（机械制造及其自动化专业论文）微细扁线材生产装备开发及其关键技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着机械、电子产品不断地向小型化、微型化方向发展，具有电流 承载能力强、传输速度快、散热性能好、占用高度空间小的微细扁线材的应用越 来越广。然而，现状却是微细扁线材的生产技术基本由国外所垄断，国内研究尚 处起步阶段，大量的应用只能依赖于进口。因此，开发具有自主知识产权，质量 达国际先进水平的微细扁线材及其生产装备具有深远的意义和巨大的效益。 论文对微细扁线材生产装备的开发进行了详细论述。在分析了加工方法和总 体设计方案的基础上，计算了各主要工艺参数( 咬入条件与稳定轧制条件，宽展 量，前滑量及轧制压力等) ，完成了装备的机械部分和控制部分的设计。机械部分 主要包括上、下轧辊，动力传递部分，轧辊间隙调节部分，机架及收、放线装置 等。控制部分以三菱f x l n 2 4 m t 为控制器，脉冲方式控制轧制电机的转速及转 向，可实现人机对话交互。通过实际检验，该装备设计合理，工作可靠，功能参 数达国际先进水平，可连续自动化生产线厚0 0 2 l m m ，线厚公差小于 o 0 0 5 m m ，线宽0 1 - 3 m m ，线宽公差小于0 0 3 m m 的各种微细扁线材，生产效 率0 - - 4 0 m m i n 可调。 在此基础上，本文还进行了大量工艺试验，对生产过程中主要工艺参数( 压 下量、轧制速度、精整工序、轧制次数等) 的变化规律及其对微细扁线材质量的 影响进行了研究。推导了相关图表和曲线，为实际生产提供了指导，为下一步的 研究奠定了基础。 自主生产微细扁线材为国内首举，自行开发其生产装备亦为国内首创。因此， 微细扁线材生产装备的成功研发及其工艺试验的总结，不仅为国内自主生产微细 扁线材及其后续产品做出了实质性工作，亦为打破国外垄断的现状做出了积极贡 献。对于提升企业竞争力，丰富国有线材品种皆有深远的意义。 关键词：微细扁线材生产装备p l c 轧制工艺参数线材质量 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm i n i a t u r i z a t i o ni nm a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c sp r o d u c t s ，f i a tm i c r o - w i r e sw i t h s t r o n g e rc u r r e n tc a r r y i n gc a p a c i t y ，f a s t e rt r a n s m i s s i o ns p e e d ，b e t t e rh e a td i s s i p a t i o n ， s m a l l e rs p a c eo c c u p a t i o na r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y h o w e v e r ，s o m eb a s i c t e c h n o l o g i e si np r o d u c i n gf l a tm i c r o - w i r ea r em o n o p o l i z e db yc o u n t r i e sa b r o a da n d t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l di nc h i n ai ss t i l la tt h ei n i t i a ls t a g ea n dt h ew i r e su s e di n c h i n aa r el a r g e l yi m p o r t e df r o mo t h e rc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f e q u i p m e n tf o rp r o d u c i n gf l a tm i c r o - w i r ew i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s a n dh i g hq u a l i t yw i l lh a sf a r - r e a c h i n g s i g n i f i c a n c ea n db r i n g sa b o u tl o t sp r o f i t st o c h i n a t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fe q u i p m e n tf o rp r o d u c i n gf l a tm i c r o - w i r e i nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so fd e t e r m i n a t i o no fm a c h