復合材料層合板輥壓工藝參數(shù)影響軋輥軸承振動實驗研究

張文昊，王立萍，郭博陽，王云龍，崔維啟

（1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山114051；2.山東港口青島港董家口分公司，山東 青島266409）

利用軋機對多種類型的復合材料層合板進行輥壓加工生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量一致性好，生產(chǎn)效率高，工程應用得到了較快的發(fā)展。在輥壓過程中，由于材料咬入和咬出階段的作用力存在突變，特別是軋輥軸承的游隙及其動剛度特性因素，導致軋輥軸承產(chǎn)生明顯的振動。軋輥軸承的振動一方面會導致軸承本身性能劣化、縮短使用壽命，另一方面也會制約復合材料層合板制品質(zhì)量的提升。

事實上，圍繞制備復合材料層合板的工藝方法、工藝參數(shù)以及制品的材料性能等方面，已有大量研究成果。文獻［1］采用不同軋制工藝和固化方案制備了碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板，分析了層合板彎曲性能和溫熱沖壓性能。文獻［2］對因鋼種差異和軋機振動引起的鈦/鋁層合軋件厚度波動進行了分析。文獻［3］分析了帶夾層不銹鋼復合板材料厚度配比對拉剪強度的影響。文獻［4］介紹了復合材料層合板制備過程中，施壓靜置壓力與時間以及壓下量對軋制力變化的影響，研制出一種具有較好減振性能的新型“三明治”式的AZ31-PE復合材料層合板，提出并實現(xiàn)了“膠合-施壓-輥壓”的三步制備工藝方法。文獻［5］針對軋制復合材料時軋機的機械振動及復合材料的產(chǎn)品質(zhì)量問題，分析了軋機產(chǎn)生振動的原因。文獻［6］研究了壓下率對鈦/鋁層合板的厚比分配、剪切強度和界面的影響。文獻［7］研究了不同壓下量對復合板材拉伸性能的影響。文獻［8］分析了厚度比、輥速比、首道次壓下率以及軋件與上下軋輥間摩擦系數(shù)比對復合軋制過程中翹曲變形、塑性應變以及軋制力的影響。文獻［9］研究了軋制工藝對復合材料電導率和力學性能的影響。復合材料層合板輥壓加工過程中，軋輥軸承的振動影響因素很多，包括材料本身的尺寸參數(shù)和力學特性，以及輥壓加工的工藝參數(shù)，如軋輥速度、壓下率等，目前尚缺少這方面的研究。

本文利用一臺臥式二輥試驗軋機，對“三明治”式的AZ31-PE復合材料層合板進行輥壓加工實驗研究，對比分析在不同軋制速度、不同壓下率以及不同材料基體厚度配比下的軋輥軸承的振動響應，為優(yōu)化輥壓工藝參數(shù)、提高復合材料層合板的制備質(zhì)量提供依據(jù)，也為實現(xiàn)軋輥軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障預測奠定基礎。

1 軋輥軸承振動實驗方案

1.1 實驗設備

臥式二輥試驗軋機如圖1所示，主要包括三相異步電動機、膜片聯(lián)軸器、減速機、十字軸式萬向聯(lián)軸器、機架、軋輥、軸承座和軸承。兩個軋輥水平平行布置，實現(xiàn)對復合材料層合板的輥壓加工。兩個軋輥的兩端各裝有一列型號為6012深溝球軸承。軸承的外圈與軸承座、內(nèi)圈與軋輥均是過盈裝配。

圖1 臥式二輥試驗軋機Fig.1 Horizontal two high rolling mill

在輥壓加工過程中，“三明治”式AZ31-PE復合材料層合板被豎直放入輥縫，軋制方向垂直向下，如圖2a所示。

采用兩個ICP型加速度傳感器分別采集軋輥軸承水平方向和垂直方向的振動信號。水平方向加速度傳感器布置在軸承座側表面水平中心線上；垂直方向加速度傳感器布置在輥系操作側機架橫梁上表面，位于軋輥軸承垂直中心線上，如圖2a所示。軋制力測試傳感器放置在傳動側軸承座的側表面，如圖2b所示。

圖2 傳感器布置圖Fig.2 Layout of sensors

1.2 實驗材料

實驗用“三明治”式AZ31-PE復合材料層合板的尺寸參數(shù)如表1所示。使用聚丙烯膠在PE板基體上下兩面各粘貼一層AZ31覆層，稱為“三明治”式復合材料層合板，之后在300 N壓力下靜置30 h，得到實驗用“三明治”式AZ31-PE復合材料層合板［4］，再用于輥壓加工。圖3為“三明治”式AZ31-PE復合材料層合板示意圖。

圖3 “三明治”式AZ31-PE復合材料層合板示意圖Fig3 Schematic diagram of sandwich composite laminated plate of AZ31-PE

