弧线递送机供货(钢板剪切质量分析；螺旋焊管生产用圆盘剪的剪切质量分析)

Posted 2023-05-25

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弧线递送机供货(钢板剪切质量分析；螺旋焊管生产用圆盘剪的剪切质量分析)

圆盘剪是用来进行纵向连续剪切带材的剪断机，也是螺旋焊管机组和纵剪机组中钢带工作宽度定尺的设备。由于这种剪断机的剪刃是圆盘形的，所以称为圆盘剪。它除了确定钢带宽度精定尺外，还起到消除或减少钢带轧制过程中所形成的月牙弯（俗称镰刀弯）的作用。圆盘剪自身不带传动装置，而是靠递送机进行拉力剪切。

圆盘剪的工作部分，是由上剪刃与下剪刃形成的一对剪刃口来完成钢带剪切。根据剪切需要可采用一对多对剪刃。螺旋埋弧焊管机组一般采用两对剪刃剪切钢带边缘，纵剪机组则采用一对或多对剪刃进行纵剪钢带。

在制管行业中，虽然圆盘剪的结构、外形、尺寸各有差异，但剪切原理和用途是相同的，影响剪切质量的因素也是相同的。探讨剪切质量的主要目的，在于提高钢带的剪切质量，提高生产率，降低生产成本。同时也为日常生产和维修工作中，安装和调试剪刃、分析和判断故障提供依据。

1 螺旋焊管用圆盘剪剪切钢带过程分析

螺旋焊管用圆盘剪剪切钢带的过程包括以下四个连续阶段。

（1）挤压阶段（又称弹性变形阶段）：钢带在动力机（递送机）张力牵引下，进入上、下剪刃所形成的刃口，剪刃开始挤压钢带，钢带产生弹性压缩弯曲。这一阶段钢带内的应力还没有超过弹性极限。

（2）滑移阶段（又称塑性变形阶段）：剪刃继续挤压钢带，钢带内部产生的应力达到屈服点，晶界移滑。特别是当剪刃间隙大的时候，钢带纤维的弯曲和拉伸也就越大，在这一阶段的后期，靠近刃口的应力与带钢的剪切应力相等。

（3）剪裂阶段：剪刃继续挤压钢带，刃口处钢带内应力超过了分子间的结合力，这时钢带沿着滑移面方向产生裂纹。理想的裂纹应是上、下刃口的连线，但由于上、下剪刃有间隙，所以理想的裂纹是很难存在的。也就是说，剪切的带钢边都存在或大或小的毛刺，而毛刺的大小由裂纹起始点的位置来决定。

（4）分离阶段：剪刃继续挤压带钢，裂纹发展为裂缝。剪断的板条，由于受到上剪刃外侧摩擦力的作用而向上翘曲脱离钢带。钢带则在牵引力的作用下，继续向前运行，从而完成剪切全过程。

应当指出的是，以上剪切的四个阶段，是在瞬间连续完成的。随着钢带的不断前进，依次经过以上四个阶段，使钢带边缘形成所需的加工表面，并达到工艺要求的钢带宽度。

2 钢带被剪切的断面特征

钢带的剪切断面可分为四个区域：圆角区、光亮区、断裂区和毛刺区。

（1）圆角区：发生在弹性变形阶段后期至塑性变形阶段的初期（图1）。它的形成主要是由于受剪刃挤压时钢带边缘产生弯曲变形，因材料变形的整体连续性导致，材料某一处的变形，势必影响到材料受剪附近的变形。因此，在剪刃刃口处的断面就形成了圆弧区。圆弧区的大小与材料材质有关，钢带屈服强度δS越大，圆角区就越小；反之，钢带屈服强度δS越小，圆角区就越大。圆角区的大小还与钢带厚度T有关：T值越大，圆角区也越大；T值越小，圆角区就越小。

（2）光亮区：发生在塑性变形阶段的后期，剪裂阶段的初期（图2）。当剪刃挤压钢带时，在断面上形成一段光滑的光亮带，这个区域表面光泽，并与钢带平面垂直，是断面质量最佳的一段。光亮区的大小与剪刃刃口有关，刃口越锋利，光亮区越大；刃口越钝，光亮区越小。光亮区的大小同样也与材质有关，钢带屈服强度δS越大，光亮区就越小；钢带屈服强度δS越小，光亮区就越大。

（3）断裂区：发生在剪裂阶段的后期（图3）。这个区域断面比较粗糙，无光泽，并且有倾斜。这是钢带受剪切力的挤压破坏而形成的断面。

（4）毛刺区：位于断裂区内，从上剪刃外缘面在钢带上的压痕，到断面的最高点为毛刺的高，剪刃的间隙量为毛刺的最宽处（根部）。毛刺区域是钢带断面的有害区域，应尽可能的减小。

钢带断面上述四个区域的大小，及在断面上所占比例，是随着钢带的厚度、力学性能和剪刃参数（剪刃直径、刃口锋利程度、侧间隙、剪切速度）而变化的。

一般来说：对于硬度高、塑性差的材料，圆角区和光亮区都比较小，而断裂区却比较大，毛刺区比较小；反之，硬度低，塑性好的材料，圆角区和光亮区都比较大，断裂区比较小，毛刺区却比较大。

