0 引  言

圓盤剪是用來進(jìn)行縱向連續(xù)剪切帶材的剪斷機(jī)，也是螺旋焊管機(jī)組和縱剪機(jī)組中鋼帶工作寬度定尺的設(shè)備。由于這種剪斷機(jī)的剪刃是圓盤形的，所以稱為圓盤剪。它除了確定鋼帶寬度精定尺外，還起到消除或減少鋼帶軋制過程中所形成的月牙彎（俗稱鐮刀彎）的作用。圓盤剪自身不帶傳動裝置，而是靠遞送機(jī)進(jìn)行拉力剪切。

圓盤剪的工作部分，是由上剪刃與下剪刃形成的一對剪刃口來完成鋼帶剪切。根據(jù)剪切需要可采用一對多對剪刃。螺旋埋弧焊管機(jī)組一般采用兩對剪刃剪切鋼帶邊緣，縱剪機(jī)組則采用一對或多對剪刃進(jìn)行縱剪鋼帶。

在制管行業(yè)中，雖然圓盤剪的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸各有差異，但剪切原理和用途是相同的，影響剪切質(zhì)量的因素也是相同的。探討剪切質(zhì)量的主要目的，在于提高鋼帶的剪切質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。同時也為日常生產(chǎn)和維修工作中，安裝和調(diào)試剪刃、分析和判斷故障提供依據(jù)。

1 螺旋焊管用圓盤剪剪切鋼帶過程分析

螺旋焊管用圓盤剪剪切鋼帶的過程包括以下四個連續(xù)階段。

（1）擠壓階段（又稱彈性變形階段）：鋼帶在動力機(jī)（遞送機(jī)）張力牽引下，進(jìn)入上、下剪刃所形成的刃口，剪刃開始擠壓鋼帶，鋼帶產(chǎn)生彈性壓縮彎曲。這一階段鋼帶內(nèi)的應(yīng)力還沒有超過彈性極限。

（2）滑移階段（又稱塑性變形階段）：剪刃繼續(xù)擠壓鋼帶，鋼帶內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到屈服點，晶界移滑。特別是當(dāng)剪刃間隙大的時候，鋼帶纖維的彎曲和拉伸也就越大，在這一階段的后期，靠近刃口的應(yīng)力與帶鋼的剪切應(yīng)力相等。

（3）剪裂階段：剪刃繼續(xù)擠壓鋼帶，刃口處鋼帶內(nèi)應(yīng)力超過了分子間的結(jié)合力，這時鋼帶沿著滑移面方向產(chǎn)生裂紋。理想的裂紋應(yīng)是上、下刃口的連線，但由于上、下剪刃有間隙，所以理想的裂紋是很難存在的。也就是說，剪切的帶鋼邊都存在或大或小的毛刺，而毛刺的大小由裂紋起始點的位置來決定。

（4）分離階段：剪刃繼續(xù)擠壓帶鋼，裂紋發(fā)展為裂縫。剪斷的板條，由于受到上剪刃外側(cè)摩擦力的作用而向上翹曲脫離鋼帶。鋼帶則在牽引力的作用下，繼續(xù)向前運行，從而完成剪切全過程。

應(yīng)當(dāng)指出的是，以上剪切的四個階段，是在瞬間連續(xù)完成的。隨著鋼帶的不斷前進(jìn)，依次經(jīng)過以上四個階段，使鋼帶邊緣形成所需的加工表面，并達(dá)到工藝要求的鋼帶寬度。

2 鋼帶被剪切的斷面特征

鋼帶的剪切斷面可分為四個區(qū)域：圓角區(qū)、光亮區(qū)、斷裂區(qū)和毛刺區(qū)。

（1）       圓角區(qū)：發(fā)生在彈性變形階段后期至塑性變形階段的初期（圖1）。它的形成主要是由于受剪刃擠壓時鋼帶邊緣產(chǎn)生彎曲變形，因材料變形的整體連續(xù)性導(dǎo)致，材料某一處的變形，勢必影響到材料受剪附近的變形。因此，在剪刃刃口處的斷面就形成了圓弧區(qū)。圓弧區(qū)的大小與材料材質(zhì)有關(guān)，鋼帶屈服強(qiáng)度δ_S越大，圓角區(qū)就越小；反之，鋼帶屈服強(qiáng)度δ_S越小，圓角區(qū)就越大。圓角區(qū)的大小還與鋼帶厚度T有關(guān)：T值越大，圓角區(qū)也越大；T值越小，圓角區(qū)就越小。

