图 1 圆盘剪重叠与间隙定义示意图
分享：告别毛刺与崩刀：高强钢圆盘剪切边工艺研究
在冷轧生产工艺中，酸洗连轧车间圆盘剪切边工序是为了解决高强钢在下道工序中切边困难的问题，同时还可以降低后道生产工序成本并提高其生产效率；对于热轧原料存在的一些边部缺陷也可以通过圆盘剪切边进行处理，这样既提高了酸洗连轧车间的成材率，也降低了因缺陷导致的返工率。酸洗连轧车间高强钢切边崩刀问题和边部质量问题异常突出，直接困扰生产线正常生产，因此实现酸洗连轧车间高强钢连续切边是很有必要的。大部分酸洗连轧车间采用的切边剪为塔式无驱动型圆盘剪，设计切边能力为单边5~50 mm。本文主要讨论影响圆盘剪剪切高强钢边部质量的因素，研究了工艺参数、刀片材质和设备维护等因素对高强钢切边质量的影响。
1. 高强钢切边质量的影响因素
一般来说，轧后冷硬卷的高强钢边部缺陷是从剪切区域开始减薄，然后再到撕裂层不断减薄。该减薄现象从金属变形的机理上解释为：剪切区域部分发生了塑性变形进而产生了加工硬化，使剪切区域部分抵抗变形的能力增强，而撕裂区域由于直接撕裂的作用，其内部的金属没有发生明显的强化现象，因而变形抗力相对较弱。剪切区域金属的变形抗力增加和塑性能力恶化，是造成轧后边部发生锯齿边和破边缺陷的重要原因。因此，针对高强钢切边质量有重要判定标准，即剪切区域约占带钢厚度的10%，剪切面与撕裂面分界线清晰、平直且连续，整个剪切断面平整光滑、无缺口和较大的毛刺。其中，圆盘剪工艺参数、刀刃修磨质量以及设备维护情况是影响切边质量的主要因素。
1.1 圆盘剪工艺参数
圆盘剪的主要工艺参数包括间隙、重叠量和前束角。圆盘剪的重叠量和间隙定义分别为：上刀片与下刀片之间距离称为间隙，上刀片和下刀片的重叠部分称为重叠量[1]，如图1所示。在普通钢种的剪切中，重叠量通常为正值，而对于高强钢的切边过程，重叠量为负值。
下载:1.1.1 间隙
当圆盘剪间隙调整太小时，带钢断面呈铅灰色，剪切区域大于断裂区域，剪刃瓢曲易产生毛刺。从带钢剪切断面观察不同区域占比可能会发现：剪切区域比正常区域要深（剪切区域占比>50%）；撕裂区域较小，边界线不规则，出现波浪形断面，带钢下表面出现毛刺，间隙过小时剪切边过程中可能发生两次剪切，产生剪切碎屑。间隙过小的剪切示意图及其断面形貌图如图2所示。间隙过小会使剪切断面的剪切区域占比过大，上下剪刃对带钢形成的弯矩过小，撕裂面比较小，而且切向摩擦力增大、剪刃钝化，剪切力的增大导致剪刃磨损过快，降低刀片使用寿命，严重时还会出现二次剪切[2]，在剪切断面形成第二光亮区。此时，带钢边部加工硬化严重，二次剪切区毛刺高度增加，潜伏裂纹更为严重，边部易产生毛刺，轧后形成锯齿边缺陷。
间隙太大会导致剪切面远小于撕裂面，毛刺也会有显著的增加，从带钢剪切端面颜色观察，均呈白色，塌肩大，表面呈颗粒状粗糙状态。可能出现剪切断面顶部较大的卷边，剪切区较小，撕裂区较大，或者带钢下表面产生较严重的毛刺。剪刃间隙过大，会导致切向摩擦力较小，上下剪刃对带钢形成的弯矩过大，剪刃会出现裂纹、错位，裂缝无法合上，整个端面不平整。斜面也会明显增大，产生的毛刺大且粗壮，其中心的部分会被强行拉断，严重时会发生剪不断带钢的情况。同时，圆弧区增大，致使带钢边部出现缺口，经过轧制后在带钢边部形成裂纹，严重影响产品边部质量。间隙过大的断面情况如图3所示。
高强钢剪切端面的目标状况为：剪切区和断裂区占比为1∶5，2个区间的分界线清晰，从带钢剪切断面来看，断面颜色均呈略带铅灰色的白色。间隙良好的断面情况如图4所示，上表面呈现出光泽的剪切区域，下表面呈平滑、钝感的灰色撕裂区域；剪切区和撕裂区的分界线成直线且清晰，没有毛刺产生。
1.1.2 重叠量
调整重叠量的装置安装在刀座的后端面上，通过旋转偏心空心轴来实现重叠量的调整。调整机构包括没有齿隙的伺服齿轮电机驱动传动轴，传动轴安装在预紧轴承上，轴端装有小齿轮驱动偏心空心轴上的齿圈。调整重叠量时，旋转偏心空心轴，使偏心空心轴轴向移动。保持小的重叠量才能获得好的剪切效果，重叠量的设定主要依据钢种、带钢厚度、刀片表面质量和刀片直径。较大的重叠量会使刀片受压较大，剪切时会产生应力集中和速度差。刀片与带钢在接触处线速度不一致，从而摩擦发热，热量会降低刀片的硬度且会熔化剪切产生的碎屑，产生粘刀现象，进而易崩刀使刀片的使用寿命降低并出现边部缺陷，影响产品质量。针对高强钢剪切，进行了3组不同间隙与重叠量的试验，不同间隙、重叠量的端面形貌图如图5所示。
1.1.3 参数选择
刀片的间隙和重叠量是影响切边质量的关键因素[3]，但刀片本身的精度、强度、硬度、刚性也会影响剪切质量。通过对不同屈服强度的钢种，调整其间隙和重叠量，再依据断面形貌分析及实际切边效果，总结出不同钢种对应的最佳间隙（间隙占总厚度百分比）和重叠量参数与带钢厚度的关系图，如图6~7所示。
