高精度四輥液壓銅箔軋機的研究與設計

蘇 哲，吳玉林

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 523000)

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高精度四輥液壓銅箔軋機的研究與設計

蘇 哲，吳玉林

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 523000)

本文介紹了一種銅箔軋機--高精度四輥液壓銅箔軋機的機組組成、機組主要技術參數、機組裝機水平；對其銅箔表面殘油采用輥式除油和氣刀吹掃相結合的方法進行清除；機組工藝冷卻梁上的噴嘴的采用不同有效通徑來控制冷卻液的流量，分區段控制調整帶材的板形。對機組在線速度的檢測、軋機軋制線調整和卷取機換擋等技術進行了探討和改進。可供高精度四輥液壓銅箔軋機的設計進行參考。

銅箔軋機；可逆軋制；高精度銅箔；壓延銅箔

0 前言

世界上銅箔壓延設備基本上為日美歐壟斷，全球主要的銅箔供應由日商包辦，目前主要銅箔供應商有三井金屬、日本能源、古河電工、福田金屬及日本電解五大家。

中國是銅箔產銷國。從地區分布看，我國銅箔的主要消費地則在華東和華南地區，二者消費量約占全國消費總量70%。從行業分布看，銅消費最大的行業是電子電氣行業，建筑業、機械制造業、交通運輸業等也消耗大量的銅。

我國是個銅資源短缺的國家,處于高端市場的銅箔更加短缺，高端銅箔幾乎全部被日美壟斷，幾乎全靠進口填補市場。出口則相反，銅箔的出口量很少，且主要以半成品、加工品為主。隨著出口關稅的逐步降低，近年來銅的出口量較九十年代初中期有一定增加。

銅箔壓延設備因其技術含量高，其產品工藝難度大，附加值卻很高，隨著電子通訊等高科技行業的發展，銅加工格局必將會有很大的變化，中國作為制造業大國，銅箔壓延設備必然打破日美壟斷的地位，并將成為世界的主導，這是一個很大的機遇。目前，國內只有極少數公司研發銅箔生產設備，如洛陽院，因此高精度四輥液壓銅箔軋機的研發成功必將對銅箔加工帶來不可估量的影響。

1 工藝流程

高精度四輥液壓銅箔軋機是將退火后的薄帶卷進行箔軋，采用可逆軋制方式。

上卷小車將存放在儲料縫道上帶套筒的帶卷托起，送到機前卷取機前，通過小車升降與卷取機錐頭中心對齊，卷取機傳動側、操作側錐頭移動夾緊套筒，并且與機組中心線重合(由傳動側錐頭定位)，小車下降。啟動卷取機，人工把帶頭引到軋機前，帶頭送過軋機，到機后(此時機后卷取機已通過卸卷小車將套筒上到了錐頭上)人工輔助將帶頭纏繞到套筒上。軋機壓下、建立前后張力、工藝潤滑和除油投入工作。軋機啟動、測厚儀及厚控系統投入、升速并進入穩態軋制。當帶材剩到一定的圈數后，機組會自動減速。當帶尾到達右卷取機時，軋機停機。第一道軋制完成后，切換軋制方向。軋機壓下，工藝潤滑及除油裝置換向，建立張力，測厚儀及厚控系統投入，升速并進入穩態軋制。經過幾個道次軋好后，可用左、右卷取機下面的卸卷小車卸把帶卷放到儲卷縫道上。

軋機、卷取機具有準確停車功能，可在確保設備安全的同時，提高成材率。

2 主要設備組成

高精度四輥液壓銅箔軋機主要設備組成如圖1所示。

圖1 高精度四輥液壓銅箔軋機

(1)上卸卷小車：沿軋制線方向布置， 平時位于卷取機下方。 將帶卷從儲卷縫道上托起送到卷取機上，或將帶卷從卷取機上卸下并運到儲卷縫道上。小車的升降由油缸來完成，移動由電機完成。

(2)機前、機后卷取機：設置在軋機的前、后側，主要完成待軋卷材的開卷和卷取，完成對待軋卷材的夾緊、對中，按照生產工藝要求，在軋制過程中形成精確、穩定的張力。

(3)四輥液壓銅箔軋機和機前、機后卷取機配合使用，完成軋制過程。它主要由工作機座，機前、機后裝置，換工作輥裝置，換支承輥裝置，傳動裝置，分段冷卻裝置，排煙罩，軋機配管等組成。

