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轧钢机械第六章：剪切机（教材第八章）计划学时：6学时1剪切机定义：将轧件剪切成定尺的机械称之为剪切机。剪切机分类：•平行刀片——用于热剪方坯、板坯；冷剪（成型剪）型材。•斜刀片——一般上刀斜1——6度，用于剪切薄板。•圆盘剪——纵剪钢板

。•飞剪——横切运动着的钢材，切头、切尾、切定尺。具体见表8-12§1、平行刀片剪切机的类型和参数一、类型1、上切式平行刃剪切机这种剪切机的结构是下刀固定不动，剪切轧件的动作由上刀的向下运动完成。下切式剪切机，在剪切时，为使剪切顺利进行，机后一般装有摆动辊道。为提高生产率，出现了能快速更换刀片

的剪切机。32、下切式剪切机下切式剪切机基本原理是在剪切时上刀不动、下刀升起剪断轧件由于这种剪切机在切断轧件时，下刀抬起轧件离开辊道，所以机后可不设摆动辊道。这种剪机另一个特点是在剪切时机架不受剪切力。下切式剪切机广泛用于大、中型剪切机。4剪

切机的驱动形式一般由电动机驱动。其工作制度可分为：启动工作制和连续工作制两种。前者为电机启制动一次完成一次剪切，多采用直流电动机。在连续工作制的剪切机上，一般装有带飞轮的交流绕线式电动机，在传动系统中采用离合器；在空载时，飞轮

可储存能量，在剪切时，离合器合上，飞轮放出的动能可帮助系统克服剪切时的大的阻力实现剪切。大型平行刃式剪切机的驱动系统也有采用液压传动的。5二、剪切机结构参数1、刀片行程H—它决定了该剪切机所能剪切钢坯的最大高度。H

=H1+j+q+sH1=钢坯厚h+(50~75)mmj——压板低于上刀的距离，j=5~50mmq——下刀低于辊道的距离，q=5~20mms——上下刀刃的重合量，s=5~25mm62、刀片尺寸•刀片长——由被剪钢坯截面的最大宽度bmax确定；l=(3~4)bmax

小型方坯剪l=(2~2.5)bmax大、中型方坯剪l=bmax+(100~300)板坯剪•刀片断面高h与宽bh=(0.65~1.5)hb=h/(2.5~3)，h——钢坯厚度73、剪机的理论空行程次数它表示了该剪切机的生产率，理论空行程次数越多，则生产率越高。它受电机功率与剪切机的型式

的限制。具体数据见p259表8—2,剪切机剪切力从63吨——2500吨，其理论剪切次数从5~30次/分钟变化。由于两次剪切之间需要有许多如定尺、运输等辅助工作要完成，实际剪切次数一般小于该数据。8三、剪切过程分析实际剪切过程由两个阶段组成：刀片压入阶段与金属滑移阶段。如图，刀片压入后，上下刀受

剪切力P与侧向力T，在剪切力P形成的力偶Pa作用下，轧件沿顺时针方向旋转γ角，由力的平衡：a=x=0.5z/tgγ，c=h/cosγ-0.5zPa=Tc(8-7)(8-9)9PtgxzPTzbTxbP===5.05.0当压入到一定深度z时，

P力增大同时坯料实际的剪切断面变小，当实际断面上的剪应力达到剪切变形抗力时，轧件产生滑移，直至剪断。假定刀片与金属接触面上压力均布且相等，设轧件宽为b,则有：由以上关系消去P、a、c可以得出压入深度z与转角γ之间的关系：z/h=2tgγ.sinγ≈2tg2γ或

：(8-10)2hz=tg10可知，压入深度z越大，则转角γ越大，而由式8-9，T=Ptgγ知，侧向力T也越大。在剪切机上，为减少侧向力的值，一般均安装有压板将轧件压在下刃台上以减小γ角。在无压板情况下，γ=10~20度，T=(0.18~0.35)P在有压板情况下，γ=5~10度

，T=(0.1~0.18)P有压板后，剪切机的γ角减小，侧向力减小，既提高了剪切质量，又减少了设备磨损。这时压板力为Q：Q=(0.04~0.05)Pmax由上面的假设可得出压入阶段的剪切力：P=pbx=pb.0.5z/tgγ，p——平均压力

