压延铜箔在线退火机组关键辊组设计分析

张 洋，程建国

(中色科技股份有限公司，河南洛阳471003)



压延铜箔在线退火机组关键辊组设计分析

张 洋，程建国

(中色科技股份有限公司，河南洛阳471003)

文章结合压延铜箔在线退火机组的研发和调试过程，对随动辊选型、辊径理论计算、张力辊选型及辊组布置方案进行了详细讨论，并在本机组设计条件的基础上，给出了张力辊组辊数、各张力辊所需电机功率及功率分配的定量计算过程，对铜箔在线后处理装备的设计、改造、生产都具有借鉴价值。

压延铜箔；在线退火；随动辊；张力辊；设计

压延铜箔是通过轧制成形的箔，结构组织呈薄层状，经退火处理后生成等方的再结晶组织变化。这种结构组织的等方性，使晶粒不易破碎形成针孔或裂纹，其力学性能、抗弯曲性能和导电性等各方面优于电解铜箔，用于柔性线路板可以保证产品的质量[1]。采用在线连续退火机组能保证软态成品退火性能的均匀稳定性,得到均匀细小的再结晶组织。我公司据此市场需求和国产设备的空白，开发设计了宽幅800mm压延铜箔在线连续退火机组，主要针对紫铜和黄铜的铜箔退火。

1 随动辊的选型分析与设计

压延铜箔连续退火机组中，各单体设备中对箔材起支撑、导向、展平等作用的随动导辊较多。随动辊的转动是依靠箔材和辊子之间的摩擦力而带动的，为避免箔材表面和辊面发生相对滑动造成擦划伤而影响箔材表面质量，也为了避免机组启动、加减速时随动辊对箔材的拖拽而造成断带，或是辊体刚性差引起箔材褶皱，势必要求随动辊具有较小的转动惯量和较好的刚性。

1.1 随动辊材质选择

考虑到铜箔的特性，随动辊设计未采用行业惯用的钢辊设计，引入印刷、包装、纺织等轻工机械使用的铝合金导辊。铝合金导辊具有单位强度高、质量轻、惯量小、表面光亮不生锈等优点。辊体为空心铝辊筒，采用6xxx系铝合金原料挤压成型，其带加强筋的特殊截面可以大幅提升铝辊刚性，辊体表面采用硬质氧化处理，表面硬度可以达到HV700，保证了铝导辊的使用寿命。铝导辊内部采用芯轴及调心球轴承支撑铝辊体，芯轴固定，铝辊体随动，如图1所示。这种选型设计能很好的满足机组中对随动辊的设计要求，并且整个机组的随动辊结构尺寸相同，具有很好的互换性，也降低了设计加工成本。

1-铝辊体；2-调心球轴承；3-挡圈；4-芯轴；5-端盖；6-油嘴图1 随动辊结构示意图Fig.1 Structural diagram of following roll

1.2 随动辊设计计算

辊体直径选择应以箔材最外层表面达到屈服极限为限，这样可以防止铜箔产生塑性变形。显然，根据材料力学公式(1)可知，辊体直径越小，越容易产生塑性变形，因此对辊体最小直径有一定限制，即[2]：

(1)

σmax=σwmax=σ1+σc≤σs

(2)

式中， E——铜箔弹性模量，MPa；

h——铜箔厚度，mm；

σs——铜箔屈服极限，MPa；

σmax——箔材内最大应力，MPa；

σwmax——箔材沿辊子的弯曲应力，MPa；

σ1——箔材的张应力，MPa；

σc——箔材绕辊子作圆周运动产生的离心拉应力，MPa；

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，T——辊处铜箔张力，N；

B——箔材宽度，mm；

q——箔材每米长的质量，kg/m；

v——箔材的运行速度，m/s。

需要特别指出的是，铜箔退火前硬态和退火后软态的σs不相同(软态铜箔屈服极限较小)，应以铜箔退火后软态计算得最小辊径为准。同时，铜箔的每米长质量q很小，特别是双零箔，离心拉应力σc可以忽略不计。辊身长度，应根据箔材的最大宽度来确定，一般比箔材宽150～200mm。

2 张力辊组的选型设计

箔材在退火工艺段应处于微张力状态(主要用来控制带材在退火炉内的悬垂度)，而在卷取时则需箔材建立一定的卷取张力，以保证箔材成卷质量。

张力辊辊径计算参考随动辊。张力辊应尽可能增加辊子与箔材之间的摩擦系数，并避免对箔材表面质量的影响，选择辊面为聚氨酯的包胶辊作为张力辊使用。需注意的是，辊子加工应保证辊面的圆柱度、同轴度和辊子的动平衡精度，以及张力辊组安装时辊与辊之间的平行度，避免机组运行中带材褶皱的产生[3-4]。

