矯直輥間縱向壓力對(duì)高精度鋁板表面質(zhì)量的影響

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)與有色金屬工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各鋁業(yè)公司對(duì)高精度鋁板矯直機(jī)的需求已進(jìn)入了一個(gè)新的階段，不僅提高了板材平直度，而且要求板面不得有因矯直過(guò)程而產(chǎn)生的劃傷、壓痕、亮帶等缺陷，特別是對(duì)鏡面鋁塑板與裝飾板的矯直，保持板面光潔尤為重要。

為此在矯直機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了六重式的輥系布置，有效地消除了沿板寬方向因板材受矯直力支承不均而造成的縱向壓痕；但在沿板長(zhǎng)方向,一方面因傾斜矯直方案的運(yùn)用使得板材在各輥處產(chǎn)生的反彎壓縮變形不同，另一方面，由于各矯直輥的傳動(dòng)方式為等速集中傳動(dòng)，在兩者相互作用下形成板材在矯直輥間的運(yùn)動(dòng)速差，沿板長(zhǎng)方向產(chǎn)生輥間縱向壓力，隨著輥間縱向壓力的增加與釋放，在輥面與板材間發(fā)生周期性的相對(duì)滑動(dòng)摩擦，從而在板面造成間隔均布的橫向滑痕。

對(duì)于這種因矯直過(guò)程而附加于板面的質(zhì)量問(wèn)題，本文以一臺(tái)矯直厚度為4～16 mm 的十一輥鋁板矯直機(jī)為例進(jìn)行分析。

1 十一輥鋁板矯直機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 矯直鋁板性能規(guī)格

矯直板材：鋁合金板材

板材寬度B/mm：900～1850

板材厚度H/mm：4～16

板材屈服強(qiáng)度σs/MPa：≤400

1.2 矯直速度

矯直速度Vj：15 m/min

1.3 矯直輥參數(shù)

矯直輥數(shù)量n：11根(上排5根，下排6根)

矯直輥直徑D/mm：180

矯直輥輥距t/mm：200

2 板材在各矯直輥間運(yùn)動(dòng)速差的形成

2.1 傾斜矯直方案

矯直輥的調(diào)整方式通常為下排矯直輥整體固定，上排矯直輥整體壓下并能夠向入口和出口方向傾斜調(diào)整，在矯直過(guò)程中多采用設(shè)定入口輥縫值小、出口輥縫值大的傾斜矯直方案，如圖1所示。調(diào)整量可設(shè)定上排入口第2輥為5倍的軋件最小彈復(fù)曲率，出口第10輥為軋件最小彈復(fù)曲率，這樣可以迅速減小板材殘余曲率的不均勻性，提高矯平質(zhì)量。

圖1 傾斜矯直方案Figure 1 The tilt straightening scheme

由圖1可知，各矯直輥對(duì)板材的壓彎量由進(jìn)料側(cè)到出料側(cè)逐漸減小，這種壓彎量的減小就是各輥對(duì)板材反彎曲率的減小，因此板材在各輥間的反彎長(zhǎng)度也逐漸減小。

2.2 矯直機(jī)等速集中傳動(dòng)系統(tǒng)

高精度鋁板矯直機(jī)輥數(shù)多，輥徑、輥距小，上下兩排矯直輥交錯(cuò)布置，其傳動(dòng)多采用集中傳動(dòng)方式，各矯直輥轉(zhuǎn)速相同。

如十一輥鋁板矯直機(jī)的集中傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、齒輪分配箱、萬(wàn)向接軸等組成。電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)過(guò)減速機(jī)減速后輸入齒輪分配箱，經(jīng)齒輪分配箱內(nèi)部一系列齒輪軸的傳動(dòng)分配，等速輸出至11根萬(wàn)向接軸(上排5根，下排6根)，以帶動(dòng)上、下排矯直輥等速運(yùn)行。

由此可知，在板材矯直過(guò)程中，板材在各輥間形成運(yùn)動(dòng)速差的主要原因是：依據(jù)彎曲矯直理論，當(dāng)采取上、下輥系傾斜排列的矯直方案時(shí)，特別采取傾斜排列的大變形矯直方案時(shí)，矯直輥入口設(shè)定的輥縫值小，出口設(shè)定的輥縫值大，這樣可以迅速減小板材殘余曲率的不均勻性，以提高矯平質(zhì)量。由于設(shè)定的入口輥縫值小，出口輥縫值大，鋁板在各輥間的反彎曲率不一樣，板材在入口矯直輥處產(chǎn)生的反彎壓縮變形大于在出口矯直輥處產(chǎn)生的反彎壓縮變形，因此板材在各輥間走出的反彎長(zhǎng)度也逐漸減??；而各矯直輥的傳動(dòng)方式為等速集中傳動(dòng)，在兩者的相互作用下，板材在各矯直輥間形成運(yùn)動(dòng)速差，并且軋件厚度越大、相鄰兩輥間的壓彎曲率差越大，板材在輥間的運(yùn)動(dòng)速差也越大。