（2）光亮區(qū)：發(fā)生在塑性變形階段的后期，剪裂階段的初期（圖2）。當(dāng)剪刃擠壓鋼帶時，在斷面上形成一段光滑的光亮帶，這個區(qū)域表面光澤，并與鋼帶平面垂直，是斷面質(zhì)量最佳的一段。光亮區(qū)的大小與剪刃刃口有關(guān)，刃口越鋒利，光亮區(qū)越大；刃口越鈍，光亮區(qū)越小。光亮區(qū)的大小同樣也與材質(zhì)有關(guān)，鋼帶屈服強(qiáng)度δ_S越大，光亮區(qū)就越?。讳搸?qiáng)度δ_S越小，光亮區(qū)就越大。

（3）斷裂區(qū)：發(fā)生在剪裂階段的后期（圖3）。這個區(qū)域斷面比較粗糙，無光澤，并且有傾斜。這是鋼帶受剪切力的擠壓破壞而形成的斷面。

（4）毛刺區(qū)：位于斷裂區(qū)內(nèi)，從上剪刃外緣面在鋼帶上的壓痕，到斷面的最高點為毛刺的高，剪刃的間隙量為毛刺的最寬處（根部）。毛刺區(qū)域是鋼帶斷面的有害區(qū)域，應(yīng)盡可能的減小。

鋼帶斷面上述四個區(qū)域的大小，及在斷面上所占比例，是隨著鋼帶的厚度、力學(xué)性能和剪刃參數(shù)（剪刃直徑、刃口鋒利程度、側(cè)間隙、剪切速度）而變化的。

一般來說：對于硬度高、塑性差的材料，圓角區(qū)和光亮區(qū)都比較小，而斷裂區(qū)卻比較大，毛刺區(qū)比較??；反之，硬度低，塑性好的材料，圓角區(qū)和光亮區(qū)都比較大，斷裂區(qū)比較小，毛刺區(qū)卻比較大。

3 鋼帶剪切斷面質(zhì)量分析

3.1 側(cè)間隙對斷面質(zhì)量的影響及其確定方法

對于斷面質(zhì)量起決定作用的是上、下剪刃之間的側(cè)間隙。由剪切過程分析可知，在具有合理間隙的剪切條件下，剪刃刃口處鋼帶產(chǎn)生的裂紋是重合的。所以，剪切斷面有一個微小的圓角，并有既光亮又與鋼帶平面垂直的光亮帶。斷裂帶雖然粗糙卻比較平坦，雖有斜度但并不大。所以產(chǎn)生的毛刺，也是不明顯的。這樣的斷面雖然不能達(dá)到理想斷面，但從剪切過程的分析來看，斷面質(zhì)量已經(jīng)滿足工藝要求。

當(dāng)間隙過大或過小時，都會造成上、下裂紋不重合，直接影響到斷面質(zhì)量。

當(dāng)間隙過大時，使上剪刃產(chǎn)生的裂紋相對于下剪刃產(chǎn)生的裂紋，向內(nèi)側(cè)移動一個距離，裂紋不重合。同時鋼帶受拉伸、彎曲的作用力加大，使剪刃圓角區(qū)加大，光亮區(qū)縮小，斷面區(qū)增加，斷面斜度明顯加大，毛刺為拉斷型毛刺，鋼帶邊平面呈穹彎形。

當(dāng)間隙過小時，會使上剪刃產(chǎn)生的裂紋相對于下剪刃裂紋向外側(cè)移動一個距離，上、下裂紋也重合，產(chǎn)生二次剪切，從而在剪切斷面形成第二光亮區(qū)。在第二光亮區(qū)下面存在著潛伏裂紋，當(dāng)潛伏裂紋很深時，二次剪切區(qū)毛刺高，潛伏裂紋組成的不規(guī)則菱形就脫離鋼帶，形成在生產(chǎn)中有時看到的毛刺條。由于間隙過小，鋼帶與剪刃側(cè)面擠壓力加大，毛刺為擠壓型，有較尖銳的尖端。特別應(yīng)指出的是，潛伏裂紋對焊接質(zhì)量有影響，存在3種情況：①潛伏裂紋不深，對焊接影響較小；②潛伏裂紋較深，但毛刺未脫離鋼帶，對焊接影響較大；③潛伏裂紋很深，毛刺脫離鋼帶，對焊接質(zhì)量沒有影響。因為斷面已經(jīng)沒有毛刺。此外，在二次剪切過程中還會產(chǎn)生金屬碎屑，這些金屬碎屑，由于鋼帶磁性作用，其中一部分附著在鋼帶斷面，也會影響到焊接質(zhì)量。

綜上所述，剪刃側(cè)間隙是保證剪切質(zhì)量最主要的工藝參數(shù)。而決定合理間隙的理論依據(jù)是，應(yīng)在剪切過程中以及塑性變形后，保證由上、下剪刃刃口處產(chǎn)生的上、下裂紋重合。依據(jù)該理論，目前確定剪刃側(cè)間隙的方法有兩種：一種是理論確定法；另一種是經(jīng)驗確定法。