3 张力辊组的具体参数设计

3.1 设计条件

铜箔弹性模量E为128GPa；退火箔材最大厚度h为0.07mm；箔材最大宽度B为660mm；机组最高速度v为20m/min；退火段箔材最大张应力σTH为5MPa；卷取最大张应力σJ为50MPa；张力辊与箔材的摩擦系数f为0.2；退火态屈服应力σs，紫铜为50～70MPa,黄铜为90～150MPa。

3.2 辊径计算

由公式(6),根据以上参数，可计算出理论最小辊径为199.1mm，据此对随动辊辊径取整为200mm，对张力辊辊径取260mm以增加张力放大效果。

3.3 压辊提供的摩擦力

压辊的受力分析如图2所示。

图2 压辊受力分析图Fig.2 Force analysis of snubber roll

则，压辊对箔材的压紧力Ny为：

Ny=N=G/cosθ

(7)

式中，G为压辊的自重，400N；Fz为张力辊对压辊的支撑力；Fg为辊座对压辊的支撑力；θ为Fz和Fg之间的夹角，为42.5°。

则入口辊增加的摩擦力使入口箔材张应力提高：

(8)

3.4 张力辊组的辊数

由上述可知，张力辊组入口箔材张应力等效为：

σe=σTH+σy=7.35MPa

(9)

张力辊组出口箔材张应力为σj，则张力辊组需要张应力放大倍数为:

(10)

预设张力辊根数为3根，辊组出口辊为铝导辊，如图3所示，验算本方案是否满足张应力放大要求。

理论包角θ1=219.1°，θ2=217.6°，θ3=213.6°。已知实际包角θ′小于理论包角θ，实际工程计算中，通常是理论包角乘以一个系数，一般取0.8～0.9。在退火机组中，我们取：

θ′=0.88θ

(11)

已知柔韧体摩擦的欧拉公式：

TOT=Tinef·θ′

(12)

图3 三辊张力辊组Fig.3 3-roll tension bridle

式中，TOT为张力辊出口箔材张力，Tin为张力辊入口箔材张力，两侧同时除以B·h，换算为张应力的欧拉公式：

σOT=σinef·θ′

(13)

则对本张力辊组，有：

(14)

即σJ=1.93×1.95×1.96σe=7.37σe

(15)

综上所述，当前张力辊组张应力放大倍数7.37>n=6.8，满足设计要求。

3.5 各张力辊的电机功率计算

各张力辊独立电机单独驱动，需要计算出每个张力辊的所需要的最大电机功率。已知张力辊直径Dz=260mm，则张力辊最大转速为：

(16)

同时，各张力辊需要电机提供的最大转矩为：

(17)

考虑传动系统效率，η=0.85，各张力辊需要消耗的电机功率为式(18)所示。参照以上计算得到的各张力辊需要的转矩和电机功率，选用能同时满足它们的减速机和电机即可。

(18)

3.6 机组运行时张力辊组各电机功率分配

由式(14)可知，各辊张力放大倍数相近。在考虑实际生产中辊组内各辊功率分配时，我们认为每个张力辊张力放大倍数相同，根据实际需要的辊组总张力放大倍数Kmax对每个张力辊进行均分[5]，即：

(19)

式中，K1、K2、K3分别为1#、2#、3#张力辊张力放大倍数，并且n<1.933=7.189满足设计要求。

设辊组入口等效张力Te=Bh·σe，由式(17),则各辊传递的扭矩有：

(20)

生产中电机功率分配比为：

(21)

4 结论

本文针对开发宽幅压延铜箔在线连续退火机组，详细讨论了随动辊和张力辊的选型，推导了机组辊径理论计算公式，并针对张力辊组的辊数、功率及电机功率分配进行了理论分析和设计计算，对以后铜箔在线后处理机组的设计改造生产都具有很高的借鉴价值。

[1] 陈启峰. 压延铜箔的轧制[J]. 有色金属加工，2014，43(1)：17-20.

[2] 周国盈. 带钢精整设备[M]. 北京，机械工业出版社，1979.

[3] 张京诚. 张力辊组打滑与设计原则分析[J]. 有色金属加工，2003，32(3)：23-26.

[4] 宋建芝. 带钢机组张力辊计算和设计研究[J]. 冶金设备，2009(1)：43-47.

[5] 谭刚，陈兵. 冷轧后处理机组张力辊设计计算[J]. 四川冶金，2010，32(2)：30-32,6.

Design Analysis of Key Roll Set in In-line Annealing Line for Rolled Copper Foil

ZHANG Yang, CHENG Jianguo

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471003, China)

Combined with development and commissioning of in-line annealing line for rolled copper foil, the paper discussed selection of following rolls, calculation of roll diameter as well as selection and layout scheme of bridle rolls; on the basis of the line design conditions, the paper presented quantitative calculation of amount of bridle roll, power required and power distribution for each bridle roll, providing reference for similar cases in design, revamping and production.

rolled copper foil; in-line annealing; following roll; bridle roll; design

2015-06-04

张洋(1987-),男，硕士，助理工程师，主要从事冶金机械装备设计工作。

TG155

B

1671-6795(2015)06-0053-03