第八章 剪切机 飞剪 斜刃剪 圆盘剪

轧钢辅助设备
Auxiliary Equipment of Rolling Mills
第八章：剪切机
stationary shears
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主要内容 剪切机的分类； 平行剪刃剪机结构参数、剪切力参数（剪切 力与剪切静力矩）计算; 平行刃剪切机典型结构分析; 上切式与下切式剪切机; 斜刃剪（圆盘剪）、参数及其结构分析。
由于τ与刀片的压入深度z，相对压入深度ε有确定关 系，所以根据上式可以确定剪切力P与z或ε的关系。
由以上关系作出的曲线即瞬时剪切力计算曲线。
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4、剪切功
根据剪切功可以方便地确定剪切机所需电机功率。 剪切功可按下式计算：
A Fdz Fhd Fh d 式中: 令a d
2、连续工作制——采用离合器、带飞轮。交 流电机。
从剪切机构上讲，剪切机又分为上切式剪切 机与下切式剪切机。
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一、上切式剪切机——其剪切钢坯动作由上剪刃完成 （下刃固定） 为保持切口平直，上切式剪切机必须在机后有一随 上刀、轧件运动的升降辊道。如图所示：
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实例一：20兆牛上切式剪切机
结构特点：上切式剪切机；由曲柄连 杆机构、上剪刃与连杆之间的补强块、 上剪台液压平衡、液压压板、快速换剪 刃机构、上下剪台夹紧缸及扩大行程机 构组成。
a称之为单位剪切功，它等于单位剪阻力曲线所包 围的面积。其意义为剪切高度为1mm断面积为1mm2 试件所需的剪切功。 某些材料的单位剪切功见教材表8-5、8-6及图8-8。
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五、静力矩 1、静力矩的组成 为了精确地计算剪机各传动部件的强度及电 机功率，必须计算剪切机偏心轴上的静力矩。 它由以下三部份组成： Mj=Mp+Mf+Mkon （8-23）
大型平行刃式剪切机的驱动系统也有采用液压 传动的。
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二、剪切机结构参数
1、刀片行程 H—它决定了该剪切机所能剪切 钢坯的最大高度。 H=H1+j+q+s
H1=钢坯厚h + (50~75)mm
j——压板低于上刀的距离，j=5~50mm
q——下刀低于辊道的距离，q=5~20mm
s——上下刀刃的重合量，s=5~25mm
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——扩大行程机构 ——剪切弯头轧件及事故处理
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2、活连杆上切式剪切机 这种类型的上切式剪切机典型实例是剪切能力为 1.6MN的钢坯剪。电机经减速机经二级减速后驱动曲 轴使活动连杆上下摆动。在不剪切时，上刀台由剪机 顶部的汽缸提至最高位置，活连杆由汽缸向左拉至上 刀台左侧的空凹槽内摆动。
在剪切时，上刀台下降，左汽缸将活连杆向右顶至 上刀台右方高出的剪切位置，连杆在曲柄的带动下上 下滑动将上下刀台之间的钢坯剪断。完成剪切任务后， 左汽缸再将连杆拉回左侧上刀的空槽内上下空摆动。 上刀台向上运动由向上的过平衡力实现，平衡重锤通 过悬于剪机顶部的两个链轮及链条将上刀台吊起。顶 部汽缸用以实现上刀台的快速上下运动。完成一次剪 36 切后，等待下一次剪切。
由此可作出力臂c与曲柄转角α 的关系曲线c=f(α ) 以及静力矩与转角的关系曲线Mj =f(α)。见附图。 空载力矩一般可取剪切力矩的5%--8% 。将三部份 的值相加则得出总的静力矩。
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六、电动机功率的预选 不带飞轮的剪切机预选电动机时，可按静力矩的 大小直接选取：
M max M er ki
有压板后，剪切机的γ角减小，侧向力减小，既提高 了剪切质量，又减少了设备磨损。这时压板力为Q：
Q=(0.04~0.05)Pmax 由上面的假设可得出压入阶段的剪切力： P=pbx=pb.0.5z/tgγ，p——平均压力
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由(8-10)可得出：
P pb 0.5zh P pbh 0.5
分别表示剪切力矩、摩擦力矩及空转力矩。 由于剪切机负荷较大，摩擦力矩不能简单地用 效率考虑而要进行具体计算。
