内 蒙 古 科 技 大 学
Inner Mongolia University Of Science &Technology
本科生毕业设计专题论文
题 目:圆盘剪切机的设计与参数选择
学生姓名:李 春 成
学 号:2 0 0 3 0 4 1 3 1 3 专 业:机械设计制造及其自动化
班 级:机械2003-3班 指导教师:周 雁 丰
圆盘剪切机的设计与参数选择
摘要：简要介绍了圆盘剪切机的结构、特性，并对有关参数的选择进行了讨论。对于圆盘剪切机的设计和计算具有一定的参考价值。 关键词：圆盘剪切机、结构、参数
Designing and Parameter Selection of the Disc Shearer
Abstract: The conxtruction and performance of disc shearer are intruduced.The selections of ralated parameters dre discued.Key Words: disc shearer ; construction ; parameter 圆盘剪切机广泛用于纵向剪切厚度小于20-30mm的钢板及薄板钢。由于刀片是旋转的圆盘，因而可连续纵向剪切运动着的钢板或带钢，其通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带钢。同时圆盘剪切机也是铝板带扎制线和辅助作业线上不可缺少的设备之一,用于剪切铝带材的边部和分切。它的工作好坏直接影响到产品的质量。它不仅用于剪切薄带和薄板，也可剪切40mm的中厚板。
圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带钢。根据其用途可分为两种型式：剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。剪切板边的圆盘剪每个圆盘刀片均悬臂地固定在单独的传动轴上，刀片的数目通常为两对，这种圆盘剪用语中厚板的精整加工线、板卷的横切机组和连续酸洗等作业线上。剪切带钢的圆盘剪用于板卷的纵切机组、连续退火和镀锌等作业线上。这种圆盘剪的刀片数目是多对的，一般刀片都固定在两根公用的传动轴上，也有少数的圆盘剪刀片固定在单独的传动轴上。我设计了圆盘剪切机与板带轧制线配套，下面对其结构设计和有关主要参数计算等问题进行讨论。
1.圆盘剪切机主要技术性能
剪切材料，扎制铝和铝合金带材；
强度极限，бb=400MPa; 伸长率，δ=20%；
带材厚度，h=0.2-1.0mm; 带材宽度，B=600-mm; 带材穿带速度，v=15m/min; 剪切最高速度， Vmax=120m/min; 刀盘直径，D=300mm; 刀盘厚度，b=20mm; 电机型号，Z2=61，N=5.5KW，1000-2000r/min; 减速机速比，i=7.87; 机架移动马达，型号BM1-80。 2 .圆盘剪切机的结构
圆盘剪切机由左右机架、上下刀轴、移动机构、传动装置、调整机构、活动底座和固定底座等组成，如图1。
图1 圆盘剪切机布置示意图
1.固定底座；2.T型铰接螺栓；3.活动底座；4.机架移动机构；5.下刀轴调整机构；6.左侧机架；7.上刀调整机构；8.上刀轴；9.下刀轴；10.右侧机构；11.万向联轴器；12.减速分配箱13.电机
该电动机（13）转动的扭矩通过刀轴的传动装置（图3）转动上下两根刀轴（
8、9），带动上下刀盘旋转，完成对铝板带材的剪切。 2.1 机架
两个机架（6，10）左右对称布置，上下刀轴（
8、9）和调整（