機前、機后裝置包括對稱工作機座安裝的多級氣刀除油、斷箔器、三輥展平裝置、測厚儀底座、轉向輥和架體等。工作機座包括：軋輥裝置、機架裝配、軋輥彎輥及平衡裝置、軸頭抱緊裝置、軋線調整裝置、清輥裝置等。

支承輥采用四列短圓柱滾子軸承，工作輥采用滾針軸承，軸承油氣潤滑。

3 技術性能指標

機組主要技術參數：

(1)坯料：

材料銅及銅合金

厚度/mm max 0.3

寬度/mm 150～450

卷內徑/mmφ500

卷外徑/mm maxφ1500

卷重/kg max3000

(2)成品尺寸

厚度/mm min0.03

厚度精度/mm 穩速段0.03±0.002

帶卷內徑/mmφ500

帶卷外徑/mm maxφ1 500

(3)軋制速度/m·min-10～260～600

(4)最大軋制壓力/kN 2000

(5)最大制制力矩/kN·m 2

(6)每邊工作輥最大彎輥力/kN-180

(7)卷取機速度/m·min-10～600

(8)卷取機張力/kN 0.2～8

(9)張力精度 靜態 最大張力時±3%，最小張力時±5% 動態：最大張力時±5%，最小張力時±10%

(10)速度精度/穩態 ±0.1% 加減速 ±0.5%

(11)準確停車精度/mm ≤40

裝機水平

(1)機前、機后卷取機采用錐頭結構，張力采用計算機控制，卷徑檢測采用間接計算卷徑方式完成。

(2)主軋機和機前、機后卷取機，采用西門子全數字交流變頻裝置控制。

(3)軋機具有全液壓壓下系統，工作輥液壓正、負彎輥系統，液壓傳動系統，工藝潤滑系統和軸承油氣潤滑系統。

(4)軋機具有壓下調偏，工作輥正、負彎輥系統和分段冷卻等板形控制手段。

(5)軋機具有過載保護，斷帶保護和緊急停車等安全保護系統；主機及卷取機具有準確停車功能。

(6)液壓AGC 系統采用PLC(FM458)控制，不僅具有恒輥縫，恒軋制力，厚度監控功能，而且還具有張力AGC和速度AGC 等。

(7)采用PLC 可編程控制。通過網絡通訊，傳送傳動系統的指令和參數設定，并實現各傳動系統與PLC 和AGC等計算機的通訊。

(8)彎輥采用伺服閥控制，由壓下站供油。

(9)支承輥采用四列短圓柱滾子軸承，工作輥采用滾針軸承，軋輥、轉向輥、展平輥、卷取錐頭座等軸承采用油氣潤滑。

(10)軋機采用工作輥傳動，接軸具有換輥自定位功能。

(11)工作輥快速換輥，時間≤5 min；支承輥換輥時間≤20 min。

(12)工藝潤滑采用乳液循環潤滑冷卻系統，并配備精密過濾機(按全油潤滑設計，不含攪拌桶、CO2滅火和油霧凈化系統)。

(13)帶材除油系統采用多級氣刀系統。

(14)機前、機后具有展平輥裝置和斷箔器。

(15)具有工藝過程參數的預設定、工藝過程參數和設備關鍵參數的檢測，顯示和報警系統。

(16)機組具有重卷功能。

4 技術創新研究

在設計高精度四輥液壓銅箔軋機時，對主要關鍵難題的研究及其解決方法分析如下:

(1)銅箔表面除油目前是世界銅箔軋制領域最大的難題，仍在不斷的進行探索。目前通常采用的方式為輥式除油、真空抽吸除油和刮條除油等，效果一般。如圖2所示，該軋機除油共分三步：其一為入口清輥裝置，它裝在支承輥軸承座上，將大量的工藝潤滑油阻擋在軋機入口側；其二利用氣刀吹掃清除軋輥帶到出口側的工藝潤滑油，可以通過氣刀噴嘴的方向和壓力，達到最好的除油效果；其三，對于留在帶材表面的殘油先有采用二次氣刀吹掃，再由輥式除油進行清除。

