重型机械 ・２９・ 冷轧板带材切边圆盘剪侧向间隙及其精度的探讨 景群平 ，张勇安 ，许展望 ，王晓慧 （１．中国重型机械研究院有限公司，陕西２．太原科技大学机械电子工程学院，山西西安太原７１００３２； ０３００２４） 摘要：通过对切边圆盘剪侧向间隙调整精度及可靠性问题的分析，提出基于上、下刀盘端面跳 动及上、下刀轴空间平行度的关键零件形位公差设计方法，对隔环、刀盘、刀轴轴肩及机架等零件形 位公差进行了设计计算，保证了高精度切边圆盘剪侧向间隙调整精度及侧向间隙的可靠性。 关键词：侧向间隙调整机构；形位公差；制造工艺；刀盘 中图分类号：ＴＧ３３３．２ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—１９６Ｘ（２０１０）０２—００２９—０３ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｇａｐ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｉｍｍｉｎｇ ｄｉｓｋ ｓｈｅａｒ ｆｏｒ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｅｄ ｐｌａｔｅ ＪＩＮＧ Ｑｕｎ．ｐｉｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ’ａｎ ，ＸＵ Ｚｈａｎ．ｗａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ．ｈｕｉ （１．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｖｙ ｍａｃｈｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔ ｒｉｃａｌ Ｅｎ￣ｎｅｅｆｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｐ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｎｄ ａｒｅｌｉａｂｉｈｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｔｒｉｍｍｉｎｇ ｄｉｓｋ ｓｈｅａｒｓ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｎｄ ａｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｐｍｐｏｓｅｄ ｈｅｔ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｆｏｒ ｋｅｙ ｐａｒｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕｐ—ｎｄ ａｄｏｗｎ—ｃｕｕｅｒ ｅｎｄ ｆａｃｅ ｊｕｍｐｉｎｇ ｎｄ ａｓｈａｆｔ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔ— ｅｄ ｉｎ ｄｅｔｍｌ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ ｏｆ ｓｕｃｈ ｋｅｙ ｐａｒｔｓ ａｓ ｃａｕｌｋｉｎｇ ｉｒｎｇ，ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ．ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ ｓｈｏｕｌｄｅｒ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｇａｐ ａａｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｈｔｅ ｅｄｇｅ ｔｉｒｍｍｉｎｇ ｄｉｓｃ ｓｈｅｒ ａｎｄ ａｈｅｔ ｒｅｈａｂｉｌｉｔｙ ｆ ｏｌａｔｅｒｌａ ｇａｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｔｅｒｌａ ｇａｐ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｇｅｏｍｅｔｉｒｃ ｔｏｌｅｒｎｃｅ；ｆａａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ １ 概述 切边圆盘剪是金属板带精整作业线的核心设备 之一。