5、7）装在机架上。机架上还没有刀盘重合量调整装置和作业线高度调整机构。当调整刀的间隙和开口度时，利用移动机构（4）带动左机架与刀轴分离，按生产要求和规程进行调整。剪切工作时，依靠T型铰接螺栓（2）锁紧活动和固定底座，防止机架移动。机架的机体由铸钢件制成，有足够的强度和刚度。
在生产率较高的运行机组中，刀盘剪刃磨损较快，需要经常更换。为缩短换刀时间，设计中充分考虑到提高作业效率和适应剪切不同宽度、厚度板带的要求，采用可拆卸的机架底座，即用二套机构完备的机架，一套在线上工作，另一套在线外调整好准备更换。更换时，只需将铰接固定螺栓（2）以及万向联轴（11）拆卸，将全套机架移出线外后，再开动移动机构，按技术规程和生产要求更换刀盘。由于采取了可拆卸式机架装置，大大地缩短了换刀辅助时间。 2.2 机架移动装置
为了能剪切不同宽度的板带材，设有机架移动机构装置，用以调整刀盘的间距用更换定距套和刀盘来实现。机架移动装置可手动和机动（液压马达）操作，如图2。
图2 机架移动装置示意图 1.丝杠； 2.丝母；3.支座；4.液压马达；5.连轴器；6.索紧螺母；7.活动底座
手动机构由手轮、丝杠（1）、丝母（2）、联轴器（5）等组成。当手动调整机架刀盘开口度时，手轮旋转扭动丝杠（1）带动丝母（2）、联轴器（5）等，拉动左侧机架，使刀轴脱开左机架轴承，移动过程是离开或移近机组中心线。滑轨上装有刻度标尺，操作时可按标尺上读数进行调整。当机动调整时，开动液压马达(BM1-80)(4)驱动，即可完成上述动作。移动最大行程350mm。 2.3 刀轴传动装置
刀 轴传动装置由电机(6)、齿轮减速分配箱（5）、两根万向联接轴（4）、快速离合器（3）等组成，如图3。
图3刀轴传动装置示意图
1.上刀轴；2.下刀轴；3.快速离合器；4.万向联轴器； 5.齿轮减速分配箱；6.电机
刀轴的电动机（6）转动扭矩通过齿轮减速分配箱（5）来驱动两根万象联接轴（4）和快速离合器（3），传递到上刀轴（1）、下刀轴（2）上，转动的刀轴（
1、2）带动刀盘旋转，对铝板带进行剪切。 2.4 上下刀轴
该装置由上下刀轴（
3、4）固定刀盘（10）、定距盘（
6、8）和橡胶盘（
7、9）等部件组成。上下刀轴为通长带键槽（11）的光轴，刀盘和固定距套可在光轴上滑动，如图4。刀轴的支撑轴座箱定位于机架中（图1-
6、10）。
图4上下刀轴布置示意图
1.上刀轴左轴承箱；2.下刀轴左轴承箱；3.上刀轴；4.下刀轴；5.锁紧螺母；6.定距套；7.橡胶盘；8.定距套；9.橡胶盘；10.刀盘；11.键槽；12.下刀轴右轴承箱；13.上刀轴右轴承箱
更换刀盘时，先将作业线上活动底座与固定底座的联接T型铰接螺栓松开，脱开万向联接轴上的快速离合器，将机架全部装置移到作业线外，然后装上已更换好刀盘的全套机架。左侧机架刀轴与轴承内孔采用滑动配合。在作业线外更换刀盘时，利用机架移动装置，使非传动侧的机架（左机架）及轴承脱离刀轴，松开锁紧螺母（5），拆下刀盘（10）和定距套（
6、8），根据剪切铝带材宽度和工艺要求换上新刀盘和定距套（隔套）装上螺母（5）拧紧，检查无误后移动机架，使刀轴进入左机架轴承，以备其用。 2.5 刀盘重合度调整机构
刀盘重合度调整机构为手动操作。由手轮（1）、蜗轮蜗杆机（
4、6）、调整螺杆（
2、8）和 螺母（
3、7）、接合器（5）等组成，如图5。螺杆的下端固定在上刀轴轴承箱座上。
图5 重合度调整机构示意图
1.手轮；2.左螺杆；3.螺母；4.左涡轮蜗杆机；5.接合器； 6.右涡轮蜗杆机；7.螺母；8.右螺杆
刀盘重合度一般调整上刀来控制。调整时，首先松开锁紧螺母（
3、7），然后旋转手轮（1），驱动蜗杆带动蜗轮转动（