1. 入口清輥裝置 2.冷卻裝置氣刀 3.上擠干輥(帶氣刀)4.上除油輥(帶氣刀)5.下擠干輥 6.下除油輥圖2 在線除油系統示意圖

如圖2所示，采用入口清輥裝置，該裝置可調節位置與輥身間保持較小距離且不接觸，用氣流阻止帶材入口側的乳化液或軋制油因支承輥旋轉帶到出口側。油流隨支承輥轉到留到帶材出口側，這種結構不會在輥面上留下劃痕。在出口側有冷卻裝置氣刀對少量隨支承輥旋轉帶過來的乳化液或軋制油進行攔截，防止其掉落流到出口帶材的表面上面；上、下擠干輥均采用具有自愈合功能的3M無紡布材料，這種輥面即使有少量劃傷也可通過輥身的轉動慢慢愈合。上擠干輥上的氣刀對滴落在帶材表面的乳化液或軋制油進行吹掃，輔助擠干輥除油。3M擠干輥比較軟，長時間壓在一起不轉動，容易變形，影響輥子的使用壽命。由于3M無紡布材料較貴重，如果不使用擠干輥，讓其與帶材分離可使其使用壽命增長。下擠干輥才有可動形式，不工作的時候下擠干輥上表面距離軋制線標高10 mm距離，工作時，上下支承輥在軋制線處夾緊壓上；上、下除油輥組成的除油裝置，作為帶材的最后除油尤為重要。在常用的五輥除油裝置中增加了一道氣刀，該氣刀有兩種作用，一是輔助吹掃帶材表面，二是吹掃上除油輥中入口側除油輥的油膜，確保除油質量。對上除油輥靠近軋機的那根輥上沾的油膜進行吹掃，確保除油質量。

高精度四輥液壓銅箔軋機帶材除油通過方案設計經改進后，具有結構簡單，操作容易，滿足更高速度的軋制需求更好的除油效果，提高了產品表面質量，減少了乳液的浪費和對環境造成的不良影響。從使用效果來看，達到了設計要求，完全滿足了用戶的要求。

(2) 在大多數銅箔軋機中，工藝分段冷卻裝置的流量不可調，各噴嘴流量相等。本軋機采用一種新型的工藝分段冷卻裝置如圖3所示，用于銅箔軋機正常軋制時對軋輥和帶材進行冷卻和潤滑，并且對帶材的板形有調整作用。在供油口入口采用電動調節閥，使得工藝潤滑乳液的流量根據不同規格的產品進行無級調節。如分段冷卻裝置各噴嘴流量相等，冷卻液均勻堆積在軋輥或帶材表面，不利于冷卻液向兩邊擴散。這樣軋輥和帶材中間的熱量就比兩邊高，從而使軋輥輥徑出現不均勻變化，引起帶材平直度變差。

1.冷卻梁 2.噴嘴 3.工作輥冷卻(一) 4.工作輥冷卻(二)圖3 工藝潤滑裝置示意圖

工藝潤滑裝置具體措施如下：通過安裝在冷卻梁上的噴嘴的不同有效通徑來控制冷卻液的流量，中間的有效通徑最大，兩邊的有效通徑依次遞減，這樣冷卻液的流量就中間大，兩邊小。在正常軋制時，軋輥和帶材中間的冷卻就會比邊部好，達到溫度均勻。中間流量大有利于冷卻液向兩側流動，將帶材掉落下來的顆粒物帶走，提高帶材的表面質量和軋輥壽命；分段控制時通過將工作輥冷卻(一)上的噴嘴常開，讓工作輥有良好的潤滑，創造最好的軋制條件。良好的冷卻潤滑將減少帶材表面顆粒物的形成，提高帶材表面的光潔度和軋輥的使用壽命。工作輥冷卻(二)上的噴嘴采取分區段控制，根據軋制需要對不同區段的帶材和軋輥進行開關控制，以調整帶材的板形。

經過對工藝分段冷卻裝置的研究和改進，本設計的工藝分段冷卻裝置滿足了軋制過程中對軋輥及帶材的冷卻和潤滑，對帶材板形的調整起到了明顯的效果，提高了帶材的表面質量和軋輥的使用壽命。

(3)該軋機中線速度輥采用一種新型結構確保線速度輥轉動輥慣量小，速度匹配及時的一種結構。取得一種板帶四輥軋機用測速裝置，帶材速度檢測精度影響到帶材厚度的自動控制精度和張力控制精度，從而影響帶材的厚差精度和板形。

測速裝置如圖4所示，測速輥心軸固定在機架上，工作過程中測速輥和齒輪二以心軸中心為旋轉中心，跟隨所軋制帶材旋轉。通過齒輪二與齒輪一的嚙合，將轉速傳遞給編碼器。此結構降低了輥子的重量，有效的減小了其轉動慣量，最大程度的減小了帶材與測速輥間發生相對滑動的可能性，保證了速度測量的準確性；通過偏心套來實現可調中心距。偏心套的內孔和外圓不同心，外圓固定外部機架中。齒輪1的軸承安裝在偏心套的內孔里，當轉動整個偏心套，齒輪一和齒輪二的中心距就會發生變化。將偏心套轉動到合適的角度并固定，保證齒輪一和齒輪二軸線平行、齒輪副間法向間隙最小且可相互嚙合即可。