表1 實驗用材料尺寸參數(shù)，mmTab.1 Geometric parameters of experimental materials，mm

1.3 實驗方案

針對軋制速度、壓下率和基體厚度配比的不同，設計3組輥壓實驗，實驗參數(shù)設置如表2所示。每組實驗中每個實驗重復10次，取平均值作為最終的測試結果。

表2 實驗參數(shù)的設置Tab.2 Experimental parameters

第1組實驗設置了5.5、8.5、11.5、14.5和17.5 r/min共5種不同的軋制速度，通過改變變頻器頻率值改變軋制速度。

第2組實驗設置了4.03%、8.06%、12.1%、16.13%、20.16%和24.19%共6種不同的壓下率（壓下率=壓下量/軋件總厚度）。

第3組實驗設置了38.46%、53.98%、66.27%、78.13%、80.65%、88.22%共6種不同基體厚度配比（基體厚度配比=基體厚度/軋件總厚度）。

2 實驗結果分析

2.1 不同軋制速度下軋輥軸承的振動響應

第1組實驗的壓下率為12.10%，基體厚度配比為80.65%，不同軋制速度下，層合板咬入軋機輥縫時軋輥軸承的水平方向加速度峰值、垂直方向加速度峰值和軋制力峰值變化曲線如圖4所示。

圖4 不同軋制速度下的加速度峰值及軋制力峰值Fig4 Peak values of acceleration and peak rolling force at different rolling speeds

當軋制速度在5.5~17.5 r/min之間變化時，水平方向加速度峰值變化范圍為2.22~120.27 m/s2，垂直方向加速度峰值變化范圍為0.36~113.61 m/s2，軋制力峰值變化范圍為5~79.2 N。

隨著軋制速度的增大，軋輥軸承水平方向加速度峰值和垂直方向加速度峰值以及軋制力峰值都增大。水平方向加速度峰值均大于垂直方向加速度峰值，這是因為軋制層合板時軋制力的作用方向是水平方向，是軋輥軸承承受沖擊的主要方向。

2.2 不同壓下率下軋輥軸承的振動響應

第2組實驗的軋制速度為11.5 r/min，基體厚度配比為80.65%，不同壓下率條件下，層合板咬入軋機輥縫時軋輥軸承的水平方向加速度峰值、垂直方向加速度峰值和軋制力峰值變化曲線如圖5所示。

圖5 不同壓下率下的加速度峰值及軋制力峰值Fig5 Peak values of acceleration and rolling force under different reduction ratios

當壓下率在4.03%~24.19%之間變化時，軋輥軸承水平方向加速度峰值變化范圍為0.43~166.68 m/s2，垂直方向加速度峰值變化范圍為0.45~191.76 m/s2，軋制力峰值變化范圍為9~185.93 N。

隨著壓下率的增大，軋輥軸承水平方向加速度峰值和垂直方向加速度峰值均增大。但是，壓下率在16.13%~20.16%之間時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，水平方向加速度峰值從一開始大于垂直方向加速度峰值轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮诖怪狈较蚣铀俣确逯怠？赡艿脑蚴?，當壓下率超過20.16%之后，層合板減振性能更明顯，使水平方向加速度峰值小于垂直方向加速度峰值。

2.3 不同基體厚度配比下軋輥軸承的振動響應

第3組實驗的軋制速度為11.5 r/min，壓下率為12.5%，不同基體厚度配比條件下，層合板咬入軋機輥縫時軋輥軸承的水平方向加速度峰值、垂直方向加速度峰值和軋制力峰值變化曲線如圖6所示。

圖6 不同基體厚度配比下的加速度峰值及軋制力峰值Fig6 Peak values of acceleration and rolling force under different matrix thickness ratios

當基體厚度配比在38.46%~88.22%之間變化時，軋輥軸承水平方向加速度峰值變化范圍為4.23~76.58 m/s2，垂直方向加速度峰值變化范圍為1.46~84.65 m/s2，軋制力峰值變化范圍為33.61~107.6 N。

當基體厚度配比達到53.98%時，水平方向加速度峰值、垂直方向加速度峰值和軋制力峰值均達到了最大值，且比基體厚度配比為80.65%時的第二個波峰高2倍多。當基體厚度配比在66.27%~88.22%之間時，軋輥軸承水平方向加速度峰值和垂直方向加速度峰值以及軋制力峰值明顯降低。

考慮到所制備的復合材料層合板的結構特點，測試得到的結果具有合理性。這是因為，當基體厚度配比增大時，復合材料層合板的減振性能提高。在軋制速度為11.5 r/min、壓下率為12.5%時，66.27%的基體厚度配比是最佳選擇。

3 結論

通過對“三明治”式AZ31-PE復合材料層合板輥壓過程中軋輥軸承振動響應的測試對比實驗，得到了輥壓工藝參數(shù)對其影響的一些規(guī)律。

（1）軋制速度增大，軋輥軸承的加速度峰值會增大。

（2）壓下率增大，也會使軋輥軸承的加速度峰值增大。

（3）復合材料層合板的基體厚度配比對軋輥軸承的影響較復雜，配比在53.98%時出現(xiàn)較大的振動，當配比較大時振動不明顯。

（4）復合材料層合板由于自身的高阻尼特性，可以降低軋輥軸承在軋件咬入沖擊階段的振動，消減軋機主傳動系統(tǒng)的振動。選擇合理的軋制速度、壓下率等工藝參數(shù)，可以降低軋輥軸承的振動。