4、6），蜗轮带动蜗杆（
2、8）相对蜗轮机上下移动，同时拉动上下刀轴轴承座向上或者向下移动。左右蜗杆蜗轮机由接合器（5）连接，并可伸缩。当手轮转动时，在结合器的作用下，两侧蜗杆蜗轮机同步转动，实现双侧机架上刀轴的中心距，将刀轴上各刀盘的重合量调整到同一数值。再将其锁紧螺母（
3、7）锁紧即可。手轮压下调整量为0.156mm/转。上下刀轴轴承座之间的弹簧用以消除螺纹间的自由间隙。 2.6 刀盘侧向间隙
刀盘侧向间隙是在更换刀盘时用定距套来确定，工作时不再调整。当剪切不同宽度铝板带时用更换多种规格的定距去实现。为此，对轴，刀盘、定距套的几何尺寸要求较严格，上下刀轴全长不平行度不得大于0.1mm；刀轴肩工作端面的圆跳度不大于0.01mm；对定距套，刀盘加工精度达4-5级，表面粗糙度0.4-0.8µm；厚度公差±0.01mm。这样组合后，才能保证圆盘剪切机侧向间隙，实现剪切精度的可靠性。
2.7 作业线高度的调整机构
剪切机工作过程中，刀盘易磨损，需要更换。磨损后的刀盘进行修磨，外径将减小，重新安装在剪切机上，作业线的高度，也就是说调整下刀轴的位置来满足工作的需要。一般情况，这个调整量不大，也不频繁。所以设计采用手动旋转压下螺母（4），螺杆（5）相对于螺母上下移动，带动机架下刀轴轴承座（6）向上或向下移动（如图6），改变下刀轴的高度，从而实现作业线高度的调整。
图6 作业线高度调整机构示意图
1.固定底座；2.活动底座；3.机架移动机构； 4.调整螺母；5.螺杆；6.下刀轴轴承座
3 .圆盘剪切机的主要参数选择 3.1 刀盘直径与厚度的选择
刀盘形状是圆型柱状，主要几何尺寸是刀盘直径D、厚度b和内孔直径D内。刀盘与刀轴配合是Φ180H7/g6。刀盘直径主要取决于板带的厚度h其最小允许值与刀盘重合量S、最大咬入角α有下列关系[1]：D=（h+s)/(1-cosα)。从图7中可以看出，α值得大小同剪切速度V有关系。
V 图7 圆盘刀片咬入角α1与剪切速度v的关系曲线 当剪切速度V增大时，由于铝板带与剪刃的摩擦关系数降低，咬入条件破坏，影响剪切质量；当剪切速度V减小时又会影响生产率。通常α适当选小一点，该机选用α=80-120。
D/h 的变化很大时，带材厚度超过6mm或薄板带的D/h的变化更为显著。单纯按公式选择刀盘直径是有问题的。我们参照的公式，是适应黑色金属加工的，而对我们加工铝板带来讲要有所变化。为此，设计当中根据现场生产的实际经验，并考虑到本机架跨距较大以及刀轴长的特点，参照同类型设备的通用性，选择刀盘直径在270-300mm范围内。
刀盘的厚度b具有足够的刚度，一般采用b=（0.06-0.10）D计算，选取b=20mm。刀盘形状为柱形，刀盘刃角为900。
刀盘的材料应具备强度大，刃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、寿命长的剪刃，必须选用优质材料，精心锻造，合理的热
00处理。材料选6CrW2Si,硬度80-90。刀盘端面圆跳度不超过0.01mm，加工精度4-5级，表面粗糙度0.8-0.4µm。 3.2 刀盘重合量的选择
刀盘重合量S和侧间隙Δ与被剪切铝带材厚度有关，如图8所示。
¦¤¦¤重合量，毫米间隙，毫米¦¤板厚，毫米
图8 圆盘剪刀盘重合量、侧向间隙与冷轧带钢厚度的关系曲线
刀盘重合量随铝带板材厚度变化而变化，在操作中适当加以调整。若剪切重合量不够，在剪切时会引起机械超负荷和铝带材局部弯曲，若剪切重合量太大，则会引起铝带材“竖立”现象。
近几年来，通过生产经验的积累，技术不断地成熟，并参照上表面图表的变化关系的规律，剪切厚度不大于3.8mm铝带材时，重合量S大约为0.1-0.7mm。 3.3 刀盘的侧向间隙
