改善极薄带轧后边紧肋浪板形缺陷的工作辊辊形设计方法

摘要

本发明提供一种改善极薄带轧后边紧肋浪板形缺陷的工作辊辊形设计方法，属于板带压延技术领域。该方法首先对20卷以上的极薄带轧后板形情况进行统计分析，得到轧后极薄带边紧肋浪板形缺陷的分布特点，然后明确生产中轧机工作辊辊身长度和极薄带入口宽度，以确定新辊形凸起区位置；最后明确工作辊初始辊形的使用情况，根据工作辊初始辊形设计新辊形中部辊形曲线。该辊形各段曲线参数主要根据轧机工作辊辊身长度、极薄带入口宽度、轧后极薄带板形情况和初始工作辊辊形确定。该方法可有效改善极薄带轧后出现的边紧肋浪板形缺陷，降低由此产生的废料，提高极薄带轧制成材率。

说明书

技术领域

本发明涉及板带压延技术领域，特别是指一种改善极薄带轧后边紧肋浪板形缺陷的工作辊辊形设计方法。

背景技术

随着产品轻量化和微型化的兴起，电子、医疗、能源、交通等行业对高质量金属极薄带出现迫切需求，对极薄带成品的板形精度要求也越来越高。本发明的研究对象是用于制造各种电容器的电子铝箔极薄带产品，作为一种功能性材料，除对成品织构和厚差有较高要求外，其对板形的精度亦有很高要求。某厂电子铝箔板带成品厚度为0.08mm～0.12mm，该厂箔轧机板形自动控制系统包含轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、轧辊冷却喷淋和轧辊热喷淋等控制手段。实际生产中发现，各种板形控制手段均使用时，铝箔成品板带仍存在明显的边紧肋浪板形缺陷，该边紧肋浪板形缺陷容易导致后续拉矫工序产生断带，增加废料量。因此，改善板带边紧肋浪板形缺陷，对铝箔产品后续工序的顺利开展和降低废料量有重要意义。

轧制过程中，材料变形和摩擦产生的轧制热一部分被带坯和轧制冷却油带走，大部分则传递给上、下工作辊，使工作辊温度升高。由于工作辊的辊身长度比所轧制带坯的宽度大，沿辊身方向形成接触区和无料区。在无料区，工作辊无从得到轧制变形热和摩擦热，高速旋转的工作辊带来的空气又通过对流带走大量的热。而工作辊中部与带坯轧制接触区域，则有传入的热量。经过一段时间的轧制后，工作辊中心区域的辊面温度会明显高于两侧的辊面温度，造成轧辊轴向热凸度不均。工作辊在两侧带材边缘区温度低，径向热膨胀小，造成此区域的实际有载辊缝加大，铝箔板带边部区域得不到有效压下，造成轧后带材在此区域“相对较厚”，从而在板带边部产生边紧区域，带材边紧区一般为距离带材边部10mm～20mm宽度的范围。轧制中出口张力的存在使得带材边紧区弹性变形，此时箔轧板带在轧机出口无明显板形问题。轧制完成后，人工将板带展开，此时边紧区对相邻区域形成一种“外端拉应力”，造成该相邻区域带材呈受压状态，产生表观可见的“边紧”和“肋浪”板形缺陷。将轧后极薄带边紧区切除，肋浪板形缺陷随之消失。

虽然目前在铝箔板带板形问题上有一些研究成果，但主要集中在对轧辊凸度和轧制工艺对板形影响的研究。如文献1(工作辊辊形对铝箔板形影响的有限元分析，工程科学学报，2005，第1期)采用有限元研究了不同工作辊辊形在冷辊和热辊状态下轧机辊缝形状、铝箔轧机辊缝处上工作辊的轧制压力轴向分布及铝箔凸度，并以此来评判轧后板形情况。文献2(铝箔轧制中的板形控制，轻合金加工技术，2007，第4期)认为轧辊凸度及其粗糙度、轧辊热凸度的冷却工艺、板形自动控制及目标板形曲线的设定都对铝箔板形产生重要影响。文献3(四重铝箔轧机工作辊辊形曲线的优化，2013，第7期)为了改善工作辊对应区域等效凸度过大导致的二肋浪板形问题，对采用不同凸度、不同半角时的工作辊曲线进行了对比，结果表明通过提高工作辊曲线半角角度可使二肋浪板形问题得到解决。然而，以上方法针对箔材生产过程中产生的常规典型浪形或许有效，针对边部极窄区域“边紧”及其导致的“肋浪”板形问题则不能起到很好的改善效果。目前，针对箔轧板带轧后“边紧”及其导致的“肋浪”板形缺陷还没有相关的研究和很好的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善极薄带轧后边紧肋浪板形缺陷的工作辊辊形设计方法，用于弥补轧制过程中工作辊轴向热凸度不均，增大板带边部压下量，从而改善极薄带边紧肋浪的板形缺陷。

