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[摘 要]利用滚切剪计算机辅助设计系统，自主开发设计滚切剪机构，主要阐述了滚切剪的结构特征及剪切原理；根据曲柄半径、相位差、曲柄中心距及上刀架偏移量等对滚切质量、力能参数的影响和主要结构件的国内外技术对比，对主要结构件进行了参数制定分析和剪切力的计算。
[关键词]滚切式定尺剪 计算机辅助设计 结构特征及剪切原理 剪切力
中图分类号：TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0396-01
1 前言
滚切式定尺剪以其剪切质量好、剪切效率高、剪刃的磨损量小、剪刃行程短、剪切力峰值低等众多优点，逐步成为中厚板生产的主要剪切设备。随着用户对产品质量的要求不断提高，钢铁企业对滚切式定尺剪的剪切质量也有了越来越高的要求，相应地对滚切式定尺剪的设计与制造也提出了更高的要求。
本文主要介绍了我公司给湘潭钢铁公司生产的6～50x4000mm滚切式定尺剪，主要阐述滚切式定尺剪的结构特征和剪切原理，对主要结构件进行了参数制定分析和剪切力的计算。
2 剪切原理
滚切式定尺剪的上刀架装配中装有半径为R=72m弧形上剪刃，它通过两台主电机各自驱动齿轮箱中的具有相同相位角和偏心半径的两个曲轴及上刀架中的两个连杆带动下，并在控制杆的约束中，上剪刃沿一个水平基面从初始位置开始先剪切右端逐步剪切左端，实现理想的滚动运动中完成一次钢板剪切，剪切终止后回到初始位置，等待下一次剪切。
滚切式定尺剪的设计过程中最关键是通过计算机辅助设计系统正确地建立双轴双偏心滚切运动轨迹的数学模型，使上下剪刃的重叠量整个剪切过程保持不变，通过计算机技术优化确定杆件尺寸即曲轴的中心距、偏心半径和偏心相位角，上刀架偏移量等，使机构在剪切过程处于合理的受力状态，通过计算机模拟仿真上剪刃的运动轨迹，使上剪刃最低点运动轨迹接近于纯滚切，以达到设备最优化的目的。
3.结构特征
滚切式定尺剪的主要部分包括机架装配、前面板及压板装置、剪刃侧隙调整、机架辊、导位装置、上刀架装配、下刀架装配、主传动装置、齿轮箱组成。
3.1.机架
左右机架为焊接闭式结构，作为整个设备的主体。
3.2.主传动
齿轮箱由可分的上、中、下箱体，齿轮，齿轮轴，曲轴等组成。
3.3.上刀架及连杆
上刀架采用铸钢结构，安装在前面板和减速箱之间。上刀架由两根连杆和两根曲轴实现与减速箱相连结。
3.4.下刀架
下刀架结构为铸焊结构，同样下剪刃与下剪刃座用螺栓把合，并成为一体进行安装更换。
3.5. 剪刃侧隙调整装置
剪刃侧隙是剪切质量的最直接因素，不同材质性能及厚度的钢板， 必需在剪切开始前调整上剪刃与下剪刃之间的侧隙。
3.6 压板装置
为防止钢板在被剪切时发生窜动。
4.主要结构件的参数制定分析及剪切力的计算
4.1.主要结构件的参数制定分析
（1） 技术参数
钢板厚度：6～50mm钢板宽度：1500～3800mm
钢板强度极限：当板厚≤40mm时，σb =1200N/mm2
当板厚>40mm时，σb =750N/mm2
上下剪刃的重叠量s与剪切角α是根据剪切钢板的厚度h，设定S为5mm，上剪刃圆弧的半径R为72000mm，剪刃长度根据最大剪切板宽设定为4000mm。
由于弧形上剪刃配合固定平直的下剪刃进行滚动剪切，所以上剪刃相对剪切钢板基本无滑动，且剪切造成的划伤、磨损小，上下剪刃的剪刃重叠量在整个剪切整个过程中始终保持不变，确保了剪切钢板的平直度、端面不会发生弯曲变形等众多性能。上下剪刃之间的开口度在上参考点位置时为板厚的三倍以上（设定为～200mm），使钢板顺利地通过上下剪刃。虽然滚切式定尺剪开口度较大，但总剪切行程却比斜刃剪的剪切行程减小了很多，大大的减轻了设备重量。
（2） 剪切角的计算
α= arccos﹛[（R-h-s）/R]﹜
α= arccos﹛[（72000-50-5）/72000]﹜
