張京誠

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

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雙金屬冷復(fù)合軋機(jī)的設(shè)計(jì)初探

張京誠

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

通過開發(fā)設(shè)計(jì)雙金屬冷復(fù)合軋機(jī)，對(duì)冷復(fù)合軋制的特殊工藝進(jìn)行了針對(duì)性研究，最終采用經(jīng)濟(jì)合理的參數(shù)選擇與方案配置完成了軋機(jī)設(shè)計(jì)，并成功生產(chǎn)出合格產(chǎn)品；同時(shí)對(duì)冷復(fù)合軋機(jī)的應(yīng)用前景提出了展望。

金屬復(fù)合；冷復(fù)合；軋制；軋機(jī)；設(shè)計(jì)

復(fù)合材料的發(fā)展方興未艾，其中的金屬復(fù)合材料在軍工、電子、家電產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用。如鋼鋁復(fù)合材料在散熱器方面、鋼銅復(fù)合材料在軍工方面、熱雙金屬膨脹合金在電器開關(guān)方面的應(yīng)用等等。金屬復(fù)合帶材的加工多是通過軋制復(fù)合方式來完成的，隨著中國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，各種規(guī)格的金屬復(fù)合軋機(jī)迅速發(fā)展起來，根據(jù)材料強(qiáng)度大小不同，從百十毫米帶寬發(fā)展到上千毫米帶寬，從熱復(fù)合發(fā)展到冷復(fù)合，金屬種類涵蓋了鋼、銅、鋁、精密合金等絕大多數(shù)金屬材料。本文結(jié)合筆者參加的某型雙金屬冷復(fù)合軋機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)合軋機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行初步探討。

1 軋機(jī)類型

雙金屬復(fù)合軋機(jī)一般有熱復(fù)合與冷復(fù)合兩種形式。熱復(fù)合軋機(jī)是在復(fù)合材料進(jìn)入軋機(jī)之前對(duì)復(fù)合金屬的基材進(jìn)行加熱，溫度目標(biāo)一般設(shè)定在材料退火溫度上下，以使材料屈服強(qiáng)度有所降低，有利于軋制過程中軋制力能的降低。受材料特性的影響，加熱方式有電阻加熱、感應(yīng)加熱等。由于熱復(fù)合需要配制在線加熱設(shè)備，還需控制材料的熱均勻性，設(shè)備構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜；同時(shí)加熱方式的約束限制了復(fù)合材料種類的擴(kuò)展，也使復(fù)合材料工藝性能的究研受到限制，所以冷復(fù)合方式越來越被關(guān)注，成為發(fā)展方向。

冷復(fù)合軋機(jī)即是在常溫狀態(tài)下進(jìn)行軋制復(fù)合，通過60%～70%的壓下量將兩種或三種金屬復(fù)合在一起。同樣一臺(tái)冷復(fù)合軋機(jī)在設(shè)計(jì)力能條件下，可對(duì)多種金屬進(jìn)行復(fù)合軋制，這樣就大大拓寬了軋機(jī)的利用效能。

此外，熱復(fù)合軋機(jī)還有一種形式，即采用熱軋方式進(jìn)行，主要是利用了大型熱軋機(jī)的開坯能力，其生產(chǎn)的產(chǎn)品主要針對(duì)厚度規(guī)格較大的板材。

2 軋機(jī)設(shè)備組成

雙金屬冷復(fù)合帶材軋機(jī)的設(shè)備主要由開卷機(jī)(1)(3臺(tái))、入口裝置(2)、軋機(jī)導(dǎo)位裝置(3)、軋機(jī)本體(4)、出口裝置(5)、卷取機(jī)(6)以及上卸料小車(7)等設(shè)備組成(圖1)。其中入口裝置除了直頭穿帶功能外還可設(shè)置在線修磨裝置，對(duì)來料帶材進(jìn)行表面打磨，以使復(fù)合帶材界面露出新鮮的非氧化的金屬層。帶材修磨工序也可離線完成，只要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行復(fù)合軋制即可。冷復(fù)合軋機(jī)省掉了軋機(jī)入口的加熱裝置，整體配置相對(duì)簡(jiǎn)潔。在出口裝置中根據(jù)需要還可配置邊部剪切裝置，以保證復(fù)合后帶材的邊部質(zhì)量。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)與對(duì)策

金屬冷復(fù)合軋機(jī)從理論原理上與一般軋機(jī)完全相同，但由于受到金屬復(fù)合軋制時(shí)特定工藝的影響，所以在某種條件下還存在可行性問題。為此，本文將主要結(jié)合某臺(tái)冷復(fù)合軋機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

3.1 特定的軋制工藝

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，金屬復(fù)合軋制最關(guān)鍵的一個(gè)要求是一次軋制壓下率必須達(dá)到60%～70%，同時(shí)由于雙層疊軋的工況，軋制時(shí)不能有大量軋制潤(rùn)滑液存在，不然會(huì)使結(jié)合面帶油，從而使復(fù)合失效。這一特點(diǎn)與其他傳統(tǒng)軋機(jī)相比，設(shè)計(jì)思路上必然會(huì)帶來一系列的變化。

