Ножиці з паралельними ножами

Нижний эксцентриковый вал 7 и ось верхнего суппорта 8 соединены между собой боковыми шатунами 9; усилие резаниявоспринимается этими шатунами и на станину не передается. Механизм резания уравновешен не полностью, поэтому верхний и нижний суппорты всегда стремятся опуститься вниз; перед резанием нижний суппорт опирается на нижнюю траверсу (через набор прокладок). Степень неуравновешенности механизма резания регулируется при настройке гидросистемы; при этом достигается условие, чтобы при повороте эксцентрикового вала сначала двигался вниз верхний суппорт.

Достоинства ножниц следующие: 1) резание совершается при ходе вверх нижнего ножа. При этом разрезаемый металл приподнимается нижним суппортом над рольгангом и ролики рольганга не испытывают никаких усилий при резании; 2) прижим затрудняет искривление металла при резании и способствует получению ровного (не косого) торцового сечения; 3) усилие резания и боковые распирающие усилия воспринимаются только механизмом резания (шатунами и суппортами) и на станину и фундамент не передаются; 4) расположение эксцентрикового вала на нижнем суппорте упрощает установку  привода  на  низком фундаменте.

Ножницы аналогичной конструкции усилием 12,5 и 16 МН применяют на блюмингах.

Для резания горячих  заготовок и блюмов небольшого сечения (100x100-^200x200 мм) применяют рычажные ножницы открытого типа с нижним резом усилием 2,5—6 МН. У ножниц станина расположена только с одной стороны рольганга, поэтому ножи ножниц и ролики рольганга доступны для обслуживания.

Гидравлические  ножницы по конструкции значительно проще механических ножниц с электроприводом и их широко применяют в прокатных цехах на зарубежных заводах. На наших заводах их не применяют ввиду того, что нет уверенности в надежности их работы в условиях резкого изменения температуры в прокатных цехах (лето—зима). Однако можно полагать, что в дальнейшем этот вопрос будет разрешен в пользу установки гидравлических ножниц (на южных заводах), так как они отличаются важными преимуществами перед механическими ножницами с электроприводом (большее число ходов в минуту, т. е. большая производительность, простота конструкции, меньшая масса оборудования и меньшая площадь, занимаемая ножницами в цехе).

 

 

 

3. Методика определения усилия резания

 

                Процесс резания состоит из  трех периодов (рис. 3):

1)  вмятия ножей в металл (рис. 3, а, в); при этом усилие на ножи постепенно увеличивается  до  максимального значения Рmax,   длительность этого периода характеризуется коэффициентом ε_в, равным отношению глубины внедрения ножей в металл при вмятии z_B к исходной

высоте сечения металла, т. е. ;

2)  собственно резания (сдвига  металла по плоскости резания); при этом усилие резания уменьшается по мере уменьшения высоты  (площади) сечения металла (рис. 3, б, в);

3) скалывания  (отрыва)  оставшейся  неразрезанной части сечения  (рис. 117, в).

Момент окончания собственно резания  и начала отрыва (скалывания) характеризуется   коэффициентом надреза ε_н, равным  отношению глубины внедрения ножей в конце резания z_Н (начало отрыва) к исходной высоте сечения металла, т. е. .

Максимальное усилие в конце  периода вмятия равно усилию в  момент начала резания (сдвига) металла по плоскости резания, поэтому можно написать, что

где  τ_mах — максимальное касательное сопротивление при резании (сдвиге) металла;

F_рез— сечение металла в момент начала собственно резания (сдвига) металла;

k₁— коэффициент, равный   отношению максимального сопротивления срезу к пределу прочности; для мягких металлов k₁≈0,7; для твердых металлов k₁≈0,6.

 

Рисунок 3. Схема резания металла  на ножницах с параллельными ножами (а, б) и изменение усилия на ножи при резании (в) в зависимости  от  глубины   внедрения  ножей ; А —экспериментальная кривая; В — прямая на

                                   участке собственно резания

 

В момент окончания вмятия ножей (начало собственно резания) высота сечения металла равна h—z_В=h(1—ε_B), поэтому площадь сечения, испытывающего напряжение среза, равна F_рез=h(1—ε_B)b, где b— ширина разрезаемого сечения металла.

           При  определении расчетного максимального  усилия резания, действующего на ножи, надо учесть влияние затупления ножей и увеличения зазора между ними при длительной работе ножниц. Поэтому расчетная формула максимального усилия резания будет иметь следующий вид:

где k₂ — коэффициент, учитывающий увеличение усилия  резания при

      затуплении ножей  в процессе длительной работы  ножниц;

      k₃ — то же, при увеличении бокового зазора между ножами.