由中国重型院设计、制造并成套的高精度全 自动切边圆盘剪已成功应用于宝钢冷轧厂、鞍钢冷 程的逻辑控制。而重叠量调整精度、侧向问隙调 整精度以及刀盘侧向间隙在旋转运动过程中的稳 定性（即刀盘端面跳动保证在一定范围内）是影 响产品质量的主要因素。 文献［１，２］综合分析了影响圆盘剪重叠量调整 精度的诸多因素，给出了高精度圆盘剪重叠量调整 的控制方法。本文根据影响上、下刀盘端面跳动精 度的各个零件形位公差的因素结合机械设计及制 轧厂精整线，其自动化程度、调整精度、设备制造 水平及切边质量等已经达到国外同类设备水平。 用户对圆盘剪的调整越来越倾向于全自动调 整。全自动调整是指带材参数的自动传输，调整 目标值的自动计算，调整位置自动反馈，调整过 造、传感器位置检测与电气控制，探讨了提高侧向 间隙精度和稳定性的措施，给出了影响上、下刀轴 空间平行度的各零件形位公差的计算方法。 收稿日期：２００９—１２—２０；修订日期：２０１０一Ｏ１—１Ｏ ２侧向间隙调整机构原理分析 ２．１侧向间隙调整机构 基金项目：山西省自然科学基金项目（２００９０１１０２９） 作者简介：景群平（１９７４一），男，中国重型机械研究院有限公 司，高级工程师。 侧向间隙调整机构如图１所示，调整装置安 ・３０・ 重型机械 ２０１０ Ｎｏ．２ 装在上刀轴箱上，采用高刚性的直线导轨作为导 向元件，通过变频调速齿轮马达驱动滚珠丝杠使 螺母升降带动斜楔块上下移动，而斜楔块将直线 导轨滑块的直线运动方向改变９０。，从而使得上 刀轴产生水平移动，达到调节刀刃侧向间隙的 目的。 图１侧向间隙调整机构原理示意图 １．下刀轴圆盘刀片２．上刀轴圆盘刀片３．上刀轴组件 ４．斜楔块５．滚珠丝杠６．扭矩限制器７．齿轮马达 ８．位移检测传感器９．下刀轴组件 ２．２侧向间隙调整的电气控制方法 影响侧间隙调整精度的重要因素之一是传动 链中的机构间隙。消除机构运动间隙的方法在文 献［２］中有详细描述。 切边圆盘剪的操作侧和传动侧的侧向间隙调 整机构的驱动马达分别由两台变频调速电机驱 动，采用变频调速装置控制，调整的起始阶段采 用较高速度，接近目标值时，以较低的速度逼近 目标值，可全自动完成整个调整过程。 在上位计算机或触摸屏上设定和显示圆盘剪 侧间隙调整电机的传动参数和侧间隙的调整值。 图２为侧间隙调整的电气控制系统框图。上位计 算机或触摸屏通过网络通讯传送带材的参数给可 编程控制器，可编程控制器按照数学模型计算出 侧间隙的目标值，并和检测元件测量的实际值进 行比较，通过变频器控制电机，实现侧间隙的 调整。 图２侧向间隙调整的电气控制系统框图 ３关键零件形位公差的设计 ３．１影响切边质量的因素分析及相关指标的检 测方法 板带材的剪切断面质量与侧向间隙调整精度 以及刀盘侧向间隙在旋转运动过程中的稳定性密 切相关。对于不同厚度与不同材质（主要指机械性 能）的板材，要求圆盘剪有不同的侧向间隙值与其 相对应。圆盘剪的侧向间隙值能保证刀轴的轴向 窜动和刀盘的端面跳动控制在一定范围内。 在工程实践中，刀轴的轴向窜动是通过装配 预紧来保证，其测量方法是将千分表的触头顶在 刀轴轴端，用撬杠轴向撬动刀轴，轴向前后撬动 力约１ ０００ Ｎ，计量千分表最大差值。对于上、 下刀盘端面跳动的测量分别以上、下刀轴的轴线 为旋转基准轴线，将千分表的表座固定在机架的 适当位置，千分表的触头顶在刀盘端面的最外 端，旋转刀轴，计量千分表的最大差值。 ３．２关键零件形位公差的设计方法 装配零件位置关系的传统设计方法为建立装 配尺寸链 Ｊ，用图形来描述位置关系，由于位 置涉及不同的方向，因此画出的尺寸链图较复 杂，也很容易把位置关系搞错，对于复杂装配体 更是如此。装配尺寸式 是一种描述装配尺寸 或位置关系的新方法，该方法不需绘图、建立尺 寸或位置关系方便，便于计算机辅助设计等特 点。图３为圆盘剪的上下刀轴装配示意图，图中 共有１３个装配要素，即：Ａ 为上刀剪切面， Ｂ 。，为上刀盘与隔环的装配基准，ｃ，． 为上主轴 与隔环的装配基准，Ｄ¨为上主轴轴颈与轴承内 孔的装配基准轴线，眠 为上偏心套与轴承的装 配基准轴线； ． 