1.編碼器 2.偏心套 3.齒輪一 4.齒輪二5.測速輥 6.測速輥心軸圖4 測速裝置示意圖

本設計采用的特殊編碼器和機械結構，使得線速度檢測非常準確，卷徑測量也非常準確，張力動態補償精度大大提高。經過實踐表明，該系統具有可靠高，抗干擾性能好，靈活性強，自動化程度高，操作維護簡單，運行穩定等特點，生產出的壓延銅箔表面光滑平整，物理化學性能良好，有效提高了產品的合格率和和設備運行的效率等。

(4)該軋機采用一種新型軋制線調整裝置如圖5所示，此裝置結構簡單，操作容易，定位精確，大大的減少了換輥后軋制線調整時間，提高了生產效率。

1.固定塊 2.斜楔 3.連桿 4.活動塊 5.位移傳感器 6.油缸圖5 制線調整裝置示意圖

制線調整裝置通過油缸來驅動，避免繁重的體力勞動；并且通過位移傳感器來測量斜楔的相對水平移動，通過換算，將水平移動的量換算成豎直方向活動塊的位移量，可知位移量與輥徑補償量是否匹配。該結構保證油缸縮回到位后，活動塊下落到最低位，保證換輥時，活動塊上表面與下支承輥的下表面分離，確保換輥時設備安全。通過滑動面為雙斜面的結構，有效的將斜楔的水平位移轉換兩倍的豎直方向位移(相對于單斜面同樣角度的結構)。為了確保軋機在軋制的時候輥縫不因斜楔發生被動位移而產生誤差，要求該裝置在受到豎直方向力的時候能夠實現機械自鎖。自鎖的功能要求需要活動塊和斜楔以及斜楔和固定塊間的滑動摩擦系數比斜面夾角的正切值要大，即μ> tgθ。這要求斜面與水平夾角要小，雙斜面結構可使油缸驅動裝置不因水平位移過長造成的結構過大。本裝置結構簡單，維護拆裝方便。

經過上述對制線調整裝置的研究和改進，本設計的制線調整裝置滿足了四輥軋機輥系磨削后為了保持軋制線不變而進行調整，同時具備換輥時讓下支承輥落在換輥軌道上的功能，對縮短換輥時間和操作效率的起到了明顯的提高，大大降低了銅箔的生產成本。

(4)銅箔軋機在正常軋制時，銅箔的單位張力對帶材影響很大，要求卷取機的張力范圍要大，但齒輪箱只有一個速比，那么必然不能滿足軋制厚箔與寬箔時的大張力，軋制薄箔和窄箔時的小張力高速度的工藝要求。為了滿足銅箔軋機的工藝要求，設計了專用于銅箔軋機卷取機齒輪箱的高低速檔切換裝置。

1.輸入齒輪軸 2.輸出齒輪軸 3.高速檔從動齒輪4.外花鍵 5.內花鍵套 6.低速檔從動齒輪圖6 高低速檔切換裝置示意圖

如圖6所示的高低速檔切換裝置實現了兩種速比同時存在。高速檔與低速檔的速比之比可達到7/4,甚至達2。高低速檔的切換可以實現機組在軋制厚箔和寬箔時大張力，薄箔和窄箔時小張力高速度的工藝要求。內花鍵套為換擋的主要執行元件，圖示中該件處于過渡位，此時高低速檔均不起作用，當輸入齒輪軸轉動時，高速檔從動齒輪和低速檔從動齒輪空轉，不帶動輸出齒輪軸輸出齒輪軸轉動。高速檔：當內花鍵套在外力(通常為油缸驅動)的作用下向上滑動，套在高速檔從動齒輪的外花鍵上，此時高速檔從動齒輪就通過內花鍵套、外花鍵與輸出齒輪軸形成一個固定的整體。當輸入齒輪軸轉動時，高速檔從動齒輪可驅動輸出齒輪軸與其一起轉動，此時低速檔從動齒輪空轉；低速檔：當內花鍵套在外力(通常為油缸驅動)的作用下向下滑動，套在低速檔從動齒輪的外花鍵上，此時低速檔從動齒輪就通過內花鍵套、外花鍵與輸出齒輪軸形成一個固定的整體。當輸入齒輪軸轉動時，低速檔從動齒輪可驅動輸出齒輪軸與其一起轉動，此時高速檔從動齒輪空轉。高速檔從動齒輪、外花鍵、內花鍵套和低速檔從動齒輪通過花鍵傳遞力矩，花鍵齒形較小、對中性和導向性好，在內花鍵套滑動的過程中，更容易與高速檔從動齒輪或低速檔從動齒輪掛上。