 

Экспериментальные данные коэффициентов  вмятия (e_в)

и надреза (e_н)

 

Металл	Горячее резание		Холодное резание
	eв	eн	eв	eн
Сталь 10       »   20       »   50       »   50С2       »   1Х18Н9Т       »   ШХ10 Медь Цинк Дюралюминий	0,32 - 0,40 0,30 – 0,35 0,25 – 0,3 0,23 – 0,28 0,25 – 0,30 0,20 – 0,25 0,35 0,30 0,25	0,75 – 1,0 0,75 – 0,95 0,70 – 0,95 0,65 – 0,90 0,70 – 0,80 0,65 – 0,70 0,95 0,70 0,50	0,30 0,25 0,20 0,2 0,35 0,15 0,30 0,20 0,15	0,5 0,35 – 0,45 0,30 – 0,40 0,25 – 0,30 0,45 0,30 0,45 0,40 0,25

 

На основании практических данных можно принимать следующие значения этих коэффициентов: при горячем резании k₂=1,1-1,2; k₃=1,15-1,25; при холодном резании k₂= 1,15-1,25; k₃=1,2-1,3.

Для случаев резания  металла непрямоугольного сечения (например, круга) это сечение необходимо привести к равновеликому по площади прямоугольному сечению, т. е. принять, что F_ceч=bh.

            Для определения работы и мощности  резания надо знать характер  изменения усилия на ножи в  различные моменты времени в  периоды вмятия ножей и собственно  резания металла. Аналитического  решения этого вопроса в настоящее  время не существует. Экспериментальные кривые (рис. 3, в) показывают, что в период вмятия ножей усилие резания возрастает по выпуклой кривой параболического типа, а в период собственно резания эта кривая становится еще круче и обрывается в сечении, соответствующем окончанию собственно резания и началу отрыва (скалывания). Для удобства последующего построения расчетных нагрузочных диаграмм без большой погрешности можно принять, что в период вмятия усилие на ножи Р_х возрастает до Р_mах по следующей параболической кривой:

     

  где     ε_Вх — текущее   значение   относительной   глубины  вмятия ножей

в металл (ε_Вх<ε_В); на этом участке касательное сопротивление срезу возрастает до τ_max в большей степени, чем уменьшается   поперечное сечение при погружении ножей.

В период собственно резания (до момента  отрыва) усилие на ножи

P_px уменьшается по прямой линии согласно уравнению (определяемому

из подобия треугольников)

где    ε_Нх — текущее значение относительной глубины надреза.

На этом участке уменьшаются  одновременно τ и F_рез.

На рис. 3, в видно, что в сечении  отрыва ε_Нх = ε_Н, т. е. по окончании собственно резания усилие на ножи равно

            В табл. приведены максимальные  значения коэффициентов вмятия (ε_В) и надреза (ε_Н), полученные экспериментальным путем при резании различных металлов. Эти данные следует считать ориентировочными, так как они получены с различной степенью точности и в некоторых случаях при резании образцов небольшого сечения (25x25 мм).

При вмятии ножей полоса (заготовка, блюм) будет стремиться повернуться  вправо под действием момента, равного Ра (рис. 3,а). При этом со стороны кромок ножей будут возникать горизонтальные усилия Т, создающие момент Тс = Ра. Ввиду того, что величины плеч а и с неизвестны, точно определить значение силы Т не представляется возможным. На основании экспериментальных данных можно принимать, что Т=0,15-0,25 Р. Для уменьшения боковых распирающих горизонтальных усилий на ножи Т на ножницах применяют механические или гидравлические устройства для прижима металла с усилием Q при резании. В этом случае можно принимать Т= (0,1-0,15)Р; Q=(0,03-0,05)Р.

 

4. Шатунно-кривошипный механизм

 

             При вращении кривошипа радиусом  г вокруг центра О верхняя  головка шатуна (центр кривошипа) последовательно занимает на окружности положения А (нижняя мертвая точка), В, С, Z), E, F и G (верхняя мертвая точка) (рис. 4,а). При этом нижняя головка шатуна (ползун, точка А') совершает возвратно-поступательные движения по вертикали.

Определим путь s_y перемещения ползуна при повороте кривошипа на угол α_i (угол α отсчитываем от вертикали AG  по часовой стрелке).

Очевидно, что СС΄=lsinβ=rsinα, откуда угол наклона шатуна

где - коэффициент шатуна; обычно в кривошипных ножницах

λ=0,075-0,15.

При α=90° угол β максимальный и, например, для указанных значений λ он составляет 4—8°.

Ход ползуна А

 

s_y = (ОА + АА΄) — (ОС΄+ С΄С΄) = (r+l) —(rcosα + lcosβ) =

=r(1—cosα) + l(1—cosβ);

s_y = l[λ(l— cosα) + (l—cosβ)].

