1 前言
紅河鋼鐵有限公司60萬t/a型鋼工程的主要產品包括5#～10#槽鋼、5#～12.5#角鋼、φ25～φ40mm熱軋帶肋鋼筋以及φ20～φ50mm熱軋光面圓鋼。其主軋線粗、中、精軋機組共布置有16架軋機和3臺飛剪。該生產線角鋼的產量占全年總產量的25%，角鋼的生產工藝流程為：加熱爐加熱→粗軋機組軋制→1#飛剪切頭一中軋及精軋機組軋制→3#成品飛剪切倍尺→冷床冷卻→冷剪切定尺→離線矯直→人工堆垛打捆→稱重打標→產品入庫。其中，3#成品飛剪的倍尺剪切效果將直接影響角鋼在冷床上的運動和冷卻效果，并影響后續工序中冷剪切頭量，進而影響金屬成材率。若3#成品飛剪使用平剪刃剪切角鋼，在剪切過程中隨著剪刃的閉合，將造成角鋼的兩條腿被壓扁，剪切出來的角鋼頭尾容易產生變形，使后續工序無法正常生產，制約生產節奏。因此，3#成品飛剪角鋼剪刃的合理設計至關重要。
2 角鋼剪刃設計
2.1 成品飛剪及角鋼剪刃三維建模
由于3#成品飛剪一方面要滿足高速剪切帶肋鋼筋及圓鋼等小規格軋件的功能要求，同時還要能夠在低速狀態下剪切大規格的角鋼和槽鋼，因此3#成品飛剪設計為起停式曲柄一回轉組合式飛剪，如圖1所示。
圖1 曲柄一回轉組合式飛剪
a)曲柄剪模式；b)回轉剪模式
利用Solid Edge軟件對3#成品飛剪及角鋼剪刃進行三維建模，并對不同規格角鋼的剪切過程進行模擬，分析角鋼剪切過程中剪刃各點的運動軌跡，檢驗剪刃重合量和剪刃側隙對角鋼剪切質量的影響，最終對角鋼剪刃形狀進行了優化。
2.2 剪切過程分析
3#成品飛剪采用曲柄模式剪切角鋼的過程如圖2所示。剪切起始待機狀態為上曲柄偏心軸方向與角鋼前進方向（從右向左）成0°角；經過240°角的加速過程以后，剪刃水平分速度達到剪切速度，進入勻速階段；再經過17°角的勻速階段以后，上下剪刃開始接觸軋件，剪刃壓入角鋼內部進行剪切；當上下剪刃閉合時，角鋼被完全切斷；隨后上下剪刃分離，飛剪減速制動停車，準備進行下一個剪切動作。
圖2 角鋼剪切過程分析
a)剪切起始待機狀態；b）加速過程結束狀態；
c)軋件初始剪切狀態；d)軋件完全剪斷狀態
角鋼剪刃優化設計的關鍵在于確保剪切初始階段上下剪刃能夠同時接觸角鋼進行剪切，使剪切過程中上下剪刃同時受力，延長剪刃的使用壽命；同時還應確保角鋼完全剪斷時上下剪刃壓人角鋼截面內的深度大致相等，使得上下剪刃的磨損程度盡量一致，防止上剪刃或下剪刃發生過度磨損，造成剪切過程由剪斷變成撕斷而產生毛刺。
為滿足不同規格角鋼的剪切要求，需將3#成品飛剪前導槽設計成在高度方向上可調整的導槽，以便于角鋼對中3#飛剪上下剪刃的中心。
圖3 7#、8#角鋼剪刃形狀
a)上剪刃；b）下剪刃
2.3 剪刃形狀優化設計
角鋼成品飛剪剪刃形狀的設計依據是角鋼成品孔型形狀。為增強角鋼剪刃的共用性，將5#、5.6#和6#角鋼歸為一個系列，共用同一種剪刃。同樣，7#和8#角鋼為一個系列，10#和12.5#角鋼為一個系列。7#、8#角鋼剪刃形狀如圖3所示。
為增加角鋼剪刃的鋒利程度，便于剪刃順利壓入角鋼內部進行剪切，在上下剪刃橫截面加工有5°和20°斜角；同時為了減小剪刃局部的應力集中，在剪刃各處設計有圓角過渡。
3 剪刃使用效果
生產過程中，8#角鋼成品機架的軋制速度為8m/s，3#成品飛剪采用曲柄模式進行剪切，剪切后角鋼的倍尺成品平直度非常好，在冷床上運行順暢，并能夠減小后續工序中冷剪的切頭量，提高金屬成材率。
角鋼剪切后的斷面見圖4，剪切過程中存在明顯的剪刃壓入金屬階段和金屬塑形滑移階段。其中上下剪刃壓入角鋼腿部的單邊深度占角鋼腿厚的20%左右，上下剪刃同時壓入角鋼腿部一定的深度以后，依靠金屬的塑性滑移完成剪切過程，可以有效地減少剪刃的磨損。剪切后的角鋼斷面整齊規則，腿部無壓扁現象，斷面毛刺非常小。
圖4 剪切后的角鋼斷面
4 結語
對小型連軋生產線成品飛剪及角鋼剪切過程進行了三維模擬仿真，在此基礎上對角鋼飛剪剪刃進行了優化設計，以使剪切初始階段上下剪刃能夠同時接觸角鋼、剪切過程中上下剪刃同時受力，并確保角鋼完全剪斷時上下剪刃壓人角鋼截面內的深度大致相等，使上下剪刃的磨損程度盡量一致，延長剪刃壽命。采用優化設計的角鋼剪刃進行剪切，角鋼剪切斷面平整，腿部無壓扁現象，倍尺成品平直度非常好，便于在冷床上順利冷卻，并減少了冷剪切頭量，提高了產品成材率。
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