间隙和重叠量的最优参数选择：间隙参考带钢厚度百分比选择最优参数，重叠量参考屈服强度及厚度的变化确定最优参数。跟踪采用上述参数选择规则生产的高强钢实际切边效果，锯齿边缺陷和边部裂纹缺陷得到很好控制和改善，高强钢切边后带钢边部端面平整且光滑无毛刺和边损缺陷，如图8所示。
1.1.4 前束角
前束角是指带钢运行方向和剪刃剪切方向的夹角，如图9所示。两侧剪切单元的刀盘沿带钢方向呈倒八字形布局，这样可以减少切边后的带钢边部与圆盘剪剪刃磨擦，避免崩刀，同时可以在被剪切带钢的表面形成一定的横向表面张力[4]，有效预防剪切带钢时出现中间拱起现象。通过现场不断调整前束角角度和对实际剪切的效果进行分析，最终将前束角设定为0.3°，这样剪切出来的废边丝容易分开，进而提高剪切质量。需要注意的是，通过改变2个旋转刀头上锥形定位销的位置，可以手动调整前束角，但前束角的调整不易过大，过大时会在剪切过程中出现打滑且难以咬入现象。
1.2 辊系及刀刃修磨
1.2.1 三辊纠偏稳定辊
圆盘剪的前端安装了一套三辊纠偏稳定辊，用于将圆盘剪剪切区的带钢张紧，确保带钢一直在中心位置和平直状态下剪切，同时保持切边时带钢的稳定，从而保证剪切质量。三辊纠偏稳定辊主要由上摆动辊和2个下支撑辊组成，上摆动辊由油缸驱动，油缸固定在机架座上，使用螺栓调节辊缝。通过摆动架实现升降功能，转动由液压马达通过超越离合器驱动，保证带材切边的稳定。
1.2.2 刀刃修磨质量
高强钢切边对圆盘剪刀片的硬度要求为HRC 56~58，新刀片开始使用时效果较好，但每次下线修复后再上线使用时，剪切质量及过钢量远远达不到要求。因此，刀刃的修磨质量对切边质量也有较大影响。圆盘剪刀刃修磨主要是检查、识别刀刃是否消除了裂纹，并控制获得所需的粗糙度值。
在进行刀片修磨时，应采用较小的作用力且延长修磨时间，通过平稳光滑的研磨步骤，可以避免温度升得过快和微裂纹产生；选择好的研磨砂轮，达到良好的表面光洁度和低于0.60 µm的粗糙度，控制好速度和适当的冷却速率，并手动打磨去除边部多余的毛刺。此外，如果通过金属丝切割过程去除碎屑，必须对刀片进行至少1 mm的修磨，以确保去除金属丝切割的影响区域。完成修磨后的圆盘剪刀片必须做渗透实验（见图10）和粗糙度检查（见图11），不满足技术参数要求则不能上线使用。刀片尺寸公差范围：内径0~0.03 mm，外径−0.03~0 mm，厚度±0.01 mm，平行度<0.005 mm；平直度<0.01 mm，粗糙度Ra<0.8 μm（低摩擦）。
1.3 设备维护情况
设备维护情况主要是指对圆盘剪刀片和碎边剪刀片定期校准、更换；圆盘剪宽度位置定期检测，去毛刺辊表面磨损检查。根据生产情况和实际工况，每月必须校正和检测一次，确保在切边过程中边部质量稳定，且能延长刀片使用寿命。刀片的存放需要用箱子装好，且每一块刀片之间用软质材料隔开，这样可防止刀刃与硬质材料碰撞导致损坏，影响切边质量。刀片的摆放要求如图12所示。
2. 常见切边质量缺陷
切边后的带钢边部出现毛刺是不可避免的，但要求毛刺高度峰值在正常范围内（≤0.03 mm），通常可通过去毛刺辊对切边后的带钢边部进行处理，以满足带钢的边部质量要求。带钢经圆盘剪切边轧制后，会产生锯齿边和边部开裂2种较为常见的缺陷。
锯齿边和边部裂纹均为沿带钢厚度方向缺陷[5]，图13展示锯齿边和边部裂纹的区别，锯齿边缺陷在无间隙原子钢中易出现，边部裂纹缺陷在高强钢中易出现。上述缺陷处理不好，会带来安全方面和后续胶辊磨损较快的问题。因此，针对切边容易产生的缺陷需要进行控制，配合间隙和重叠量一起调整，采用最佳的设定参数。例如，进入圆盘剪前的三辊纠偏辊需要保持良好状态，防止在切边过程中出现跑偏现象；选择合适的先导率，碎边剪的速度比线速度快3%~7%；圆盘剪刀刃修磨按需要保持锋利状态；刀片的安装精度要达到标准要求，安装完后要检查轴向窜动、端面跳动、径向跳动，确保这些参数都在标准范围之内。
3. 结束语
近年来，随着高强钢的新产品不断涌现，带钢的边部质量可能会出现新的问题，减少切边后的缺陷和提高切边质量是一项长期的任务。国内某冷轧厂酸洗连轧车间引进的圆盘剪投入运行后，通过长期不断地积累经验，对各项工艺和设备技术参数进行不断优化、调整，边部锯齿边、边部裂纹缺陷等都得到了很大改善，同时对圆盘剪刀片的修磨也制定了规范的标准化作业流程，提高了圆盘剪刀片的使用寿命和工序成材率，并且能持续满足市场中高端客户对高强钢切边质量的高要求
来源--金属世界
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