α=2.24°
（3）主要结构件的参数制定分析
通过滚切剪计算机辅助设计系统分析，可以得出相位差和曲轴中心距及曲轴半径对剪切质量影响比较显著，曲轴的半径对板材剪切质量影响没有前两个因素影响的那么显著；适当的增加曲轴半径、相位角差及上刀架的偏移量都能够降低剪切力最大值和传动力矩，其中曲轴半径、相位角差影响较明显，刀架的偏移量的影响较小，增加曲轴中心距会使剪切力最大值和传动力矩增大。因此制定曲轴半径及中心距和相位角、上刀架偏移量等主要杆件的参数是根据综合考虑剪切质量、剪切力能参数及左右连杆在剪切过程中所承受的力，再加上对主要结构件国内外技术的对比，最终设定成曲轴的相位角差为55°，曲轴中心距为2400mm，曲轴偏心半径为115mm，上刀架偏移量为30mm。
4.2.剪切力計算
滚切式定尺剪实质就是将刀盘直径很大的圆盘剪简化为具有相同直径的上剪刃，具有弧形半径的上剪刃相对水平固定的下剪刃进行近似理想工况下的纯滚动剪切运动。剪切过程的实质是金属塑性变形过程，最大剪切力则用来设计、校核剪切机构的刚度及强度。
剪切力可按柯洛辽夫计算公式：
P=（k1 k2k3h？σb）/（2tgα）=﹙0.8×0.75×1.1×50 ？×750﹚/（2×tg2.24 ？）=15818（kN）
式中：k1——剪应力与拉应力之间的的转换系数 k1=0.8
k2——应力应变系数，σb =750N/mm2时 k2=0.75
k3 ——剪刃变钝系数 k3=1.1
h——被剪钢板厚度 mm
σb——钢板材料的强度极限 MPa。
则：最大剪切力定为16000kN。
5.结论
设计一台滚切式定尺剪，要综合考虑影响剪切质量及剪切力能参数的各种因数，还要考虑左右连杆在剪切过程中所承受的载荷最小而又均衡，使剪切机构达到最合理的受力状态，以达到设备结构最优化。
参考文献
[1] 邹家祥，施东城.《轧钢机械理论与结构设计》[M].冶金工业出版社，1993
[2] 王海文.《轧钢机械设计》[M].机械工业出版社，1983
[3] 孙复森，杨惠新，闫晓强，等.滚切式定尺剪机构参数优化研究[J].冶金设备，2008，第4期（4）：18-21.
[关键词]滚切式定尺剪 计算机辅助设计 结构特征及剪切原理 剪切力
中图分类号：TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0396-01
1 前言
滚切式定尺剪以其剪切质量好、剪切效率高、剪刃的磨损量小、剪刃行程短、剪切力峰值低等众多优点，逐步成为中厚板生产的主要剪切设备。随着用户对产品质量的要求不断提高，钢铁企业对滚切式定尺剪的剪切质量也有了越来越高的要求，相应地对滚切式定尺剪的设计与制造也提出了更高的要求。
本文主要介绍了我公司给湘潭钢铁公司生产的6～50x4000mm滚切式定尺剪，主要阐述滚切式定尺剪的结构特征和剪切原理，对主要结构件进行了参数制定分析和剪切力的计算。
2 剪切原理
滚切式定尺剪的上刀架装配中装有半径为R=72m弧形上剪刃，它通过两台主电机各自驱动齿轮箱中的具有相同相位角和偏心半径的两个曲轴及上刀架中的两个连杆带动下，并在控制杆的约束中，上剪刃沿一个水平基面从初始位置开始先剪切右端逐步剪切左端，实现理想的滚动运动中完成一次钢板剪切，剪切终止后回到初始位置，等待下一次剪切。
滚切式定尺剪的设计过程中最关键是通过计算机辅助设计系统正确地建立双轴双偏心滚切运动轨迹的数学模型，使上下剪刃的重叠量整个剪切过程保持不变，通过计算机技术优化确定杆件尺寸即曲轴的中心距、偏心半径和偏心相位角，上刀架偏移量等，使机构在剪切过程处于合理的受力状态，通过计算机模拟仿真上剪刃的运动轨迹，使上剪刃最低点运动轨迹接近于纯滚切，以达到设备最优化的目的。
3.结构特征
滚切式定尺剪的主要部分包括机架装配、前面板及压板装置、剪刃侧隙调整、机架辊、导位装置、上刀架装配、下刀架装配、主传动装置、齿轮箱组成。
