鋁合金桿連軋的孔型設(shè)計及調(diào)試

蘇華光

（上海電纜研究所有限公司特種電纜技術(shù)國家重點實驗室，上海 200093）

0 引 言

20 世紀(jì)70 年代，我國自主開發(fā)了第一條純鋁桿的二輥連鑄連軋機(jī)生產(chǎn)線，后來又開發(fā)了三輥連鑄連軋機(jī)生產(chǎn)線。 導(dǎo)體電工純鋁桿的生產(chǎn)，一直采用國產(chǎn)的二輥和三輥連鑄連軋機(jī)。 在20 世紀(jì)90 年代中期，我國通過借鑒國外的相關(guān)技術(shù)，開始在三輥連鑄連軋生產(chǎn)機(jī)上自主開發(fā)生產(chǎn)6 系高強(qiáng)度、高導(dǎo)率的鋁合金桿，該產(chǎn)品用于架空導(dǎo)線。 到2000 年前后，我國開始引進(jìn)二輥和三輥鋁合金桿連鑄連軋機(jī)，生產(chǎn)6 系等鋁合金桿。 20 世紀(jì)90 年代未期，我國采用國產(chǎn)二輥連鑄連軋機(jī)生產(chǎn)鋁合金桿，開發(fā)生產(chǎn)了鋁鈦硼合金桿。 鋁合金桿與純鋁桿相比，變形抗力、塑性、表面黏性都不一樣，純鋁桿的孔型不能代用，須重新進(jìn)行孔型設(shè)計，才能生產(chǎn)出尺寸圓整、性能合格的鋁合金桿。 本工作以鋁鈦硼合金桿生產(chǎn)為基礎(chǔ)，在純鋁桿生產(chǎn)的二輥連軋機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計鋁合金桿軋制孔型，并用于實際生產(chǎn)中。 本設(shè)計的方法也適用于5～8 系等鋁合金桿的孔型設(shè)計。

1 孔型設(shè)計的基本條件

現(xiàn)有的設(shè)備主要包括純鋁桿二輥連鑄連軋機(jī)、三輥連鑄連軋機(jī)、進(jìn)口的銅桿二輥連鑄連軋機(jī)和再生銅桿二輥連鑄連軋機(jī)。 其中，純鋁桿二輥連鑄連軋機(jī)和再生銅桿二輥連鑄連軋機(jī)是國內(nèi)自主研發(fā)制造的。 在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)二輥鋁合金連軋機(jī)，根據(jù)鋁合金的材料加工特性，進(jìn)行工藝和孔型設(shè)計。 通過查閱相關(guān)資料，掌握鋁合金材料的主要性能，對材料熱變形抗力、塑性、表面黏性等進(jìn)行研究，按用戶對產(chǎn)品的性能和產(chǎn)量要求，確定工藝方案，工藝定型后，再進(jìn)行設(shè)備設(shè)計，完成整條生產(chǎn)線的設(shè)計和制造。

參照已有的工藝技術(shù)，根據(jù)用戶產(chǎn)量要求和出桿規(guī)格，可計算出連軋機(jī)出線速率、連鑄機(jī)錠條截面積和總變形量。 有了總變形量，可確定道次平均變形量，即道次延伸系數(shù)。 相對純鋁桿而言，鋁合金桿軋制的道次變形量要小，因鋁合金塑性比純鋁差，軋制變形量大，有可能把錠坯軋裂。 單道次軋制變形量減小，總變形量不變時，軋制道次增加，連軋機(jī)拖動電機(jī)的功率必須增大，可通過相關(guān)公式（如采利柯夫公式、古布金公式等）計算各道次軋制力，求出電動機(jī)的總功率，本工作不再細(xì)述。

為節(jié)省設(shè)備成本，連軋機(jī)采用單一電機(jī)拖動，通過傳動系統(tǒng)帶動各道次軋輥轉(zhuǎn)動。 單電機(jī)拖動對軋制孔型的設(shè)計精度要求高，因為在軋制過程中，只有一個輥縫參數(shù)可調(diào)動，但輥縫調(diào)動要保證流量平衡，實現(xiàn)穩(wěn)定軋制，各道次秒流量基本相等即微張力軋制。 軋件寬展主要是通過輥縫來調(diào)節(jié)，可調(diào)性比較差，當(dāng)孔型設(shè)計寬展不符合實際工藝條件時，有可能過充滿或充不滿，出現(xiàn)耳子或扁桿，這就要重新調(diào)動孔型結(jié)構(gòu)寸尺，會增大工作量和制造成本。 優(yōu)秀的設(shè)計，一次設(shè)計就可完成定型，無須重復(fù)調(diào)動。