3 钢带剪切断面质量分析

3.1 侧间隙对断面质量的影响及其确定方法

对于断面质量起决定作用的是上、下剪刃之间的侧间隙。由剪切过程分析可知，在具有合理间隙的剪切条件下，剪刃刃口处钢带产生的裂纹是重合的。所以，剪切断面有一个微小的圆角，并有既光亮又与钢带平面垂直的光亮带。断裂带虽然粗糙却比较平坦，虽有斜度但并不大。所以产生的毛刺，也是不明显的。这样的断面虽然不能达到理想断面，但从剪切过程的分析来看，断面质量已经满足工艺要求。

当间隙过大或过小时，都会造成上、下裂纹不重合，直接影响到断面质量。

当间隙过大时，使上剪刃产生的裂纹相对于下剪刃产生的裂纹，向内侧移动一个距离，裂纹不重合。同时钢带受拉伸、弯曲的作用力加大，使剪刃圆角区加大，光亮区缩小，断面区增加，断面斜度明显加大，毛刺为拉断型毛刺，钢带边平面呈穹弯形。

当间隙过小时，会使上剪刃产生的裂纹相对于下剪刃裂纹向外侧移动一个距离，上、下裂纹也重合，产生二次剪切，从而在剪切断面形成第二光亮区。在第二光亮区下面存在着潜伏裂纹，当潜伏裂纹很深时，二次剪切区毛刺高，潜伏裂纹组成的不规则菱形就脱离钢带，形成在生产中有时看到的毛刺条。由于间隙过小，钢带与剪刃侧面挤压力加大，毛刺为挤压型，有较尖锐的尖端。特别应指出的是，潜伏裂纹对焊接质量有影响，存在3种情况：①潜伏裂纹不深，对焊接影响较小；②潜伏裂纹较深，但毛刺未脱离钢带，对焊接影响较大；③潜伏裂纹很深，毛刺脱离钢带，对焊接质量没有影响。因为断面已经没有毛刺。此外，在二次剪切过程中还会产生金属碎屑，这些金属碎屑，由于钢带磁性作用，其中一部分附着在钢带断面，也会影响到焊接质量。

综上所述，剪刃侧间隙是保证剪切质量最主要的工艺参数。而决定合理间隙的理论依据是，应在剪切过程中以及塑性变形后，保证由上、下剪刃刃口处产生的上、下裂纹重合。依据该理论，目前确定剪刃侧间隙的方法有两种：一种是理论确定法；另一种是经验确定法。

（1）剪刃间隙理论确定法

确定剪刃理论侧间隙值的几何关系式为：

X理=[T-(A+B)]Tgβ=T[1-(A+B)/T] Tgβ （1）

式中 X理——剪刃理论侧间隙值，mm；

T——钢带厚度，mm；

A——圆角区高度，mm；

B——光亮区高度，mm；

(A+B)/T——产生裂纹时，上剪刃挤入板料的相对深度，mm；

β——裂纹夹角，（°）。

由式（1）可知，理论侧间隙值X理与钢带厚度T、相对压入深度(A+B)/T、裂纹夹角β有关。当钢带厚度增大时，由于β值变化不大，所以影响的主要因素有两个，即钢带厚度和材质。钢带越厚，间隙越大。钢带越硬，间隙越大，因为材料硬度与A、B成反比；反之，则间隙越小。在实际工作中，随着不同的钢带厚度，不同的材质，A、B也各有不同，必须通过实验才能取得。

（2）剪刃间隙经验确定法

经验确定法是比较实用的一种间隙确定法，其值用钢带厚度乘以系数来表示，即：

X验=m×T （2）

式中 X验——剪刃经验侧间隙值，mm；

m——间隙系数，各钢级的推荐间隙系数见表1。

选用侧间隙时，可根据钢带钢级来确定间隙系数，并计算得到间隙值。

在调整侧间隙过程中要特别注意克服机械副本身存在的间隙：一是轴承的间隙；二是蜗轮蜗杆之间的间隙。具体调整方法：先将剪刃调整到略超过工艺间隙，然后再反向调整到工艺要求的间隙，从而消除机械副的间隙误差。

此外，由于每台圆盘剪的制造精度、装配精度、磨损程度都不相同，应根据设备现状对系数进行适当修正。对于悬臂轴式圆盘剪，由于两组剪刃未共用轴，因此在喂入钢带时剪刃产生轴向窜动，使间隙改变。所以，在选用间隙时还应注意将变动量包括在内。在生产过程中，间隙值是无法直接测量到的，可以根据钢带断面形状和特征来判断间隙的大小。

