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遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第IV頁
圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機設計
摘要
圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機是一種新式鋼板剪切設備，它是中厚鋼板精整工序中的重要設備，保證剪切機正常工作隊提高板材生產線的產量有重要意義。隨著我國中厚鋼板年產量的不斷增加，現(xiàn)在中厚板軋鋼廠對鋼板質量、品種、產量的要求也隨之提高。圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機在整個剪切范圍內刀片重疊量不變，剪切變形區(qū)小，被剪切板材不易彎曲變形，毛刺少，剪切質量高，并且，滾切式剪切機運動的上刀片與被剪板材之間只產生很小的相對運動，刀片磨損較小，特別適合于中厚板的切邊、切定尺和縱向部分。本次設計的圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機用于定尺剪切最大厚度為40mm的鋼板，要求剪切機結構合理、工作可靠、剪切質量高。此次設計內容主要是圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機的設計，設計內容主要包括剪切機總體方案設計、工作原理與基本機構等的確定、滾切剪主要參數(shù)的計算、電動機容量選擇和減速器的設計、主要零件的設計與校核、潤滑方式的選擇以及圖紙的繪制等。計算得其最大剪切力為8.5MN，剪切次數(shù)18次/分，上刀架最大行程162mm，電動機功率355kW，額定轉速987r/min。機架采用閉式機架。
關鍵詞：滾切剪；圓弧剪刃；剪切力
The Design of steel plate shearing machine with circular blade and scrolling shear mode
Abstract
The design of steel plate shearing machine with circular blade and scrolling shear mode is a new plate shearing machine, which is the important equipment of medium and heavy plate finishing processes, play an important part in ensuring shearing machines working normally to improve the output of sheet productions. With the increased annual output of medium and heavy plate, the requirements of quality, variety, output of medium and heavy plate rolling mill are much higher than before. The blade of hearing machine with roller blade cutting steel plate is with the same overlap quantity during the whole range of shearing, with small shearing deformation zone, not easy to deform for the sheared plates, with small burrs, high quality of shearing, besides, the blade and sheared plate move only a little on the roller blade cutting steel plate machine, also with small blade wear which is particularly suited to the edge of plate, shearing ruler and vertical parts. The designed shearing machine with roller blade cutting steel plate is used with fixed 40mm shearing plate length, which required the frame of machine to be reasonable, reliable and with high quality of shearing. The design of the main content is circular blade cutting plate shearing machine design, design content mainly includes shear machine overall design, working principle and basic institutions, roll-cut calculation, main parameters of shear capacity motor reducer design, selection and design of the main parts and checking, lubrication and the choice of rendering drawings etc. Calculated the maximum shear stress 8.5MN, shearing time 18 times/min, the biggest distance on the knife rest 162mm, motor power 355KW, rated speed 987r/min. Closed-rack is adopted.
