壓延銅箔在線退火機(jī)組關(guān)鍵輥組設(shè)計(jì)分析

張 洋，程建國(guó)

(中色科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471003)

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壓延銅箔在線退火機(jī)組關(guān)鍵輥組設(shè)計(jì)分析

張 洋，程建國(guó)

(中色科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471003)

文章結(jié)合壓延銅箔在線退火機(jī)組的研發(fā)和調(diào)試過(guò)程，對(duì)隨動(dòng)輥選型、輥徑理論計(jì)算、張力輥選型及輥組布置方案進(jìn)行了詳細(xì)討論，并在本機(jī)組設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上，給出了張力輥組輥數(shù)、各張力輥所需電機(jī)功率及功率分配的定量計(jì)算過(guò)程，對(duì)銅箔在線后處理裝備的設(shè)計(jì)、改造、生產(chǎn)都具有借鑒價(jià)值。

壓延銅箔；在線退火；隨動(dòng)輥；張力輥；設(shè)計(jì)

壓延銅箔是通過(guò)軋制成形的箔，結(jié)構(gòu)組織呈薄層狀，經(jīng)退火處理后生成等方的再結(jié)晶組織變化。這種結(jié)構(gòu)組織的等方性，使晶粒不易破碎形成針孔或裂紋，其力學(xué)性能、抗彎曲性能和導(dǎo)電性等各方面優(yōu)于電解銅箔，用于柔性線路板可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。采用在線連續(xù)退火機(jī)組能保證軟態(tài)成品退火性能的均勻穩(wěn)定性,得到均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織。我公司據(jù)此市場(chǎng)需求和國(guó)產(chǎn)設(shè)備的空白，開發(fā)設(shè)計(jì)了寬幅800mm壓延銅箔在線連續(xù)退火機(jī)組，主要針對(duì)紫銅和黃銅的銅箔退火。

1 隨動(dòng)輥的選型分析與設(shè)計(jì)

壓延銅箔連續(xù)退火機(jī)組中，各單體設(shè)備中對(duì)箔材起支撐、導(dǎo)向、展平等作用的隨動(dòng)導(dǎo)輥較多。隨動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是依靠箔材和輥?zhàn)又g的摩擦力而帶動(dòng)的，為避免箔材表面和輥面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)造成擦劃傷而影響箔材表面質(zhì)量，也為了避免機(jī)組啟動(dòng)、加減速時(shí)隨動(dòng)輥對(duì)箔材的拖拽而造成斷帶，或是輥體剛性差引起箔材褶皺，勢(shì)必要求隨動(dòng)輥具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較好的剛性。

1.1 隨動(dòng)輥材質(zhì)選擇

考慮到銅箔的特性，隨動(dòng)輥設(shè)計(jì)未采用行業(yè)慣用的鋼輥設(shè)計(jì)，引入印刷、包裝、紡織等輕工機(jī)械使用的鋁合金導(dǎo)輥。鋁合金導(dǎo)輥具有單位強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、慣量小、表面光亮不生銹等優(yōu)點(diǎn)。輥體為空心鋁輥筒，采用6xxx系鋁合金原料擠壓成型，其帶加強(qiáng)筋的特殊截面可以大幅提升鋁輥剛性，輥體表面采用硬質(zhì)氧化處理，表面硬度可以達(dá)到HV700，保證了鋁導(dǎo)輥的使用壽命。鋁導(dǎo)輥內(nèi)部采用芯軸及調(diào)心球軸承支撐鋁輥體，芯軸固定，鋁輥體隨動(dòng)，如圖1所示。這種選型設(shè)計(jì)能很好的滿足機(jī)組中對(duì)隨動(dòng)輥的設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)機(jī)組的隨動(dòng)輥結(jié)構(gòu)尺寸相同，具有很好的互換性，也降低了設(shè)計(jì)加工成本。

1-鋁輥體；2-調(diào)心球軸承；3-擋圈；4-芯軸；5-端蓋；6-油嘴圖1 隨動(dòng)輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of following roll

1.2 隨動(dòng)輥設(shè)計(jì)計(jì)算

輥體直徑選擇應(yīng)以箔材最外層表面達(dá)到屈服極限為限，這樣可以防止銅箔產(chǎn)生塑性變形。顯然，根據(jù)材料力學(xué)公式(1)可知，輥體直徑越小，越容易產(chǎn)生塑性變形，因此對(duì)輥體最小直徑有一定限制，即[2]：