该方法包括步骤如下：

(1)对20卷以上的极薄带轧后板形情况进行统计分析，根据轧后边部肋浪在极薄带宽度方向的长度和极薄带边部边紧区宽度，确定辊形凸起过渡区宽度m和辊形凸起调节区宽度n；

(2)明确生产中轧机工作辊辊身长度2L和极薄带入口宽度2B，确定新辊形凸起区位置L-B和L+B；采用称重测厚的方法测量极薄带轧后沿宽度方向的板带横截面轮廓，计算得到板带边部边紧区域相对凸度，根据相对凸度值的变化量确定新辊形凸起调节区调节系数r；明确工作辊初始辊形凸度c和正弦半角值α等参数，根据工作辊初始辊形参数设计新辊形中部辊形曲线，使新辊形中部辊形曲线与工作辊初始辊形曲线一致；

(3)根据辊形特征定义x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆六个关键点，新工作辊辊形曲线分七段分别表示，公式如下：

1)第一段为辊形凸起区，为二次曲线，公式为：

a₁x²+b₁x,x≤x₁

2)第二段为辊形凸起调节区，为一次曲线，公式为：

a₂x+b₂,x₁≤x≤x₂

3)第三段为辊形凸起过渡区，为二次曲线，公式为：

a₃x²+b₃x+c₃,x₂≤x≤x₃

4)第四段为辊形正弦区，与初始辊形曲线一致，为正弦曲线，公式为：

c/(1-cosα)*(cos(αx/L-α)-cosα),x₃≤x≤x₄

5)第五段与第三段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₃(x-2L-b₃/a₃)²+b₃(x-2L-b₃/a₃)+c₃,x₄≤x≤x₅

6)第六段与第二段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₂(2L-x)+b₂,x₅≤x≤x₆

7)第七段与第一段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₁(x-2L-b₁/a₁)²+b₁(x-2L-b₁/a₁),x≥x₆

上式中，c为初始辊形曲线凸度值，mm；α为初始辊形曲线正弦半角值，rad；a₁和b₁分别为辊形凸起区(第一段和第七段)辊形曲线二次项系数和一次项系数；a₂和b₂分别为辊形凸起调节区(第二段和第六段)辊形曲线一次项系数和常数项系数；a₃，b₃和c₃分别为辊形凸起过渡区(第三段和第五段)辊形曲线二次项系数，一次项系数和常数项系数；x₁＝L-B，x₂＝L-B+n，x₃＝L-B+m，x₄＝L+B-m，x₅＝L+B-n，x₆＝L+B，L为工作辊辊身长度的一半，B为极薄带入口板带宽度的一半，n为辊形凸起调节区宽度，m为辊形凸起过渡区宽度，L、B、m、n单位均为mm；

(4)根据现场磨床使用情况，将新工作辊辊形曲线离散数据输入磨床进行磨削，即得到新辊形曲线的工作辊。

其中，步骤(1)中辊形凸起过渡区宽度m确定方法为：沿着极薄带长度方向切除板带边部一定宽度后，肋浪消失，统计肋浪在极薄带宽度方向的长度值，即为m；

辊形凸起调节区宽度n确定方法为：沿着极薄带长度方向用刀具将边部一定宽度的区域切除，直到肋浪板形缺陷消失，统计此时极薄带被切除区域的宽度，即为n。

m值越大，凸起过渡区(第三段和第五段)在辊身方向越宽，对板带肋部压下越多，为避免造成板带肋浪，m值不宜大于局部肋浪在极薄带宽度方向的长度。n为辊形凸起调节区宽度，为保证整个边紧区得到有效压下，根据边紧统计情况，n值选择最大边紧宽度值。