KEY WORDS: rolls cuts, circular blade, shearing stress
目錄
1．緒論 1
1.1 選題背景及目的 1
1.2 滾切剪的發(fā)展趨勢 3
2 設計方案的選擇和分析 4
3 滾切剪的設計 6
3.1 滾切剪的工作原理 6
3.2滾切剪的基本機構 7
3.3 剪切理論 11
3.3.1 軋件剪切過程分析 11
3.3.2 金屬機械性能對剪切抗力的影響 12
3.4 滾切剪主要參數(shù)的計算 12
3.4.1 設計基本要求 12
3.4.2 最大剪切力 13
3.4.3額定剪切力 13
3.4.4 剪切功 14
3.4.5 上剪刃圓弧半徑 14
3.4.6 上刀架最大行程 15
3.5 電動機容量的選擇 16
3.6 減速器的設計 18
3.7 主要零件的設計與校核 18
3.7.1齒輪的設計與校核 19
3.7.2 齒輪軸的校核 24
3.7.3 軸承的選擇與校核 29
3.7.4 曲軸的設計與校核 30
3.7.5 聯(lián)軸器的選擇與校核 35
3.7.6 鍵的校核 36
4 影響剪切效率和質量的因素分析 38
4.1 影響剪切效率的因素 38
4.2 影響剪切質量的因素 38
5 潤滑方法的選擇 39
5.1 潤滑的作用 39
5.2 潤滑方法 39
5.3 潤滑脂的特點和注意事項 40
5.4 添加劑 41
6 設備的環(huán)保、可靠性和經濟可行性分析 42
6.1 設備的環(huán)保性分析 42
6.2 設備的可靠性 42
6.3 設備的經濟性分析 44
結論 46
致謝 47
參考文獻 48
遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第48頁
1．緒論
1.1 選題背景及目的
剪切機是用于對鋼板進行切頭、切尾、切邊或者切定尺寸的設備，如今廣泛地應用在冶金工業(yè)、農機、船舶、起重機械、建筑機械、航空航天以及國防等行業(yè)。在中厚板生產中，剪切機一般用來將鋼板剪切成規(guī)定的尺寸。
按照刀片形狀和配置方式及鋼板情況，剪切機大致分為斜刀片式剪切機(通稱鍘刀剪或斜刃剪)、圓盤式剪切機、滾切式剪切機(通稱滾切剪)三種基本類型。其中，應用最多的是斜刀片式剪切機，其次是圓盤式剪切機。滾切式剪切機是近年來出現(xiàn)的一種新型剪切機，它在現(xiàn)代化的中厚板生產中將具有更多的優(yōu)越性和更強的生命力。三種剪切機刀片配置如圖1.1所示。
(a)斜刃剪；(b)圓盤剪；(c)滾切剪
圖1.1 剪切機刀片配置圖
1、 斜刀片剪切機
這種剪切機的兩個剪刃是成某一角度配置的，即其中一個剪刃相對于另一個剪刃是傾斜配置的。在生產中多數(shù)上刀片是傾斜的，其傾斜角度一般為l0～60角，并且剪切機下刀片固定不動，上刀片向下運動剪切鋼板。如圖1(a)所示。其優(yōu)點主要有：對鋼板溫度適應性強，既適用于熱狀態(tài)也適用于冷狀態(tài)鋼板的剪切；對鋼板厚度適應性強，40mm以下的鋼板均能剪切。主要缺點：一是剪切時斜刀片與鋼板之間有相對滑動，剪切厚度大于20mm的板材時，由于刀片行程長，易使板材產生橫向彎曲，在剪切側邊時板邊不齊，影響板材的剪切質量；二是由于間斷剪切，空程時間長，能達到的剪切次數(shù)少，產量受到限制，并浪費能源。
2、圓盤式剪切機
圓盤式剪切機的兩個刀片均是圓盤狀的，如圖1(b)所示。常用來剪切鋼板的側邊，也可用于鋼板縱向剖分成窄條。其主要優(yōu)點是可連續(xù)縱向滾動剪切，速度快，產量高，質量好。缺點：一是剪切厚度限于25mm以內；二是對于小批量規(guī)格品種多，鋼板寬度變換頻繁，則需要頻繁調整其兩側邊剪刃間的距離。
3、滾切式剪切機
滾切式剪切機是在斜刃鍘刀剪的基礎上，將上剪刃做成圓弧形，如圖1(c)所示。呈弧形的上刀刃在剪切時相對于平直的下刀刃作滾動。此時，在整個剪切范圍內刀片重疊量不變，剪切變形區(qū)小，被剪切板材不易彎曲變形，毛刺少，剪切質量高。并且，滾切式剪切機運動的上刀片與被剪板材之間只產生很小的相對運動，刀片磨損較小。
滾切式剪切機自20世紀70年代應用于生產后，得到了一定的發(fā)展。這種剪切機剪切板材的切口光滑、板材無變形、切邊平直度高、能耗小、壽命長、產量高，特別適合于中厚板的切邊(滾切式雙邊剪)、切定尺(滾切式定尺剪)和縱向切分(滾切式剖分剪)。
圓弧剪刃滾切式鋼板剪切機的剪切過程是個無限個變傾角斜刃剪的剪切過程的組合，有如下優(yōu)點。
(1)滾切剪的上刀片是以半徑為R的圓弧組成，在剪切過程中，沿鋼板剪切方向上下刀片的重疊量不變，在上下刀片開口度相同的條件下，斜刃剪的上刀行程比滾切剪上刀行程大30％～40％。滾切剪的偏心半徑小，在剪切力一定時，剪切力矩小。
(2)滾切剪的上刀行程小，對被剪切鋼板的壓彎變形小，避免了鋼板端部和棱邊的彎曲，剪切質量好。
(3)滾切剪剪切次數(shù)可達24次／min，最高可達到30次／min，剪切效率高。