(1)

σmax=σwmax=σ1+σc≤σs

(2)

式中， E——銅箔彈性模量，MPa；

h——銅箔厚度，mm；

σs——銅箔屈服極限，MPa；

σmax——箔材內(nèi)最大應(yīng)力，MPa；

σwmax——箔材沿輥?zhàn)拥膹澢鷳?yīng)力，MPa；

σ1——箔材的張應(yīng)力，MPa；

σc——箔材繞輥?zhàn)幼鲌A周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心拉應(yīng)力，MPa；

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，T——輥處銅箔張力，N；

B——箔材寬度，mm；

q——箔材每米長(zhǎng)的質(zhì)量，kg/m；

v——箔材的運(yùn)行速度，m/s。

需要特別指出的是，銅箔退火前硬態(tài)和退火后軟態(tài)的σs不相同(軟態(tài)銅箔屈服極限較小)，應(yīng)以銅箔退火后軟態(tài)計(jì)算得最小輥徑為準(zhǔn)。同時(shí)，銅箔的每米長(zhǎng)質(zhì)量q很小，特別是雙零箔，離心拉應(yīng)力σc可以忽略不計(jì)。輥身長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)箔材的最大寬度來(lái)確定，一般比箔材寬150～200mm。

2 張力輥組的選型設(shè)計(jì)

箔材在退火工藝段應(yīng)處于微張力狀態(tài)(主要用來(lái)控制帶材在退火爐內(nèi)的懸垂度)，而在卷取時(shí)則需箔材建立一定的卷取張力，以保證箔材成卷質(zhì)量。

張力輥輥徑計(jì)算參考隨動(dòng)輥。張力輥應(yīng)盡可能增加輥?zhàn)优c箔材之間的摩擦系數(shù)，并避免對(duì)箔材表面質(zhì)量的影響，選擇輥面為聚氨酯的包膠輥?zhàn)鳛閺埩伿褂?。需注意的是，輥?zhàn)蛹庸?yīng)保證輥面的圓柱度、同軸度和輥?zhàn)拥膭?dòng)平衡精度，以及張力輥組安裝時(shí)輥與輥之間的平行度，避免機(jī)組運(yùn)行中帶材褶皺的產(chǎn)生[3-4]。

3 張力輥組的具體參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)條件

銅箔彈性模量E為128GPa；退火箔材最大厚度h為0.07mm；箔材最大寬度B為660mm；機(jī)組最高速度v為20m/min；退火段箔材最大張應(yīng)力σTH為5MPa；卷取最大張應(yīng)力σJ為50MPa；張力輥與箔材的摩擦系數(shù)f為0.2；退火態(tài)屈服應(yīng)力σs，紫銅為50～70MPa,黃銅為90～150MPa。

3.2 輥徑計(jì)算

由公式(6),根據(jù)以上參數(shù)，可計(jì)算出理論最小輥徑為199.1mm，據(jù)此對(duì)隨動(dòng)輥輥徑取整為200mm，對(duì)張力輥輥徑取260mm以增加張力放大效果。

3.3 壓輥提供的摩擦力

壓輥的受力分析如圖2所示。

圖2 壓輥受力分析圖Fig.2 Force analysis of snubber roll

則，壓輥對(duì)箔材的壓緊力Ny為：

Ny=N=G/cosθ

(7)

式中，G為壓輥的自重，400N；Fz為張力輥對(duì)壓輥的支撐力；Fg為輥?zhàn)鶎?duì)壓輥的支撐力；θ為Fz和Fg之間的夾角，為42.5°。

則入口輥增加的摩擦力使入口箔材張應(yīng)力提高：

(8)

3.4 張力輥組的輥數(shù)

由上述可知，張力輥組入口箔材張應(yīng)力等效為：

σe=σTH+σy=7.35MPa

(9)

張力輥組出口箔材張應(yīng)力為σj，則張力輥組需要張應(yīng)力放大倍數(shù)為:

(10)

預(yù)設(shè)張力輥根數(shù)為3根，輥組出口輥為鋁導(dǎo)輥，如圖3所示，驗(yàn)算本方案是否滿足張應(yīng)力放大要求。

理論包角θ1=219.1°，θ2=217.6°，θ3=213.6°。已知實(shí)際包角θ′小于理論包角θ，實(shí)際工程計(jì)算中，通常是理論包角乘以一個(gè)系數(shù)，一般取0.8～0.9。在退火機(jī)組中，我們?nèi)。?/p>