总之，应在实际工作中不断实践、不断总结，根据使用设备的具体情况，摸索出适应的间隙值。

3.2 重合量对断面质量的影响及其确定方法

剪刃重合量对断面质量的影响比侧间隙要小，但并不是说重合量对断面质量就没有影响。

剪刃重合量分为正重合、负重合和零重合三种，如图5所示。

当正重合量过大时，剪刃的咬入角α增大，钢带边缘的塑性变形增大，而这种变形在钢带断面最大，并向宽度的内面方向递减。由于变形应力不均匀，钢带便产生延展，使得剪切后的钢带边缘弯曲形成波浪弯，直接影响钢管成型过程中的成型质量，产生成型错边，在波浪弯的低谷处产生正错边；在波浪弯的高峰处产生反错边，造成产品的缺陷。同时咬入角过大，也使板条的塑性变形增大，板条的应力不均匀，造成板条扭曲，即常说的板条拧“麻花”。

当负重合量过大时，会使钢带不能完全剪开，其中有两种原因：一是板条过窄（板条宽度小于10 mm），负重合大时剪不开；二是剪刃刃口磨损严重（主要表现为钝刃），使负重合增大剪不开。

剪刃重合量的确定方法有两种：一是理论确定法；二是经验确定法。

（1）剪刃重合量的理论确定法

先由剪刃重合量的三种情况，推论出重合量的计算公式。

当一组剪刃为零重合时，其几何关系为：

sinα=[R-(T/2)]/R=1-T/D （3）

当一组剪刃为正重合时，其几何关系为：

sinα=[R-(T/2+S/2)]/R=1-(T+S)/D （4）

当一组剪刃为负重合时，其几何关系为：

sinα=[R-(T/2-S/2)]/R=1-(T-S)/D （5）

用公式（3）～（5）可得出剪刃重合量的计算公式，即：

±S=(1- sinα)D-T （6）

式中 S——剪刃重合量，mm；

α——咬入角，（°）；

R——剪刃半径，mm；

D——剪刃直径，mm。

在生产中剪刃直径D是定值，钢带厚度T是已知的，而咬入角α随着剪刃重合量的变化而变化，如图6所示。

当重合量一定时，咬入角的计算公式为：

S=（1- sinα）D-（T-A+Δ）（7）

式中 A——圆角区高度，推荐A<1 mm；

Δ——剪刃磨损量，推荐Δ<0.2 mm。

由公式（9）可看出，剪刃重合量主要取决于钢带厚度T和钢带材质。当带钢厚度增加时，重合量减小；当钢带硬度增加时，重合量减小。反之，钢带厚度减薄，硬度降低，则重合量增大。

（2）剪刃重合量的经验确定法

从上面重合量的理论确定法中可以得出，剪刃重合量是由钢带厚度及硬度决定的，钢带硬度又是由钢带屈服强度来体现的，而不同的钢带屈服强度又对应着不同的钢带级别。经多年的工作实践，摸索出通过钢带厚度和钢带级别（简称钢级）来计算剪刃重合量S的经验公式为：

S=[8-T+n]×k （8）

式中 n ——钢级系数；

K ——重合量系数。

不同钢级的钢带，其钢级系数和重合量系数的选取有所不同，见表2。

在实际生产中，重合量都是在空载情况下调整和测量的，而剪刃剪切是在负荷下进行的，悬臂轴的弹性变形、轴承工作游隙的变化等情况都存在。所以，在确定剪刃重合量时，还应根据设备状况，对重合量进行修正。在重合量调整过程中，同样可采用上述侧间隙调整时克服机械副间隙的办法来克服轴承和蜗轮蜗杆之间产生的间隙，使调整误差降到最小。

在实际生产中，正重合量的数据直接测量很困难，所以采用测量剪刃相交弧的弧长来确定重合量。

重合量的大小也与焊速（剪切速度）有关，焊速高，重合量大；焊速低，重合量小。这是因为钢带剪切速度越快，裂纹重合的时间就越短。为了在相应时间内完成裂纹重合，就要加大剪切力，即加大重合量。

除剪刃间隙和重合量对剪切断面质量有影响外，剪刃的加工误差对剪切断面也有影响。由于现在加工剪刃的机床精度比较高，加工工艺比较成熟，加上入库检查比较严格，从而使其影响远小于前两者，基本上可以忽略此因素。但对于修复的剪刃，应注意剪刃工作面与安装孔中心线的垂直度，必须符合加工工艺的标准要求。

4 结语

由于受圆盘剪本身剪切条件所限，要进一步提高钢带断面质量，并加工出带焊接坡口的板边，在圆盘剪上是难以实现的。因此，需要在工艺上进行改进。目前国内大多数螺旋缝埋弧焊管机组已用铣边机代替了圆盘剪（如宝鸡石油钢管有限责任公司、华油钢管公司等），是一个比较理想的方法，既可加工出理想的焊接坡口，同时也提高了钢板的断面质量。在螺旋缝埋弧焊管生产线上，铣边机完全可以取代圆盘剪。但在原料准备的纵剪线上，将一卷钢带裁剪成为多卷钢带，这种钢带连续裁剪的功能，铣边机是无法做到的，必须使用圆盘剪。而且，由于铣边机的成本要高出圆盘剪很多，目前国内大多数中、小直径焊管生产线仍然使用圆盘剪。所以，对圆盘剪剪切质量的研究和探讨还是很有必要的。

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