(4)滾切剪有快速換剪刃裝置，換刀時間只需30min。
(5)滾切剪有上下剪刃間隙調整裝置，上下剪刃的間隙可根據鋼板厚度進行調整，間隙調整精度高，速度快，并用切口干凈毛刺少。
(6)滾切剪剪切板材的厚度最大可達到50mm，而圓盤剪和斜刃剪的剪切板材厚度最大只能達到25mm和40mm。
(7)滾切剪剪切機組采用計算機控制，鋼板運送和長度測量由夾送輥和測長輥或激光測長裝置組成，定尺系統(tǒng)精度高，使用維修方便。
本次滾切式剪切機的設計的目的是確定合理的主要參數(shù)。通過綜合分析選擇滾切剪的機構，按照工藝要求確定剪切力的大小及計算技術參數(shù)，保證剪切質量，并且根據滾切剪生產中存在的問題，制定合理的改造方案，使其性能更加完善。通過此次設計，掌握單體機械設備設計方法，提高繪圖技術和設計能力，為以后工作打下良好的基礎。
1.2 滾切剪的發(fā)展趨勢
剪切設備是軋鋼生產線上的重要設備之一，世界各國為提高產品質量，提高生產效率，競相進行技術改造。
從20世紀70年代，滾切剪開始興起到現(xiàn)在，經過多年的發(fā)展，國外先進國家滾切剪方面的技術已經成熟，除了滾切剪主體設備性能完善，還增加了先進的輔助設備，如輸入滾到上設有激光劃線裝置和磁力對中裝置、入口側設有紅外溫度計、固定剪入口側夾送輥上設有接觸式傳感器測厚裝置、刀片設有彈簧夾緊液壓松開式的夾緊機構以及自動換刀裝置等，使剪切鋼板完全實現(xiàn)了自動化。
目前，目前我國擁有40多條中厚板軋機生產線，但是由于受到資金和技術等因素的制約，剪切線設備還較落后，大部分仍沿用斜刀片剪切機切頭、切尾、切定尺和切邊，尤其是一部分老舊的生產線，剪切設備停留在20世紀50～60年代水平，嚴重影響鋼板質量和產量的提高。而新建或在建的中厚板廠則多數(shù)采用了滾切剪，切邊以滾切式雙邊剪為主，頭尾、定尺及分段橫切采用滾切式定尺剪。
滾切式剪切機取代斜刃剪和圓盤剪已成為國際上中厚板廠技術改造和新建的發(fā)展趨勢。國產滾切式定尺剪設計制造技術正在不斷提高，主要技術性能和剪切質量已基本上達到國際同類設備水平，完全可以替代進口以滿足中厚板廠生產的需要。滾切式雙邊剪由于機構復雜、自動化程度高，電氣元件、自動控制精度和可靠性技術等方面與國外還有差距，目前國內還不能完全自行設計及制造。
2 設計方案的選擇和分析
1 設計基本要求
本次設計剪切機剪切鋼板鋼種為普通鋼、低合金鋼等，剪切鋼板厚度6mm~40mm，剪切鋼板寬度1500mm~2800mm，剪切鋼板長度18000mm，刀片圓弧半徑r=47000mm左右，滾切范圍角θ=7°左右。
2 設計方案的選擇和分析
1）. 根據設計參數(shù)選擇剪切機類型
在普通斜刀片剪切機上剪切厚度大于20mm板材時，由于刀片行程大，易使板材產生橫向彎曲，在剪切側邊時半邊也不齊，影響板材的剪切質量和產量。而滾切式剪切機上刀刃是弧形的，在整個剪切范圍內刀片重疊量不變，被剪切板材幾乎不彎曲。這種剪切機的開口度比斜刀片剪切機大一些，但其總行程卻小30%~40%，故其曲柄軸半徑小，傳動力矩小。此外，滾切式剪切機運動的上刀與被剪板材之間只產生很小的相對運動，刀片磨損較小。因此本設計選擇圓弧滾切式剪切機。
2）. 剪切機結構的選擇
圓弧滾切式剪切機按結構形式劃分，可以分為單軸雙偏心、二軸二偏心型、三軸三偏心型、一軸三偏心型等幾種形式。由于單軸雙偏心驅動機構比較簡單，因此本設計選擇單軸雙偏心型的上剪刃驅動機構。
1、2—曲柄軸; 3,4—連桿； 5—弧形上刀片； 6—平直下刀片；7—導向桿
圖2.1 滾切剪結構圖
最終選定剪切方式為平直下剪刃固定，圓弧上剪刃做滾動剪切，單軸雙偏心型的上剪刃驅動機構；交流電機驅動；傳動裝置采用上傳動，電機及減速裝置布置在機架上面。
該方案上刀刃相對鋼板的滑動量小，鋼板劃傷??；上下刀片的重疊量很小，可以保證鋼板平直度，切下的板邊彎曲也較??；設置間隙調整裝置，上刀片的間隙可以根據鋼板厚度進行調整，保證剪切斷面質量好；安裝剪刃更換裝置便于維護和事故處理；設備結構緊湊，占地面積也較小，坯料及聊頭運輸條件好，節(jié)省成本。
3 滾切剪的設計
3.1 滾切剪的工作原理
如圖3.1，滾切剪的剪切機構是由曲柄軸1和2、連桿3和4、弧形上刀片5、平直下刀片6以及導向桿7組成。其工作原理是由于兩根左右曲柄軸之間存在相位差，左右曲柄軸由電機經減速機同步傳動而帶動連桿，使上刀架在導向桿的作用下實現(xiàn)滾切式剪切的過程。
1、2—曲柄軸；3,4—連桿；5—弧形上刀片；6—平直下刀片；
7—導向桿
圖3.1 滾切剪剪切原理
由該剪切過程可知，滾切剪在剪切的每個瞬時仍是一個斜刃剪的工作狀態(tài)，只不過是斜刃傾角并非恒值，而是隨剪切瞬時改變而變化。每個瞬時的傾角應等于該瞬時上刃圓弧觸點的切線與下刃之夾角。因此，也可以說，滾切剪的剪切過程是無限個變傾角斜刃剪的剪切過程之組合。
這種剪切方式的偏心半徑小，在剪切力一定時，剪切力矩小。而且對被剪切鋼板的壓彎變形小，避免了鋼板端部和棱邊的彎曲，剪切質量好。
3.2滾切剪的基本機構
滾切剪主要由以下幾個部分組成：鋼板定位裝置、入口側夾送輥和廢鋼推鋼機、測量輥、滾切式剪切機、切頭運輸設備、升降輥道。
1. 剪刃
與其它剪切機一樣，有一對上下剪刃。下刃為直刃，上刃為兩端圓弧形成的圓弧刃（圖3.2）。鋼板入口端刃弧半徑較??；出口端刃弧半徑較大。出此考慮的目的是使鋼板入口處有較大的導向開度。
上下剪刃安裝在剪刃盒中（圖3.3）。在剪刃長度方向上，由多個特殊的液壓缸（圖3.3中5）將剪刃盒緊固在剪刃架上（圖3.3中3）。正常剪切時，借助于液壓缸內的板型彈簧（圖3.3中4）將剪刃盒緊壓在剪刃架上，每個缸內板型彈簧的壓緊力為70~80kN當要更換剪刃時，液壓缸柱塞由高壓油推動，克服彈簧壓緊力松開剪刃盒，剪刃盒整體卸下，達到快速更換剪刃的目的。