步骤(2)中根据轧机工作辊辊身长度2L和极薄带入口宽度2B确定新辊形凸起区，辊身长度和板带宽度任何一个变化时，对应的新工作辊辊形曲线局部凸起位置L-B和L+B也将改变；采用取样器沿着轧后极薄带宽度方向裁取特定尺寸的矩形样条，通过称重测厚的方式测得板带沿着宽度方向的横截面轮廓，根据板带边部边紧区相对凸度变化情况，设定新辊形凸起调节区的调节系数r；同时，为保证轧制过程的稳定性，新辊形中部(第四段)辊形曲线与工作辊初始辊形曲线一致。称重测厚时极薄带厚度计算公式为:

其中，h为样条厚度，mm；M为样条质量，g；ρ为样条密度，g/mm³；l为样条长度，mm；w为样条宽度，mm；

极薄带凸度和相对凸度计算公式为:

其中，C_x为距离板带边部x>x为板带对应位置的相对凸度值；h_c为板带中心厚度值，mm；h_ox和h_dx分别为板带操作侧和传动侧距离板带边部x>

当ρ_x轧前≥ρ_x轧后时，应减小轧后两侧边紧区厚度h_ox和h_dx的值。设定边紧区厚度减小量Δh与辊形凸起调节区调节系数r在数值上相等，调节系数r(厚度减小量Δh)的选择应保证ρ_x轧前＜ρ_x轧后，以达到轧制中增大板带边紧区压下量的目的。

步骤(3)中，工作辊新辊形曲线包含辊形凸起区、辊形凸起调节区、辊形凸起调节区调节系数、辊形凸起过渡区和辊形正弦区等辊形特征，无法采用单一数学表达式拟合确定，需要根据以上辊形特征进行分段表示；其中，辊形凸起调节区(第二段和第六段)的辊形曲线为一次曲线，其辊身方向的长度为辊形凸起调节区宽度n，此段辊形曲线斜率为a₂，此区域内工作辊辊形值变化量即为辊形凸起调节区的调节系数r，此时有a₂＝r/n；为避免工作辊辊形突变导致辊间接触压力的应力集中现象，应保证各段辊形曲线在连接点平滑过渡，这就要求连接点处的辊形曲线值和辊形曲线斜率值相同；根据曲线连续的过渡条件可求得各分段曲线的待求系数a₁、a₃、b₁、b₂、b₃、c₃，最后得到工作辊新辊形曲线的表达式。

该方法适用于解决极薄带轧制时存在边紧肋浪板形缺陷的情况，所述极薄带包括钢、铝、铜。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过设计新的工作辊辊形曲线，可以增大极薄带边部压下量，改善局部肋浪板形缺陷，辊形设计完成后根据现场磨床情况将辊形输入磨床进行磨削即可。本发明在不增加任何设备的情况下，可以很好的增大极薄带边部压下量，可行性强，成本低，在某厂铝箔轧机上机使用后表明，使用该方法对轧机工作辊辊形进行重新设计，可以增大极薄带边部压下量，改善极薄带轧制中存在的边紧肋浪板形问题。

附图说明

图1为箔轧工作辊轴向热凸度分布图；

图2为箔轧成品板形缺陷图，其中，(a)为轧后铝箔板带浪形情况，(b)为切除边紧区后铝箔板带浪形情况；

图3为箔轧初始工作辊辊形曲线图；

图4为箔轧新工作辊辊形曲线分段确定图；

图5为新工作辊辊形曲线与初始辊形曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种改善极薄带轧后边紧肋浪板形缺陷的工作辊辊形设计方法。

