鎳鉻電阻合金箔材尺寸及公差測試方法研究

余小玲，郭坤山，魏亨麗，夏 露，劉 兵，彭小紅，唐 朝

（重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 400702）

引言

高精密電阻合金箔材具有高阻值、高精度、耐蝕耐熱性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)高精密金屬箔電阻、電阻應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，其在電路中主要用于分流、限流保護(hù)、測量電路等，也可用于時間電路元件和應(yīng)力敏感傳感器等[1]。國外對高精密電阻合金的研究始于19世紀(jì)末，在20世紀(jì)40年代到60年代中期，開發(fā)了鎳鉻改良型合金。我國從20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)生產(chǎn)[2]。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，對精密電阻的電阻溫度系數(shù)、功率系數(shù)、長期穩(wěn)定性、抗靜電能力、熱電勢、噪聲等參數(shù)要求越來越高。為了達(dá)到更大阻值、更高功率及散熱要求，對合金帶材厚度要求越來越薄，合金箔材一般要求厚度小于0.05 mm，公差控制在±1.0 μm。

1 精密箔材電阻行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

合金電阻率是表征合金導(dǎo)電性能的重要物理量，合金電阻值主要與合金的電阻率和材料的尺寸相關(guān)。精密箔材電阻行業(yè)使用時重點(diǎn)是考慮電阻值的均勻性以及調(diào)阻時的效率。因此，一方面，改良冶金質(zhì)量，以提高電阻均勻性；另一方面，合金箔材的尺寸公差波動越小，電阻公差一致性越好，調(diào)阻效率越高，電阻器的精度和成品率越高。

2 箔材厚度尺寸測試

箔材的尺寸測量方法主要有直接測量法和間接測量法。根據(jù)行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，需研究一種方便快捷，滿足精度要求的測試方法。

2.1 重量法

重量法的基本原理是稱取已知面積和密度的箔材試樣，通過密度與體積的關(guān)系來測定厚度尺寸[3]。這種方法存在以下缺點(diǎn)：①通過理論計算或測量得到的密度值均會導(dǎo)入一定誤差；②測量得出的結(jié)果是樣品單位體積的平均尺寸，不能反映某一個點(diǎn)的厚度。

2.2 金相法和掃描電鏡法

金相法和掃描電鏡法的基本原理是制作帶材厚度斷面的樣品，在金相顯微鏡或者掃描電鏡下，放大一定倍率后進(jìn)行標(biāo)定測量[4]。這種測量方法存在以下缺點(diǎn)：①制樣困難，制樣的斷面的垂直度不易保證，容易引起誤差；②測量標(biāo)尺的檢定、標(biāo)定對測量精度影響較大。

2.3 立式光學(xué)計法

立式光學(xué)計法的基本原理是利用光學(xué)杠桿的放大，將微小位移量轉(zhuǎn)換為光學(xué)影像移動來測量箔材厚度[5]。這種測量方法存在以下缺點(diǎn)：制樣困難，要求樣品完全平整，對于成卷生產(chǎn)的箔材，很難確保剪切面光滑平整；材料板形要求高，輕微板形缺陷對箔材尺寸測量也會產(chǎn)生較大影響。

2.4 數(shù)顯千分尺法

數(shù)顯千分尺法的基本原理是利用傳感器、電子和數(shù)字顯示技術(shù)，計算并顯示電子數(shù)顯千分尺的測微螺桿位移的裝置來測定厚度[6]。其特點(diǎn)是快捷高效，簡單易操作，但精度相對較低，讀數(shù)時易引入人為誤差。

2.5 萬能測長儀法

萬能測長儀法基本原理是當(dāng)可導(dǎo)電的測頭和被測件之間的空氣層極薄時，通過兩者的電路將其導(dǎo)通。利用該特性，在測量力為零時，進(jìn)行尺寸測量的方法[7]。這種測量方法的特點(diǎn)是：符合阿貝測長原理，具有較高的測量精度；儀器為接觸式長度計，儀器測量基準(zhǔn)是光柵線紋尺，測軸呈長方形，測量過程中不存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.6 HEIDENHAIN長度計測試法

HEIDENHAIN長度計是德國HEIDENHAIN公司研制的多量程高精度測量設(shè)備。其系統(tǒng)原理符合阿貝測量原則：被測對象與光柵尺在同一條直線上，可避免額外測量誤差[8]。這種測量方法的特點(diǎn)是：采用高精度光柵作為測量基準(zhǔn)，增量光柵尺的掃描方法為光電掃描，無機(jī)械接觸；輸出信號細(xì)分至納米級測量步距，可確保信號周期內(nèi)微小位置誤差。