由(8-10)可得出：5.05.0/pbhPzhpbPhz=⎯⎯→⎯==11在滑移阶段，剪切力为：τ——被剪金属断面的剪切变形阻力。由上述公式可以看出，在压入阶段，剪切力P随压入深度z增加而增加；在滑移阶段，P随z而减少。)cos(zhbPs−=在相对压入深度ε=ε0时

，轧件被剪断。ε0与被剪金属的性质有关，金属塑性越好则其值越大。12四、单位剪切阻力曲线与剪切力、剪切功1、单位剪切阻力曲线（τ—ε曲线）定义：将金属剪切过程中任一瞬时的剪切力P，除以试件的原始断面积F，其商即单位剪切阻力。由

以上定义可知，单位剪切变形阻力并不是轧件的实际剪切应力，是一种名义应力。将试件的相对压入深度与单位剪切变形阻力的关系绘成曲线，则称之为单位剪切阻力曲线（τ—ε曲线τ=f(ε)）。教材262-265所示为部份钢种的τ—ε曲线。132、最大剪切力Pmax可按以下公式计算：Pmax=Kτm

axFmax(8-13)K为考虑刀片磨钝、刀片间隙增大而使剪切力增大的系数。具体数值见教材p266。对于所剪材料无单位剪切阻力的实验数据时，可用以下公式计算最大剪切力：Pmax=0.6KσtFmax(8-14)近年来，采用弹塑性有限元法对剪切过程中的

剪切力进行计算也取得了不少成果。143、瞬时剪切力及其计算曲线上面求出的是最大剪切力。如果想要精确的确定电动机功率，则必须要求出剪切力P与曲柄转角α之间的关系P=f(α)。为此必须知道剪切力与刀片压入深度之间的关系P=f(z)。瞬

时剪切力可按以下公式算出：Pi=kτiF0(8-15)同上面一样，对于无实验曲线的剪切钢种，可按教材上的近似公式算出。由于与刀片的压入深度z，相对压入深度ε有确定关系，所以根据上式可以确定剪切力P与z或ε的关系。由

以上关系作出的曲线即瞬时剪切力计算曲线。154、剪切功根据剪切功可以方便地确定剪切机所需电机功率。剪切功可按下式计算：a称之为单位剪切功，它等于单位剪阻力曲线所包围的面积。其意义为剪切高度为1mm断面积为1mm2试件所需的剪切功。某些材

料的单位剪切功见教材表8-5、8-6及图8-8。====dadFhhdFdzFA令式中:16五、静力矩1、静力矩的组成为了精确地计算剪机各传动部件的强度及电机功率，必须计算剪切机偏心轴

上的静力矩。它由以下三部份组成：Mj=Mp+Mf+Mkon8-23分别表示剪切力矩、摩擦力矩及空转力矩。由于剪切机负荷较大，摩擦力矩不能简单地用效率考虑而要进行具体计算。2、Pi=f(α)曲线设曲柄转角为0度时刀片开度为最大（等于曲柄半径的两倍）则转角为180度时，刀片开度最

小。可以用图解法或解析法求出曲柄转角与刀片开度关系。同时也可求出曲柄转角与相对压入深度的关系。17图解法求曲柄转角与刀片行程相对压入深度关系∵△ABC与△OAG相似∴AC/H0=AB/A0AC=z1,∴AO=1得出:AB=ε18•曲线横座标为曲柄转角,纵座标为刀片

行程;根据剪切机构尺寸可作出其关系曲线.•作出五个等距的同心圆.•作出轧件厚度水平线,它与曲线交点的横座标则为刀片与轧件接触时的曲柄转角.显然这时的压入深度及相对压入深度均为0.•当压入深为z1时,其水平线与曲线交点的横座标为这时的曲柄转角,AB长

则为相对压入深度.利用上面给出的单位剪切阻力曲线（τ—ε曲线）得出相应转角下的剪切变形抗力τ，将其乘上轧件的原始断面积则可得出相应角度下的总剪切力P。这样就可作出Pi=f(α)曲线。即曲柄转角与总剪切力之间的关系。193、剪切力矩Mp和摩擦力矩Mf求得剪

切力P以后，则可由剪切机构中的力的平衡关系求出作用在连杆上的力，进而求得作用在曲柄轴上的静力矩。如图所示，如总剪切力为Pi则由此产生的作用在连杆上的力为Pab，由曲轴中心向作垂线，其长度c与Pab乘积则为产生的静力矩Mp。20在三角形AOB中，由正弦定理：sinβ=(R

