姚廷鑫,盧 燕
(安徽鑫科銅業(yè)有限公司,安徽 蕪湖 241006)
銅材具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、較高強(qiáng)度、高耐蝕以及可鍍性和易加工性等一系列優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于集成電路、連接器、5G通訊、消費(fèi)電子等領(lǐng)域,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)銅板帶產(chǎn)品的尺寸精度、力學(xué)性能、物理性能、工藝性能、殘余應(yīng)力和板形一致性等提出了更高要求,因銅合金成分、性能均勻性、冷軋機(jī)剛度等影響,很難得到理想的板形和低殘余應(yīng)力的板帶材。因此,通過(guò)連續(xù)拉伸彎曲矯直機(jī)列來(lái)減少帶材平直度缺陷、改善板形、降低或均衡帶材殘余應(yīng)力就成了高精度銅板帶材生產(chǎn)的必然工序。連續(xù)拉伸彎曲矯直是使帶材在拉伸和交替彎曲的聯(lián)合作用下產(chǎn)生塑性延伸,來(lái)矯正帶材原有的波浪和翹曲等板形缺陷。由于拉伸彎曲矯直機(jī)具有降低或均衡應(yīng)力、板形矯直效果好,所需矯直張力小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)板形自動(dòng)閉環(huán)控制、自動(dòng)停車、料卷自動(dòng)裝載卸載,同時(shí)配備在線表面檢測(cè)儀,在高精度銅板帶材生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,已成為高精度銅板帶材精整工序中不可缺少的組成部分。
銅板帶材板形缺陷產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是板帶材在軋制過(guò)程中橫截面上不均勻的塑性變形或局部軋制熱冷卻不均勻的結(jié)果,使之沿某一方向上相鄰的纖維之間在長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生了很小的長(zhǎng)度差。要想得到平直度好的板帶材,只需對(duì)帶材施以超過(guò)材料屈服極限的應(yīng)力,使長(zhǎng)、短纖維趨于一致,使帶材在拉伸和交替彎曲的聯(lián)合作用下產(chǎn)生塑性延伸,使應(yīng)力松弛或重新分布,即能達(dá)到矯直帶材的目的(圖1、圖2、圖3、圖4)。
由于銅板帶材并不是理想的彈塑性材料。因此拉彎矯直的矯直效果與帶材的原始板形和硬化模量的大小有關(guān),硬化模量愈小的材料越易矯直。經(jīng)過(guò)拉彎矯直的板帶材板形會(huì)有很大改善,但不可能完全消除原有板形缺陷,獲得絕對(duì)平直的板形。一般當(dāng)來(lái)料的板形在40I以內(nèi)時(shí),經(jīng)過(guò)拉彎矯直后帶材平直度可達(dá)到3I以內(nèi),這足以滿足目前各種用戶的使用要求。
圖1 反復(fù)彎曲 圖2 無(wú)張力彈塑彎曲應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.1 Bending repeatedly Fig.2 Stress strain diagram of elastic-plastic bending without tension
圖3 下矯直輥帶材受力分析Fig.3 Force analysis of strip of lower straightening roll
圖4 上矯直輥帶材受力分析Fig.4 Force analysis of strip of upper straightening roll
連續(xù)拉彎矯直機(jī)組包括開(kāi)卷機(jī)、張力測(cè)量輥、壓板、夾送輥、切頭剪、制動(dòng)S輥組、矯直輥系、牽引S輥組、板形測(cè)量輥、收卷機(jī)等。矯直輥系的前后各有一套S輥組,帶張力的帶材通過(guò)矯直輥系時(shí),在拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的聯(lián)合作用下,產(chǎn)生塑性變形。同時(shí),經(jīng)過(guò)反復(fù)的正向、反向彎曲,使材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力逐漸減小,甚至趨近于零。拉彎矯有延伸率和張力控制兩種運(yùn)行模式,可自動(dòng)閉環(huán)控制板形,也可手動(dòng)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)料卷自動(dòng)裝載、卸載,自動(dòng)穿帶等功能。
