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焊接机的分类及剪切力的计算

2021-05-26张华杰

山西冶金 2021年2期
关键词:刀刃剪切力剪切

张华杰

(太重煤机有限公司,山西 太原030032)

剪切对焊接机是焊管生产线的主要设备之一。它位于矫平机和活套之间,其作用是将相邻两卷带钢之间,即前一卷带钢的尾部与下一卷带钢的端部焊接起来,为了保证焊缝的焊接质量,在对焊之前,前一卷带钢的尾部与下一卷带钢的端部应进行必要的剪切,以获得符合焊接规格的切口,然后进行焊接,再经活套充料、储料,供给主机,以保证焊管生产线能够连续不断的生产。

1 剪切对焊接机分类及剪切装置的种类

1.1 剪切对焊接机的分类

剪切对焊接的分类繁多,既可根据工作方式和控制方式分类,也可按照剪切方式分类,还可按照焊接方式分类,见表1。

表1 剪切对焊接方式的分类

1.2 剪切装置的种类

剪切对焊机的剪切装置通常有下剪切和上剪切之分。下剪切的结构特点是上剪刃固定,下剪刃向上剪切;上剪切的结构特点是下剪刃固定,上剪刃向下剪切。剪切装置一般采用斜剪刃,即一个剪刃相对于另一个剪刃成某一角度,剪刃斜度一般取1.5°~6.0°为宜。

现有焊管机组,常采用上剪切的结构形式。上剪切的结构形式如图1所示。

图1 上剪切的结构图

剪切系统由上横梁、油缸、上剪刃、下剪刃等组成。上剪刃安装在上横梁上,由导向装置实现导向,导向装置有齿轮、齿条组合式或耐磨板式,下剪刃安装在床身底座上。使用液压缸驱动上横梁,实现带钢头部、带钢尾部的剪切,在剪切时,压板装置压紧带钢,使带钢在剪切时位置固定,保证剪切的顺利完成。

2 剪切力的计算

剪切力计算的公式较多,目前设计中常采用下列几种公式:

2.1 柯洛辽夫公式

式中:K1为刀刃侧向间隙的影响系数,一般K1=1.3~1.5;K3为刀刃使用以后磨钝的影响系数,一般K3=1.1~1.3;τ为被剪切带钢的剪切抗力,一般可按试验决定,有时在设计计算时往往可近似地取τ=(0.7~0.75)σb,σb为被剪带钢的强度极限,MPa;S为带钢的剪切面积,mm2。

图2 剪切过程图

则上式可写成:

剪切过程如图2所示。剪切面积不是在带钢整个横断面上进行的,斜刀刃剪切面积,要比平行剪切面积小,因此斜刀刃的剪切力P也就比平行剪切小。实际剪切面积不是三角形ABC,而是梯形ABDE。这是由于当刀刃切入带钢深度为z=h-DE后,带钢便开始金属滑移,完成剪切过程。因此,顶部小三角形DEC早已被金属滑移而扯断,不再需要剪切。

相对切入率为:

式中:ε与被剪切带钢材料的塑性有关,一般ε=(1.2~1.6)δ5,δ5为伸长率,通常可按ε=1.25δ5计算。

剪切面积ABDE为(见图2)

将式(3)代入式(2),可得:

式中:α为剪刃的斜度;ε为相对切入率,ε=(1.2~1.6)δ5;h为带钢厚度,mm;σb为被剪带钢的强度极限MPa;δ5为相对伸长率。

由式(4)可知:若剪切相对切入率ε和被剪切带钢的强度极限σb增加,则剪切力P增加;剪切力P按被剪切带钢厚度平方关系数值增加,剪切力P与剪刃的斜度α成反比,增加α,可使剪切力P降低,但会增加剪刃的行程。显然,公式(4)仅适用于tanα>的情况。h、b分别为带钢的厚度和宽度。

2.2 诺沙里公式

式中:σb为被剪带钢的强度极限,MPa;δ5为相对伸长率;z为切入深度;α为剪刃的斜度;y为系数,y=为剪刃侧向间隙,通常情况下,h≤5 mm,c=0.07 h;h>5 mm,c=0.5 mm;x为系数为剪切平面至压板距离,初步计算时,取x=10;K3为刀刃使用以后磨钝的影响系数,一般取K1=1.1~1.3。

实际计算时,常采用(5)的简化公式。此时,假定ε=1.25δ5,z=1,y=0.07(若h≤5 mm),将上述数值代入公式(5)式中,则简化公式为:

以上两个公式比较,柯洛辽夫公式比较简便,但公式中许多系数均为范围值,因此,采用同一柯洛辽夫公式计算,由于系数值选择不同,可得到不同的计算结果,这就影响到计算的精确性。目前,国内设计单位采用诺沙里公式较多,有时为了某种需要,做一些粗略核算,可采用柯洛辽夫公式。

3 结语

通过对剪切对焊接机剪切力的计算,可有效避免设计的盲目性,为剪切对焊接机的结构及性能参数的设计提供理论依据。

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