縱向滾切剪在鋼板出口側還要設置一對橫向小剪刃。它將主剪刃切下的半邊剪切成方便運輸?shù)拈L度，此剪刃又稱為“碎邊刃”。它的上刃為斜刃。其固定方式與主任相同。剪刃側間隙調整為手動式。上剪刃的剪切運動依附于主刃架帶動。
2 上剪刃驅動機構
目前，圓弧滾切剪式剪切機的上剪刃驅動機構主要有下列形式：二軸二偏心型、三軸三偏心型、一軸三偏心型、一軸雙偏心。本設計采用一軸雙偏心型驅動，如圖3.4所示。
1-下剪刃臺； 2-曲柄軸；3-上刃架；4-被剪鋼板；5-導向桿；6-連桿
圖3.4 上剪刃驅動機構示意圖
主剪刃由曲柄軸2經減速機由電機驅動。上刃架兩側靠楔形擋塊限位，兩端分別由液壓平衡缸與彈簧限位器定位。液壓缸通入壓力油。上刃架四面均處于可靠的約束狀態(tài)，這就保證了剪切的穩(wěn)定與精確。
3 調整剪刃間隙機構
表3.1 板厚與剪刃間隙對應關系
序號
鋼板厚度(mm)
剪刃間隙(mm)
剪切頻率(次/min)
1
4.5~6
0.3~0.6
26.8
2
6~10
0.3~0.6
25.5
3
10~15
0.6~0.8
24.3
4
15~20
0.8~1.0
23.1
5
20~25
1.0~1.2
21.9
6
25~30
1.2~1.4
20.7
7
30~35
1.4~1.7
19.6
8
35~40
1.7~2.0
18.4
9
40~45
2.0~2.3
17.2
10
45~50
2.3~2.6
16
剪切鋼板時，按工藝要求必須對不同厚度范圍的鋼板設定不同的剪刃側間隙。長期生產實踐指出，隨鋼板厚度的變化，剪刃側間隙值按表3.1所列值比較適宜。為了實現(xiàn)這一工藝要求，各類滾切剪均設置了自動調整間隙機構，現(xiàn)在最通用的是雙楔塊調整機構。如圖3.5所示，上剪架2緊貼在兩側楔形滑塊3上，楔形滑塊由兩個斜度相同方向相反的楔塊組成。當電機7驅動時，經傘齒輪傳動6，渦輪傳動5帶動兩側螺桿4按相反方向旋轉，使兩側螺桿一升一降，從而帶動兩側楔形滑塊作方向相反行程相等的升降移動。由于兩側楔形滑塊斜度完全相同，因此上刃架仍能緊貼在兩側楔形滑塊上隨楔形滑塊水平移動而改變與下剪刃臺之間的相對位置，從而達到調整上下剪刃側間隙的目的。間隙值可用指針盤和電氣計數(shù)表指示。
1-下刃臺；2-上刃架；3-楔形滑塊；4-螺桿傳動；5-渦輪傳動；
6-傘齒輪傳動；7-電機；8-讓刀杠桿系；9-主曲柄軸
圖3.5 調整間隙與讓刀機構示意圖
4 上剪刃讓刀機構
在剪切鋼板時，上下剪刃側間隙應保持上述給定的值，但剪板結束后，在上刃架返回過程中，希望上剪刃要離開鋼板被剪面一定距離（0.2~0.4mm）。出于此目的，在滾切剪上設置了上剪刃的讓刀機構。設置此機構的好處有兩個，一是防止上刃擦傷被剪鋼板的剪切斷面，二是減輕上刃的磨損，延長剪刃的重磨周期。
如圖3.5所示，在一根主曲柄軸9的尾部安一個凸輪，凸輪的偏心位角相差一個適當值，這個位角差保證在上剪刃剪切結束瞬時，由主曲柄軸尾部凸輪偏心作用帶動讓刀杠桿系8拉開楔形滑塊3，上刃架跟隨移開，使上刃相對鋼板剪切斷面有0.2~0.4mm間隙。而開始下一次剪切時，又有凸輪偏心作用使上刃架恢復刀原始位置，以保證給定的剪刃側間隙。國外的縱向滾切剪均采用這種讓刀機構，生產實踐證明，此機構是實用和可靠的。
上述幾方面是現(xiàn)代圓弧滾切剪本體的基本機構。本體還有一些設備環(huán)節(jié)，如壓緊器以及一些相應的附屬機構。譬如前后必須設置強力壓送輥裝置，鋼板橫移對中裝置等。這累設備均與斜刃剪的相差無幾。
3.3 剪切理論
3.3.1 軋件剪切過程分析
金屬的剪切過程可以分為以下幾個階段：刀片彈性壓入金屬階段；刀片塑性壓入金屬階段；金屬塑性滑移階段；金屬內裂紋萌生和擴展階段；金屬內裂紋失穩(wěn)擴展和斷裂階段。一般可粗略地分為兩個階段：刀片壓入金屬階段和金屬塑性滑移階段。
在不同階段，被剪切金屬剪切區(qū)域內應力狀態(tài)是不同的。在整個剪切過程中，剪切區(qū)應力狀態(tài)不斷變化，剪切力也不斷變化。試驗表明，最大剪切力產生于刀片塑性壓入階段中了、金屬塑性滑移階段開始之時。因此，一般可將剪切過程分為兩個階段來建立剪切過程的受力模型。壓入階段作用在被剪切金屬上的力，如圖3.6所示。
當?shù)镀瑝喝虢饘贂r，上下刀片對被剪切金屬的作用力P組成力矩Pa，此力矩使被剪金屬沿圖示方向轉動。而上下刀片側面對軋件的作用力T組成的力矩Tc，將阻止軋件的轉動。隨著刀片的逐漸壓入，被剪金屬轉動的角度不斷增大，直到轉過角度γ后，兩力矩平衡，便停止轉動。
被剪金屬停止轉動后，刀片壓入達到一定深度時，力P克服了剪切面上金屬的剪切阻力，此時，剪切過程由壓入階段過渡刀滑移階段，金屬沿剪切面開始滑移，直到剪斷為止。
3.3.2 金屬機械性能對剪切抗力的影響
剪切力與被剪金屬的機械性能和剪切面積大小有關。為了求得普遍意義剪切力，將剪切力除以對應轉角的剪切面積，得到隨轉角變化的單位剪切抗力曲線。
圖3.7 剪切抗力曲線
結合滾切剪的剪切過程和曲線形狀特點，把曲線分為三部分：
(1) A部分——上刀開始切入的初始階段，直到上刀切入理論滾切線為止。單位剪切抗力曲線在此階段出現(xiàn)峰值，形狀近似于平行刃剪切機單位剪切抗力變化曲線。
(2) B部分——滾動剪切階段。此階段剪切過程比較穩(wěn)定，類似于斜刀片剪切狀態(tài)，只是刀弧運動狀態(tài)稍有不同，單位剪切抗力基本不變。
(3) C部分——剪切階段后期。刀弧最低點未到鋼板左端，鋼板已經斷裂.
