板帶拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備

高希巖(北京建萊機(jī)電技術(shù)有限公司, 北京 100036)

1 前言

近年來(lái)，板帶材的加工技術(shù)不斷發(fā)展，高性能、高精度、高板形質(zhì)量已成為板帶材市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的新要求。通過(guò)傳統(tǒng)的軋制方式來(lái)達(dá)到上述要求是比較困難的，產(chǎn)品需通過(guò)精整達(dá)到市場(chǎng)要求。拉伸彎曲矯直技術(shù)在板帶材加工領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)提高產(chǎn)品機(jī)械性能、改善板形的效果是比較明顯的。因此在業(yè)內(nèi)，拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備始終都受到較高的重視，自90年代至今，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)與裝備亦有了一定的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)危機(jī)的出現(xiàn)促使市場(chǎng)向高附加值產(chǎn)品傾倒，例如，高強(qiáng)度、高硬度及高彈復(fù)性的銅、鋁材料，鋁基復(fù)合材，涂層板基，還有不銹鋼、鈦、鎳板帶材均逐漸成為市場(chǎng)的新寵，產(chǎn)品的厚度范圍也向超薄（δ＜0.05～0.15mm）或較厚（δ＞0.8～3.0mm）的方向發(fā)展，如何開(kāi)發(fā)滿足上述產(chǎn)品的拉彎矯技術(shù)，并為市場(chǎng)提供相應(yīng)的設(shè)備，成為板帶材精整技術(shù)領(lǐng)域的新課題。

2 拉伸彎曲矯直設(shè)備的工作原理及用途

帶材在壓延過(guò)程中，由于輥形不良及輥縫形狀不良等原因?qū)⒁鹁戆鍘Р漠a(chǎn)生上述板形缺陷（圖1）。這些缺陷的產(chǎn)生是因軋件在寬度方向上的縱向延伸不均勻，軋制應(yīng)力紊亂的結(jié)果。為了消除卷板帶材的板形不良（圖2），使內(nèi)應(yīng)力趨于均勻，需要對(duì)卷板帶材進(jìn)行矯正。

圖1 板形缺陷的成因

圖2 板形缺陷的種類(lèi)

拉伸彎曲矯直是將帶著一定張力的帶材沿著工作輥輥面彎曲，使帶材的中性面移動(dòng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲后，發(fā)生塑性變形，在去除張力彈復(fù)后帶材仍然保留著塑性變形，拉伸彎曲矯直機(jī)就是通過(guò)疊加的拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力使帶材延伸，從而獲得矯直（圖3）。

圖3 拉伸彎曲矯直過(guò)程及矯直原理

該設(shè)備用于消除板帶材的雙邊波浪、單邊波浪、中間波浪、兩肋波浪、翹曲及瓢曲和潛在板形不良等各種三維板形缺陷（圖4）；可改善材料的各向異性，均勻應(yīng)力，消除內(nèi)部蠕變，從而提高材料的深沖性能；通過(guò)拉矯可使帶材內(nèi)部纖維組織趨于同長(zhǎng)，避免縱剪分條后長(zhǎng)短不一；對(duì)于有明顯屈服平臺(tái)的材料，可通過(guò)控制延伸率，消除屈服平臺(tái)。

圖4 拉伸彎曲矯直的效果

3 國(guó)內(nèi)外拉伸彎曲矯直技術(shù)及裝備的發(fā)展與現(xiàn)狀

3.1 矯直精整技術(shù)的發(fā)展

從矯直設(shè)備開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，矯直精整技術(shù)歷經(jīng)了從輥式矯直到純拉伸矯直再到拉伸彎曲聯(lián)合矯直的發(fā)展。客觀的講，以上三種技術(shù)都具有自身的優(yōu)勢(shì)以及較適合的應(yīng)用領(lǐng)域，我們應(yīng)該仔細(xì)研究其特點(diǎn)，以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