i n i n gm e t h o d sa n do v e r a l l p r o g r a m ，i tm a k e sac a l c u l a t i o no ft h er e l a t e dp r o c e s sp a r a m e t e r s ( t h ec o n d i t i o n sf o r r o l lb i t ea n ds t a b i l i t y ，w i d t hs p r e a d i n ga m o u n t ，f o r w a r ds l i p p i n ga m o u n ta n dr o l l i n g f o r c e ) a n da l s os u c c e e d si nt h ed e s i g no ft h em e c h a n i ca n dc o n t r o lp a r t so ft h e e q u i p m e n t t h em e c h a n i cp a r ti n c l u d e su p p e ra n du n d e rr o l l e r ，p o w e rt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，r o l lg a pc o n t r o lm e c h a n i s m ，r a c ka n dw i r ec ol l e c t i o na n dr e l e a s i n g d e v i c e sa n ds oo n t h ec o n t r o lp a r tw i t hi n t e r a c t i v em a n m a c h i n ed i a l o g u ef u n c t i o n u s e s f x l n 一2 4 m t - t y p eo fm i t s u b i s h i a si t sc o n t r o l l e ru s i n gt h ew a yo fp u l s e c o n t r o l l i n gt h er o l l i n gs p e e da n ds t e e r i n gd i r e c t i o no ft h er o l l i n gm o t o r i ti sp r o v e d t h r o u g he x p e r i m e n tt h a tt h i se q u i p m e n tc a np r o d u c ea l lk i n d so ff l a tm i c r o - w i r e sw i t h 0 0 2 - 1m mw i r et h i c k n e s s ，l e s st h a n 0 0 0 5 m mw i r et h i c k n e s sg a pt o l e r a n c e ， 0 1 - 3 m mw i r ew i d t h ，l e s st h a n 0 0 3 r a mw i r ew i d t ht o l e r a n c ea n d0 4 0 m m i n a d j u s t a b l ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y b a s e do na b o v ea c h i e v e m e n t s ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tal a r g en u m b e ro ft e c h n o l o g y e x p e r i m e n t sa n dm a k e sas u m m a r y o fq u a l i t yo ff l a t m i c r o w i r ea n dt h el a wof c h a n g e si nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r si np r o d u c t i o np r o c e s s ( r o l l i n ga m o u n t ，r o l l i n gs p e e d ， a b s t r a c t f i n i s h i n gp r o c e s s ，r ol l i n gt i m e sa n ds oo n ) a l lt h e s ec a nb es h o w n a sc o r r e s p o n d i n g t a l e sa n dc u r v e sw h i c hc a nb et h eg u i d e l i n ei np r o d u c t i o na n dl a yas o l i df o u n d a t i o n f o rf u t u r er e s e a r c hp r o j e c t