冷軋帶材尺寸精度的影響因素研究

田敬剛

（山東鋼鐵集團(tuán)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(yè)具有廣泛應(yīng)用，這些行業(yè)要求帶材具有極高的精度［1－2］。在實(shí)際應(yīng)用中，厚度小于0.5mm的冷軋薄帶應(yīng)用種類不斷增加，對(duì)高質(zhì)量薄帶的需求迫使行業(yè)達(dá)到更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以保持競(jìng)爭(zhēng)力。薄帶材的使用，可以顯著降低成本和部件重量。但是生產(chǎn)更薄的帶材，軋制力大，軋制速度快，導(dǎo)致軋制穩(wěn)定性差，需要更高的成本和時(shí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，制造企業(yè)非常關(guān)注提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率。對(duì)軋制過程和產(chǎn)品質(zhì)量有重大影響的兩個(gè)最關(guān)鍵的特征是薄帶的形狀和輪廓。帶鋼的質(zhì)量主要取決于軋制參數(shù)的優(yōu)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(jī)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(jī)上進(jìn)行，也可以結(jié)合使用輥軸向移動(dòng)和不對(duì)稱軋制進(jìn)行。

控制輥系交叉，可以提高軋機(jī)穩(wěn)定性。利用積累的大量軋輥數(shù)據(jù)，可以建立與生產(chǎn)線對(duì)應(yīng)的軋輥數(shù)據(jù)庫，并不斷更新數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，通過編程進(jìn)行軋機(jī)軋輥匹配，選出最佳配合方案，可以提高軋機(jī)穩(wěn)定性和帶材質(zhì)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(shí)現(xiàn)更大的凸度［9］。

不對(duì)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(shí)現(xiàn)不對(duì)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)。通常，當(dāng)兩輥直徑以及角速度同時(shí)變化時(shí)，稱為不對(duì)稱軋制，通過提高對(duì)中軋制精度，板凸度控制，輥型優(yōu)化等可以有效降低板形不良缺陷的產(chǎn)生［10－11］。

2 軋制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用四輥軋機(jī)在潤(rùn)滑條件下對(duì)鋁帶材進(jìn)行冷軋，軋機(jī)上下工作輥直徑分別為63mm和83mm，長(zhǎng)度為250mm，備用輥直徑為228mm，長(zhǎng)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(cè)力傳感器和與變速箱和支承輥連接的傳感器單元進(jìn)行測(cè)量。通過使用上側(cè)和下側(cè)塊中的螺桿軸調(diào)節(jié)軋輥缺口，使上，下工作軋輥分別向操作員側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)軸向滑動(dòng)，可以獲得各種WRC角度和WRS值。實(shí)驗(yàn)軋機(jī)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(rùn)滑條件下，軋制速度選擇為20rpm和30rpm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn)，得到了在潤(rùn)滑條件下對(duì)薄鋁帶進(jìn)行冷軋的結(jié)果。下面詳細(xì)分析各種軋制參數(shù)包括WRC角度，WRS值，軋制速度，帶鋼寬度和壓下率等對(duì)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(shù)下進(jìn)行軋制，圖2顯示了工作輥交叉角度對(duì)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(dǎo)致帶材拱頂。在帶材邊緣附近，對(duì)軋制材料的橫向流動(dòng)的阻力最小。然而，當(dāng)工作輥的交叉角從0°改變?yōu)?.5°時(shí)，出口帶材輪廓趨于變平整。當(dāng)工作輥的交叉角增加到1°時(shí)，平整度進(jìn)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(dòng)。

圖2 WRC角度對(duì)帶材的影響

3.2 工作輥移位的影響

當(dāng)工作輥沒有交叉角，此帶材在相同的軋制參數(shù)下，得到工作輥移位對(duì)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(yīng)相比，工作輥的移位對(duì)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(duì)移動(dòng)，使得軋制力分布變得更加均勻。

圖3 工作輥移位對(duì)帶材的影響

3.3 帶材寬度的影響

當(dāng)工作輥偏移4mm，軋制加工率為30%，軋制速度為20rpm時(shí)，帶材寬度為80mm和100mm時(shí)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(duì)于小寬度的鋼帶，鋼帶輪廓往往更好。寬度增加會(huì)導(dǎo)致輥縫分布不均勻，從而導(dǎo)致帶材凸厚。寬度為80mm時(shí)，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(duì)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(dāng)寬度為100mm時(shí)，軋制力變高，因?yàn)檩^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(duì)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(shí)現(xiàn)的均勻的輥縫分布，從而使對(duì)金屬橫向流動(dòng)的阻力最小，從而減小了作用在輥上的力。

圖5 帶材寬度對(duì)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(shí)，工作輥偏移4mm，軋制加工率分別為20%和30%時(shí)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(shí)現(xiàn)的，軋制力的提高增強(qiáng)了軋制間隙內(nèi)的物料流動(dòng)性，并提高了分布均勻性。此外，對(duì)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(shí)工作輥交叉角對(duì)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(duì)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(chǎn)生更好的帶材輪廓并減小厚度。

圖8 軋制速度對(duì)軋制力的影響

軋制速度對(duì)軋制力的影響如圖7所示，可以看出對(duì)于不同的軋制速度，軋制力沒有顯著變化，因?yàn)閮煞N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(duì)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(shí)，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(shí)，帶材形狀沒有明顯變化；在夾角為0.5°時(shí)，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(shí)，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(xiàn)彎曲。出現(xiàn)中心處彎曲，是因?yàn)闆]有張力，并且?guī)Р闹行牡氖湛s率比邊緣高，另一個(gè)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(duì)帶材形狀的影響

4 結(jié)論

金屬軋制變形過程，主導(dǎo)變形是厚度方向的壓縮。當(dāng)軋件厚度方向受到軋輥壓縮時(shí)，將使金屬發(fā)生沿縱向和橫向的流動(dòng)，但是縱向的延伸變形總是大大超過橫向的擴(kuò)展量，這是因?yàn)檩伱婺Σ亮?duì)寬向流動(dòng)的阻礙總是大于縱向，也就是說，相對(duì)縱向而言，橫向的寬展總是比較小。通過實(shí)驗(yàn)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(duì)帶材尺寸精度的影響，結(jié)論可以為軋制工藝中的參數(shù)選擇提供參考。