3.4 滾切剪主要參數(shù)的計算
3.4.1 設計基本要求
(1)剪切鋼板鋼種：普通鋼，低合金鋼；
(2)剪切鋼板厚度：6mm~40mm；
(3)剪切鋼板寬度：1500mm~2800mm;
(4)剪切鋼板長度：1800mm；
3.4.2 最大剪切力
剪切機最基本的參數(shù)是剪切力，用剪切力來設計其余的技術參數(shù)。設計剪切機，一般要計算最大剪切力與額定剪切力，前者標為剪切機的公稱能力，并用此剪切力對機械零件進行強度校核；后者用作電機容量選擇計算。
由設計參數(shù)可知，當h=40mm時，σb≤700MPa；h=20mm時，σb≤800MPa。查文獻[5，42]，最大剪切力的計算公式為：
(3.1)
式中：k —刀刃磨鈍系數(shù)(1.15~1.3)；
σb—鋼板材料強度；
h —鋼板最大厚度；
α—剪切某種厚度鋼板時的上忍最大當量傾角。
取k=1.3 ; σb=800Mpa ; h=40mm ; α=2.6°; 則：
3.4.3額定剪切力
查文獻[5，42]，額定剪切力P的計算公式為：
(3.2)
3.4.4 剪切功
查文獻[1，291]，剪切功A的計算公式為：
(3.3)
式中：P—最大剪切力；
B—被剪鋼板寬度；
3.4.5 上剪刃圓弧半徑
刀片圓弧半徑r是滾切式剪切機的主要結構參數(shù)。r主要取決于刀片咬入角。咬入角小，剪切力增大，剪切質量好。咬入角大，剪切力小，咬入條件差。
圖3.8 刀片圓弧半徑確定簡圖
查文獻[1，292]，圓弧滾切式剪切機的上剪刃圓弧半徑r的計算公式為：
(3.4)
式中：—最大剪切厚度；
S—重合度，此處取S=7；
所以：
取r=47000mm。
當?shù)镀瑢挾葹锽時，則滾切范圍角為：
(3.5)
式中：—圓弧刀片端點與圓弧中心O的連線垂直線之間的夾角；
3.4.6 上刀架最大行程
刀片行程是剪切機的主要參數(shù)，它決定了剪切機的高度。在剪切能力允許的范圍內，它決定了所能剪切的軋件做大斷面高度。
1—上刀架；2—下刀架；3—軋件；4—壓板
圖3.9 刀片行程圖
根據文獻[1，258]刀片行程為：
(3.6)
式中：H—刀片最大行程；
h—被切軋件最大斷面高度；
f—軋件上表面與壓板之間的距離，此值的選取要保證軋件有一定翹頭時，仍能通過剪切機；
q1—為了避免上刀受軋件沖撞，而使壓板低于上刀的距離；
q2—為了使軋件能順利通過剪切機，上刀不被軋件磨損，使下刀低于輥道表面的距離；
S—上下刀片的重疊量；
取h=40mm；f=60mm；q1=35mm；q2=20mm；S=7mm；
因為滾切上刃是大半徑的圓弧刃，因此在確定上剪刃行程時，沒必要考慮像斜刃剪上刃傾角所造成的附加行程。
3.5 電動機容量的選擇
由文獻[5，43]知，電動機的功率可用下式計算：
(3.7)
式中：—曲柄旋轉一周，某一個最繁重的品種平均靜阻力矩；
—電機的額定轉速，??；
—電機的過載系數(shù)，一般可?。?
—電機至曲柄軸的速比，取。
利用剪切靜力矩計算出曲軸每一個轉到2.6°角時靜力矩，然后求出一周的平均值，代入數(shù)據可得
根據以上計算所得數(shù)據，查找專業(yè)手冊，選取合適電機。由于YR系列的大型三相異步電動機具有良好的密封性，廣泛用于機械工業(yè)粉塵多、環(huán)境較惡劣的場所。且它非常適合用于礦山、冶金等機械工業(yè)，所以圓弧剪切機的驅動電機選擇YR系列電機。再根據N=353.88 kW， 由文獻[7，40-131] 附表40-14選擇的電動機的型號為 YR400-6 的大型三相異步電動機。
容量相同的同類型的電動機，有幾種不同的轉速系列，此種情況下我們綜合考慮，分析比較電動機及傳動裝置的性能、尺寸、重量和價格等因素，再考慮到機械在實際中的運轉，他的可靠性與電機相連接的減速機，以及以后的發(fā)展，最后選同步轉速1000r/min
的電動機。
YR400-6中型三相異步電動機的基本數(shù)據如表3.2所示：
表3.2 YR400-6中型三相異步電動機主要性能參數(shù)表
型號
額定功率
（KW）
定子電流
（A）
轉速
（r/min）
效率
（%）
轉動慣量
（）
質量
(kg)
YR400-6
355
372
987
95.07
15
3150
3.6 減速器的設計
由于減速器采用電動機驅動，電動機轉速，電動機的額定功率為，每日工作24小時，廠房較大，自然通風冷卻。按傳動比i=9.779，轉速選擇減速器。
減速器的基本數(shù)據如表3.3所示：
表3.3 減速器技術參數(shù)表
公稱
傳動比
i
輸入公稱 轉速
（r/min）
輸出公稱轉速
（r/min）
低速級
中心距
（mm）
高速級
中心距
（mm）
總重量
（kg）
9.779
1000
110
542
438
46292
滾切剪的減速器為展開式兩級圓柱齒輪減速器，該減速器具有結構簡單、可靠性高、成本低等特點，高速級和低速級都是斜齒輪。
圖3.10 減速器傳動簡圖
3.7 主要零件的設計與校核
主要零部件的設計與校核包括：齒輪的設計與校核、齒輪軸的校核、曲軸的設計與校核、聯(lián)軸器的選擇與校核等內容。
3.7.1齒輪的設計與校核
1．選精度等級、材料及齒數(shù)
1）根據前面所示的傳動方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
2）根據滾切剪傳動機構速度，可選用7級精度(GB10095-88)。