/L)sinα由摩擦引起的偏转角：sinγ=(ρa+ρb)/L滑块的摩擦角φ=tan-1μ)sin()cos(+−+=PPAB由图可看出，Mj′=Pab×CC——力Pab到O点的力臂以上计算结果实际包含了剪切力

矩与摩擦力矩。21力臂c的求法：在>90°时：c=Rcos(α-β-γ-90)+ρa+ρo(8-35)在<90°时：c=Rcos(90-α+β+γ)+ρa+ρo(8-36)由此可作出力臂c与曲柄转角α的关系曲线c=f(α)以及静力矩与转角的关系曲线Mj=f(α)。见

教材上的附图。空载力矩一般可取剪切力矩的5%--8%。将三部份的值相加则得出总的静力矩。22预选电动机的额定力矩：Mer=(1.15—1.3)MmTtMMjjm=带飞轮的剪切机预选电动机可按前面求出的静负荷图求出其平均值：kiM

Mermax=不带飞轮的剪切机预选电动机时，可按静力矩的大小直接选取：六、电动机功率的预选23§2、平行刃剪切机的结构对于剪切机，其电机工作制度分为两种：1、起动工作制——又分为摆动工作制（剪切一次曲柄转角α＜360°）与圆周工作制（α=36

0°）两种，采用直流电机。2、连续工作制——采用离合器、带飞轮。交流电机。从剪切机构上讲，剪切机又分为上切式剪切机与下切式剪切机。24一、上切式剪切机——其剪切钢坯动作由上剪刃完成（下刃固定）为保持切口平直，上切式剪切机必须在机后有一随上刀、轧件运动的升降辊道。如图

所示：25实例一：20兆牛上切式剪切机结构特点：上切式；由曲柄连杆机构、上剪刃与连杆之间的补强块、上剪台液压平衡、液压压板、快速换剪刃机构、上下剪台夹紧缸及扩大行程机构组成。26——扩大行程机构——剪切弯头轧件及事故处理272、活连杆上切式剪切机这种类型的上切式剪切机典型实例是剪切能力

为1.6MN的钢坯剪。电机经减速机经二级减速后驱动曲轴使活动连杆上下摆动。在不剪切时，上刀台由剪机顶部的汽缸提至最高位置，活连杆由汽缸向左拉至上刀台左侧的空凹槽内摆动。在剪切时，上刀台下降，左汽缸将活连杆向右顶至上刀台右方高出的剪切位置，连杆

在曲柄的带动下上下滑动将上下刀台之间的钢坯剪断。完成剪切任务后，左汽缸再将连杆拉回左侧上刀的空槽内上下空摆动。上刀台向上运动由向上的过平衡力实现，平衡重锤通过悬于剪机顶部的两个链轮及链条将上刀台吊起。顶部汽缸用以实现上刀台的快速上下运动。完成一次剪切后，等待下一次剪切。为减小剪切过程中的冲击，机体

上部装有两组弹簧。28这种剪机的特点是：•操作速度快，实际剪切次数多。用活连杆取代传统的离合器。•增大了上下刀台间的距离，即开口度。使其适应不同的剪切工况要求（如弯头轧件等）。29实例——1.6MN活连杆上切式剪切机实例——活连杆上切式剪切机30活连杆式剪切机剪

切过程示意图31上刀台形状32二、下切式剪切机下切式剪切机基本原理是上刀不动、下刀升起剪断轧件。这样，不需要上切式剪切机那样的机后升降辊道。但其机构比较复杂。其典型结构是浮动偏心轴式剪切机。以下介绍下切式剪切机的分类及其基本原理。这种剪切机有三种型式：

上驱动机械压板式、下驱动机械压板式以及下驱动液压压板式。浮动偏心轴式剪切机的偏心轴转动中心在各个瞬时是不同的，它与外界阻力有关；其外界阻力一方面取决于上下剪台的重量，同时取决于平衡力的大小与配置。在这

三种下切式剪切机中，最广泛使用的一种是液压压板式下切式剪切机。33浮动偏心轴式下切式剪切机的类型34——液压压板式下切式剪切机下切式剪切机是50年代从前苏联引进的，最大剪切力为1000吨——1500吨。一般用于初轧方坯的剪切，它是具有两个自由度的曲

柄连杆机构。机构复杂但剪切力大、剪切质量可靠。351、结构及自由度分析——构件数：曲柄、连杆、上刀台与下刀台。共四个活动构件。约束数：铰链三个、导向滑道两个。均为低副。自由度数：W=3*4-2*5=2;2、