輥式矯直機(jī)(圖5-a)是板帶材在沒(méi)有張力的狀態(tài)下反復(fù)彎曲，使板帶材應(yīng)力均勻，從而得到矯直，尤其適合板帶橫切生產(chǎn)線，但對(duì)于較薄的板帶材矯直效果不明顯。純拉伸矯直設(shè)備(圖5-b)則是在純張力作用下，使帶材屈服變形，從而使帶材纖維組織長(zhǎng)度一至、應(yīng)力均勻得到矯直，這種矯直方式比較適合強(qiáng)度較低的薄帶材，但純拉伸所需張力大，耗能高，且板帶材精度不好控制。為了提高生產(chǎn)率、降低力能、提高板帶材矯直效果，將矯直設(shè)備和拉伸設(shè)備聯(lián)合使用的拉伸彎曲矯直設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生（其原理上文中已闡述），主要包括23輥拉彎矯設(shè)備（圖5-c）和連續(xù)拉伸彎曲矯直設(shè)備（圖5-d），現(xiàn)應(yīng)用比較廣泛。

圖5 矯直設(shè)備的分類(lèi)

3.2 國(guó)際拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀

在近20年中，由于鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備得以迅速發(fā)展，從而亦帶動(dòng)了不銹鋼及有色材料拉彎矯技術(shù)的進(jìn)步。技術(shù)層面上，國(guó)際現(xiàn)狀為百家爭(zhēng)鳴，但裝備未脫離拉伸彎曲矯直技術(shù)的基本原理。

現(xiàn)國(guó)際上研究與制造拉彎矯設(shè)備的公司很多，例如我們都很熟悉的德國(guó)UNGERER公司、德國(guó)B+S公司、美國(guó)STAMCO公司、德國(guó)SUNDWIG公司、德國(guó)BWG公司，這些技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)材料特性的不同，開(kāi)發(fā)了具有針對(duì)性的拉彎矯技術(shù)，成功運(yùn)用于有色加工行業(yè)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)也各有所長(zhǎng)。相比國(guó)內(nèi)相對(duì)單一的設(shè)備結(jié)構(gòu)，他們已處于領(lǐng)先地位。又如德國(guó)SMS公司、奧地利VAI公司，其業(yè)務(wù)范圍橫跨黑色及有色領(lǐng)域，并將不同領(lǐng)域的拉彎矯技術(shù)進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短，如將在鋼板及不銹鋼板加工領(lǐng)域成功應(yīng)用的拉彎矯技術(shù)有機(jī)的運(yùn)用到有色領(lǐng)域，加快了有色材料板帶材拉彎矯技術(shù)的發(fā)展（圖6）。

圖6 國(guó)外幾種先進(jìn)拉彎矯設(shè)備

可以看出，這些公司所提供矯直設(shè)備都采用了拉伸與彎曲結(jié)合的技術(shù)，以降低機(jī)組張力。美國(guó)STAMCO公司在發(fā)展矯直輥系固定重合量的拉彎矯技術(shù)；其它公司大多在發(fā)展可調(diào)輥系重合量拉彎矯技術(shù)，同時(shí)，這些公司的矯直機(jī)本體基本上都采用整體焊接的閉口機(jī)架，大大提高了矯直機(jī)本體的剛度，以適應(yīng)較厚的（δ＞0.8～3.0mm）高強(qiáng)度板帶材的拉彎矯生產(chǎn)需要。可見(jiàn)，矯直機(jī)采用整體閉口機(jī)架將成為拉彎矯技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

當(dāng)然，對(duì)于薄帶材的矯直，德國(guó)BWG公司現(xiàn)致力于純拉伸矯直技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)在于拉伸輥可變凸度技術(shù)。

3.3 國(guó)內(nèi)拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀

近10年來(lái)，隨著板帶材市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求提高，拉伸彎曲矯直技術(shù)在有色材料加工業(yè)內(nèi)亦得到重視，在這種背景下，國(guó)內(nèi)的拉彎矯裝備水平有了一定的發(fā)展。但總結(jié)后我們發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)的拉彎矯裝備始終未脫離效仿國(guó)外引進(jìn)設(shè)備的狀態(tài)，原發(fā)性技術(shù)革新較少，裝備的品種也較為單一，與國(guó)外拉彎矯技術(shù)的發(fā)展有了較大差距。