s t h ed e v e l o p m e n to fe q u i p m e n tf o rp r o d u c i n gf i a tm i c r o - w i r ei sa ni n i t i a t i o ni nt h i s f i e l di nc h i n a i ti sn o to n l yl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c hi nt h i sf i e l db u t a l s om a k e sg r e a tc o n t r i b u t i o nt ob r e a kt h em o n o p ol yi nt h i sf i e l db yo t h e rc o u n t i e s i t h a sg r e a t s i g n i f i c a n c e i n s t r e n g t h e n i n gc o m p e t i t i v e n e s s o ft h ee n t e r p r i s e sa n d e n r i c h i n gt h ev a r i e t yo fw i r e si nc h i n a k e y w o r d s ：f l a tm i c r o - w i r e ；p r o d u c t i o ne q u i p m e n t ；p l c ；r o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ； q u a l i t yo fw i r e i h 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 6 指导教师签字： 论文作者签字： 加7 年o 6 月p6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着机械、电子产品不断地向小型化、微型化方向发展，具有优良 性能的微细金属线材( 毫、微米级尺寸) 及其加工方法，越来越引起人们的关注。 同时，随着研究的不断深入与加工工艺的不断发展，人们已发现扁平截面的线材 在电流承载能力、传输速度、散热性能及占用高度空间等方面都优于目前普遍采 用的圆形截面线材h ”，。于是，兼具有以上“微细 和“扁平”两大特点的微细 扁线材便成为了当今线材发展的趋势之一。 1 2 本课题的研究背景 1 2 1 微细扁线材的基本特征 从进口的国外线型来看，微细扁线材一般具有以下三大基本特征： 1 、线材截面扁平，而非圆形截面。线材截面示意图如图卜1 示： 巨当或巨引 图1 - 1 微细扁线材截面示意图 f i g 1 一lc r o s s - s e c t i o no ff l a tm i c r o - w i r e 2 、线材尺寸微细，且扁平率( 线宽：线厚) 较大。国外线型的线厚一般介于 0 0 3 , - 一0 2 m m ，线宽为0 3 l m m ，扁平率大多介于3 ：1 至8 ：1 2 _ 间。 3 、尺寸精度高，表面质量好。以国外线型而言，微细扁线材的线厚公差一 般小于4 - 0 0 1 0 m m ，线宽公差一般小于0 0 3 m m “。 1 2 2 扁平化的主要优点 性能方面，较之于圆形线材，截面扁平化后的微细线材具有以下主要优点： 1 、扁线材有效散热表面积更大，散热能力更强。因为在同等体积条件下， 扁线材的表面积比圆线材的要大，故在持续工作时，扁线材的散热能力更强，温 广东工业大学硕士学位论文 升更小。 2 、截面积和长度相等的情况下，扁线材的电流承载量大于圆线材。基于优 点l 可知，线材温升小，则分子振动小，那么在物理体积相等的情况下，扁线材 比圆线材能更平稳地运载更多的电流。 3 、跟传统的圆形导体相比，平行排列的扁平线材可以取得更低的电感，使 电流流动更加顺畅，传输速度更快。 4 、厚度方向所占空间远远小于圆形线材，大大节省高度方向的空间。这对 于其在电路板上的应用十分有利n ，钔，。 1 2 3 微细扁线材的应用 微细扁线材用途广泛，尤其在线路板的补线、各类电子元件、感应式i c 卡、 高音质传输线、太阳能电池接头以及微细电机等方面已被业内广泛采用n ，。 线路板补线方面，由于此类微细扁线材是用与线路板铜箔同性能的无氧铜轧 制成形，外层还可进一步镀锡或镀金抗氧化，故修补后的电路板阻抗与原电路板 阻抗十分接近，不影响原电路板工作性能。同时，无氧铜熔点较低，焊接处原电 路熔断比率很低，可靠度很高r s ，。 声音传导方面，由于微细扁线材具有近光速传导、超低电容量、超低介电迟 滞现象及低集肤效应等独特优点，使得其在高档音质传导方面应用十分普遍，享 有“音乐丝带 之美誉n 一，。 1 3 国内外研究现状 资料表明，微细扁线材的生产与研究基本由国外所垄断，尤其是美国和韩国 对其研究和生产已相当深入成熟。国内研究尚处起步阶段。 