剪切过程分析——36剪切过程分析——373、力与运动分析——1.剪切运动分析：设绕A点与B点转动时其阻力分别为MA与MB根据最小阻力定律，绕A转时上刀下降，MA<MB，即：(Q1-G1）Rsinα<(G2-Q2)RsinαQ1-G1<G2-Q2(8-40)Q1+Q2<G2+G1(8-41)

这是使整个剪切机构不上浮的条件.382.平衡力的确定为消除冲击,下刀必须欠平衡,而上刀必须过平衡,即:Q1>G1Q2<G2(8-42)此外，下切式剪切机在剪切时其剪切力仅作用在连杆上(不作用在机体上)而且是拉力，这也是浮动剪的特点之一。39§3斜刀片剪

切机及其结构斜刀片剪切机主要用来剪切钢板，剪刃与水平面所成的倾角使得其实际剪切面积远小于轧件的横截面积，从而可以大大减小剪切力。对于斜刃剪而言，同样也有上切式与下切式两种，以上切式的居多，下切式的一般安装在连续作业机组中。其驱动力既可以是电机驱动也可以

是液压驱动。一．斜刀片剪切机的参数1．结构参数主要参数为：刀片的倾角α、刀片长l与理论空行程次数。40倾角α愈大，则剪切力愈小，但刀片的行程H需要增加。而αmax受横向力的限制。一般钢板厚h越大允许的倾角α愈大，见图(8-27),p284。为抵消横向力的影响，现场有将剪刃制成

人字形的。刀片的行程可按平行刃剪的公式进行确定，但必须考虑到倾角引起的行程的增加量H′，一般而言：H′=bmaxtgα(8-47)刀片的长度l:l=bmax+(100—300)mm(8-48)41剪切力P由三部分组成：P=P1+P2+P3式中：P1——纯剪切力、

P2、P3被剪部份沿AD线的弯曲力及局部弯曲力；剪切功：A=PbtgαNXYtgZtghPbb+++=22100116.016.02、剪切力与剪切功42剪切变形区示意图43以下对剪切力的

主要组成部份进行推导：如图示,设q为剪切区域内单位宽度的剪切力，则在剪切变形区内宽为dx形成的区域内有:dP1=qxdx=τhdx=(τdF)44.6.0:)(:211221的计算式并可以导出总的剪切力冷剪的计算式由此可导出代入上式并积分而PtghPPa

tghdtghhdxPdtghdxdxhtgdhxtghzb========45二、斜刃剪的结构斜刃剪有机械式与液压式的两种。前者一般为电机驱动的曲柄连杆式的，后者为液压缸驱动的。同样有上切式与下切式的不

同型式。以下介绍部份典型结构实例。46斜刃剪结构图47电机传动的上切式斜刃剪48§4圆盘剪及其结构结构：由上下圆盘形反向旋转刀片组成。用途：剪切运动着的钢板及带钢，厚度<20~30mm.剪切后的部份应进行卷取或碎边，作为切边剪为使其剪下的切边下弯，应使1、上下剪刃前后错开，

或2、上刀直径小于下刀直径。如图所示：49一、圆盘剪参数1、结构参数•刀片尺寸——刀片直径D；设h为钢板厚，s为刀片的重迭量，α咬入角，则：cos1−+=shD当α=10~15度时，可由经验公式确定：D=(40~125)h；对h=40的厚

钢板，D=（22~25）h;其它参数，如刀片厚，刀片侧隙及剪切速度见教材有关内容。50==+=+=atghhdxPtgZPPPP2)1(211121而纯剪力2、剪切力与剪切功率•剪切力P实际剪切力由两部份组成，其推导与斜刃剪类似，结果如下：式中系数见教材。在计算剪切力时与平行

剪一样，也要考虑其侧向力T及刀口磨钝以后的剪切力的增加。51•剪切力矩与简单轧制类似，M1=PDsinα，α为接触弧中点所对的圆心角；如刀片轴上的摩擦力矩为M2=Pdμ,n为对刀片数，则总的驱动力矩：M=n(M1+M2)•驱动功率——设v为剪切速度，μ1为刀片与钢

板间的摩擦系数，则圆盘剪的电机功率N为：kWDMvN100021=52二、圆盘剪结构示例531520连续纵剪机组54中厚板连续切边机组55