高低速檔切換裝置具有結構簡單，操作容易，定位精確，滿足更高速度的軋制需求減少了換擋時間，提高了生產效率。

4 國內外相關技術的研究、開發現狀

近年來推出了一種Z型軋機(又稱十八輥)它綜合了六輥及二十輥的特點，具有結構簡單，軋制力調節正確和容易控制的特征，適合于軋制薄帶和銅箔。目前國產銅箔軋機仍以單機架四輥可逆軋機為主，少量國產十四輥軋機以銅箔加工為主，但實際應用效果沒有達到預期。

受制于進口成套板帶生產線的成本壓力，國內特別是大部分民營中小型銅加工企業選擇購買國產自主研發的設備和老舊國外設備，生產的產品檔次低，與同期進口產品相比差距大，無法進入高端市場；為了得到更多的利潤，低檔次產品只能通過量來實現，這樣就導致了國內低檔次銅板帶市場競爭更加激烈，企業單位產量利潤更低，然后惡性循環。為促進我國銅加工生產的健康發展，國內銅加工企業應立足現有的基礎，加速企業的改組、改制，進行戰略重組，促進產業結構調整。同時，國內銅板帶設備研發制造企業應加快技術革新，以國產代替進口，全新的四輥銅箔軋機能夠為降低設備投入成本，提高銅箔生產質量和效率作出巨大的貢獻，為國家、企業節省了大量資金和外匯。綜上所述，本設計的高精度四輥液壓銅箔軋機具有工藝流程短、成材率高、自動化程度高、產品精度高等優點，其整機性能和產品精度達到了國際先進水平。

5 銅箔軋機發展前景

隨著電子工業市場需求的增長，壓延銅箔以其獨特的性能優勢，將會大量用于代替代替電解銅箔。此外日美歐市場的萎縮對國內制造業的擴張也是一個發展機遇。當今視聽設備、IT產品、手機等下游應用市場的擴大，近年壓延銅箔有了爆炸式的發展，如厚度105 μm、75 μm、35 μm、18 μm和12 μm等規格，在市場上應用最為廣泛。

這必然使得銅箔壓延設備有爆炸式發展的市場前景，而高精板帶四輥液壓銅箔軋機，以及將來衍生研發出來銅箔軋機，由于具有獨立自主的知識產權，該銅箔軋機產品幾乎覆蓋上述銅箔產品規格，此設備的研發成功對未來銅箔世界格局將產生深遠的影響。

面對世界銅箔生產技術迅速發展的現實，增加技術投入和研發非常必要，高精度四輥液壓銅箔軋機具有廣泛的推廣價值。因此，高精度四輥液壓銅箔軋機的市場前景良好。

6 結論

銅箔的生產是一種技術性比較強的工藝過程，它除要求有先進的設備之外，更重要的還要求有很高的生產技術水平和豐富的生產經驗。通過本次對高精度四輥液壓銅箔軋機的研究與設計分析，完成了樣機制造，提高了設備應用的可靠性。在設計工程技術人員和生產技術人員的聯合努力下，解決了高精度四輥液壓銅箔軋機生產高精度銅箔的技術難題。目前該設備已在用戶現場正式投入生產，并贏得了生產單位的一致好評。此設計過程對今后設計同類型產品具有一定的參考價值。

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Research and design of high precision four roll hydraulic foil rolling mill

SU Zhe， WU Yu-lin

(Guangdong Guanbang Technology Co.，Ltd.,Foshan 523000,China)

This paper introduces composition, main specification, equipment level of high precision copper foil rolling mill-a four roll hydraulic copper foil rolling mill. It introduced the key technology of oil removing and knife stripping method for removal of the copper foil surface residual oil; nozzle cooling process on the beam with different effective path to control the flow of coolant, flatness control strip adjustment section, discussed the technology of speed gauge on line, rolling centerline adjustment and coiling speed shift of the equipment in detail for modern high precision hydraulic four roller rolling mill for copper foil. It supplied reference for designing high precision hydraulic four roller rolling mill of copper foil.

foil rolling mill；reversible rolling；high precision foil；rolled copper foil

2016-11-05；

2016-12-08

蘇哲(1982-)，男，廣東冠邦科技有限公司機械工程師。

TG333

A

1001-196X(2017)04-0011-07