鋁加工行業(yè)內(nèi)，自90年代末西南鋁引進(jìn)德國(guó)UNGERER公司的一套拉彎矯清洗機(jī)組后，國(guó)內(nèi)制造廠商不斷翻版，致使現(xiàn)絕大部分國(guó)產(chǎn)鋁帶矯直裝備從工藝配置到設(shè)備的結(jié)構(gòu)趨于單一化。國(guó)內(nèi)所使用的大部分國(guó)產(chǎn)拉彎矯設(shè)備基本可應(yīng)對(duì)δ0.1～ 0.8mm，屈服強(qiáng)度不高的鋁材，而對(duì)于δ＞0.8mm，屈服強(qiáng)度較高的鋁材，其矯直效果則不很明顯，在實(shí)際生產(chǎn)中，亦存在只拉不矯的狀況。這與設(shè)備結(jié)構(gòu)的局限、機(jī)組力能的不足以及矯直機(jī)本體剛度薄弱有著必然聯(lián)系，當(dāng)然，設(shè)備制造水平也對(duì)設(shè)備的使用有著重要影響。

銅加工行業(yè)內(nèi)，板帶材的寬度基本在640mm以下，配置23輥矯直機(jī)的拉彎矯機(jī)組現(xiàn)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)制造廠商在仿制國(guó)外設(shè)備的過(guò)程中付出了很多努力，實(shí)現(xiàn)了輥縫可調(diào)及輥系凸度可調(diào)功能。但由于制造精度的局限，加之23輥矯直機(jī)工作輥強(qiáng)度和輥端軸承的結(jié)構(gòu)所限，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在使用中斷輥現(xiàn)象比較明顯，高強(qiáng)度銅合金的矯直受到阻礙。迄今，國(guó)內(nèi)很多銅板帶生產(chǎn)廠家依然選用進(jìn)口拉彎矯設(shè)備。

綜上所述，在有色加工行業(yè)內(nèi)大力發(fā)展原發(fā)性技術(shù)革新，以適應(yīng)產(chǎn)品要求的提高，是具有深遠(yuǎn)意義的。

4 拉伸彎曲矯直新技術(shù)

為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)度、高硬度鋁材的需求，以及鋁基復(fù)合材的發(fā)展，北京建萊機(jī)電技術(shù)有限公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的鉆研，自主研發(fā)一套全新的板帶拉伸彎曲矯直技術(shù)，并由北京建萊全資制造廠蘇州建萊機(jī)械工程技術(shù)有限公司制造了一套全新的板帶拉彎矯機(jī)組（圖7）， 2009年6月份成功應(yīng)用于無(wú)錫銀邦鋁業(yè)有限公司。這套新技術(shù)與裝備，成功解決了以往不易矯直的3系、5系、6系、7系等中高強(qiáng)度鋁材及鋁基復(fù)合材料的矯直問(wèn)題（圖8），同時(shí)成功矯直厚度在0.3～3.0mm的各種規(guī)格材料，矯直材料屈服強(qiáng)度最大可達(dá)300MPa。

4. 1 機(jī)組工藝參數(shù)

工藝配置：清洗＋拉伸彎曲矯直

材 質(zhì)：鋁及鋁合金(1000、3000、4000、5000、6000、7000系)

狀 態(tài)： 軟態(tài)、半硬、硬態(tài)（O、H14、H16、H18、H38）

屈服極限： 80～300MPa

厚 度：0.30～3.0 mm

寬 度：600～1300(max) mm

卷 徑：φ1700(max)mm

卷 重：8500(max) kg

來(lái)料板形：＞50I（實(shí)際情況）

拉矯后板形：＜3～5I

帶卷錯(cuò)層允差：≤±0.3 mm

帶卷塔形允差：≤±1.0 mm

機(jī)組尺寸：～50×12×3.5m

最大張力：230000

N機(jī)組速度：δ≥1.2mm——120(max)m/s

δ ＜1.2mm——180(max)m/s

延伸率： 3.0%（max）

延伸率精度：±0.01%

圖7 北京建萊拉彎矯機(jī)組應(yīng)用于無(wú)錫銀邦鋁業(yè)

圖8 δ1.8mm x W1120mm板帶矯直前后對(duì)比

4. 2機(jī)組組成

機(jī)組由上卷小車(chē)、卸套筒裝置、開(kāi)卷機(jī)（帶壓輥及外支撐）、CPC對(duì)中系統(tǒng)（德國(guó)EMG產(chǎn)品）、鏟頭及轉(zhuǎn)向夾送輥、五輥直頭機(jī)、入口剪、縫合機(jī)、去毛刺輥、清洗系統(tǒng)、入口張力輥、高剛度兩彎兩矯矯直機(jī)、出口張力輥、檢查臺(tái)（雙面檢查）、夾送輥、出口剪、轉(zhuǎn)向夾送輥、EPC對(duì)邊系統(tǒng)（德國(guó)EMG產(chǎn)品）、大張力卷取機(jī)（帶皮帶助卷器及外支撐）、上套筒裝置、卸卷小車(chē)、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成。