彎曲矯直輥系是使帶材先彎曲后矯直的核心部分,彎曲矯直輥系由多個(gè)小直徑彎曲矯直輥組成,其作用是使帶材在張力作用下經(jīng)過(guò)劇烈的反復(fù)彎曲變形,達(dá)到工藝要求的延伸率;其功能是通過(guò)調(diào)節(jié)彎曲矯直輥系的開(kāi)口度來(lái)實(shí)現(xiàn)。彎曲矯直輥系由一組中間輥和支承軸承構(gòu)成,以提高工作輥的剛度。彎曲矯直輥系是無(wú)動(dòng)力的,其與帶材同步運(yùn)動(dòng),不會(huì)因打滑而擦傷帶材表面,工作時(shí)上輥系是相對(duì)固定的,下輥系是相對(duì)可調(diào)節(jié)的,并實(shí)行分段調(diào)節(jié),設(shè)定了最大調(diào)節(jié)量,以保護(hù)輥系。因矯直輥系的精度高,裝配要求嚴(yán)格,在裝配不當(dāng)時(shí),會(huì)造成輥?zhàn)又g相互運(yùn)動(dòng),輥面劃傷,進(jìn)而對(duì)帶材造成表面劃傷。在正常運(yùn)行時(shí),矯直輥系通過(guò)一種特制的油品進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻。當(dāng)輥面及帶材出現(xiàn)劃傷時(shí)必須對(duì)輥面進(jìn)行處理。
張力輥組的作用是使帶材產(chǎn)生張力,由前后兩組S輥組成。前S輥組是牽引輥,后張力輥組是制動(dòng)輥,兩組張力輥都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的,但前張力輥組的線速度高于后張力輥組,帶材的延伸率就是由這一線速度差決定的。前后張力輥組S形布置,使得帶材與張力輥之間接觸摩擦的總包角是最大的,以把開(kāi)卷機(jī)的初始張力進(jìn)行最大限度的放大,帶材在機(jī)列中從開(kāi)卷機(jī)到卷取機(jī)各段的受力情況如圖5所示。為了使帶材與輥面之間摩擦力增加,同時(shí)又不傷害帶材表面,S輥組的輥面襯了一層既耐磨又耐油的聚氨酯材料。每一個(gè)輥?zhàn)佣紟в歇?dú)立的減速裝置及電機(jī)驅(qū)動(dòng),前后S輥組可以分別點(diǎn)動(dòng)。正常工作時(shí),牽引S輥組提供動(dòng)力,被動(dòng)S輥組被動(dòng)并發(fā)電回饋到電網(wǎng)中,以降低能耗。
圖5 帶材張力情況Fig.5 Tension of strip
拉伸彎曲矯直機(jī)組的主要工藝參數(shù)是帶材延伸率、入口壓下量、出口壓下量和矯直張力等。以上工藝參數(shù)的選擇要根據(jù)帶材的品種、厚度、性能、原始板板形及產(chǎn)品要求來(lái)決定,見(jiàn)表1。
(1)延伸率。對(duì)于銅板帶材單純?yōu)榱顺C正板形延伸率一般取值在0.2%~0.6%,如要改變帶材機(jī)械性能則延伸率一般為1%~3%。主要根據(jù)被矯帶材的品種、狀態(tài)、厚度、原始板形確定,當(dāng)來(lái)料板形差、屈服極限高時(shí),延伸率取上限,反之取下限。
表1 典型產(chǎn)品的矯直工藝參數(shù)
(2)壓下量。其值的大小直接影響矯直延伸率,影響矯直效果及帶材的性能。入口壓下量根據(jù)被矯帶材的品種、厚度、狀態(tài)、來(lái)料板形來(lái)確定,同時(shí)與所選延伸率相關(guān)。入口壓下量隨厚度增加而減小,隨著材料屈服極限增加而增加,當(dāng)來(lái)料板形差時(shí),壓下量增加。一般矯直銅及銅合金帶材時(shí),入口壓下量的調(diào)整范圍為-1~-4mm(圖6),出口壓下量的選擇要約小于帶材厚度,以矯直帶材為準(zhǔn),過(guò)小的出口壓下量會(huì)導(dǎo)致帶材反向卷曲。
圖6 入口壓下量Fig.6 Entry rolling reduction
由以上所述可知,為達(dá)到一定的帶材延伸率可以采用不同的方案。例如,用大張力小壓下量或小張力大壓下量均可以得到相同的帶材延伸率。這樣可在一臺(tái)拉伸彎曲矯直機(jī)組上,通過(guò)各種條件的組合,對(duì)較多品種和規(guī)格的帶材進(jìn)行矯直,如采用增大壓下量或延伸率的方式來(lái)改善帶材的機(jī)械性能,銅及銅合金經(jīng)過(guò)去應(yīng)力矯直后,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度約有減小,伸長(zhǎng)率有所增加。但是過(guò)大的壓下量或過(guò)大的延伸率會(huì)使帶材出現(xiàn)翹曲等過(guò)矯現(xiàn)象。