圖1 冷復(fù)合軋機(jī)機(jī)組配置圖Fig.1 Layout of cold roll bonding mill line

3.2 軋制咬入問題

根據(jù)軋制的咬入要求，如果來料帶材總厚度9mm、寬度350mm、屈服強(qiáng)度大于400MPa、壓下率70%、軋輥與坯料的摩擦系數(shù)按0.1～0.12考慮，按正常咬入條件計(jì)算，則工作輥直徑需要達(dá)到900～1200mm， 軋制力將達(dá)到1200～1500t，同時(shí)軋制力矩也將大幅提升，軋機(jī)規(guī)格較大，形式與成本均不理想。從成本考慮，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程，我們認(rèn)為軋制時(shí)無需一次咬入達(dá)到最大壓下率，可逐步提升，只要滿足穩(wěn)定軋制時(shí)的咬入條件即可。這樣工作輥直徑可大幅下降至300mm左右，軋制力也隨之大幅減小至600t。同時(shí)采用4輥軋機(jī)配置并包含正負(fù)彎輥裝置，軋制剛度高、板形也可進(jìn)行調(diào)整。

3.3 軋制傳動(dòng)問題

根據(jù)材料屈服強(qiáng)度的不同，軋制傳動(dòng)方案的選擇也不同。對(duì)于一些強(qiáng)度較小的材料，如鋁合金、普碳鋼，選擇工作輥直接傳動(dòng)即可。而對(duì)于高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鐵鎳合金等材料則會(huì)因材料強(qiáng)度大，傳動(dòng)力矩高而使工作輥傳動(dòng)受到限制。

支承輥傳動(dòng)不打滑的條件是M軋

即，2×P×(R×Δh)0.5×ψ< 2×P×f×R，

由此導(dǎo)出公式，(Δh/R)0.5×ψ

式中，P為軋制壓力，N；M軋為軋制力矩，N·m；M支摩擦為支承輥與工作輥間摩擦力傳遞的最大力矩，N·m；Δh為壓下量，m；R為工作輥半徑，m；ψ為軋制力臂系數(shù)，一般取值為0.3～0.45；f為軋輥間的摩擦系數(shù)，一般取值～0.1(含油光滑界面)。

根據(jù)上述公式條件，可通過適當(dāng)提高工作輥直徑來確保支承輥與工作輥間的扭矩有效傳遞，同時(shí)調(diào)大設(shè)備規(guī)格與力能參數(shù)。考慮到進(jìn)一步提高傳動(dòng)的可靠性，采用了工作輥、支承輥4輥傳動(dòng)方案，即在工作輥可承受的扭矩條件下，讓其盡可能更多的分擔(dān)軋制力矩，實(shí)踐證明，這一選擇大大降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的震蕩風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 軋制潤(rùn)滑問題

一般軋機(jī)在軋制過程中都會(huì)采用大量軋制油進(jìn)行充分潤(rùn)滑，但復(fù)合軋機(jī)會(huì)因復(fù)合雙層界面的軋制油滲入而導(dǎo)致復(fù)合失效。為此，復(fù)合軋機(jī)必須采用微量潤(rùn)滑方式，通?？刹捎幂佂?、噴霧、人工涂抹等方式，同時(shí)應(yīng)采用流動(dòng)性較差的潤(rùn)滑油以防止其堆積流入復(fù)合界面。這樣的工況又會(huì)帶來另一個(gè)問題，即潤(rùn)滑不充分或不穩(wěn)定可能會(huì)造成軋制力波動(dòng)，從而導(dǎo)致厚差波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起軋制力超負(fù)荷或者咬入條件破坯引發(fā)軋機(jī)震蕩。因此，選擇合適的軋制油品種與均勻、持續(xù)、適合的潤(rùn)滑油用量，均是生產(chǎn)過程中必須極其重視的。

3.5 軋輥冷卻問題

由于軋制潤(rùn)滑油的限制條件，復(fù)合軋機(jī)軋制時(shí)無法通過軋制油帶走熱量，而復(fù)合軋制時(shí)超大的壓力量又會(huì)產(chǎn)生大量變形熱，所以必須重新考慮軋輥的冷卻方式，以確保軋輥溫度穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。為此，我們采用了軋輥中空通水冷卻方式，并配合風(fēng)冷，使軋輥溫度可以控制在120℃以下。軋輥溫度穩(wěn)定的同時(shí)，也使?jié)櫥偷臐?rùn)滑效果處于穩(wěn)定狀態(tài)，使軋制穩(wěn)定進(jìn)行。

4 結(jié)論

本臺(tái)冷復(fù)合軋機(jī)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化在滿足復(fù)合軋制特殊工藝的條件下，采用了經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備規(guī)格參數(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合軋制。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與實(shí)際生產(chǎn)，成功穩(wěn)定軋制出330mm寬的超硬合金材料的雙層與三層復(fù)合產(chǎn)品。

冷復(fù)合軋制在材料強(qiáng)度許可范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)多種金屬材料的復(fù)合軋制，如不銹鋼-鋁合金(裝飾材料)、銅-鎳合金(開關(guān)材料)、鎳-鎳合金(開關(guān)材料)、銅-鋁合金(導(dǎo)電材料)、鋼-鋁合金(軸瓦材料)等復(fù)合材料。因此，該型冷復(fù)合軋機(jī)也將隨著雙金屬復(fù)合材料應(yīng)用范圍的不斷拓展而具有更大的發(fā)展前景。

Design Analysis of Cold Roll Bonding Mill for Bimetal Composites

ZHANG Jingcheng

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper studied special process of cold roll bonding through developing bimetal composite cold roll bonding mill, and it presented the design of the mill with reasonable parameters and schemes based on cost efficient, thus producing qualified products; it also put forward the outlook on application of cold roll bonding mill.

bimetal composite; cold roll bonding; rolling; rolling mill; design

2015-08-28

張京誠(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事冶金機(jī)械成套設(shè)備的設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理工作。

TG335.8

A

1671-6795(2015)06-0006-02