3)材料選擇。由文獻[2，表10-1]選擇小齒輪材料為50SiMn(整體調質處理)，， 硬度為270HBS ；大齒輪材料為42SiMn(調質處理)，，，硬度為230HBS；二者硬度差40HBS。
4）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù),取=69，則。
5）初選螺旋角
2．按齒面接觸強度設計
按文獻[2，200]中式（10-21）試算，即
(3.8)
（1）確定公式內的各計算數(shù)值
1）試選。
2）由文獻2中圖10-31選取區(qū)域系數(shù)。
由文獻2圖10-26查得，,。
3）由文獻[2，表10-7]選取齒寬系數(shù)。
4）由文獻[2，表10-6]查得材料的彈性影響系數(shù)。
5）由文獻[2，圖10-21d]按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。
6）計算小齒輪傳遞的轉矩。
(3.9)
7）計算應力循環(huán)次數(shù)
(3.10)
8）由文獻[2，圖10-13]取接觸疲勞壽命系數(shù)；。
9）計算接觸疲勞許用應力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
(3.11)
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得
2）計算圓周速度。
(3.12)
3）計算齒寬b及模數(shù)。
4）計算縱向重合度。
5）計算載荷系數(shù)。
已知使用系數(shù)，根據，7級精度，由文獻[2，圖10-8]查得動載系數(shù)；由表10-4查得的值與直齒輪的相同，故；由圖10-13查得；再由表10-3查得。故載荷系數(shù)
(3.13)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由公式得
(3.14)
7）計算模數(shù)。
(3.15)
3．按齒根彎曲強度計算
按文獻[2，公式10-17]校核
(3.16)
（1）確定計算參數(shù)
1） 確定載荷系數(shù)
(3.17)
2） 根據縱向重合度，從文獻[2，圖10-28]查得螺旋角影響系數(shù)。
3） 計算當量齒數(shù)。
(3.18)
4） 查取齒形系數(shù)。
由文獻[2，表10-5]查得；
5） 查取應力校正系數(shù)。
由文獻[2，表10-5]查得；
6） 由文獻[2，圖10-20c]查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲強度極限；
7） 由文獻[2，圖10-18]取彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
8） 計算彎曲疲勞許用應力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由文獻[2，式10-12]得
(3.19)
9） 計算大、小齒輪的并加以比較。
(3.20)
大齒輪的數(shù)值大。
（2）設計計算
對此計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪的模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，因此可取小齒輪的模數(shù)為10mm，分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。于是由
取，則。
4．幾何尺寸計算
（1）計算中心距
(3.21)
將中心距圓整為438mm。
（2）按圓整后的中心距修正螺旋角
(3.22)
因值改變不多，故參數(shù)等不必修正。
（3）計算大、小齒輪分度圓直徑
（4）計算齒輪寬度
圓整后?。?。
同理，可設計第二級齒輪。
表3.4 兩級齒輪設計數(shù)據
級別
Z1
Z2
m
V
第一級
2.866
22
63
10mm
10m/s
第二級
3.412
17
58
14mm
4.5m/s
3.7.2 齒輪軸的校核
由于減速器外伸端小齒輪和與之嚙合的大齒輪所受轉矩較大，所以應校核末級小齒輪的齒輪軸。
1．計算末級齒輪的傳遞轉矩
由于末級齒輪的功率
(3.23)
式中：—電動機的功率，=355kW；
—聯(lián)軸器的效率，=0.99；
—齒輪嚙合效率，=0.98；
—一對軸承的效率，=0.99。
末級齒輪轉速
(3.24)
因此，末級齒輪傳遞的轉矩為
(3.25)
2．作用在齒輪上的力
已知低速級大齒輪分度圓直徑為
(3.26)
所以可計算
(3.27)
(3.28)
(3.29)
(3.30)
3．初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為35CrMo，調質處理，查文獻[8，5]得到如下性能參數(shù)。
表3.5 35CrMo力學性能參數(shù)表
207~269
700
500
320
245
185
取，由文獻[2，式(15-2)]估算得
(3.31)
因輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，所以同時選取聯(lián)軸器型號。按照輸出軸轉矩和載荷條件，查文獻[8，67]可選用GⅡCL13型鼓形齒式聯(lián)軸器，其公稱轉矩為。半聯(lián)軸器的孔徑取,故取，外伸段長度。