2.7 厚度測試方法選擇

通過分析可知，比較適合本行業(yè)厚度尺寸的測試方法為數(shù)顯千分尺法、萬能測長儀法和HEIDEN-HAIN長度計法。3種測試方法均為直接測量法，通過測量頭與帶材接觸后進(jìn)行測試，測試過程快速，對制樣、測試環(huán)境要求不高，并且精度能夠滿足要求。3種測量方法對比如表1所示。

表1 測量方法參數(shù)對比

對3種方法比對后，認(rèn)為HEIDENHAIN長度計測試速度更快，對測試人員操作要求低，重復(fù)性更好，支持大測量范圍，對振動和沖擊不敏感，測量基準(zhǔn)的精度不受大氣壓力和相對濕度變化的影響，非常適合本行業(yè)的生產(chǎn)實際。

3 箔材厚度公差測試

箔材電阻行業(yè)中，軋制時普遍使用多輥軋機(jī)，多輥軋機(jī)的軋制精度及公差則通過液壓AGC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。AGC控制精度取決于系統(tǒng)的反應(yīng)速度，系統(tǒng)反應(yīng)速度又取決于下列因素：①計算機(jī)的最大運(yùn)行速度，一般來說，數(shù)量級應(yīng)快于機(jī)械部件的響應(yīng)速度；②輥縫液壓缸的自然頻率，這取決于液壓缸和位置的物理尺寸，操作壓力以及液壓油的容量模數(shù)量，任何滲入的空氣將大幅減小自然頻率；③伺服閥的精度，伺服閥需要夠大以獲得大的流量來實現(xiàn)快速打開，但是又需要足夠精度以實現(xiàn)精確控制；④使用的反饋裝置的精度（線性傳感器和AGC旋轉(zhuǎn)編碼器）。行業(yè)采用的液壓AGC自動控制系數(shù)相對于電動AGC而言，還具有以下優(yōu)勢：①響應(yīng)速度更快，更加適合厚度控制的快速調(diào)節(jié)，為軋輥的偏心補(bǔ)償提供了可能性，間接提高了冷軋帶材的控制精度；②液壓AGC控制無死區(qū)，易于達(dá)到設(shè)定位置，而電動壓下的壓下螺絲只對長程位移響應(yīng)敏感；③電動壓下在執(zhí)行厚度控制的過程中，壓下螺絲產(chǎn)生頻繁磨損，影響控制精度[9]。因此，液壓AGC因其精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)能夠有效地保障行業(yè)對精度的需求。

多輥軋機(jī)的AGC系統(tǒng)所使用的測厚儀一般分為接觸式和非接觸式。接觸式測厚儀分辨力可達(dá)到0.1 μm以內(nèi)，而非接觸式測厚儀主要以射線測厚儀為主，分辨力可達(dá)到0.01 μm甚至更高，均能夠滿足測量精度要求。

3.1 測試方法

多輥軋機(jī)全程開啟AGC控制系統(tǒng)，進(jìn)出口測厚儀對軋制過程進(jìn)行適時跟蹤記錄。其中步長≤500 mm，軋制長度≥200 m，采樣數(shù)據(jù)以軋制長度方向穩(wěn)定軋制區(qū)間為準(zhǔn)，允許剔除頭尾加減速過程中的異常點(diǎn)，剔除長度≤30 m。根據(jù)卷料軋制結(jié)束后AGC采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行SPC數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)出All Samples Summary以及X-bar and R Charts圖表作為判定依據(jù)。

3.2 測試結(jié)果

使用上述AGC控制系統(tǒng)對出口測厚儀公差記錄，導(dǎo)出All Samples Summary如圖1所示。

從圖1可以看出，公差跳動在0.7 μm范圍內(nèi)，整體公差偏負(fù)，基準(zhǔn)一致性較好，貼合行業(yè)應(yīng)用要求。

圖1 AGC控制系統(tǒng)測厚儀公差記錄

4 結(jié)束語

隨著行業(yè)水平不斷提高，高精密電阻合金箔材制程中，對尺寸、公差控制要求愈發(fā)嚴(yán)格。通過對比研究，選取的長度計法可以精確、便捷用于行業(yè)現(xiàn)場作業(yè)的厚度尺寸的測量，并采用多輥軋機(jī)AGC系統(tǒng)的SPC數(shù)據(jù)對厚度公差及其一致性進(jìn)行表征。