2.3 各輥間運(yùn)動(dòng)速差

以矯直厚度為10 mm的鋁板為例，屈服強(qiáng)度為350 MPa，矯直速度為15 m/min計(jì)算各輥間運(yùn)動(dòng)速差。

2.3.1 各矯直輥反彎曲率的設(shè)定

上、下輥系傾斜排列矯直方案屬大變形矯直，是將第2輥的反彎曲率1/ρ2定為5倍的軋件最小彈復(fù)曲率：1/ρ2=5/ρw，n-1輥的反彎曲率1/ρ(n-1)定為軋件的最小彈復(fù)曲率：1/ρ10=1/ρw；依此計(jì)算各矯直輥的反彎曲率。

計(jì)算軋件的最小彈復(fù)曲率1/ρw為：

式中，板材的厚度H為10 mm；板材屈服強(qiáng)度σs為350 MPa；鋁質(zhì)彈性模量E為7.2×104N/mm2。

設(shè)定第10輥的反彎曲率1/ρ10為9.72×10-4mm-1。

計(jì)算第2輥的反彎曲率為：

1/ρ2=5/ρw=4.86×10-3mm-1

設(shè)定第2輥的反彎曲率1/ρ2為4.86×10-3mm-1。

由于此矯直機(jī)的壓下量調(diào)整方式為上排矯直輥整體壓下、傾斜調(diào)整，故按第2輥與第10輥的反彎曲率調(diào)整好壓下量后，各矯直輥間的壓下量呈線性遞減變化；雖然各輥間的反彎曲率在大壓彎階段呈拋物線變化，在小壓彎階段呈線性遞減變化，仍可以近似地按線性遞減變化計(jì)算各矯直輥間的反彎曲率遞減率：

2.3.2 相鄰兩矯直輥間的板材運(yùn)動(dòng)速差

計(jì)算相鄰兩矯直輥間的板材運(yùn)動(dòng)速差ΔVi為：

式中，板材的矯直速度Vj為250 mm/s；板材的厚度H為10 mm。

由此可以看出，在各輥間存在著較大的運(yùn)動(dòng)速差，并與相鄰兩輥間反彎曲率差和板材厚度成正比。

3 板面縱向壓力的形成及對(duì)表面質(zhì)量的影響

結(jié)合以上分析，在上、下輥系傾斜排列的矯直過(guò)程中，板材與輥面接觸處的矯直速度與等速集中傳動(dòng)的矯直輥速度是相同的，而被矯直輥壓彎的工件在各輥間存在著運(yùn)動(dòng)速差，這使在相鄰兩輥間進(jìn)行矯直的板材產(chǎn)生應(yīng)力變化。由于各矯直輥的反彎曲率是線性遞減的，板材運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，故這種應(yīng)力是壓應(yīng)力，并且隨著時(shí)間的增加而增加，但一般不會(huì)超過(guò)材料的彈性極限應(yīng)變。不斷增加的輥間縱向壓力使各輥形成一個(gè)互相推壓的前進(jìn)狀態(tài)，當(dāng)輥間推力增加到大于相應(yīng)的矯直輥面與板材間摩擦力時(shí)，板材即與輥面發(fā)生滑動(dòng)摩擦，并立即釋放推力，再進(jìn)入到下一次從產(chǎn)生到釋放的推力循環(huán)，直至這塊板材結(jié)束矯直。輥間縱向壓力形成的推力是按從無(wú)到有、從小到大的周期循環(huán)變化的。當(dāng)板面與輥面間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，不僅會(huì)造成板面劃痕，而且也會(huì)造成輥身表面光潔度的破壞，故經(jīng)矯直的板材在沿板長(zhǎng)方向上對(duì)應(yīng)于縱向壓應(yīng)力的釋放周期，會(huì)在板面形成規(guī)則均布的橫向劃痕。

雖然傾斜矯直方案設(shè)定第2輥處反彎曲率最大，以后各輥逐漸減小，但因受軋件自由端的影響，第2輥的實(shí)際反彎表現(xiàn)為小于第3輥，并且第2、3輥傳遞的轉(zhuǎn)矩均為正轉(zhuǎn)矩，由于板材在入口矯直輥處的矯直速度大于出口矯直輥處的矯直速度，第3輥與板材間摩擦力大于第4輥，所以第3、4輥間的縱向壓力增加速率最大，并在第4輥處發(fā)生與板面間的滑動(dòng)摩擦。