4．繪制軸的結構簡圖
圖3.11 軸結構簡圖
5．求軸上的載荷
水平面支反力：
①
②
兩式聯(lián)立求得：，
垂直面支反力：
①
②
③
三式聯(lián)立求得：，
6．繪制齒輪軸的受力簡圖，如圖3.21所示。
圖3.12 軸的內力分析
7．計算彎矩
水平面彎矩：
(3.32)
垂直面彎矩：
(3.33)
(3.34)
合成總彎矩：
(3.35)
扭矩：
8．按彎扭合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度。根據文獻[2，式(15-5)]和上面的數(shù)據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力
(3.36)
前面選定軸的材料為35CrMo，調質處理，MPa。因此，故軸是安全的。
3.7.3 軸承的選擇與校核
(1) 初選代號為30238、30236的圓錐滾子軸承
(2) 計算兩軸承承受的徑向載荷
(3.37)
(3) 計算軸承產生的派生軸向力
由文獻[7，2-31]可知代號為30238的圓錐滾子軸承的有關數(shù)據為，，，。代號為30236的圓錐滾子軸承的有關數(shù)據，，，。
(3.38)
所以軸承1為緊軸承，2為松軸承。
(4) 計算滾動軸承的當量動載荷
對軸承1
由文獻[1，315]可知徑向動載荷系數(shù)，軸向動載荷系數(shù)。
對軸承2
由文獻[1，315]可知徑向動載荷系數(shù)，軸向動載荷系數(shù)。
因為運轉中有強大沖擊載荷，由文獻[1，316]可知載荷系數(shù)，取。則
(3.39)
(5) 驗算滾動軸承壽命
軸承預期計算壽命
因為，所以按軸承1的受力大小驗算
(3.40)
故所選軸承可滿足壽命要求。
3.7.4 曲軸的設計與校核
曲軸是實現(xiàn)剪切動作的關鍵部位，在滿足動作精度要求的同時還要滿足強度要求。因此曲軸的設計對于剪切機的設計來說是非常重要的。
圖3.13 滾切剪總體結構圖
(1) 各階段剪切力計算
影響各階段剪切力的主要因素是被剪切軋件的材質和實際有效剪切面積。軋件材質主要決定單位剪切阻力的大小，因此引用聯(lián)邦德國MOELLER&NENMANN公司的剪切力計算公式：
(3.41)
式中——剪切力，N；
——單位剪切抗力，N；
——剪切面積，mm。
滾切剪在剪切過程中分為三個階段：①剪切開始；②滾動剪切；③滾動剪切后期。在這三個階段中的剪切面積見圖3.14 ，剪切力作用位置見圖3.15 。
圖3.14 各個階段剪切面積
圖3.15 剪切力作用位置
剪切開始階段剪切面積：
式中:——被剪鋼板厚度；
——刀弧與直線的交點的橫坐標；
——圓弧半徑；
，——刀片圓弧的圓心位置；
，——分別為鋼板左緣坐標，鋼板上限坐標。
滾動剪切階段剪切面積：
剪切后期剪切面積：
式中：，——分別為鋼板下限的坐標，待剪鋼板厚度。
剪切力作用位置：
由力的平衡條件可知：總剪切力為，加在左右連桿上的力，則：
曲軸中心，至連桿，的距離，分別為：
式中：、、、——分別為曲軸中心、的坐標。
兩連桿、上端點坐標分別為，的長度分別為：
，
，
，
則曲軸上的例句及合力矩分別為：
，，
(2) 曲軸的設計
根據滾切剪技術參數(shù)和上述算式求出曲軸偏心為90mm，曲軸的結構如圖 所示。
圖3.16 曲軸結構簡圖
(3) 強度校核
作為滾切剪中關鍵的部位，曲軸要滿足傳動精度和強度方面的要求。此軸承受的剪切力最大為8500KN，在剪切運動中曲軸的兩根曲柄上所受的剪切力是在不斷變化的。根據計算和機構運動計算機模擬的結果可知，在曲軸轉動相位角為135°時，單根曲柄上的受力最不平均，其中左曲柄上受到的剪切力為7410KN，右曲柄上受到的剪切力為1390KN。在曲軸兩端和中間部位設置支撐，在曲軸的右端施加電動機傳過來的扭矩。
彎矩
(3.42)
彎曲段斷面系數(shù)
(3.43)
彎曲應力
(3.44)
曲軸的最大應力為49.418MPa，小于材料35CrMo的許用彎曲應力值170MPa。所以曲軸可以滿足強度要求。
3.7.5 聯(lián)軸器的選擇與校核
(1) 類型選擇
根據傳遞載荷的大小，軸轉速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時可考慮以下幾點:
1. 所聯(lián)接兩個軸的軸徑；
2. 傳遞的轉矩大小和性質以及對緩沖減振功能的要求；
3. 聯(lián)軸器的工作轉速高低和引起的離心力大?。?
4. 兩軸相對位移的大小和方向；
5. 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境，以及成本。
根據以上幾點選取聯(lián)軸器如下：在電機軸與減速機軸之間選取聯(lián)軸器型號CLZ 8齒型聯(lián)軸器，減速機軸和傳動軸之間選取聯(lián)軸器型號CLZ 13齒型聯(lián)軸器。
查閱文獻[7] 知各聯(lián)軸器的主要尺寸和特性參數(shù)如下表3.6。
表3.6 聯(lián)軸器的主要尺寸和特性參數(shù)
型號
許用轉矩
（N·m）
許用轉速
（r/min）
軸孔直徑
（mm）
軸孔長度
（mm）
轉動慣量
（Kg·m）
重量
（Kg）
CLZ 8
CLZ 13
22400
71000
1140
1850
110
170
212
242
2.06
17.7
133.8
315
( 2 ) 強度計算