美国a c c u r a t ew i r e 公司集6 0 年生产经验，自主研发了微细扁线材轧制设备， 现已可稳定生产线厚0 0 0 1 ”0 1 2 5 ( 约0 0 2 5m m 3 2h i m ) ，线宽0 0 0 5 0 5 0 0 ” ( 约0 1 2 5m m 1 3m m ) 的各种微细扁线材【4 】( 如图1 - 2 所示) 。线材材料 涉及紫铜、黄铜、碳素钢及铝合金等。此公司的微细扁线材生产技术处于国际领 先水平。 美国a u t o p r o c e s s 公司也实力雄厚，但该公司目前只生产用于线路板补线的 无氧铜镀金微细扁线材，类型十分单一。其生产的最微无氧铜镀金微细扁线材可 2 第一章绪论 迭00 0 4 ”0 0 0 1 5 ”( 约0 1 0 0 4 m m ) ，且线厚公差小于00 0 0 5 ”( 约 0 0 1 3 m m ) ，线宽公差小于0 0 0 1 ”( 约o0 2 5 $ m ) ，线村导电率为 0 0 0 0 0 0 1 6 9 0 c m ，热膨胀系数为00 0 0 0 i 7 ( 如图i 一3 所示) “，。 韩国w o r l db c 公司则采用压延技术，相应规格的圆形线材经压轧，冶炼、 卷曲三步骤可生产线厚0 0 3 5 - - 0 i m m ，线厚公差0 0 l 0 0 2 m m ，线宽0 3 0 12 7 m m ，线宽公差00 3 o 0 5 m m 的各型号微细扁线材。技术也相对成熟“。 国内而言，我们收集的资料与科技查新工作表明，至今尚没有企业或机构专 业生产微细扁线材，亦未检索到微细扁线材生产装各，对其大量的应用却只能基 本依赖于进口。部分拉丝模具厂( 如北京泰北华科技发展有限公司) 尝试过用聚 晶拉丝模来生产微细扁线材，但效果不太理想。目前所能拉制的最微扁线材尺寸 约0 3 0 i m m ，若尺寸进一步变小往往无法拉出，且拉制线材的尺寸精度、传导 性能、机械性能及焊接性能等都不尽人意”1 。 图卜2a c c u r a t e w i r e 公司生产的微细扁线材 f i g 1 - 2f l a tm i c r o w i r ep r o d u c e db ya c c u r a t ew i r ec o m p a n y 图1 3a u t o p r o c e s s 公司生产的微细扁线材 f i g1 - 3f l a tm i c r o - w i r ep r o d u c e db ya u t o p r o c e s sc o m p a n y 广东工业大学硕士学位论文 1 4 本课题研究概况 1 4 1 研究意义和目标 综上所述，一方面，微细扁线材性能突出，用途广泛，尤其在线路板的补线、 各类电子元件、感应式i c 卡、高音质传输线、太阳能电池接头以及微细电机等方 面已被业内广泛采用。另一方面，国内对于微细扁线材的研究还处于起步阶段， 尚未有厂家或研究机构专业生产，亦无专业生产装备，生产技术为国外所垄断。 此种大量应用又无自主生产的矛盾，决定了我们深入微细扁线材的研究具有明确 的必要性和深远的意义。 本课题的研究目标主要有三： 1 、生产具有自主知识产权的微细扁线材，质量达国际先进水平，技术参数 如下：线厚0 0 2 - lm m ，线厚公差小于0 0 0 5 m m ，线宽0 1 5 0 m m ，线宽公差小 于0 0 3 m m 。 2 、自行开发一套微细扁线材生产装备，此装备可连续自动化生产以上各规 格的微细扁线材，生产效率较高。 3 、通过工艺试验，总结出微细裸扁线生产过程中主要工艺参数的变化规律 及其对微细扁线材质量的影响，推导相应的经验算法和图表，建立前期工艺数据 库，为实际生产提供指导。 1 4 2 课题来源 本课题来源于企业：广州微点焊设备有限公司。 1 4 3 课题研究内容 本课题主要完成以下研究内容： l 、生产装备的开发 机构部分：实现微细扁线材生产的动力提供与传输，并可根据线型要求，合 理调整相关加工参数。 控制部分：通过人机对话，对机构部分及电气部分进行有效控制，实现连续、 自动化生产。 2 、工艺实验研究 工艺试验：针对毫米级以下的各种微细扁线材进行工艺试验，以获得微细扁 4 第一章绪论 线材在生产过程中主要工艺参数的变化规律，以及由此而造成的 线材质量的影响和加工工艺性的影响。 参数选择与优化：对微细扁线材生产过程中主要工艺参数的变化规律进行归 纳。并在此基础上，推导出相应的经验算法和图表，建立前期工 艺数据库，为实际生产提供指导。 5 第二章加工方法的确定与总体方案设计 第二章加工方法的确定与总体方案的设计 2 1 加工难点分析 微细扁线材的加工难点主要集中于以下四个方面： 1 、线型尺寸微细。就国外线型来看，微细扁线材的线厚大多在0 0 3 0 2 m m 之间，线宽大多集中在0 3 l m m 。尺寸的微细，特别是厚度方向的超薄，造成其 在加工过程中容易出现微裂纹，微气孔，甚至断裂。另一方面，厚度方向的尺寸 均匀性亦需严格保证，否则线材性能大受影响。 2 、截面形状扁平。目前微细圆线材的生产技术已相对成熟，但对于微细扁线 材的研究与生产实践还很少，国内更是处于起步阶段。截面形状的异化，以及加 工经验甚少的现状决定了其加工的难度。 3 、传导性能及机械性能要求高。