δ和相对剪切率ε的对应值
9896
.0
350
4
)
2
33
.0
1(
3.0
1
cos
=
⨯
-
+
-
=
α
︒
=271
.8
α
由表（1），取26.0
5
=
δ，则
6.15826.06105=⨯==δσb a （N ·mm/mm 3
）
所以纯剪切力为
N a h P 87296.158271.8tan 24tan 222
1=⨯︒
⨯==
α 总剪切力
N
Z P P 15561)26
.0271.8tan 4.11(8729)tan 1(1
1=︒
⨯
+⨯=+=δ
α
方法二：
圆盘剪的剪切力，一般还可按诺沙里公式进行计算。

即
)tan 1(tan 215
52z h P b δα
δσα+=
对于圆盘剪可建议取525.1δε=,系数取z 1=1.4，则上式简化为：
)7.04.0tan (2+=α
ε
σb h P
图10 圆盘剪刀盘上的作用力简图
由图（10）可知，)2
1(22ε
ε-=-=-=h h h z h GF 。

若剪切机重叠量为S 则两刀片的中心距A ＝2R-S=2Rcos α+GF 。

其中α为剪切角。

其值为
R
S
h 2)21(1cos +-
-
=ε
α
取 S ＝0.3 mm
由表（1），取ε＝0.26 则
9896.0350
3.0)226
.01(41cos =+-
⨯-
=α 所以 α＝8.271˚ tan α＝0.1454
剪切力N P 13815)7.04.01454
.026
.0(61042=+⨯⨯=
结论：
两种方法计算结果基本一致，考虑到刃口磨钝的影响，一般将计算的剪切力增大15％～20％，所以
剪切力P=1.2x15561=18700 N 4.4 剪切力矩计算
M=n(M
1+M
2
),Nm
式中M——作用于刀轴上的扭矩，Nm;
n ——工作刀盘对数；
M
1
——一对刀盘剪切所需的扭矩;
M
1
=PDsinα，Nm;
=18700x0.35xsin8.271˚
=941 Nm
M
2
——刀盘轴支承中的摩擦扭矩;
M
2
=Pdf，Nm;
=18700x0.15x0.02
=56 Nm
d——轴承内径，m;
f ——轴承摩擦系数；
剪切力矩 M =941+56
=997 Nm
4.5 剪切电机功率校核
参考类似机组的数据，初步选定刀盘传动变频调速电机功率为15kW，转速1500rpm，齿轮箱数比i＝31.5。

传动装置输出转矩：
M=9550×15×31.5/1500＝3008.25 Nm＞剪切力矩997 Nm
传动装置的选择是可靠的。

5.结束语
此圆盘剪是推拉式酸洗线上的核心设备，其最突出的特点就是通过速度控制来实现动力剪和拉剪工作状态的转变。

有效避免了采用全动力剪形式而带来的结构复杂、能耗大等缺点。

此新型圆盘剪结构简单，制造安装、调试均很方便。

在设计上充分考虑到如何有效保证剪切质量，刀盘重合度和剪刃侧向间隙的调整简单可靠而且精确。

在正常剪切过程中，要随时检查切边质量，根据板带的厚度、材料性能及剪切情况，对剪刃侧向间隙、刀盘重合度等工艺参数进行合理调整，尽量避免板边毛刺的产生。

参考文献
[1] 邹家详，轧钢机械，冶金工业出版社。

[2] 周国盈，带钢精整设备，冶金工业出版社。

[3] 武汉钢铁设计研究院，板带车间机械设备设计（下册），冶金工业出版社。