3.1 縱向壓力增大的速率

軋件斷面積為S時(shí)，計(jì)算第3、4輥間縱向壓力增大的速率Qv3為：

S=HB=10×1800=18000 mm2

Qv3=Sσv3=3081.96 kN

式中，σv3為第3、4輥間壓應(yīng)力的增加速率，N/mm2。

3.2 輥面壓力與板材間摩擦力

在矯直狀態(tài)下，作用在各矯直輥上的壓力可根據(jù)各輥斷面彎曲力矩求得。

3.2.1 彈性彎矩

計(jì)算軋件的彈性彎矩Mw的極限值為：

Mw=σsBH2/6 =10.5 kN·m

式中，板材屈服強(qiáng)度σs為350 MPa；板材寬度B為1800 mm；板材厚度H為10 mm。

3.2.2 輥面壓力

計(jì)算第4輥輥面壓力P4為：

P4=8MwM4/t=621.6 kN

式中，M4為第4輥對(duì)板材的相對(duì)彎曲力矩，即第4輥處彎曲力矩M與軋件彈性彎矩極限值Mw的比值，在此選M4=1.48。

3.2.3 輥面與板材間摩擦力

計(jì)算第4輥輥面與板材間摩擦力F4為：

F4=μP4=124.32 kN

式中，μ為摩擦系數(shù)0.2；P4為第4輥輥面壓力。

3.3 輥間縱向壓力造成的板面摩擦劃痕間隔

計(jì)算第3、4輥間縱向壓力造成的板面摩擦劃痕間隔L為：

L=tF4/Qv3=8.07 mm

通過(guò)以上計(jì)算，在用上述傾斜排列矯直方案對(duì)該規(guī)格的鋁板進(jìn)行矯直的過(guò)程中，板材在經(jīng)過(guò)第3、4輥間的反彎前進(jìn)運(yùn)動(dòng)后，會(huì)在板面沿板長(zhǎng)方向產(chǎn)生間隔為8.07 mm的橫向均布滑痕。

由于在板頭和板尾存在著空矯直區(qū)，受軋件自由端的影響，故在距板頭、板尾約0.5倍的輥距長(zhǎng)度內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)板面劃痕。

4 降低矯直輥間縱向壓力的措施

經(jīng)以上分析，板材在各輥間的運(yùn)動(dòng)速差是產(chǎn)生矯直輥間縱向壓力的原因，并與反彎曲率和板材厚度成正比。為減小和消除輥間縱向壓力帶來(lái)的板面劃痕，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1)提高矯直輥面光潔度，降低滑動(dòng)摩擦力，可大幅減輕劃痕程度。

(2)矯直時(shí)板面噴灑潤(rùn)滑液，降低滑動(dòng)摩擦力，減輕劃痕程度。

(3)采用上、下輥平行排列的平行輥縫矯直方案，但其需采用往復(fù)矯直方式，矯直效率較低。

(4)分別在各等速輸出的萬(wàn)向接軸上增加一個(gè)超越離合器。

(5)分別調(diào)整齒輪分配箱內(nèi)各輸出軸的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)各輥輸出轉(zhuǎn)速不同。

(6)將矯直輥的等速集中驅(qū)動(dòng)方式改為柔性單輥轉(zhuǎn)差驅(qū)動(dòng)方式。

(7)在開(kāi)卷線上運(yùn)行的矯直機(jī)，必需采用粗矯直機(jī)與精矯直機(jī)配合使用的配置，避免在開(kāi)卷機(jī)與精矯直機(jī)間形成張力，造成板面與矯直輥間打滑而產(chǎn)生的輥面劃痕。

雖然以上幾種改進(jìn)方式可以收到一定的效果，但因受到矯直效率低、設(shè)計(jì)制造難度大、經(jīng)濟(jì)適用性差、操作控制復(fù)雜等負(fù)面因素的限制，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。

5 結(jié)語(yǔ)

矯直過(guò)程中，盡管因板材在輥間運(yùn)動(dòng)速差引起的縱向壓力而造成的板面橫向劃痕很難消除，但在對(duì)薄板進(jìn)行矯直時(shí)，由于矯直力較小，輥面與板面接觸光滑可減輕摩擦，不會(huì)造成明顯劃痕，在大多數(shù)情況下，不會(huì)影響板面質(zhì)量的。對(duì)于厚板形成的明顯劃痕，還需采用專業(yè)的板面拋光設(shè)備，進(jìn)一步拋光加工才能最終消除劃痕。