根据微细扁线材的应用范围，可知其对电流 的承载能力，散热性能，电感量，电容量，介电迟滞现象及线材所占高度空间等 诸多方面都有严格要求，这决定了微细扁线材的生产须严格控制其微观组织、截 面形状、表面质量及其内部缺陷等众多指标。 4 、扁平率大，变形量大。目前所生产的微细扁线材的扁平率已可达8 ：1 ，甚 至更大。如此大的扁平率决定了材料在加工过程中的变形量也十分大，引起的加 工硬化现象明显，故常需退火处理。这给连续生产，短周期加工及线材机械性能 的保证带来了难度。 2 2 加工方法的分析与选择 根据微细扁线材的特点及加工难度分析，充分考虑各种加工方法，可以参考 的加工方案主要有三种。即拉丝法、挤压法与轧制法。 2 2 1 拉丝法 拉丝法是国内涉足微细扁线材加工的方法之一。其原理是在拉丝机的基础上， 利用扁平模口的拉丝模具，将线材逐渐拉伸至所需的形状与尺寸。目前此法能生 产的最小的扁线型约为o 3 0 1 m m ，尺寸进一步变小往往会造成扁线材的质量大 6 第二章加工方法的确定与总体方案的设计 大下降，甚至无法拉出。 拉丝法的主要特点如下： l 、直接拉制成形，工艺相对简单； 2 、有拉丝模具限制，线材截面形状相对容易保证； 3 、可大长度，连续生产，生产效率高； 4 、设备要求较高，一种线型须对应一套拉丝模具，成本高； 5 、常需退火处理，生产周期相对较长。 6 、拉丝过程线材受拉应力作用，其传导性能及机械性能较难保证t 7 , 8 , 0 ，。 2 2 2 挤压法 挤压法是国内另一涉足扁线材加工的方法，但此法目前主要针对变压器绕组 而生产扁平铜线，所加工的扁线材都在毫米级以上，尚未检索到有应用此法对毫 米级以下的微细扁线材进行加工的相关文献。其原理如图2 1 所示，在压实轮与挤 压轮之间的压力及相对滚动下，线材坯料被连续送入由挤压轮、挤压腔体以及堵 头所组成的轮腔，由于坯料的不断送入，造成轮腔内产生10 0 0 m p a 以上的高压及 6 0 0 0 c 左右的高温，在此作用下，金属通过相应扁平模口挤出而形成扁线材n ”。 43p 1 、坯料2 、压实轮3 、挤压轮4 、挤压间隙 5 、挤压腔体6 、模具7 、堵头 图2 1 挤压法加工扁线材 f i g 2 le x t r u s i o nm e t h o di nm a c h i n g f l a tw i r e 挤压法是对传统拉丝法的变革，其特点主要有： 7 广东工业大学硕士学位论文 l 、生产工艺简单，成本相对较低； 2 、金属在轮腔内为热挤压，易于生产出具有优良机械性能和微观形态的线材； 3 、热挤压成形，成形后的扁线材不受原坯料内部缺陷和表面质量的影响； 4 、可大长度、连续生产，生产效率高； 5 、不须退火处理，生产周期短； 6 、原材料统一，备料方便。 7 、设备要求较高，结构相对复杂，一种线型需要一套模具 1 0 , 1 1 , 1 2 ，。 2 2 3 轧制法 国外对于微细扁线材的加工主要聚中于此种加工方法。如美国a c c u r a t ew i r e 公司和a u t o p r o c e s s 公司都采用此法，。其原理如图2 2 所示，即利用轧辊轮的相 对滚动，将圆形线材不断带入轧辊间隙，并根据线型尺寸与材料变形程度，合理 地调节轧辊间的相对间隙，以将圆形线材轧制成相应规格的扁线材，。 一r 、 褂 h 图2 2 轧制法加工微细扁线材 f i g 2 2r o l l i n gm e t h o di nm a c h i n gm i c r o f l a tw i r e 轧制法的特点主要有： l 、有利于生产出晶粒组织致密的高要求线材； 2 、通用性强。无需更换设备，只需根据压力与线材变形关系调节轧辊间的相 对间隙及压力，即可生产出不同规格的微细扁线材： 3 、可大长度，连续生产，生产效率高； 4 、工艺相对复杂，先要生产出相对应的圆形细线，再进行轧制； 5 、设备较复杂、加工精度要求高，成本较高”1 ”。 8 第二章加工方法的确定与总体方案的设计 2 2 4 加工方法的选择 仔细对比以上加工方案，借鉴国外生产经验，参考国内成熟的铜材轧制装备， 本课题拟采用多级连续轧制法来实现微细扁线材生产装备的开发。 2 3 装备开发的技术难点 综观微细扁线材及轧制工艺的特点，此套装备开发的技术难点主要集中于以 下几方面： 1 、轧制工艺参数难于准确确定。现有轧制成型的算法、公式及经验图表大多 集中于毫米级以上的板带材，对于毫米级以下的微细线材几乎未有涉及。如此， 在微细扁线材轧制工艺参数的确定过程中，很多算法与公式的针对性差，多数经 验数据更是无法查得，故准确计算出各轧制工艺参数具有较大难度，这也给后继 装备的开发带来了不利影响。 2 、两轧辊的加工精度及安装精度要求甚高。微细扁线材的尺寸微细且精度要 求高( 拟开发的线材线厚公差小于0 0 0 5 r a m ，线宽公差小于0 0 4 r a m ，表面粗 糙度介于r a 0 3 0 5 ) ，而两轧辊的尺寸精度与表面质量直接影响微细扁线材的 质量，故上、下两轧辊的设计、加工与安装是装备开发的重中之重，亦是首要难 点所在。 3 、轧辊间隙的精确调节。轧制过程中，轧辊间隙需要根据线型的要求而精确 且微量的调节，最微调节量小于0 0 0 5 r a m 。精确而微小的调节量也是此装备开发 难点之一。 