θ′=0.88θ

(11)

已知柔韌體摩擦的歐拉公式：

TOT=Tinef·θ′

(12)

圖3 三輥張力輥組Fig.3 3-roll tension bridle

式中，TOT為張力輥出口箔材張力，Tin為張力輥入口箔材張力，兩側(cè)同時(shí)除以B·h，換算為張應(yīng)力的歐拉公式：

σOT=σinef·θ′

(13)

則對(duì)本張力輥組，有：

(14)

即σJ=1.93×1.95×1.96σe=7.37σe

(15)

綜上所述，當(dāng)前張力輥組張應(yīng)力放大倍數(shù)7.37>n=6.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 各張力輥的電機(jī)功率計(jì)算

各張力輥獨(dú)立電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，需要計(jì)算出每個(gè)張力輥的所需要的最大電機(jī)功率。已知張力輥直徑Dz=260mm，則張力輥?zhàn)畲筠D(zhuǎn)速為：

(16)

同時(shí)，各張力輥需要電機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩為：

(17)

考慮傳動(dòng)系統(tǒng)效率，η=0.85，各張力輥需要消耗的電機(jī)功率為式(18)所示。參照以上計(jì)算得到的各張力輥需要的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)功率，選用能同時(shí)滿足它們的減速機(jī)和電機(jī)即可。

(18)

3.6 機(jī)組運(yùn)行時(shí)張力輥組各電機(jī)功率分配

由式(14)可知，各輥張力放大倍數(shù)相近。在考慮實(shí)際生產(chǎn)中輥組內(nèi)各輥功率分配時(shí)，我們認(rèn)為每個(gè)張力輥張力放大倍數(shù)相同，根據(jù)實(shí)際需要的輥組總張力放大倍數(shù)Kmax對(duì)每個(gè)張力輥進(jìn)行均分[5]，即：

(19)

式中，K1、K2、K3分別為1#、2#、3#張力輥張力放大倍數(shù)，并且n<1.933=7.189滿足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)輥組入口等效張力Te=Bh·σe，由式(17),則各輥傳遞的扭矩有：

(20)

生產(chǎn)中電機(jī)功率分配比為：

(21)

4 結(jié)論

本文針對(duì)開發(fā)寬幅壓延銅箔在線連續(xù)退火機(jī)組，詳細(xì)討論了隨動(dòng)輥和張力輥的選型，推導(dǎo)了機(jī)組輥徑理論計(jì)算公式，并針對(duì)張力輥組的輥數(shù)、功率及電機(jī)功率分配進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)以后銅箔在線后處理機(jī)組的設(shè)計(jì)改造生產(chǎn)都具有很高的借鑒價(jià)值。

[1] 陳啟峰. 壓延銅箔的軋制[J]. 有色金屬加工，2014，43(1)：17-20.

[2] 周國(guó)盈. 帶鋼精整設(shè)備[M]. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[3] 張京誠(chéng). 張力輥組打滑與設(shè)計(jì)原則分析[J]. 有色金屬加工，2003，32(3)：23-26.

[4] 宋建芝. 帶鋼機(jī)組張力輥計(jì)算和設(shè)計(jì)研究[J]. 冶金設(shè)備，2009(1)：43-47.

[5] 譚剛，陳兵. 冷軋后處理機(jī)組張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算[J]. 四川冶金，2010，32(2)：30-32,6.

Design Analysis of Key Roll Set in In-line Annealing Line for Rolled Copper Foil

ZHANG Yang, CHENG Jianguo

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471003, China)

Combined with development and commissioning of in-line annealing line for rolled copper foil, the paper discussed selection of following rolls, calculation of roll diameter as well as selection and layout scheme of bridle rolls; on the basis of the line design conditions, the paper presented quantitative calculation of amount of bridle roll, power required and power distribution for each bridle roll, providing reference for similar cases in design, revamping and production.

rolled copper foil; in-line annealing; following roll; bridle roll; design

2015-06-04

張洋(1987-),男，碩士，助理工程師，主要從事冶金機(jī)械裝備設(shè)計(jì)工作。

TG155

B

1671-6795(2015)06-0053-03