При λ <0,075 cosβ≈l, поэтому формула примет  следующий вид (с погрешностью до 10% при α=90°):

s_y = r(1— cosα)

Определим плечо крутящего момента  на валу кривошипа:

ОС'С = ОС'+ С'С' = rcosα + lcosβ;

а = (ОС'С) sinβ= (rcosα + lcosβ) λ sinα;

а =rsinα (λ cosα+ cosβ).

При β<5° cosβ≈l, поэтому можно принимать

На рис. 4,б представлены кривые   и , построенные по формулам (V.7) и (V.9) при λ ≈ 0,1.

Примем, что на нижний ползун действует сила Р = const, а на шатун — усилие N=P/ cosβ.

Статический момент резания на валу кривошипа

М_рез = Na.

При указанных выше допущенных можно  принимать

Рисунок 4. а - схема механизма; б  – кривые   и в

функции угла поворота вала кривошипа  при λ=1.

 

Кроме того, необходимо также учесть потери на трение в подшипниках вала кривошипа, головках шатуна и в направляющих нижнего ползуна.

Тогда суммарный статический  момент на валу кривошипа будет равен

М_ст = М_рез + М_тр.

При использовании приведенных  выше формул надо иметь в виду, что  при α>90° cosα будет отрицательным. Принимая γ=α—90°, заменяя cos (90+ γ)=—sinγ; sinα = sin(90+γ) =cos γ и sin2α=—sin2γ, получим

s_y = r(1 +sin γ);

;

.

5. Ножницы с механическим прижимом

 

Устройство и работу этих ножниц рассмотрим на примере анализа кинематики типовых ножниц с усилием резания 10 Мн (1000 Т).               Ножницы с нижним резом и механическим прижимом предназначены для горячей резки блюмов и слябов на мерные длины. Максимальное сечение сляба bh=200x900=180000 мм² = 0,18 м² минимальная температура металла при резании 950° С; при этой температуре для легированной стали σ_b≈σ_s≈75 Мн/м² (7,5 кг/мм²).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Конструктивная схема эксцентриковых (кривошипных) ножниц

усилием 10 Мн (1000 Т) с плавающим валом и с механическим прижимом

 

 

1. По формуле определяем максимальное усилие резания, принимая

ε_В=0,30; k₁=0,7; k₂=1,2; k₃=1,25:

 

Р_mах = 0,7·1,2·1,25· (1—0,3)75·0,18= 10Мн (1000Т).

 

2.  Кинематика ножниц. Относительно  оси 1 вала верхнего ползуна 2 ножниц расположены два эксцентрика: шатунный 3 с эксцентриситетом r=250 мм и рычага прижима 4 с радиусом, равным 125 мм (рис. 5). Оси верхнего и нижнего 8 ползунов соединены боковыми шатунами 5 длиной 2800 мм. Ход ножей s=2r=500 мм; перекрытие ножей 6, 7 в конце резания Δ=15 мм; просвет между ножами 485 мм. Существенным преимуществом ножниц является наличие механического прижима 9, работающего автоматически от приводного вала ножниц; при этом обеспечивается перпендикулярность плоскости резания, снижение распорного (бокового) усилия на ноже и исключение удара заднего конца проката о ролики рольганга после резания. Верхний и нижний ползуны перемещаются по направляющим, благодаря чему они могут двигаться только по вертикали.

           Если  заменить эксцентрики одного  вала их эксцентриситетами от  оси этого вала, то кинематически  эксцентриковые ножницы можно  рассматривать как шатунно-кривошипный механизм (рис. 1, а). Рассмотрим работу ножниц и отметим особенности  их  кинематики (рис. 6).

Первое положение (рис. 6,а). Перед пуском ножниц эксцентрики и оси головок шатуна лежат в одной вертикальной плоскости, совпадающей с плоскостью резания (ось шатуна 3—4 условно показана изогнутой, чтобы плоскость резания была видимой, рис. 6, а, д).

 

Рисунок 6. Последовательность положений  кинематических звеньев

ножниц при рабочем ходе (при  повороте вала

кривошипа на 180°)

 

Второе положение  (рис. 6,б). После  пуска ножниц и вращения приводного вала кривошип 3 будет отклоняться по дуге, равной длине шатуна 3—4 (так как нижний ползун неподвижен и вес всей подвижной системы передается на стул станины). При этом точки 1, 2 и 4 (см. также рис. 5, цифры в кружках) будут совершать плоское движение вокруг точки 3 кривошипа, т. е. верхний ползун (точка 1) и прижим (точки 2 и 5) будут перемещаться вниз. Это перемещение будет продолжаться до тех пор, пока прижим не упрется в металл.