现有轧制过程中，经过一段时间的轧制后，工作辊中心区域的辊面温度会明显高于两侧的辊面温度，造成轧辊轴向热凸度不均，如图1所示。轧制完成后，人工将板带展开，此时边紧区对相邻区域形成一种“外端拉应力”，造成该相邻区域带材呈受压状态，产生表观可见的“边紧”和“肋浪”板形缺陷。将轧后极薄带边紧区切除，肋浪板形缺陷随之消失，如图2所示。

该方法包括步骤如下：

(1)对20卷以上的极薄带轧后板形情况进行统计分析，根据轧后边部肋浪在极薄带宽度方向的长度和极薄带边部边紧区宽度，确定辊形凸起过渡区宽度m和辊形凸起调节区宽度n；

(2)明确生产中轧机工作辊辊身长度2L和极薄带入口宽度2B，确定新辊形凸起区位置L-B和L+B；采用称重测厚的方法测量极薄带轧后沿宽度方向的板带横截面轮廓，计算得到板带边部边紧区域相对凸度，根据相对凸度值的变化量确定新辊形凸起调节区调节系数r；明确工作辊初始辊形凸度c和正弦半角值α等参数，根据工作辊初始辊形参数设计新辊形中部辊形曲线，使新辊形中部辊形曲线与工作辊初始辊形曲线一致；

(3)根据辊形特征定义x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆六个关键点，新工作辊辊形曲线分七段分别表示，如图4所示，公式如下：

1)第一段为辊形凸起区，为二次曲线，公式为：

a₁x²+b₁x,x≤x₁

2)第二段为辊形凸起调节区，为一次曲线，公式为：

a₂x+b₂,x₁≤x≤x₂

3)第三段为辊形凸起过渡区，为二次曲线，公式为：

a₃x²+b₃x+c₃,x₂≤x≤x₃

4)第四段为辊形正弦区，与初始辊形曲线一致，为正弦曲线，公式为：

c/(1-cosα)*(cos(αx/L-α)-cosα),x₃≤x≤x₄

5)第五段与第三段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₃(x-2L-b₃/a₃)²+b₃(x-2L-b₃/a₃)+c₃,x₄≤x≤x₅

6)第六段与第二段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₂(2L-x)+b₂,x₅≤x≤x₆

7)第七段与第一段相对工作辊辊身中线对称，公式为：

a₁(x-2L-b₁/a₁)²+b₁(x-2L-b₁/a₁),x≥x₆

上式中，c为初始辊形曲线凸度值，mm；α为初始辊形曲线正弦半角值，rad；a₁和b₁分别为辊形凸起区(第一段和第七段)辊形曲线二次项系数和一次项系数；a₂和b₂分别为辊形凸起调节区(第二段和第六段)辊形曲线一次项系数和常数项系数；a₃，b₃和c₃分别为辊形凸起过渡区(第三段和第五段)辊形曲线二次项系数，一次项系数和常数项系数；x₁＝L-B，x₂＝L-B+n，x₃＝L-B+m，x₄＝L+B-m，x₅＝L+B-n，x₆＝L+B，L为工作辊辊身长度的一半，B为极薄带入口板带宽度的一半，n为辊形凸起调节区宽度，m为辊形凸起过渡区宽度，L、B、m、n单位均为mm；

(4)根据现场磨床使用情况，将新工作辊辊形曲线离散数据输入磨床进行磨削，即得到新辊形曲线的工作辊。

步骤(2)中称重测厚时极薄带厚度计算公式为:

其中，h为样条厚度，mm；M为样条质量，g；ρ为样条密度，g/mm³；l为样条长度，mm；w为样条宽度，mm；

极薄带凸度和相对凸度计算公式为:

其中，C_x为距离板带边部x>x为板带对应位置的相对凸度值；h_c为板带中心厚度值，mm；h_ox和h_dx分别为板带操作侧和传动侧距离板带边部x>

当ρ_x轧前≥ρ_x轧后时，应减小轧后两侧边紧区厚度h_ox和h_dx的值。设定边紧区厚度减小量Δh与辊形凸起调节区调节系数r在数值上相等，调节系数r(厚度减小量Δh)的选择应保证ρ_x轧前＜ρ_x轧后，以达到轧制中增大板带边紧区压下量的目的。明确工作辊初始辊形情况，根据初始辊形情况设计新辊形中部辊形曲线，初始正弦辊形曲线如图3所示。

