冷軋帶材尺寸精度的影響因素研究

田敬剛

（山東鋼鐵集團日照有限公司 山東日照276800）

1 前言

冷軋薄金屬帶材在電子和儀表工業具有廣泛應用，這些行業要求帶材具有極高的精度［1－2］。在實際應用中，厚度小于0.5mm的冷軋薄帶應用種類不斷增加，對高質量薄帶的需求迫使行業達到更高的質量標準，以保持競爭力。薄帶材的使用，可以顯著降低成本和部件重量。但是生產更薄的帶材，軋制力大，軋制速度快，導致軋制穩定性差，需要更高的成本和時間［3－4］。由于軋制過程中軋輥的彈性變形，難以保持薄帶的形狀和輪廓以及尺寸精度［5］。

為了維持帶鋼軋制的市場競爭力，制造企業非常關注提高生產質量和生產率。對軋制過程和產品質量有重大影響的兩個最關鍵的特征是薄帶的形狀和輪廓。帶鋼的質量主要取決于軋制參數的優化，例如軋制速度，壓下量，帶鋼寬度，摩擦，軋輥交叉角和工作輥移位值［6］。

軋機可以通過改變工作輥之間的間隙形狀來控制帶材輪廓。這種輥縫輪廓控制可以在配備有工作輥交叉裝置的軋機上進行，也可以結合使用輥軸向移動和不對稱軋制進行。

控制輥系交叉，可以提高軋機穩定性。利用積累的大量軋輥數據，可以建立與生產線對應的軋輥數據庫，并不斷更新數據庫的內容，通過編程進行軋機軋輥匹配，選出最佳配合方案，可以提高軋機穩定性和帶材質量［7－8］。工作輥移位目的是通過移位工作輥使帶材厚度均勻并且在帶材寬度上提高平整度。工作軋輥交叉的目的是通過增加與軋輥中心的距離來增大軋輥間隙，從而獲得更大的形狀和輪廓控制效率。通過使上下工作軋輥稍微交叉，并減小軋輥從帶材中心到邊緣的軋制力，也可以實現更大的凸度［9］。

不對稱軋制是在不同軋制速度的工作輥上，工作輥具有不相等的直徑，因此具有不相等的速度。實現不對稱軋制的方法主要有兩種，一種是通過使工作輥具有相同的直徑并以不同的角速度旋轉，而另一種方法是使工作輥具有不同的直徑并以相同的角速度旋轉。通常，當兩輥直徑以及角速度同時變化時，稱為不對稱軋制，通過提高對中軋制精度，板凸度控制，輥型優化等可以有效降低板形不良缺陷的產生［10－11］。

2 軋制實驗設計

使用四輥軋機在潤滑條件下對鋁帶材進行冷軋，軋機上下工作輥直徑分別為63mm和83mm，長度為250mm，備用輥直徑為228mm，長度為250mm，帶材的寬度為80mm和100mm。軋制力和扭矩通過分別安裝在支承輥上的測力傳感器和與變速箱和支承輥連接的傳感器單元進行測量。通過使用上側和下側塊中的螺桿軸調節軋輥缺口，使上，下工作軋輥分別向操作員側和驅動側軸向滑動，可以獲得各種WRC角度和WRS值。實驗軋機的工作輥移位和交叉示意圖如圖1所示，分別選擇0mm，4.0mm和8.0mm的工作輥偏移值以及0°，0.5°和1.0°的工作輥交叉角。在潤滑條件下，軋制速度選擇為20rpm和30rpm。

3 實驗結果與分析

通過實驗，得到了在潤滑條件下對薄鋁帶進行冷軋的結果。下面詳細分析各種軋制參數包括WRC角度，WRS值，軋制速度，帶鋼寬度和壓下率等對帶鋼形狀和輪廓的影響。

3.1 工作輥交叉角和工作輥移位的影響

寬度為80mm帶材在無工作輥移位，軋制加工率為30%，軋制速度為20rpm軋制參數下進行軋制，圖2顯示了工作輥交叉角度對出口帶材輪廓的影響。在工作輥交叉角為0處，帶材輪廓趨于朝邊緣顯著減小，從而導致帶材拱頂。在帶材邊緣附近，對軋制材料的橫向流動的阻力最小。然而，當工作輥的交叉角從0°改變為0.5°時，出口帶材輪廓趨于變平整。當工作輥的交叉角增加到1°時，平整度進一步提高。這表明，增加工作輥的交叉角，可以保持輥縫分布的均勻性，因此提高帶材形狀和輪廓控制的效果。主要原因是通過控制工作輥交叉角，可以控制材料的橫向流動。