（1）剪刃間隙理論確定法

確定剪刃理論側(cè)間隙值的幾何關(guān)系式為：

X_理=[T-(A+B)]Tgβ=T[1-(A+B)/T] Tgβ                                           （1）

式中 X_理——剪刃理論側(cè)間隙值，mm；

     T——鋼帶厚度，mm；

 A——圓角區(qū)高度，mm；

B——光亮區(qū)高度，mm；

(A+B)/T——產(chǎn)生裂紋時，上剪刃擠入板料的相對深度，mm；

β——裂紋夾角，（°）。

由式（1）可知，理論側(cè)間隙值X_理與鋼帶厚度T、相對壓入深度(A+B)/T、裂紋夾角β有關(guān)。當(dāng)鋼帶厚度增大時，由于β值變化不大，所以影響的主要因素有兩個，即鋼帶厚度和材質(zhì)。鋼帶越厚，間隙越大。鋼帶越硬，間隙越大，因為材料硬度與A、B成反比；反之，則間隙越小。在實際工作中，隨著不同的鋼帶厚度，不同的材質(zhì)，A、B也各有不同，必須通過實驗才能取得。

（2）剪刃間隙經(jīng)驗確定法

經(jīng)驗確定法是比較實用的一種間隙確定法，其值用鋼帶厚度乘以系數(shù)來表示，即：

X_驗=m×T                                                              （2）

式中 X_驗——剪刃經(jīng)驗側(cè)間隙值，mm；

     m——間隙系數(shù)，各鋼級的推薦間隙系數(shù)見表1。

表1  對不同鋼級鋼帶推薦的間隙系數(shù)

選用側(cè)間隙時，可根據(jù)鋼帶鋼級來確定間隙系數(shù)，并計算得到間隙值。

在調(diào)整側(cè)間隙過程中要特別注意克服機(jī)械副本身存在的間隙：一是軸承的間隙；二是蝸輪蝸桿之間的間隙。具體調(diào)整方法：先將剪刃調(diào)整到略超過工藝間隙，然后再反向調(diào)整到工藝要求的間隙，從而消除機(jī)械副的間隙誤差。

此外，由于每臺圓盤剪的制造精度、裝配精度、磨損程度都不相同，應(yīng)根據(jù)設(shè)備現(xiàn)狀對系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正。對于懸臂軸式圓盤剪，由于兩組剪刃未共用軸，因此在喂入鋼帶時剪刃產(chǎn)生軸向竄動，使間隙改變。所以，在選用間隙時還應(yīng)注意將變動量包括在內(nèi)。在生產(chǎn)過程中，間隙值是無法直接測量到的，可以根據(jù)鋼帶斷面形狀和特征來判斷間隙的大小。

總之，應(yīng)在實際工作中不斷實踐、不斷總結(jié)，根據(jù)使用設(shè)備的具體情況，摸索出適應(yīng)的間隙值。

3.2 重合量對斷面質(zhì)量的影響及其確定方法

剪刃重合量對斷面質(zhì)量的影響比側(cè)間隙要小，但并不是說重合量對斷面質(zhì)量就沒有影響。

剪刃重合量分為正重合、負(fù)重合和零重合三種，如圖5所示。

當(dāng)正重合量過大時，剪刃的咬入角α增大，鋼帶邊緣的塑性變形增大，而這種變形在鋼帶斷面最大，并向?qū)挾鹊膬?nèi)面方向遞減。由于變形應(yīng)力不均勻，鋼帶便產(chǎn)生延展，使得剪切后的鋼帶邊緣彎曲形成波浪彎，直接影響鋼管成型過程中的成型質(zhì)量，產(chǎn)生成型錯邊，在波浪彎的低谷處產(chǎn)生正錯邊；在波浪彎的高峰處產(chǎn)生反錯邊，造成產(chǎn)品的缺陷。同時咬入角過大，也使板條的塑性變形增大，板條的應(yīng)力不均勻，造成板條扭曲，即常說的板條擰“麻花”。

當(dāng)負(fù)重合量過大時，會使鋼帶不能完全剪開，其中有兩種原因：一是板條過窄（板條寬度小于10 mm），負(fù)重合大時剪不開；二是剪刃刃口磨損嚴(yán)重（主要表現(xiàn)為鈍刃），使負(fù)重合增大剪不開。