2 4 总体方案的设计 成套的轧制生产线应由多级( 具体级数应根据后续工艺试验而定。初步拟定 为三级，其中两级轧制，一级精整) 相近结构的轧制装备、尺寸精整装备以及收、 放线装置组成，且级与级之间设有线材导向装置及浮辊式张力检测装置。其三维 模型如图2 - 3 所示。但做为初始研发，我们决定不先盲目开发多级轧制生产线， 而是先开发一台单级轧制装备。其原因主要有二：一是具体级数尚未确定，只有 待工艺试验后方可得出，盲目地开发多级生产线很可能造成浪费。二是各级轧制 及尺寸精整装备结构十分相近，完全可以重复利用单级装备而达到多次轧制及尺 9 广末i 业大顿学位论文 寸精整的目的。于前期试验而言，条件己完全具备 1 、第一级轧制装置2 、第二级轧制装置3 、尺寸精整装置4 、导轮浮辊架 图2 3 微细扁线材多级轧制成型装备模型 f i g2 3 1m u l t i s t a g er o l l i n ge q u i p m e n tm o d e li nm a n e h i n i n gf l a tm i c r o w i r e 2 41 轧制方案的设计 单级轧制成型装置的设计是整套装备研发的重点。其可选方案有两种，一种 是通过精确调节两轧辊间的辊隙来保证微细扁线材的厚度( 简称控制辊隙方案) 。 另一种方案是通过调节两轧辊间的相对轧制力来达到将线材轧扁的目的( 简称控 制轧制力方案) 。 控制辊隙方案的装备结构示意图如图24 所示，其主要包括动力传递部分和 辊隙调节部分。动力传递部分由电机通过v 带传动及齿轮传动后驱动下辊轴转动。 上、下轧辊尺寸相等，以保证其在轧制过程中线速度基本一致。当需要调节轧辊 间隙时，可转动刻度盘，经蜗轮蜗杆传动带动高精度小螺距的螺旋传动，这样， 与螺杆相配合的主副螺母( 采用主副螺母以消除丝杆间隙) 即可带动龙门支架、 轴承座和上轧辊轴一起上下移动，达到调节两轧辊间隙的目的。同时，为保证轧 辊间隙调节精确，左、右两轴承座各由一对直线导轨牵引。由于螺旋传动的螺距 很小，再经大传动比的蜗轮蜗杆传动，此装备可实现轧辊间隙的最小调节量有望 达00 0 5m m 。 第二章加工方法的确定与总体方案的设计 1 、蜗轮蜗杆传动机构2 、螺旋传动机构3 、上轧辊轴4 、齿轮传动机构 5 、下轧辊轴6 、v 带传动机构7 、电动机 图2 4 控制辊隙方案简图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo fr o l lg a pc o n t r o l 1 、螺旋传动机构2 、压缩弹簧3 、上轧辊轴4 、齿轮传动机构 5 、下轧辊轴6 、v 带传动机构7 、电动机 图2 5 控制轧制力方案简图 f i g 2 5t h ep r i n c i p l eo fr o l l i n gf o r c ec o n t r o l 控制轧制力方案的装备结构示意图如图2 - 5 所示，其主要包括动力传递部分 广东工业大学硕十学位论文 和轧制力调节部分。动力传递部分与控制辊隙方案一致。不同的是此方案不再控 制轧辊间隙，而是根据材料变形所需压力来相应调整轧制力以实现轧扁线材的目 的。具体方法是通过调节手柄转动螺旋传动机构，进而调整弹簧的压缩量以获得 合适的轧制力。同理，为保证轧制时上、下轧辊的固定位置，上轧辊的两轴承座 也各由一对直导轨牵引。 具体分析以上两种方案利弊如下： 控制辊隙方案： 优点：l 、利用大传动比的蜗轮蜗杆传动与高精度小螺距的螺旋传动配合，外 加主副螺母消除丝杆间隙，可使得辊隙能得到较精确调节。 2 、辊隙大小可自由调节，小压下量甚至零压下量( 整形) 亦可实现。 而整形工序的实施有利于提高成线最终的尺寸精度与表面质量。 3 、定传动比机构传动调节辊隙，操作方便、可靠，可重复性强。 4 、可满足自然咬入条件，进线容易、快捷，利于自动化生产。 缺点：1 、设备( 尤其是上、下轧辊) 的加工误差与振动会直接映射于微细 扁线材，成线的线厚均匀性较难保证。 2 、装备的精度要求高，成本高。 控制轧制力方案： 优点：1 、利用压缩弹簧的缓冲作用，减小设备加工误差及振动对微细扁线 材质量的影响，线厚均匀性得到一定改善。 缺点：1 、由于轧辊跳动和载荷变化速度快、持续短、幅度小，因此要求压 缩弹簧响应速度要十分快，灵敏度很高，但弹性迟滞现象的不可消 除性决定了此方案对线厚均匀性的改善效果十分有限。 2 、从另一层面讲，压缩弹簧与所轧制线材的弹性常数不可能一致，因 此多余的压下量与弹簧缓冲量亦不会一致，这也限制了控制轧制力 方案对于线厚均匀性的改善效果。 3 、轧辊、轴承座的自重( 大于2 5 k g ) 与弹簧作用力决定了此方案的 单次压下量必定要大于一定值，因此过小的压下量无法实现，整形 工序更无从谈起，成线最终的尺寸精度与表面质量会大打折扣。 4 、未生产时，上、下轧辊会由于自重和弹簧力的作用而紧贴在一起， 因此进线工序较困难。 1 2 第二章加工方法的确定与总体方案的设计 5 、由于弹性系数的影响，使得精确量化轧制力存在一定难度，故设备 调节起来较麻烦，可重复性较差。 6 、装备精度要求高，成本高。 仔细对比以上分析，控制轧制力方案虽然在保证线厚的均匀性方面有一定利 处，但由于弹性迟滞现象的不可消除及弹性常数不一致等原因，其效果亦不会很 明显。