4. 3北京建萊拉彎矯技術(shù)及裝備特點(diǎn)

☆拉伸彎曲矯直機(jī)組的核心設(shè)備，高度兩彎兩矯拉矯機(jī)，是北京建萊在引入多輥軋機(jī)的技術(shù)，借鑒奧地利VAI公司兩彎一矯矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合中高強(qiáng)度鋁材生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的新結(jié)構(gòu)(圖9)。其主要特點(diǎn)為：

a)設(shè)備剛度高。機(jī)架采用閉口牌坊式高剛度結(jié)構(gòu)，可承受大張力，能保證板形較差，強(qiáng)度、硬度、彈性較高，厚度較大的帶材得到彎曲矯直，有效的消除帶材的各種浪形。同時(shí)，高剛度為減小設(shè)備彈性變形及設(shè)備振動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的保障，從而大大提高了設(shè)備精度，以滿足成品帶材精度要求。

b)兩彎兩矯配置可適應(yīng)較大的產(chǎn)品范圍。設(shè)備配置了可獨(dú)立調(diào)整的兩對(duì)彎曲輥組和兩對(duì)矯直輥組，四對(duì)輥組可靈活調(diào)整，搭配使用，以適應(yīng)不同機(jī)械性能、不同厚度、不同來(lái)料板形的材料要求。

c)換輥方便準(zhǔn)確。機(jī)架與輥系的配合及定位類(lèi)似于軋機(jī)窗口結(jié)構(gòu)，換輥方式接近于軋機(jī)換輥方式，窗口配合與定位準(zhǔn)確，保證每次換輥后的精度保持。

d)支持輥強(qiáng)度高。為滿足輥系強(qiáng)度及精度的要求，北京建萊未采用傳統(tǒng)的支持輥結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)森吉米爾軋機(jī)背襯軸承的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)選型了特殊的支持輥，其具有強(qiáng)度高、精度高的特點(diǎn)，基本額定載荷Cr=140KN,C0r=180KN，其載荷值是傳統(tǒng)支持輥的3倍多。

☆為提高成品板卷的卷取質(zhì)量，采用大張力卷取機(jī)，最大張力可達(dá)45KN。

☆開(kāi)卷及卷取卷筒扇形板表面進(jìn)行特殊處理（圖10），具有摩擦系數(shù)高、耐磨性好及防腐性好的特點(diǎn)，同時(shí)呈現(xiàn)美觀的外觀質(zhì)量。

圖9 北京建萊提供的高剛度兩彎兩矯矯直機(jī)

圖10 卷筒表面經(jīng)特殊處理

☆為滿足大張力拉矯的要求，避免板帶與張力輥輥面產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，張力輥襯膠表面進(jìn)行橘皮處理，以提高輥面的摩擦系數(shù)，同時(shí)對(duì)排除鋁灰及油脂有一定效果。實(shí)際生產(chǎn)中，出、入口8個(gè)張力輥運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，張力輥驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定、分配平均（圖11）。

圖11 入口和出口張力輥電流狀態(tài)

☆為同時(shí)滿足較厚帶材的大張力和較薄帶材的高精度控制要求，張力輥傳動(dòng)采用串聯(lián)的雙電機(jī)配置，使生產(chǎn)線的材料厚度適應(yīng)范圍得到擴(kuò)大。在實(shí)際生產(chǎn)中，只要從人機(jī)界面切換電機(jī)模式，就可以滿足材料厚度0.3～3.0mm的生產(chǎn)要求。

☆機(jī)組控制系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的ABB公司DCS800系統(tǒng)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，SIEMENS公司的S7-300PLC，PROFIBUS總線系統(tǒng)及人機(jī)界面技術(shù)。糾偏系統(tǒng)采用德國(guó)EMG公司的CPC/EPC系統(tǒng)。控制方式：延伸率控制/張力控制可選。