2 孔型設(shè)計

本項目設(shè)計的基本參數(shù)設(shè)定，源于用戶對產(chǎn)量和質(zhì)量的要求，源于收集的鋁合金材料性能特性［1?2］。 通過對純鋁與鋁合金材料特性的分析對比，將鋁合金軋制的總延伸系數(shù)控制在約20，平均延伸系數(shù)從純鋁的1.4 下降到1.35，主要參數(shù)：①出桿成品直徑為（9.5±0.5）mm；②不圓度（F值）為不大于0.9 mm；③延伸率為不小于12%；④出桿速率不大于5 m·s-1；⑤小時產(chǎn)量為2.1～3.2 t；⑥總延伸系數(shù)約為20；⑦錠條截面積為1 455 mm2；⑧道次平均延系數(shù)為1.35；⑨軋制道次為10 道。

根據(jù)上述基本參數(shù)，進(jìn)行孔型設(shè)計。

2.1 孔型系選取和道次延伸系數(shù)分配

參考已有的鋁桿連軋孔型系列，本項目優(yōu)先選用的孔型系為：箱型?箱型?橢圓型?圓型系，即1、2 道選用箱型，后面3 ～10 道交替選用橢圓型?圓型。 這種孔型系的優(yōu)點是，易損件軋輥的利用率高，軋輥小孔型可改車為大孔型向前道推，可重復(fù)利用，降低生產(chǎn)運行成本。

道次延伸系數(shù)分配，采用拋物線分配方案，有利于產(chǎn)品質(zhì)量和工藝控制，見圖1。

圖1 道次與延伸系數(shù)關(guān)系

圖1 顯示了設(shè)備道次延伸系數(shù)（轉(zhuǎn)數(shù)比），與軋件設(shè)計延伸系數(shù)的偏差。 為了實現(xiàn)穩(wěn)定軋制，按照體積不變定律，即材料在變形過程中體積保持不變，理論上每道次的秒流量相等，即FnVn＝Fn-1Vn-1（n＝1，2，3，…，10），每道次的軋件面積（Fn）和速率（Vn）的積相等；但實際工藝配置時一般采用微張力軋制，即FnVn略大于Fn-1Vn-1，其值為（FnVn-Fn-1Vn-1）／Fn-1Vn-1＜1% ，以維持后道與前道之間的微張力［3］，基本上保持流量平衡。

圖1 中，第3 道延伸系數(shù)最大，后面逐漸減小，第10 道延伸最小。 第1 道軋制延伸小，因為錠條是鑄造組織，有缺陷，同時也利于錠條咬入；第2、第3 道軋制延伸要大，有利于壓合鑄錠氣孔、裂紋等缺陷；第4～10 道軋制延伸遞減，主要是隨著軋件面積減小，軋件溫度下降，變形抗力增大，塑性降低，成品道要保證尺寸，一般變形延伸都比較小。

2.2 孔型高度和軋件寬度

根據(jù)已選定的孔型系，用相應(yīng)的經(jīng)驗公式及相關(guān)的寬展公式來計算孔型的高度和寬度。

2.2.1 孔型高度

計算孔型的高度，有許多公式，常用經(jīng)驗公式：

式中：hn為孔型高度，mm；bn-1為前道軋件寬度，mm，λn為延伸系數(shù)；c1為修正系數(shù)；c1根據(jù)不同的孔型，取值為1.15～1.55。

2.2.2 軋件寬度

計算孔型寬度，先要確定軋件寬度，即寬展計算［3］，寬展是鋁合金橫向流動造成軋件寬度上的增加。 影響寬展的因素很多，壓下率、摩擦因數(shù)、軋制溫度、材料成分、軋件的機(jī)械性能、后張力、軋件速率、軋件變形速度等。 計算寬展的公式也很多，熱軋計算寬展的公式共有 9～10 個［3?6］，每個公式都有其適用的場景。 在高線鋼軋機(jī)上，較多采用烏薩托夫斯基公式、C.N.古布金公式和艾克隆德公式計算寬展。 鋁軋機(jī)計算寬展多采用巴赫契諾夫公式、烏薩托夫斯基公式、齊別爾公式和日茲公式等。

巴赫契諾夫公式：

式中：Δbn為軋件寬度增加量，mm； Δhn為壓下量，mm；D為軋輥工作直徑，mm；f為摩擦因數(shù)。 本設(shè)計鋁材的摩擦因數(shù)取0.2～0.6。