同时此方案难于实现整形工序，进线较困难，操作的可重复性较差，因此 不宜采用。控制辊隙方案可有效克服了以上诸多缺点，且只要合理设计、加工与 装配，其亦可保证较优的线厚均匀性，故被本课题采用。 2 4 2 控制方案的设计 此装备控制部分由触摸屏，p l c 控制器，步进电机和直流电源所组成。主要 作用是通过p l c 控制器所发的脉冲信号来控制轧制电机的转速及转向。 2 4 3 收、放线方案的设计 收线装置由绕线机与排线器配套而成，手动收线，自动排线。其结构示意如 图2 - 6 所示，绕线机主轴通过同步带传动驱动c 型排线器的光杆转动，使排线器 产生轴向移动，微细扁线材经排线架上的导轮装置可均匀地排列于收线盘上。如 果线材线宽改变，只需相应调整排线器刻度盘上的指针即可。如果排线行程改变， 则相应地调整换向挡块位置。 广 l 1 、微细扁线材2 、导轮3 、换向装置4 、收线盘 5 、收线手柄6 、v 带传动机构7 、c 型光杆排线器 图2 - 6 收线装置原理简图 f i g 2 6t h ep r i n c i p l eo fw i r ec o l l e c t i o nd e v i c e 广东工业大学硕士学位论文 放线装置无电机驱动，其放线过程由线材的轧制咬入力实现。为了保证线材 在轧制过程中保持一定的张力，同时为了防止轧制速度的改变而造成放线速度的 明显波动，可在放线机与轧制装备间配一磁力张力器。 2 5 本章小结 本章在介绍了微细扁线材的加工难点的基础上，详细分析了各种加工方法， 并最终确定采用轧制法来开发本课题。同时，在分析了装备开发技术难点的基础 上，讨论、确定了装备的总体设计方案。 1 4 第三章轧制基础概念与轧制工艺参数的确定 第三章轧制基础概念与轧制工艺参数的确定 3 1 轧制过程基础概念 轧制过程靠旋转的轧辊与轧件之间形成摩擦力以将轧件拖进辊隙间，并使之 受到压缩而产生塑性变形的过程。轧制过程除使轧件获得一定的形状与尺寸之外， 还须使组织和性能得到一定程度的改善。为了更好地研究和控制轧制过程，需要 先对轧制过程的基础概念有所了解。 3 1 1 变形区及其主要参数 轧制原理要先从简要轧制过程讲起。所谓简单轧制过程，就是指轧制过程上 下轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊，轧制过程对两个轧辊完全对称，轧 辊为刚性，轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用，轧件在入辊处和出辊 处速度均匀，轧件的机械性质均匀。理想的简单轧制过程在实际中是很难找到， 但有时为了讨论问题方便，常把复杂的轧制过程简化成简单轧制过程。 轧件承受轧辊作用发生变形的部分，称为轧制变形区，即从轧件入辊的垂直 平面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域a a 。b 。b ( 图3 - i ) ，通常又把它称为几何 变形区。轧制变形区主要的参数有咬入角和接触弧长度圳。 图3 - i 变形区的几何形状 f i g 3 1g e o m e t r yf o r mo ft h ed e f o r m a t i o nz o n e 1 5 广东工业大学硕士学位论文 3 1 1 1 咬入角( a ) ， 如图3 1 所示，轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角称为咬入角。压下 量与轧辊直径及咬入角之间存在如下关系： 因此得到 又 得 a h = 2 ( r r c o s g ) a h = d ( 1 - - c o s g ) c o s 口：1 一丝 d 口1 瓜 8 m 一2 2 1 一rv 当a 很小时( 口 1 0 。1 5 。) 。1 玟s i n - a 2 詈，此时可得： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 口= 拦 ( 3 3 ) 式中d 、r 一一分别为轧辊的直径和半径； 幽一一压下量叫”。 3 1 1 2 接触弧长度( ，) 轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影长度，称为接触弧长度，也叫咬入弧长 度，即图3 1 中的a c 线段。通常又把a c 称为变形区长度。 接触弧长度因轧制条件的不同而异，但本课题拟开发的装备的两轧辊直径相 等，故从图3 - 1 中的几何关系可知： j 2 ：r 2 - ( r 一了a h ) 2 ( 3 4 ) 所以 ，：压萼 ( 3 5 ) 由于式3 5 根号中的第二项比第一项小得多，因此可以忽略不计，则接触弧长 度公式变为： ，= 舨石 ( 3 6 ) 用式3 6 求出的接触长度实际上是a b 弦的长度，可用它近似代替a c 长度 1 9 , 2 0 ，。 3 1 2 轧制变形的表示方法 1 6 第三章轧制基础概念与轧制工艺参数的确定 3 1 2 1 用绝对变形量表示 用轧制前、后轧件绝对尺寸之差表示的变形量，称为绝对变形量。 绝对压下量为轧制前、后轧件厚度h 、h ：l 差，即a h = h h 。 