为上偏心套与铜套的装配基准 轴线， ． 为机架上孔与铜套的装配基准轴线， Ｅ 为下主轴轴颈与轴承内孔的装配基准轴线， ：．。。为下偏心套与轴承的装配基准轴线，Ｐ ，． 为下偏心套与铜套的装配基准轴线；Ｑ 为铜套 与机架的装配基准轴线；Ｇ 为下刀盘与隔环的 装配基准，也是下刀盘的剪切面；Ｆｇ ｍ为下主轴 与隔环的装配基准。 经分析，图３中描述封闭环与组成环位置关 系的装配尺寸式如下： Ａ２ Ｄ１．４ ２∥Ｂ：．，／／ｃ３． Ｄ ． （１） 重型机械 ・３１・ 图３上、下刀轴装配示意图 Ｇ ｘｏＥ ８ Ｇｌ０，９ ，９／／ｒ８．１ｏ Ｅｌｌ＇８ （２） Ｄ１，４∥Ｅ ８一Ｄ１，４∥Ｍ４，５／／／Ｈ５，６／／ｇ６，７／／ｑ７，１３／／ Ｐｌ３．１２∥－，１２．１１∥Ｅ１１．８ （３） 式中，Ａ ／／８ ． 为零件２（上刀盘）两个端面的平 行度；Ａ ／Ｄ１．４为剪切面Ａ 对其刀轴轴线Ｄ，． 的 跳动；同理类推。 由于零件６、１３与零件７是过盈装配，公式 （３）可以简化为（同时将下标６与１３改为７），即 Ｄ１．４／／ＥＩ１’８—｝Ｄｌ，４∥ ，５∥Ｈ５，７／／Ｐ７，１２∥．，１２，１１ ∥Ｅ 。 （４） ３．３算例 本文以上、下刀盘剪切面端面跳动误差为 ０．００５ ｍｍ、上、下刀轴空间平行度０．０２ ｍｍ为 目标来确定相关零件的形位公差。 公式（１）、（２）与公式（３）建立的装配尺寸式 描述了封闭环与组成环的位置关系，据此可以计 算确定相关组成环的位置公差，包括尺寸式计 算 与公差分配两部分内容。 圆盘剪参数：刀盘直径３２０ ｍｍ；隔环直径 ２５０ ｍｍ；上刀轴轴肩距离后支撑轴承３９５ ｍｍ。 根据文献［６］中的ＧＢ／Ｔ １１８４—１９９６，查 得： （Ａ ／／Ｂ ．３）：０．００５ ｍｍ，６（Ｂ ，３∥Ｃ３，１）＝ ０．００４ ｍｍ，６（ｃ３．１／Ｄ１． ）＝０．００４ ｍｍ。引入调 整系数ｋ ，根据概率法计算与上、下刀盘端面 跳动有关零件的形位公差如下。 （Ａ２∥Ｂ２．３）＝０．００３ １ ｍｍ （日２．３∥ｃ３．１）：０．００２ ５ ｍｍ （Ｃ３ １ Ｄ１ ４）：０．００３ １ ｍｍ （Ｇｌ０＇９∥ ，ｌ０）＝８（８２，３／／Ｃ３，１）＝０．００２ ５ ＩＴＩＩＴＩ ８（Ｆ８．１ｏ ｌ１．８）＝ （Ｃ３．１ １．４）＝０．００３ １ ＩｎｌＴｌ 同样，根据文献［６］中的ＧＢ／Ｔ １１８４—１９９６， 并引入调整系数ｋ：，根据概率法计算与上、下刀 轴空间平行度有关零件的形位公差如下。 （ 。 ∥ 。 ）＝ （Ｐ７，。：∥．，。 ．１１）＝Ｏ．０１１ ４ ｎｌｌｎ （ ．７／／Ｐ７．１２）＝０．００９ １ ｍｍ 到此，影响剪刃端面跳动及剪切面平行度的 全部零件的位置公差全部确定完，即按照该位置 公差对零件进行加工，装配后能够满足剪切面端 面跳动不大于０．００５ ｍｍ，上下刀盘剪切面平行 度不大于０．０２ ｍｍ。 ４结论 该切边圆盘剪已在国内几个主要大型钢铁 企业如宝钢冷轧厂、鞍钢冷轧厂等成功推广应 用了八套，取得了良好的效果。通过工程实际 应用，切边圆盘剪的侧向间隙及其精度有如下 结论。 （１）采用侧向间隙调整机构可以实现大速比 传动，目前工业应用中的几台圆盘剪侧向间隙调 整综合精度可与国外圆盘剪相媲美； （２）基于上、下刀盘端面跳动精度的关键零 件形位公差的设计方法，保证了剪切高端板材对 圆盘剪刀盘端面跳动的高要求； （３）提出影响上、下刀轴空间平行度的各零 件形位公差的计算方法，保证了重叠量调整精度 的稳定性。 参考文献： ［１］许展望，张勇安，景群平等．高精度圆盘剪重叠 量调整控制方法的研究［Ｊ］．现代电子技术， ２００７，（２１）：１６１—１６３． ［２］ 景群平，张勇安，王社昌等．冷轧板带材切边圆 盘剪重叠量调整方法探讨［Ｊ］．重型机械，２００８， （１）：３５—３９． ［３］顾崇衔．机械制造工艺学［Ｍ］．西安：西安交通 大学出版社，１９８０：８９—９５． ［４］ 王晓慧，李改全，吉慧琴．装配尺寸式的研究 ［Ｊ］．工程设计学报，２００８，１５（３）：１７０—１７２． ［５］王先逵．机械制造工艺学［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００８：１７２—１７３． ［６］ 重型机械标准第１卷［Ｍ］．云南：云南出版集团 公司，２００８。３４９—３５０．