以減速器輸出軸與安裝齒輪的軸之間的聯(lián)軸器為例進行強度校核。聯(lián)軸器的承載能力既與材料和熱處理有關，也與兩軸相對位移的方向和位移量大小有關，而且還與嚙合齒面間的滑動速度和潤滑狀態(tài)有關，對于標準聯(lián)軸器，可按標準規(guī)定的方法驗算：
查文獻[2，343]得
(3.46)
式中：—聯(lián)軸器的許用轉矩，單位：Nm
—聯(lián)軸器長期承受的理論轉矩，單位：Nm
—聯(lián)軸器工作條件系數(shù)
查文獻[2，351]表14-1得：
=1.7
所以：
=52645.6N·m
由文獻[2，表5.3]知：
[T]=71000 N·m
顯然，故安全。
3.7.6 鍵的校核
聯(lián)軸器的鍵為：圓頭普通平鍵（A型）,,。
鍵聯(lián)接的強度
(3.47)
式中：——傳遞的轉矩，單位為；
——鍵與輪轂槽的接粗高度，，為鍵的高度，單位為mm；
——鍵的長度，單位為mm，圓頭平鍵，為鍵的寬度，單位為mm。
代入數(shù)據
——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位MPa；
由文獻[7，38-3]可知
所以鍵的強度滿足要求。
4 影響剪切效率和質量的因素分析
4.1 影響剪切效率的因素
目前國內使用的斜刃剪均使用機后定尺機或人工劃線定尺，其優(yōu)點是定尺精度高，可靠性高，缺點是設備投資大，使用維護工作量大，人工操作，定尺機運行生產效率低，切短尺鋼板、切頭、切試件時，由于定尺機的定尺頭部擋板與剪切線距離受限制不能使用定尺機。滾切式定尺剪使用定尺機也存在同樣問題。
滾切式定尺剪的測長輥位于剪刃前面靠近剪切線位置，其原理是鋼板切頭時液壓缸將測長輥壓在鋼板上，自動剪切定尺時鋼板帶動測長輥旋轉，安裝在測長棍上的測長儀檢測鋼板長度。其優(yōu)點是克服了定尺機的缺點，可隨即快速檢測鋼板長度，生產效率高。為了提高滾切式定尺剪的生產效率，應同時使用兩種定尺方式。
4.2 影響剪切質量的因素
滾切式定尺剪的使用情況表明，上下刀片的水平間隙值對鋼板切口光潔度有很大影響。當?shù)镀g隙值選擇合適時，鋼板切口光潔平整。刀片間隙要根據鋼板厚度、材質、性能、溫度等條件測試確定。一般刀片間隙值為鋼板厚度的3%~10%，不同設備的不同用戶其具體數(shù)值有差別。
機后擺動輥道對剪切質量也有影響。由于剪切鋼板長度、厚度、寬度不同，即被剪切鋼板在擺動輥道上的位置狀態(tài)、重量不同，對鋼板切口的作用力和力矩也不同，擺動輥道與上剪刃的運作方式，即擺動輥道是托住鋼板剪切還是離開鋼板剪切，擺動輥道下降距離的最佳位置等。
相位差和曲柄中心距對剪切質量的影響比較顯著;曲柄半徑對剪切質量的影響不及前兩者顯著，但也會產生一定作用;而連桿長度對滾切剪剪切質量的影響甚微。增加相位差、曲柄半徑及上刀架偏移量均能夠使剪切力峰值和電機傳動力矩降低，而且前兩者的影響較大，后者的影響較小，增加曲柄中心距和連桿長度會使力能參數(shù)增加，但前者的影響很大，后者的影響很小。
5 潤滑方法的選擇
5.1 潤滑的作用
潤滑的作用主要是：
1）減少摩擦：減輕磨損 加入潤滑劑后，在摩擦表面形成一層油膜，可防止金屬直接接觸，從而大大減少摩擦磨損和機械功率的損耗。
2）降溫冷卻：摩擦表面經潤滑后其摩擦因數(shù)大為降低，使摩擦發(fā)熱量減少；當采用液體潤滑劑循環(huán)潤滑時，潤滑油流過摩擦表面帶走部分摩擦熱量，起散熱降溫作用，保證運動副的溫度不會升得過高。
3）清洗作用：潤滑油流過摩擦表面時，能夠帶走磨損落下的金屬磨屑和污物。
4）防止腐蝕：潤滑劑中都含有防腐、防銹添加劑，吸附于零件表面的油膜，可避免或減少由腐蝕引起的損壞。
5）緩沖減振：潤滑劑都有在金屬表面附著的能力，且本身的剪切阻力小，所以在運動副表面受到沖擊載荷時，具有吸振的能力。
6）密封作用：潤滑脂具有自封作用，一方面可以防止?jié)櫥瑒┝魇?，另一方面可以防止水分和雜質的侵入。
5.2 潤滑方法
參考所選滾動軸承的值，可采用鋰基潤滑脂，這種潤滑脂不僅能扣抗水、抗高溫(不高于145℃)，而且具有較好的可靠性，是一種多用途的潤滑脂。
根據開始齒輪圓周速度的大小，采用潤滑脂潤滑，潤滑劑為鈉基潤滑脂。這種潤滑脂有較高的耐熱性，工作溫度可達120℃，但抗水性差。由于它能與少量水乳化，從而保護金屬免遭腐蝕，比鈣基潤滑脂有更好的防銹能力。
減速器內齒輪圓周速度較大，故選用工業(yè)齒輪油潤滑。
聯(lián)軸器采用鋁基潤滑脂潤滑。這種潤滑脂具有良好的抗水性，對金屬表面有良好的吸附能力，可起到很好的防銹作用。
5.3 潤滑脂的特點和注意事項
潤滑脂就是將某種稠化劑均勻地分散在潤滑油中，得到半流體狀或粘稠膏狀的物質就是潤滑脂，俗稱黃油或牛油。
潤滑脂因具有許多優(yōu)點而被普遍應用，主要優(yōu)點如下：粘附性好，能附著于摩擦表面，不易流失或飛濺。正常工作時，不會有漏油現(xiàn)象；防護性能較好，特別是防銹能力比潤滑油強；特別適用于對滾動軸承的潤滑，不但注脂方便，而且可以在很長一段時間內不用加脂，大大減少了維護工作量；密封性好，可以防止外界塵土侵入軸承；可在較寬廣的溫度下操作；其外顯黏度較不受溫度影響；比油有較低的摩擦系數(shù)；可混合固體添加劑是用。
潤滑脂也有其不足的一面，因而使用范圍受到限制，主要缺點是：散熱能力差，不能像油那樣對摩擦件進行循環(huán)冷卻，因此不宜用在高轉速的軸承；對絕大多數(shù)滑動軸承不適用，其流動性差，內摩擦阻力大，無法形成液動油