烏薩托夫斯基公式［3］：

式中：λ ＝ hn／hn-1，λ為 壓 下 系 數(shù) 的 倒 數(shù)；W ＝10-1.269×δ×ε0.556，W為相對寬展系數(shù)；ε ＝ hn -1／D，ε為輥徑系數(shù)；δ ＝bn-1／hn-1，δ為 軋件軋前斷面形狀系數(shù)。

齊別爾公式：

式中：c2為寬展系數(shù)，一般取0.2～0.6。

日茲公式：

式中：c3為寬展系數(shù)，為經(jīng)驗值，按孔型形狀和大小取值，一般為 0.3～0.85。

2.3 孔型尺寸

本設(shè)計用到了箱型、橢圓和圓孔型，各孔型尺寸都有相關(guān)經(jīng)驗公式計算，主要公式如下：

第 1 和第 2 道為箱型孔型［4?8］，其結(jié)構(gòu)見圖 2?？仔蛯挾萣11、b22、B1和B2采用式（6） ～式（9）計算。

圖2 箱型孔型結(jié)構(gòu)圖

r1、r2為過度圓弧，一般取 1～6 mm。

第3、第5、第7、第9 道橢圓孔型，圓弧半徑Rn為：

式中，C為輥縫，本設(shè)計取值 1.5 ～4 mm；bn為軋件寬度，mm。 對計算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整數(shù)化，并根據(jù)道次進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)大或調(diào)小。 孔型寬度和面積等按平面幾何方式得出，在這里不再詳述。

圖3 為橢圓孔型結(jié)構(gòu)圖。 所有橢圓孔型結(jié)構(gòu)均相同。

圖3 橢圓孔型結(jié)構(gòu)圖

第4、第6、第8、第 10 道圓孔型，采用正規(guī)圓，寬度方向有一個r1的小圓弧開口度，計算方法采用高度公式，再用寬展進(jìn)行驗算；也可采用延伸系數(shù)算出面積直接得出。 圓型尺寸簡單，這里不細(xì)述。

2.4 孔型參數(shù)計算結(jié)果

孔型參數(shù)的計算過程復(fù)雜，采用計算機(jī)輔助計算［3，9］，本工作只列出孔型高度、軋件寬度、孔型寬度和圓弧主要的計算參數(shù)及結(jié)果。 孔型主要參數(shù)計算見表1。

表1 孔型主要參數(shù)計算表

表1 中，道次表示連續(xù)軋制10 道，0 道為鑄錠，鑄錠截面圖見圖4；孔型名稱是表示孔型的形狀；孔型高度即軋件高度，由式（1）計算；軋件寬度增寬主要由式（2）～式（5）計算；箱型寬度按式（6）～式（9）計算；橢圓孔型半徑按式（10）計算；輥縫是經(jīng)驗值；圓孔型半徑、軋件面積、孔型寬度由通用平面幾何公式計算。

圖4 鑄錠截面圖

表1 計算出了孔型的主要參數(shù)相關(guān)尺寸，按表1中1～10 道次的數(shù)據(jù)繪制成孔型結(jié)構(gòu)總圖，見圖5。

圖5 孔型結(jié)構(gòu)圖

圖5 的主要參數(shù)由表1 表示，鑄條按設(shè)計要求取值。 軋件寬度不在圖中顯示，用于后續(xù)的試車調(diào)試中，為連軋機(jī)調(diào)試參考指導(dǎo)依據(jù)。

圖5 中，兩個軋輥構(gòu)成的孔型面積比實際通過的軋件面積要大一些。 軋件面積與軋輥孔型面積之比叫作填充率。 預(yù)留填充率可使軋件變形均勻，同時也可防止軋件過充滿時出現(xiàn)耳子。 本工作是熱軋鋁鈦硼合金，進(jìn)軋溫度在500 ℃以上，出軋溫度約在300 ℃，當(dāng)軋制工藝條件變化時，寬展會增大。 對于箱型、橢圓型和圓孔型系而言，填充率一般控制在85% ～99.5%，其中圓型孔填充率最高，成品圓型孔型控制在約99.5%，軋件一般比孔型寬度要小一些，孔型寬度留有余量。

3 試車孔型調(diào)試

連鑄連軋整條生產(chǎn)線設(shè)計制造完成后，交付給用戶，進(jìn)行安裝調(diào)試。

3.1 第一次試車

為了方便試車，降低試車成本，先用純鋁進(jìn)行通過性試車，驗證軋機(jī)是否能形成穩(wěn)定連續(xù)軋制，純鋁軋制驗證孔型見表2。 表2 為第一次試車的實測值與設(shè)計值。