刀盘的侧向间隙与被剪切铝带材厚度、强度有直接关系。侧向间隙过大，剪切时会产生撕裂现象；侧向间隙过小，会导致设备超载，刀刃磨损快，切边发亮，毛边过多。生产中根据铝带材厚度和强度的变化，以图8标示的曲线，适当加以调整，满足生产的需要。
在冷剪时，侧向间隙Δ值可取为被切铝带厚度h的9%-11%。当剪切0.15-0.25mm铝带材时，Δ值实际上接近于零，要把上下刀盘装配得彼此接触，甚至带有不大的压力。
3.4 剪切速度V 剪切速度V要根据生产率、被切铝板带厚度和力学性能来确定。剪切速度太大，会影响剪切质量；剪切速度太小，会影响生产率。常用的剪切速度V按照表1的数据来选取。根据剪切铝带材厚度小于2mm，本机选用剪切速度V为2m/s(120m/min)。 4 有关参数的计算 4.1 剪切力的计算
剪切力的计算是圆盘剪切机力能参数计算的基础。其计算方法较多，现利用“诺沙利”计算剪切力。剪切铝板带时采用公式如下：P=бbh2(0.4ε0/tanα+0.7) (1) 式中：P——作用在一个刀盘上的剪切力，N；
бb——被剪切金属的强度极限，一般采用400MPa; h——被剪切金属的厚度，mm,设计中考虑到生产扩大加工品种规格多因素，取h=1.5mm; ε0——被剪切金属的相对深入，一般采取1.2-1.6δ，计算时选用1.4δ； δ——被剪切金属的伸长率，选用20%。 α——咬入角。
cosα=1-[2s+(2-ε0)h]/2D 式中：s——上下刀盘的重合量，通常采取S=0.7mm; D——刀盘直径，采取Dmax=300mm.将以上数字代入公式：cosα=1-[2s+(2-ε0)h]/2D=0.99008 从函数对数表中可以查出α=805',代入公式（1）：
2P=бbh(0.4ε0/tanα+0.7)=1339.8N 4.2 剪切力矩的计算
剪切力矩M=n(M1+M2)+M3 (3) 式中M——作用于刀轴上的扭矩，Nm; n——工作刀盘的对数（剪切三条n=4); M1——每对刀盘剪切所需的扭矩，Nm; M1=PDsin α
M2——刀盘轴支撑的摩擦力矩，Nm; M2——pdf d——轴承内径，cm f——轴承摩擦因数,f=0.008; M3——消耗于从活套中曳引带材的扭矩。在无活套的机组中M3=0。 由以上数据代入公式，可得出： M1=PDsinα=56.517Nm; M2=pdf=1.3398Nm; M=n(M1+M2)+M3 =231.4Nm。 4.3 电动机功率的计算
电机功率计算公式：N=2MVmax/102Dη kw (4) 式中：M——作用于刀轴上的扭矩，Nm; Vmax——最大剪切速度，Vmax=120m/min;(2m/s); η——总的传动效率，η=0.85； D=刀盘最大直径，Dmax=300mm。 由以上数据代入公式（4），可计算出圆盘剪切机所需功率N=3.56KW，选用Z2-61功率5.5 KW的电机。 5 结束语
圆盘剪切机投入生产使用多年，实践证明在剪切生产中，技术上可行，使用上可靠，可大力推广应用。设计中充分考虑了如何保证剪切质量、提高生产效率、缩短辅助换刀时间等方面。比较详细的叙述和探讨重合金和侧隙以及作业线高度调整方面，采用手动方式，结构简单、容易掌握、操作灵活、调整方便准确、造价低、节约能耗。圆盘剪切机一机多用，可以安装多对刀盘，既能切边，又能分切窄带材。设计时充分考虑到企业的发展和技术可行性，有关参数选择留有余地。 主要参考文献：
1.冶金工业出版社.轧钢机械（修订本）
2.化学工业出版社2000.机械设计图册（成大先主编） 3.华中理工大学出版社.机械设计（彭文生）