圖2 WRC角度對帶材的影響

3.2 工作輥移位的影響

當工作輥沒有交叉角，此帶材在相同的軋制參數下，得到工作輥移位對帶材輪廓的影響如圖3所示。顯然，與工作輥的交叉角度效應相比，工作輥的移位對帶材輪廓方面影響并不明顯。但是，隨著工作輥移位值的增加，帶材輪廓變得更好，原因是由于上下工作輥之間的相對移動，使得軋制力分布變得更加均勻。

圖3 工作輥移位對帶材的影響

3.3 帶材寬度的影響

當工作輥偏移4mm，軋制加工率為30%，軋制速度為20rpm時，帶材寬度為80mm和100mm時軋制后輪廓的影響如圖4所示。可以看出，在工作輥偏移4mm且寬度相同的情況下，帶材輪廓隨著工作輥交叉角的增加而變得更好。對于小寬度的鋼帶，鋼帶輪廓往往更好。寬度增加會導致輥縫分布不均勻，從而導致帶材凸厚。寬度為80mm時，材料在輥縫處的分布更加均勻，從而使帶材輪廓更好。

圖4 不同帶材寬度下軋輥交叉角度對帶材的影響

兩種帶材寬度的軋制力如圖5所示，可以看出當寬度為100mm時，軋制力變高，因為較大寬度的帶材使較大體積的材料塑性變形所需的較大的軋制力。對于相同的寬度，軋制力隨著工作輥交叉角的增加而顯著下降。這歸因于通過工作輥的交叉角實現的均勻的輥縫分布，從而使對金屬橫向流動的阻力最小，從而減小了作用在輥上的力。

圖5 帶材寬度對軋制力的影響

3.4 壓下量的影響

帶材寬度為80mm，軋制速度為20rpm時，工作輥偏移4mm，軋制加工率分別為20%和30%時的工作輥的交叉角度帶材輪廓的影響如圖6所示。可以看出，隨著軋制加工率的增加，帶材輪廓變得更好。這是通過增加軋制力來實現的，軋制力的提高增強了軋制間隙內的物料流動性，并提高了分布均勻性。此外，對于特定的壓下率，帶材輪廓隨著工作輥交叉角的增加而改善。

3.5 軋制速度的影響

帶材寬度為80mm，軋制加工率為30%，工作輥偏移4mm，軋制速度分別為20rpm和30rpm時工作輥交叉角對帶材輪廓的影響如圖8所示。出口帶材輪廓表明，工作輥交叉角對軋制速度為20rpm和30rpm的影響相似。然而，在更高的軋制速度的情況下，所得帶材厚度較小。這表明，軋制速度和工作輥交叉角的最佳組合可產生更好的帶材輪廓并減小厚度。

圖8 軋制速度對軋制力的影響

軋制速度對軋制力的影響如圖7所示，可以看出對于不同的軋制速度，軋制力沒有顯著變化，因為兩種情況下的凈接觸面基本相同，因此兩種情況下的軋制力基本相同。

圖7 不同軋制速度下軋輥交叉角度對帶材的影響

3.6 帶鋼形狀控制

寬度為80mm和100mm的帶材在軋制加工率為20%，軋制速度為30rpm，工作輥無移位時，在各種工作輥交叉角下軋制得到的帶材如圖9所示。可以看出，在工作輥夾角為0°時，帶材形狀沒有明顯變化；在夾角為0.5°時，無論是80mm寬度還是100mm寬度，帶材輪廓的平坦度都得到了改善；在夾角為1°時，80mm寬度的帶材平整度明顯改善，但是寬度為100mm的帶材中心處出現彎曲。出現中心處彎曲，是因為沒有張力，并且帶材中心的收縮率比邊緣高，另一個原因是由于工作輥的交叉角的增加，致使接觸面積減小。

圖9 工作輥夾角對帶材形狀的影響

4 結論

金屬軋制變形過程，主導變形是厚度方向的壓縮。當軋件厚度方向受到軋輥壓縮時，將使金屬發生沿縱向和橫向的流動，但是縱向的延伸變形總是大大超過橫向的擴展量，這是因為輥面摩擦力對寬向流動的阻礙總是大于縱向，也就是說，相對縱向而言，橫向的寬展總是比較小。通過實驗研究冷軋薄鋁帶材的出口帶材輪廓，得出了工作輥交叉角，工作輥移位，壓下率和軋制速度對帶材尺寸精度的影響，結論可以為軋制工藝中的參數選擇提供參考。