表2 純鋁孔型第一次驗證主要參數(shù)

第一次試車，通過性良好，沒有堆積和拉斷，孔型秒流量是平衡的，試車成功。 表2 列出了孔型高度、軋件寬度和軋件面積的設(shè)計值和試車的實測值，便于對比。 用純鋁試車，軋件寬度明顯偏小，孔型沒有充滿，出桿尺寸寬度只有9.1mm，F(xiàn)值為0.4 mm，偏大，雖然在合格的邊緣，但桿太扁，仍需進(jìn)行調(diào)動。

3.2 第二次試車及第三次出成品桿

由第一次試車結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鑄條實測面積比理論計算面積小，導(dǎo)致后7 道軋件面積連續(xù)變小，孔型寬展也連續(xù)變小，因此要適當(dāng)增大孔型面積，從而增大金屬流量。 可行的方法是，增大孔型輥縫，增大孔型高度，增大秒流量，但秒流量仍需保持平衡，即FnVn＝Fn-1Vn-1。 當(dāng)每道面積增大時，因輥縫增大，軋輥工作半徑略為減小，速率降低幅度小于0.1%，F(xiàn)nVn值微量降低，但因Fn增加較多，各道FnVn值還是會增大，只要保持各道FnVn值相等，就可實現(xiàn)穩(wěn)定軋制［9?12］。

增大軋件面積，從而增大道次的金屬流量，讓孔型充滿，增加寬展。 第二次試車，實測數(shù)據(jù)見表3。

表3 純鋁孔型第二次驗證主要參數(shù)

第二次試車時，調(diào)大了軋輥第1、第2、第3、第5、第7、第 8 和第 9 道的輥縫，增加了金屬流量，第3、第 5、第 7 和第 9 道孔型（軋件）高度增加較多，基礎(chǔ)寬度增加，同時進(jìn)入第4、第6、第8 和第10 道的絕對壓下量增大，寬展也增大，出桿第10 道完全充滿，桿的不圓度只有 0.2 mm，桿的標(biāo)稱直徑為9.5 mm，結(jié)果顯示具有了一定的穩(wěn)定性，本設(shè)計基本成功，無須進(jìn)行二次修改。

圖6、圖7 和圖8 為表3 中孔型高度、軋件寬度和軋件面積等3 組數(shù)據(jù)對比。

圖6 孔型（軋件）高度比較

圖7 軋件寬度比較

圖8 軋件面積比較

由圖6 可知：孔型（軋件）實測高度比設(shè)計高度值大，第 1、第 2、第 3、第 5、第 7 和第 9 道實測高度大于設(shè)計高度，主要是因為增大了前面道次流量。由圖7 可知，第2 道寬展小于設(shè)計值，第3 道大于設(shè)計值，因為第1、第2 道高度調(diào)大，所以第3 道寬展增加較多；第4 道以后實測寬度基本上與設(shè)計寬度重合。 由圖8 可知：0 道代表鑄坯，實測面積第1 道前面積小于設(shè)計值，第1 道后面積略大于設(shè)計值，這是因為孔型高度調(diào)大，孔型充滿，寬展增加，面積增大，結(jié)果獲得良好的出桿尺寸，孔型設(shè)計基本符合成品桿質(zhì)量要求。

第三次進(jìn)行鋁合金軋制試車時，對孔型進(jìn)行了微調(diào)后，出桿速率為4～4.5 m·s-1，出桿直徑為9.6～9.4 mm，F(xiàn)值為0.2 mm，延伸率為13.1%，基本滿足用戶要求。

4 結(jié)束語

本工作設(shè)計了鋁鈦硼合金桿的孔型，并將該設(shè)計第一次在二輥連鑄連軋機(jī)生產(chǎn)線上使用。 能一次性設(shè)計成功，得利于原有純鋁桿、銅桿連軋機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，以及實際應(yīng)用的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的長期積累。

本工作采用純鋁桿連軋機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為孔型設(shè)計的參考，存在軋制寬展偏小的問題，主要是因為純鋁桿軋制平均延伸系數(shù)大（在1.4 以上），各道次軋制絕對壓下量相對大，軋件寬展相對也大，容易充滿孔型，雖然影響寬展的因素很多，但道次絕對壓下量是寬展主要的貢獻(xiàn)來源。

通過本工作的設(shè)計和調(diào)試，積累了相關(guān)鋁合金桿孔型設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可調(diào)動孔型的設(shè)計參數(shù)，如通過調(diào)動高寬比例來提高桿的圓整度。 本工作的孔型設(shè)計方法也適合于其他可熱連軋的鋁合金材料。