绝对宽展量为轧制前、后轧件宽度b 、b r l 差，即幽= b b 。 绝对压下量为轧制前、后轧件长度l 、1 之差，即, s h = ，一三。 用绝对变形不能正确地说明变形量的大小，但由于习惯，前两种变形量常使 用，而绝对延伸量一般不使用。 3 1 2 2 用相对变形量表示 用轧制前、后轧件相对尺寸变化表示的变形量，称为相对变形量。相对变形 量有： 相对压下量： 相对宽展量： 相对延伸量： h - h 1 0 0 ，h - h 1 0 0 ，l n h - 尼爿 b - b l o o ，b - b 1 0 0 ，l n 鱼 bbj i - l1 0 0 ，i - l1 0 0 ， h l 三 前两种表示方法只能近似地反映变形的大小，但较绝对变形表示方法已进了 一步。后一种方法来自移动体积的概念，故能够正确地反映变形的大小，所以相 对延伸量也叫真变形。 3 1 2 3 用变形系数表示 用轧制前、后轧件尺寸的比值表示的变形程度，此比值称为变形系数。变形 系数包括： 压下系数： 宽展系数： 延伸系数： h ，72 _ 甩 d b 2 一b ， 2 了 l 根据体积不变原理，三者之间存在如下关系，即巧= 筇。变形系数能够简单 而正确地反映变形的大小，因此在轧制变形方面得到了广泛的应用n ”。 1 7 广东工业大学硕士学位论文 3 2 轧制工艺参数的计算 3 2 1 咬入条件与稳定轧制条件的确定 3 2 1 1 咬入条件的确定 依靠回转的轧辊与轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象称为 咬入。与咬入条件直接有关的是轧辊对轧件的作用力，由于上、下轧辊对轧件的 作用方式相同，所以我们只取上轧辊分析即可。如图3 2 所示，将作用在a 点的 径向力n 与切向力t 分解成垂直分力n y 与t y 和水平分力n x 与t x ，显然，垂 直分力n y 与t y 只对轧件起压缩作用，使轧件产生塑性变形，故在此无需讨论。 水平分力n x 与t x 方向相反，n x 与轧件运动方向相反，阻止轧件进入轧辊辊缝 中；而t x 与轧件运动方向一致，力图将轧件咬入轧辊辊缝中。由此可见，在没 有附加外力作用的条件下，为实现自然咬入，必须是咬入力t x 大于咬入阻力n x 方可。 而： 图3 - 2 轧辊对轧件作用力分解图 f i g 3 2f o r c ea n a l y s i so ft h er o l l e rt ot h er o l l e d 当满足以 瓦时，即： n x = n s i n a t 疋= t c o s a = n f c o s a n s i n a u f c o s a t a r t a r f 1 8 第三章轧制基础概念与轧制工艺参数的确定 所以：口 1 ，故取外端影响系数：n 二= 1 ；张力影响系数：n a ”= 1 0 5 ，。 h 代入各参数，可得单位压力为： p = n , a n o n ：n 0 口= 1 1 5 x7 xlx 1 0 5 0 - _ , = 1 1 5 7 x l 1 0 5 0 8 4 0 , 7 1 0 0 - ， 故轧制压力： p = p f = 7 1 0 0 - ，1 1 9 = 8 4 8 0 - ， 由于轧制时可能退火铜与加工铜皆的涉及，故分别计算如下： 退火铜： o s = 6 0 m p a p = 8 4 8 0 , - - 5 0 8 8 n 加工铜：o s = 3 4 5 m p a p = 8 4 8 0 - , - - 2 9 2 5 6 n 综上所述，取最大轧制压力为：p = 3 0 0 0 n 。 3 3 本章小结 本章介绍了轧制过程的基础概念，并在此基础上，对装备开发所需的轧制工 艺参数进行了确定( 主要包括咬入条件与稳定轧制条件的确定，宽展量、前滑量 的估算，轧制压力的计算等) ，为后续装备开发与工艺实验提供了依据。 广东工业大学硕士学位论文 第四章微细扁线材生产装备的机械结构设计 微细扁线材生产装备的机械结构部分主要包括上、下轧辊轴，动力传递部分， 辊隙调节部分，机架以及收、放线装置。以下各节将详细介绍各部分的具体结构 设计及其主要技术参数。 4 1 上、下轧辊轴的设计 上、下轧辊轴是微细扁线材轧制成型装备的重要组成部分，其尺寸精度与表 面质量会直接映射给微细扁线材，因此上、下轧辊轴的合理设计与加工、装配是 整台装备开发的关键。 上、下轧辊轴的具体结构如图4 1 和图4 2 所示。两轧辊轴结构相近，只因 下轧辊轴一端有传动齿轮配合，故稍有区别。承前章参数计算可知，为保证咬入 条件与稳定轧制条件( 3 2 1 节) ，轧辊处直径宜选为2 0 2 m m 。考虑到轧辊轴强度 要求高，耐磨性要好，故选材合金钢4 0 c r ，坯料为锻压件，整轴调质处理至2 4 0 - 2 6 0 h b ，辊面处表面淬火至5 0 5 5 h r c 他”。精度方面，轴承轴颈处选用i t 4 级精 度，其同轴度公差值为o o 0 0 5 m m ，圆柱度公差值为o 0 0 5 m m ：辊面处选用i t 6 级精度，其相对于轴承轴颈处的同轴度公差值为0 0 0 8 m m ，全跳动公差值为 0 0 0 8 m m ，辊面精