下面结合具体实施例予以说明。

针对某厂铝箔极薄板带轧后出现的边紧肋浪板形缺陷，对其工作辊辊形进行优化设计。根据发明的内容，设计相应的铝箔轧机工作辊辊形曲线。

某厂生产的铝箔薄带厚度规格较多，但宽度规格较少，这为新工作辊辊形设计提供了便利。该厂箔轧机工作辊辊身长度为1610mm，某一规格铝箔宽度为1050mm，铝箔薄带靠近边部区域出现周期性纵向肋浪板形缺陷，如图2(a)。针对此宽度规格铝箔薄带轧后存在的边紧肋浪板形缺陷，统计四种牌号各25卷轧后铝箔薄带边紧区宽度与肋浪尺寸情况，如表1所示。

表1四种牌号操作侧与传动侧边紧肋浪情况对比统计

由表1可知，轧后板带两侧边紧区宽度和肋浪基本呈对称分布，因此设计箔轧工作辊新辊形时以轧辊辊身长度中点为对称轴。板带边紧区域宽度为15～20mm，故设定辊形凸起调节区宽度n为20mm。铝箔薄带肋浪宽度为80～110mm，因此设定辊形凸起过渡区宽度m为100mm。

对成品道次轧制前后铝箔薄带的横截面轮廓进行测量，计算得到成品道次轧制前后铝箔板带凸度和相对凸度变化情况，如表2所示。

表2板带各道次轧后相对凸度变化

由表2可知，成品道次轧后板带相对凸度由1.86％减小到1.47％，说明板带边部相对中部压下量偏小。由板带凸度公式和相对凸度公式可知，增大箔轧成品道次板带边紧区对应工作辊辊形值，进而增大板带边紧区压下量，使成品道次轧后板带传动侧和操作侧厚度同时减小0.001mm后，相对凸度将变为2.68％，大于成品道次轧前铝箔薄带相对凸度1.86％，这表明成品道次轧制过程中板带边部相对板带中部压下量增大，有利于减小板带边紧情况。因此，为增大板带边部压下量，设定辊形凸起调节区的调节系数r为0.001，工作辊初始辊形曲线凸度c为0.04mm，正弦半角α为1.222rad，得到分段组合的工作辊辊形曲线。根据工作辊辊身长度和铝箔薄带入口宽度及以上参数，得到工作辊辊形曲线各分段曲线的公式：

x∈[0,280],y＝-5.430×10^-7x²+2.541×10^-4x；

x∈[280,300],y＝-5×10^-5x+0.0426；

x∈[300,380],y＝6.592×10^-7x²-4.455×10^-4x+0.102；

x∈[1230，1310],y＝6.592×10^-7(x-934.149)²-4.455×10^-4(x-934.149)+0.102；

x∈[1310,1330],y＝-5×10^-5(1610-x)+0.0426；

x∈[1330,1610],y＝-5.430×10^-7(x-1142.089)²+2.541×10^-4(x-1142.089)；

根据以上工作辊曲线公式可以得到工作辊横向离散点数据。为提高工作辊辊形曲线精度，将工作辊辊形曲线等分为161份(两点间隔10mm)，如表3所示。x为以工作辊辊身一端为原点的轧辊横向坐标，单位为mm，y为工作辊辊形值，单位为mm。图5为新设计工作辊辊形曲线与初始辊形曲线对比图。

表3工作辊轴向离散点数据

将以上离散点辊形数据输入到磨床进行磨削，便可得到新的工作辊辊形。将新工作辊进行上机生产试验，观察轧后铝箔板带板形情况，可见边紧肋浪板形缺陷明显好转，对轧后各道次铝箔板带横截面轮廓进行测量计算，得到其凸度和相对凸度变化情况，如表4所示。轧制试验表明箔轧机工作辊采用本方法设计的新辊形后，增大了板带边部压下量，缓解了板带边紧情况，减小了边紧区域对局部肋区的作用，改善了铝箔板带边紧肋浪的板形问题。

表4轧制试验各道次轧后参数变化

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。