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2、Pi= f(α)曲线 设曲柄转角为0度时刀片开度为最大（等 于曲柄半径的两倍）则转角为180度时，刀 片开度最小。可以用图解法或解析法求出曲 柄转角与刀片开度关系。同时也可求出曲柄 转角与相对压入深度的关系。
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3、剪机的理论空行程次数
它表示了该剪切机的生产率，理论空行程次数越 多，则生产率越高。它受电机功率与剪切机的型式 的限制。具体数据见p259表8—2, 剪切机剪切力从 63吨——2500吨，其理论剪切次数从5~30次/分钟 变化。
由于两次剪切之间需要有许多如定尺、运输等 辅助工作要完成，实际剪切次数一般小于该数据。
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四、单位剪切阻力曲线与剪切力、剪切功
1、单位剪切阻力曲线（ τ—ε曲线） 定义：将金属剪切过程中任一瞬时的剪切力P， 除以试件的原始断面积F，其商即单位剪切阻力。 由以上定义可知，单位剪切变形阻力并不是轧 件的实际剪切应力，是一种名义应力。 将试件的相对压入深度与单位剪切变形阻力的关 系绘成曲线，则称之为单位剪切阻力曲线（ τ—ε 曲线τ=f (ε) ）。
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2、下切式剪切机
下切式剪切机基本原理是在剪切时上刀不动、 下刀升起剪断轧件
由于这种剪切机在切断轧件时，下刀抬起轧件 离开辊道，所以机后可不设摆动辊道。 这种剪机另一个特点是在剪切时机架不受剪切 力。 下切式剪切机广泛用于大、中型剪切机。
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剪切机的驱动形式一般由电动机驱动。其工作 制度可分为：启动工作制和连续工作制两种。前 者为电机启制动一次完成一次剪切，多采用直流 电动机。在连续工作制的剪切机上，一般装有带 飞轮的交流绕线式电动机，在传动系统中采用离 合器；在空载时，飞轮可储存能量，在剪切时， 离合器合上，飞轮放出的动能可帮助系统克服剪 切时的大的阻力实现剪切。
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2、刀片尺寸 刀片长—— 由被剪钢坯截面的最大宽度 bmax 确定；
•
l = (3~4)bmax l =(2~2.5)bmax
小型方坯剪 大、中型方坯剪 板坯剪
l =bmax + (100~300) • 刀片断面高 h′ 与宽 b′ h′ =(0.65~1.5)h b′=h/(2.5~3) h——钢坯厚度
为减小剪切过程中的冲击，机体上部装有两 组弹簧。 这种剪机的特点是： • 操作速度快，实际剪切次数多。用活连杆 取代传统的离合器。 • 增大了上下刀台间的距离，即开口度。使 其适应不同的剪切工况要求（如弯头轧件 等）。
教材262-265所示为部份钢种的τ—ε曲线。
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2、最大剪切力Pmax 可按以下公式计算：
Pmax=KτmaxFmax (8-13)
K为考虑刀片磨钝、刀片间隙增大而使剪切力增大 的系数。根据不同的剪切机的剪切能力，K=1.1-1.3。
对于所剪材料无单位剪切阻力的实验数据时，可用 以下公式计算最大剪切力： Pmax=0.6KσtFmax (8-14)
在滑移阶段，剪切力为：
z / h
h P s b( z) cos
τ——被剪金属断面的剪切变形阻力。由上述公式 可以看出，在压入阶段，剪切力P随压入深度z 增加 而增加；在滑移阶段，P随z而减少。 13
剪切过程中的轧件 的变形与剪切力之间 的关系可以用右图表 示。
在相对压入深度ε=ε0 时，轧件被剪断。 ε0 为轧件剪断时的相对 压入深度，它与被剪 金属的性质有关，金 属塑性越好则其值越 大。
3、剪切力矩Mp和摩擦力矩Mf
求得剪切力P以后， 则可由剪切机构中的 力的平衡关系求出作 用在连杆上的力，进 而求得作用在曲柄轴 上的静力矩。 如图所示，如总剪 切力为Pi则由此产生 的作用在连杆上的力 为Pab，由曲轴中心向 作垂线，其长度c与 Pab乘积则为产生的静 26 力矩Mp。
在三角形AOB中，由正弦定理：sinβ=(R/L)sinα
• 刀片开度与曲柄转角的关系 H=f(α)
由左图可知：在曲柄转角 α为0度与180度时，连杆 的下铰B点分别处于上下 B 极限点： 0 与B0。其最大 开度与曲柄半径R的关系 为：H=2R。
由简单的函数关系可以推 出转角与开度的关系式， 设剪切机构的连杆比 λ=R/L，可得出：
H R 1 cos 1 cos 2 25 4
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图解法求曲柄转角与刀片行程相对压入深度关系