4.4 北京建萊拉彎矯機(jī)組的使用情況

自北京建萊拉彎矯機(jī)組在無(wú)錫銀邦鋁業(yè)成功投產(chǎn)以來(lái)，機(jī)組生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定。在與銀邦領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的共同努力下，現(xiàn)已生產(chǎn)出多品種，多規(guī)格的合格產(chǎn)品，尤其是用戶(hù)原有矯直設(shè)備不能矯直的材料（如厚度在0.8mm以上的板帶材及屈服強(qiáng)度較高的板帶材），通過(guò)這套拉彎矯機(jī)組都得到的理想的結(jié)果。

圖12是三種規(guī)格材料的實(shí)際生產(chǎn)記錄。

圖12 三種規(guī)格材料的實(shí)際生產(chǎn)記錄

通過(guò)實(shí)踐證明，本套拉彎矯機(jī)組為用戶(hù)生產(chǎn)出高質(zhì)量的合格產(chǎn)品，提高了原有產(chǎn)品的附加值，同時(shí)大大降低了材料的廢品率，從而為用戶(hù)贏得了利潤(rùn)。

4. 5新型拉伸彎曲矯直機(jī)組的研制成功對(duì)板帶材行業(yè)發(fā)展的意義

新型拉伸彎曲矯直技術(shù)的成功應(yīng)用，有效的解決了高強(qiáng)度、高硬度材料，及較厚材料（δ＞0.8～3.0mm）的矯直問(wèn)題。在板形缺陷可以解決的基礎(chǔ)上，諸如鋁基復(fù)合材、裝飾鋁材、汽車(chē)用鋁材、家電用鋁材、建筑用材及涂層板基材料都會(huì)加快其發(fā)展步伐。特別提出，由于鋁材的耐腐蝕特性及資源儲(chǔ)量的優(yōu)勢(shì)，加之鋼鐵市場(chǎng)的發(fā)展速度降低，如建筑用材、家電外殼用材、裝飾用材及涂層板基材料均會(huì)向鋁合金材料發(fā)展，希望鋁加工行業(yè)能夠抓住市場(chǎng)發(fā)展的機(jī)會(huì)，用追求高附加值產(chǎn)品的經(jīng)營(yíng)方式取代粗曠形的經(jīng)營(yíng)方式。新型拉彎矯技術(shù)及裝備將為提高上述材料的板形質(zhì)量提供保障。同時(shí)，由于新型拉彎矯設(shè)備具有可矯直高強(qiáng)度、高硬度材料的優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)進(jìn)入銅、鎳、鈦等其它有色材料加工行業(yè)將成為發(fā)展趨勢(shì)。

5 拉伸彎曲矯直技術(shù)及裝備展望

隨著經(jīng)濟(jì)形式變化和市場(chǎng)趨于健康發(fā)展，鋁板帶材加工行業(yè)將告別以往單一追求產(chǎn)量的年代，追求多元化、多品種、高附加值產(chǎn)品將成為發(fā)展趨勢(shì)；銅板帶材加工業(yè)始終在向高精度板帶材市場(chǎng)發(fā)展；諸如鈦、鎳板帶等新材料亦將在有色加工業(yè)內(nèi)發(fā)展起來(lái)。為適應(yīng)板帶材市場(chǎng)不斷發(fā)展，占有重要地位的精整矯直技術(shù)及裝備應(yīng)不斷進(jìn)取，不斷發(fā)展。

拉伸彎曲矯直技術(shù)層面展望

a)采用雙開(kāi)卷加活套的配置，以減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

b)采用分段張力控制模式，以提高材料收得率。

c)拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)向多樣化發(fā)展，剛度與精度成為重點(diǎn)。

d)配置板形儀、白光測(cè)速儀及測(cè)張輥等在線檢測(cè)設(shè)備，投入閉環(huán)控制。

f)交流變頻控制方式成為節(jié)能降耗的好辦法。

為加快板帶材拉伸彎曲矯直技術(shù)的發(fā)展，有色加工行業(yè)內(nèi)還有很多細(xì)致工作要開(kāi)展，例如對(duì)拉彎矯技術(shù)的鉆研，對(duì)拉彎矯裝配制造水平的提高，對(duì)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)引入，對(duì)相近行業(yè)拉彎矯技術(shù)的借鑒等。總之技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)革新將成為拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢(shì)。希望我國(guó)有色加工界，在生產(chǎn)產(chǎn)量達(dá)到世界領(lǐng)先的同時(shí)，拉伸彎曲矯直技術(shù)與裝備亦早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平。期待與業(yè)內(nèi)同仁共同努力，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。