剪刃重合量的確定方法有兩種：一是理論確定法；二是經(jīng)驗確定法。

（1）剪刃重合量的理論確定法

先由剪刃重合量的三種情況，推論出重合量的計算公式。

當(dāng)一組剪刃為零重合時，其幾何關(guān)系為：

sinα=[R-(T/2)]/R=1-T/D           （3）

當(dāng)一組剪刃為正重合時，其幾何關(guān)系為：

sinα=[R-(T/2+S/2)]/R=1-(T+S)/D     （4）

當(dāng)一組剪刃為負(fù)重合時，其幾何關(guān)系為：

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計算公式，即：

±S=(1- sinα)D-T                  （6）

式中 S——剪刃重合量，mm；

α——咬入角，（°）；

R——剪刃半徑，mm；

D——剪刃直徑，mm。

在生產(chǎn)中剪刃直徑D是定值，鋼帶厚度T是已知的，而咬入角α隨著剪刃重合量的變化而變化，如圖6所示。

當(dāng)重合量一定時，咬入角的計算公式為：

S=（1- sinα）D-（T-A+Δ）                                 （7）

式中 A——圓角區(qū)高度，推薦A<1 mm；

Δ——剪刃磨損量，推薦Δ<0.2 mm。

由公式（9）可看出，剪刃重合量主要取決于鋼帶厚度T和鋼帶材質(zhì)。當(dāng)帶鋼厚度增加時，重合量減小；當(dāng)鋼帶硬度增加時，重合量減小。反之，鋼帶厚度減薄，硬度降低，則重合量增大。

（2）剪刃重合量的經(jīng)驗確定法

從上面重合量的理論確定法中可以得出，剪刃重合量是由鋼帶厚度及硬度決定的，鋼帶硬度又是由鋼帶屈服強(qiáng)度來體現(xiàn)的，而不同的鋼帶屈服強(qiáng)度又對應(yīng)著不同的鋼帶級別。經(jīng)多年的工作實踐，摸索出通過鋼帶厚度和鋼帶級別（簡稱鋼級）來計算剪刃重合量S的經(jīng)驗公式為：

S=[8-T+n]×k        （8）

式中 n ——鋼級系數(shù)；

K ——重合量系數(shù)。

不同鋼級的鋼帶，其鋼級系數(shù)和重合量系數(shù)的選取有所不同，見表2。

表2  不同鋼級鋼帶選取的鋼級系數(shù)及重合量系數(shù)

在實際生產(chǎn)中，重合量都是在空載情況下調(diào)整和測量的，而剪刃剪切是在負(fù)荷下進(jìn)行的，懸臂軸的彈性變形、軸承工作游隙的變化等情況都存在。所以，在確定剪刃重合量時，還應(yīng)根據(jù)設(shè)備狀況，對重合量進(jìn)行修正。在重合量調(diào)整過程中，同樣可采用上述側(cè)間隙調(diào)整時克服機(jī)械副間隙的辦法來克服軸承和蝸輪蝸桿之間產(chǎn)生的間隙，使調(diào)整誤差降到最小。

在實際生產(chǎn)中，正重合量的數(shù)據(jù)直接測量很困難，所以采用測量剪刃相交弧的弧長來確定重合量。

重合量的大小也與焊速（剪切速度）有關(guān)，焊速高，重合量大；焊速低，重合量小。這是因為鋼帶剪切速度越快，裂紋重合的時間就越短。為了在相應(yīng)時間內(nèi)完成裂紋重合，就要加大剪切力，即加大重合量。

除剪刃間隙和重合量對剪切斷面質(zhì)量有影響外，剪刃的加工誤差對剪切斷面也有影響。由于現(xiàn)在加工剪刃的機(jī)床精度比較高，加工工藝比較成熟，加上入庫檢查比較嚴(yán)格，從而使其影響遠(yuǎn)小于前兩者，基本上可以忽略此因素。但對于修復(fù)的剪刃，應(yīng)注意剪刃工作面與安裝孔中心線的垂直度，必須符合加工工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)  語

由于受圓盤剪本身剪切條件所限，要進(jìn)一步提高鋼帶斷面質(zhì)量，并加工出帶焊接坡口的板邊，在圓盤剪上是難以實現(xiàn)的。因此，需要在工藝上進(jìn)行改進(jìn)。目前國內(nèi)大多數(shù)螺旋縫埋弧焊管機(jī)組已用銑邊機(jī)代替了圓盤剪（如寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司、華油鋼管公司等），是一個比較理想的方法，既可加工出理想的焊接坡口，同時也提高了鋼板的斷面質(zhì)量。在螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線上，銑邊機(jī)完全可以取代圓盤剪。但在原料準(zhǔn)備的縱剪線上，將一卷鋼帶裁剪成為多卷鋼帶，這種鋼帶連續(xù)裁剪的功能，銑邊機(jī)是無法做到的，必須使用圓盤剪。而且，由于銑邊機(jī)的成本要高出圓盤剪很多，目前國內(nèi)大多數(shù)中、小直徑焊管生產(chǎn)線仍然使用圓盤剪。所以，對圓盤剪剪切質(zhì)量的研究和探討還是很有必要的。