3.1.机架
左右机架为焊接闭式结构，作为整个设备的主体。
3.2.主传动
齿轮箱由可分的上、中、下箱体，齿轮，齿轮轴，曲轴等组成。
3.3.上刀架及连杆
上刀架采用铸钢结构，安装在前面板和减速箱之间。上刀架由两根连杆和两根曲轴实现与减速箱相连结。
3.4.下刀架
下刀架结构为铸焊结构，同样下剪刃与下剪刃座用螺栓把合，并成为一体进行安装更换。
3.5. 剪刃侧隙调整装置
剪刃侧隙是剪切质量的最直接因素，不同材质性能及厚度的钢板， 必需在剪切开始前调整上剪刃与下剪刃之间的侧隙。
3.6 压板装置
为防止钢板在被剪切时发生窜动。
4.主要结构件的参数制定分析及剪切力的计算
4.1.主要结构件的参数制定分析
（1） 技术参数
钢板厚度：6～50mm钢板宽度：1500～3800mm
钢板强度极限：当板厚≤40mm时，σb =1200N/mm2
当板厚>40mm时，σb =750N/mm2
上下剪刃的重叠量s与剪切角α是根据剪切钢板的厚度h，设定S为5mm，上剪刃圆弧的半径R为72000mm，剪刃长度根据最大剪切板宽设定为4000mm。
由于弧形上剪刃配合固定平直的下剪刃进行滚动剪切，所以上剪刃相对剪切钢板基本无滑动，且剪切造成的划伤、磨损小，上下剪刃的剪刃重叠量在整个剪切整个过程中始终保持不变，确保了剪切钢板的平直度、端面不会发生弯曲变形等众多性能。上下剪刃之间的开口度在上参考点位置时为板厚的三倍以上（设定为～200mm），使钢板顺利地通过上下剪刃。虽然滚切式定尺剪开口度较大，但总剪切行程却比斜刃剪的剪切行程减小了很多，大大的减轻了设备重量。
（2） 剪切角的计算
α= arccos﹛[（R-h-s）/R]﹜
α= arccos﹛[（72000-50-5）/72000]﹜
α=2.24°
（3）主要结构件的参数制定分析
通过滚切剪计算机辅助设计系统分析，可以得出相位差和曲轴中心距及曲轴半径对剪切质量影响比较显著，曲轴的半径对板材剪切质量影响没有前两个因素影响的那么显著；适当的增加曲轴半径、相位角差及上刀架的偏移量都能够降低剪切力最大值和传动力矩，其中曲轴半径、相位角差影响较明显，刀架的偏移量的影响较小，增加曲轴中心距会使剪切力最大值和传动力矩增大。因此制定曲轴半径及中心距和相位角、上刀架偏移量等主要杆件的参数是根据综合考虑剪切质量、剪切力能参数及左右连杆在剪切过程中所承受的力，再加上对主要结构件国内外技术的对比，最终设定成曲轴的相位角差为55°，曲轴中心距为2400mm，曲轴偏心半径为115mm，上刀架偏移量为30mm。
4.2.剪切力計算
滚切式定尺剪实质就是将刀盘直径很大的圆盘剪简化为具有相同直径的上剪刃，具有弧形半径的上剪刃相对水平固定的下剪刃进行近似理想工况下的纯滚动剪切运动。剪切过程的实质是金属塑性变形过程，最大剪切力则用来设计、校核剪切机构的刚度及强度。
剪切力可按柯洛辽夫计算公式：
P=（k1 k2k3h？σb）/（2tgα）=﹙0.8×0.75×1.1×50 ？×750﹚/（2×tg2.24 ？）=15818（kN）
式中：k1——剪应力与拉应力之间的的转换系数 k1=0.8
k2——应力应变系数，σb =750N/mm2时 k2=0.75
k3 ——剪刃变钝系数 k3=1.1
h——被剪钢板厚度 mm
σb——钢板材料的强度极限 MPa。
则：最大剪切力定为16000kN。
5.结论
设计一台滚切式定尺剪，要综合考虑影响剪切质量及剪切力能参数的各种因数，还要考虑左右连杆在剪切过程中所承受的载荷最小而又均衡，使剪切机构达到最合理的受力状态，以达到设备结构最优化。
参考文献
[1] 邹家祥，施东城.《轧钢机械理论与结构设计》[M].冶金工业出版社，1993
[2] 王海文.《轧钢机械设计》[M].机械工业出版社，1983
[3] 孙复森，杨惠新，闫晓强，等.滚切式定尺剪机构参数优化研究[J].冶金设备，2008，第4期（4）：18-21.