AC zi , 0G h0 ,取0 A 1 ,
AB AC ABC 0 AG ∵ 与 相似 ∴ 0 A 0G
得出:
ABiblioteka Baidu
zi i h0
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• 曲线横座标为曲柄转角,纵座标为刀片行程; 根据剪切 机构尺寸可作出其关系曲线。 • 作出五个等距的同心圆。 • 作出轧件厚度水平线,它与曲线交点的横座标则为刀 片与轧件接触时的曲柄转角.显然这时的压入深度及相 对压入深度均为0。 • 当压入深为 z i 时,其水平线与曲线交点的横座标为这 时的曲柄转角, AB长则为相对压入深度。 利用上面给出的单位剪切阻力曲线（ τ—ε曲线） 得出相应转角下的剪切变形抗力τ，将其乘上轧件的原 始断面积则可得出相应角度下的总剪切力P。这样就 可作出Pi= f(α)曲线。即曲柄转角与总剪切力之间的关 24 系。
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三、剪切过程分析 实际剪切过程由两个阶段 组成：刀片压入阶段与金属 滑移阶段。 如图，刀片压入后，上下 刀受剪切力P与侧向力T，在 剪切力P形成的力偶Pa作用 下，轧件沿顺时针方向旋转γ 角，由力的平衡： a=x=0.5z/tgγ，c=h/cosγ- 0.5z (8-9)
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Pa=Tc
(8-7)
tg z
2h
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可知，压入深度z越大，则转角γ越大，而由式8-9， T=Ptg γ知，侧向力T也越大。 在剪切机上，为减少侧向力的值，一 般均安装有压 板将轧件压在下刃台上以减小γ角。
在无压板情况下， γ=10~20度，T=(0.18~0.35)P
在有压板情况下， γ=5~10度， T=(0.1~0.18)P
由摩擦引起的偏转角：sinγ=(ρa+ρb)/L
滑块的摩擦角φ=tan-1μ
P PAB cos( ) sin( )
由图可看出， Mj′=Pab×C
C——力Pab到O 点的力臂
以上计算结果实 际包含了剪切力矩 与摩擦力矩。 27
力臂c的求法： 在>90°时： 在<90°时： c=Rcos(α-β-γ-90)+ρa+ρo (8-35) c=Rcos(90-α+β+γ)+ρa+ρo (8-36)
式中σt为所对应温度下的抗拉强度极限。近年来， 采用弹塑性有限元法对剪切过程中的剪切力进行计算 也取得了不少成果。
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3、瞬时剪切力及其计算曲线 上面求出的是最大剪切力。如果想要精确的确定电 动机功率，则必须要求出剪切力P与曲柄转角α之间的 关系P=f(α)。为此必须知道剪切力与刀片压入深度之 间的关系P=f(z)。（或剪切力与相对压入深度间的关系 P=f (ε) ） 瞬时剪切力可按以下公式算出： Pi=kτiF0 (8-15)
带飞轮的剪切机预选电动机可按前面求出的静负 荷图求出其平均值：
Mm
M jt j T
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预选电动机的额定力矩：
Mer=(1.15—1.3)Mm
§2、平行刃剪切机的结构
对于剪切机，其电机工作制度分为两种：
1、起动工作制——又分为摆动工作制（剪切 一次曲柄转角α＜360°）与圆周工作制 （α=360°）两种，采用直流电机。
当压入到一定深度z时，P力增大同时坯料实际的 剪切断面变小，当实际断面上的剪应力达到剪切变 形抗力时，轧件产生滑移，直至剪断。假定刀片与 金属接触面上压力均布且相等，设轧件宽为b,则有：
P T 0.5 z T P Ptg xb 0.5 zb x
由以上关系消去P、a、c可以得出压入深度z与转角 γ之间的关系： z/h=2tg γ.sin γ≈2tg 2γ或： (8-10)
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剪切机定义：将轧件剪切成定尺的机械称之为剪切机。
剪切机分类：
• 平行刀片——用于热剪方坯、 板坯；冷剪（成型剪）型材。 • 斜刀片——一般上刀斜1— —6度，用于剪切薄板。
• 圆盘剪——纵剪钢板。
• 飞剪——横切运动着的钢材， 切头、切尾、切定尺。 具体见参考教材表8-1
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§1、平行刀片剪切机的类型和参数 一、类型 1、上切式平行刃剪切 机 这种剪切机的结构是 下刀固定不动，剪切轧 件的动作由上刀向下运 动完成。对下切式剪切 机，在剪切时，为使剪 切顺利进行，机后一般 装有摆动辊道。为提高 生产率，出现了能快速 更换刀片的剪切机。