超大卷径铜及铜合金板带开头矫直机的校核与应用

王悦晗，计 江，闫成琨

（中国重型机械研究院股份公司， 陕西 西安710032）

铜及铜合金板带在国民经济各个行业如汽车、手机、家电、智能制造等有着广泛的应用，例如新能源汽车动力电池、5G设备中柔性电路板、集成电路的引线框架等。随着经济高速发展，铜及铜合金板带需求量越来越大，这就要求铜及铜合金板带加工企业的产能、效率不断提高。

传统铜板带粗轧生产线原料卷卷径为1 500～1 600 mm，通过技术改进可以使用摩擦焊机将两个原料卷焊接为一卷，焊接卷（超大卷）卷径为2 300～2 500 mm，现有粗轧生产线的开头矫直机已无法满足生产要求。针对该情况，中国重型机械研究院股份公司在原有设备基础上，开发设计了一种可实现超大卷径的开头矫直设备。

1 设备组成

开头矫直机由开头器、机架装配、夹送辊装配、矫直辊装配、矫直辊辊缝调节装置和传动装置等组成，如图1、图2所示。

图1 开头矫直机设备组成（一）

1.1 开头器

开头器摆动架铰接于下夹送辊上，可以通过摆动油缸的伸缩实现摆动架的摆动。摆动架设有伸缩铲头，伸缩铲头在导向槽的导向下，通过伸缩油缸实现铲头的伸出与缩回。在机架装配上设有一压辊，压辊由摆动油缸驱动实现压下与抬起。

图2 开头矫直机设备组成（二）

1.2 机架装配

机架装配由固定机架、摆动机架、摆动液压缸等组成。摆动机架与固定机架在板带入口侧采用摆动液压缸连接，板带出口侧采用铰轴连接。板带进入开头矫直机时，摆动液压缸缸杆伸出带动摆动机架绕铰轴转动，摆动机架抬起后带头进入矫直机。

1.3 夹送辊装配

夹送辊分为上夹送辊和下夹送辊，上夹送辊通过万向联轴器与分速箱连接，固定安装在上机架上。下辊为被动空心钢棍，安装在下机架上。

1.4 矫直辊装配

矫直辊装配是板带矫直的重要部件，由上、下4根矫直辊组成，4根矫直辊呈上2下2布置。

矫直辊材质为9Cr2，轴承座采用了经过热处理的45号钢。上矫直辊轴承座为整体式，可在摆动机架内滑动，升降由矫直辊辊缝调节装置控制，下矫直辊固定安装在固定机架上。

1.5 矫直辊辊缝调节装置

辊缝调节装置由液压缸连接上矫直辊轴承座，操作侧、传动侧轴承座有同步机构保证升降同步，升降行程为0～80 mm。

1.6 传动装置

传动装置由变频调速电机通过标准减速机、分速箱、万向联轴器将动力传递到矫直辊。分速箱由上、下箱体、齿轮、轴等组成。箱体为焊接结构，齿轮采用6级精度硬齿面齿轮，材质均为合金钢。分速箱采用油池润滑对齿面进行飞溅润滑。

2 工艺过程

开头矫直机设置于开卷机之后，卷取机之前，通过与开卷机的配合，实现超大卷径铜带的开头矫直功能。在开头矫直机动作之前，铜带先由上卷小车运输至开卷机，并上至开卷机卷筒上，带头由开卷机压辊压下。

开头矫直机上机架打开，开头器压辊处于打开位，上矫直辊处于压下位。此时开头器摆动架开始摆动，并且伸缩铲头保持在缩回位。摆动架摆动至带头方向，伸缩铲头伸出，将铲头铲在铜带外表面上。开卷机反转带头然后正转，带头被铲头铲开。开卷机继续转动将带头向前输送，在开头器压辊可以压住带头时将带头压紧，然后伸缩铲头缩回。开卷机继续转动直到带头被送入打开的矫直辊之间，开头器压辊打开，摆动架摆回至初始位置。上机架落下，矫直辊压下将带头矫平，并且夹送辊将带头夹住，开头矫直结束。

开头矫直结束后矫直辊调整压下量，开头矫直机与开卷机配合转动，通过摆动辊道将带头送至机前转向辊，上矫直辊、上机架打开，开头矫直机离线。

3 矫直辊校核计算

由文献[2]可知，各辊子上的力可以根据带材断面的力矩平衡条件求出，即：式中：t为矫直辊辊距，t=95 mm；Mi为第i矫直辊作用于铜板带的塑性弯曲力矩，N·mm。

由文献[2]得塑性弯曲力矩为：

式中：σs为铜带的屈服极限，查表得σs=450 MPa；b为钢板带宽度，mm；h2max为钢板带最大厚度，mm。

将t、σs带入式（1）、试（2），可得出各辊下矫直力的计算公式：

从P1、P2、P3、P4可以看出，所有矫直辊中第三辊所受的矫直力最大，第三辊最大弯矩在辊子中间B处，辊劲最大弯曲正应力在轴径A、C处，根据矫直辊参数画出其弯矩图，如图3所示。

计算矫直辊A、C处弯矩：

图3 矫直辊弯矩图（mm）

根据第三强度理论，矫直辊安全系数n=3，计算矫直辊A、C处的弯曲应力：

计算矫直辊B处弯矩：

根据第三强度理论计算矫直辊B处的弯曲应力：

经校核满足矫直辊满足强度。

4 结语

大卷径自动开头矫直机的使用加快了冷连轧生产线的生产节奏，有效的缩短开卷准备时间，提高产能，并减少开卷的人工配置，提高整线的自动化水平。设备自投产以来，运行良好，大大提高了生产节奏。