螺旋焊管剪切机的分析研究

[摘 要]斜刀片式剪切机在螺旋焊管机组或预焊机组中用来切割带钢头尾部分，本文对斜刀片剪切机工作过程进行理论分析，通过B.B 诺萨利理论推导出各种剪切力的计算方法。在实际的生产中，对于更换规格时的剪切机液压系统的压力调整有指导意义。

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0382-01

引言

剪切机一般用来切断带钢，普遍应用于螺旋焊管和轧钢生产线中。按刀片的形状和配置，剪切机一般分为平行刀片剪切机、斜刀片剪切机、圆盘式剪切机和飞剪机等四种类型。其中斜刀片剪切机和圆盘式剪切机（圆盘剪）在螺旋焊管机组中都有应用，由于双铣边工艺的成功运用，圆盘式剪切机在焊管机组中已逐渐淘汰，但斜刀片剪切机在钢带头尾切除上仍处于使用阶段。本文对斜刀片剪切机工作过程进行理论分析，由B.B诺萨利理论推导出各种剪切力的计算方法。在实际的生产中，对于更换规格时的剪切机油缸的压力调整有指导意义。

一、剪切机的原理概述

带钢的剪切过程不是一个纯剪切过程，而是剪切、压缩、弯曲的综合过程。剪切力P随着相对切入深度的增加先增加，然后逐渐减小。

整个过程分为压入变形和剪切滑移两个阶段[1]。

1、压入阶段：切入开始时，产生弹性和塑形变形，带钢表面金属被压塌，随着剪切力和切入深度的增加，带钢与刀片侧面相对滑动，挤压成光滑的亮带区；

2、滑移阶段：当切入到达一定深度后，钢带沿切面开始滑移出现裂纹，并最终完全分离而剪断，产生剪裂带，因刀片间隙影响，有时还会产生毛刺。

二、斜刀片剪切机剪切力推倒

斜刀片剪切机主要用来剪切板材，上刀片倾斜一定的角度α，因此在剪切过程中，刀片与板材接触长度仅仅是板宽的一小部分，因接触长度远小于带钢的宽度，剪切面积较小，所以剪切力比较小。

图1 刀片受力分析图

根据B.B诺萨里理论[1]，斜刀片剪切机的剪切力由三部分组成（如图1）：

（1）

式中―纯剪切力；

―在上刀片压力下，被剪掉部分沿AD线弯曲的力；

―剪切区域（EF弧线）局部碗型弯曲变形的力。

在稳定剪切时，纯剪切力为单位长度上的剪切力在宽度上的积分，整理得：

（2）

式中h―带钢厚度；

―材质的最大屈服强度；

―材质的延伸率。

考虑、后，总剪切力 （3）

式中Z―系数，与被切除部分的宽度和材质延伸率有关，一般取0.7-0.95之间；

Y―刀片相对间隙，即为刀片间隙与钢板厚度的比值，，当h=10-20mm时，m=0.5mm；

X―压板相对间距，即为压板中心到下刀片边缘距离c与钢板厚度h的比值，。

当刀刃变钝，剪切力增大，一般用系数K进行修正（K=1.15～1.2）。由公式（2）、（3）可了解斜刀片剪切机的纯剪切力随刀片倾斜角α的增大而减小，并于带钢厚度h的平方成正比；且倾斜角α增大，刀片对带钢的侧向推力同时增大，超过一定范围后，可能导致带钢的头（尾）偏离递送位置，需要钢带对中装置（立辊）进行矫正。

三、通过剪切力计算油缸压力

1、以我厂剪切机为例，计算1550*18.4mm规格带钢的剪切油缸压力。具体参数为：材质X80，=690MPa，延伸率δ=0.3，倾斜角α=3.5°，刀片间隙m=0.5mm，压板中心到下刀片边缘距离c=500mm，系数Z取0.8，系数K取1。

带入后计算剪切力得：

F=1191.7KN

2、斜刀片剪切机的上刀倾斜固定在机架上，油缸水平放置，通过压床机构将水平推力转化为垂直推力[2]。

图2 上刀片装置机构图

图3 A、C两点受力分析图

根据机构的受力得：

（4）

（5）

（6）

式中―为摩擦系数。

化简得：

（7）

可见油缸的推力与剪切力和机构的水平夹角有关，因为随着刀片的下降逐渐变大，经分析当在初始位置时油缸的推力最大。

将已知的参数：油缸内径400mm，=0.1，=49.27°带入公式（7）得出：油缸的推力=2144.5KN

油缸的压强为P=17Mpa

经过长时间的经验积累表明，为使断面光滑、毛刺小，同时考虑到工作效率，对系统压力P增加1～2MPa进行修正。但计算时按照带钢的最大屈服强度，而实际钢带的屈服强度并未达到。所以系统压力设定为17MPa完全满足生产需要。

以下是我厂生产各规格时压力数据值：

表1

结论

根据对斜刀片剪切机切钢板过程分析，导出剪切力和液压系统压力计算方法，为螺旋焊管生产线中的带钢头尾切除工艺及调整起到了一定的指导作用，为螺旋焊管剪切机的设计，液压系统的维护提供参考依据。