展宏勛，張國霞

（西北有色金屬研究院，陜西 西安710016）

金屬極薄帶也稱箔材，國內(nèi)有色金屬加工行業(yè)通常把銅箔、鋁箔厚度上限定為0.1～0.2 mm[1]，而此規(guī)格的黑色金屬帶稱為薄帶，厚度更小的，如0.02～0.03 mm以下的稱為極薄帶或超薄帶[2]。在此將厚度在0.02 mm以下的極薄金屬帶材稱為箔材[3]，金、銀、鋁、銅、鎳、鉬、鉭、鈮、鈦等金屬及其合金均可軋制成箔材。目前世界上軋制金屬帶材的最薄厚度是0.001 mm[4]，以前只能用蒸鍍或者疊軋方法少量制取，多輥軋機(jī)的誕生使得多輥軋機(jī)軋制成為金屬箔材的主要加工手段，尤其是以高精度著稱的森吉米爾20輥軋機(jī)應(yīng)用最為廣泛。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，電子電力、航空航天、核工業(yè)、國防工業(yè)等軍工行業(yè)和冶金、化工、機(jī)械等民用市場對高精度稀有金屬箔材的需求不斷增長，更是對箔材的尺寸及公差精度提出了越來越高的要求。為了進(jìn)一步滿足我國軍工行業(yè)和民品市場對稀有金屬精密箔材需求，填補(bǔ)我國在0.005 mm以下箔材生產(chǎn)的空白，逐漸解決高精度箔材的進(jìn)口依賴問題，并促進(jìn)我國森吉米爾20輥軋機(jī)設(shè)計制造水平的發(fā)展，西北有色金屬研究院（以下簡稱西北院）于2012年引進(jìn)了由加拿大WF公司設(shè)計制造的森吉米爾20輥精密箔材軋機(jī)，以下簡稱精密箔材軋機(jī)。本文對該設(shè)備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹和分析，為國內(nèi)軋機(jī)設(shè)計與制造和箔材產(chǎn)品應(yīng)用等技術(shù)人員提供參考。

1 國內(nèi)外20輥軋機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

帶箔材軋制的最小厚度與工作輥直徑和彈性模量、變形抗力和平均張應(yīng)力有關(guān)[5]。帶鋼的變形抗力取決于其機(jī)械性能，軋輥的彈性模量受到軋輥的材料限制，采用較大的軋制張力有利于減小帶鋼厚度，但過大的軋制張力容易引起斷帶，因此，減小軋輥直徑軋制更薄的帶材是一個很好的途徑。雖然減小工作輥直徑可以減小軋制力和軋制力矩，軋出更薄的帶材來，但是工作輥的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和水平剛度都受到限制，因此就出現(xiàn)了支撐輥數(shù)大于2的多輥軋機(jī)，于是20輥軋機(jī)也就因運(yùn)而生。

1932年，波蘭工程師森吉米爾（Sendzimir）發(fā)明了軋機(jī)機(jī)架為整體結(jié)構(gòu)的多輥冷軋機(jī)。1939年在美國申請了該軋機(jī)的專利權(quán)，并成立了森吉米爾公司。1945年制造出了第一臺20輥軋機(jī)（ZR9-19.5）。至1958年專利到期前，由森基米爾公司設(shè)計、WF公司制造的各種型號的森基米爾軋機(jī)共91臺，其中20輥軋機(jī)58臺。從1958年開始，森吉米爾先生與日本、法國、德國等國家合作生產(chǎn)森吉米爾冷軋機(jī)[6-7]。由于森吉米爾20輥軋機(jī)能夠生產(chǎn)厚度公差精度范圍很窄的箔材，所以，目前已成為全球普遍應(yīng)用的高精度箔材的主要加工手段。

我國于1958年開始研究多輥軋機(jī)，最早由北京鋼鐵學(xué)院研制了一臺100 mm的20輥軋機(jī)，1960年初制造安裝。1963年本溪技工學(xué)校制造了兩臺130 mm的20輥軋機(jī)。1966年到1970年，西安重型機(jī)械研究所完成了700 mm、280 mm和1 200 mm 20輥軋機(jī)設(shè)計。1978年，北京有色金屬冶金設(shè)備設(shè)計研究總院完成了我國第一臺Φ6.5 mm×130 mm的精密合金極薄帶20輥冷軋機(jī)的研制，是我國第一臺能夠軋制極薄帶的冷軋機(jī)，實(shí)際軋出的板厚2.6 μm[3]。2005年中冶集團(tuán)設(shè)備總院研制的一臺多輥軋機(jī)順利軋制出0.00143 mm×40 mm的鈦箔和0.00209 mm×35 mm的銅箔。

目前，國際知名的森吉米爾軋機(jī)設(shè)計制造廠家主要有美國Tenova I2S公司、加拿大WF公司、法國DMS公司、日本神戶制鋼所、日本日立公司、德國西馬克公司、意大利達(dá)涅利公司等，由它們設(shè)計制作的森吉米爾20輥軋機(jī)遍布全球，尤其是在黑色和有色金屬高精度帶材軋制中占有絕對優(yōu)勢。國內(nèi)20輥軋機(jī)的設(shè)計制造廠家主要有中國重型機(jī)械研究院及一些高校和大型鋼鐵廠，鄭州拓?fù)溆邢薰?、北京賽瑞福有限公司、北京斯蒂爾羅林有限公司等也涉及部分20輥軋機(jī)的設(shè)計制造。但是，不論在設(shè)計方面還是制造能力方面我國都跟世界一流水平存在較大差距，尤其是用于軋制微米級金屬箔材的高精度森吉米爾20輥軋機(jī)國內(nèi)尚不具備設(shè)計制造能力。

2 精密箔材軋機(jī)的應(yīng)用前景

20輥森吉米爾軋機(jī)是一種多輥軋機(jī)。憑借它在軋制薄帶和極薄帶材方面的獨(dú)特優(yōu)勢，在全世界得到迅速發(fā)展，目前世界上運(yùn)行的這種軋機(jī)有四百多臺[8]。它可用來軋制優(yōu)質(zhì)碳鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬及非金屬材料，尤其廣泛用于不銹鋼帶材、精密合金帶箔材和有色金屬箔材的軋制。

目前，金屬極薄帶材軋制技術(shù)以歐美和日本發(fā)展最為先進(jìn)。據(jù)文獻(xiàn)介紹[8-9]，美國在軋制寬度為120 mm的硅鋼時，最小厚度可達(dá)0.002 mm；日本軋制寬度為200 mm的不銹鋼時，最小厚度為0.01 mm，軋制有色金屬時，最薄可達(dá)0.0018 mm，均處于國際領(lǐng)先水平。

為了縮短我國在精密箔材軋制技術(shù)方面與國際先進(jìn)水平的差距，培養(yǎng)技術(shù)骨干，我國從1974年開始引進(jìn)森吉米爾20輥軋機(jī)。據(jù)了解，東方鉭業(yè)軋制寬度為150 mm的鉭箔材時，最薄可達(dá)0.05 mm；西安瑞福萊鎢鉬有限公司引進(jìn)的四立柱20輥軋機(jī)在軋制寬度為100 mm的鉬箔材時，最小厚度可達(dá)0.01 5 mm；上海金屬帶箔廠軋制寬度為70 mm的鉬箔時，最薄可達(dá)0.005 mm；多家鋁箔生產(chǎn)企業(yè)軋制700 mm寬的鋁箔時，最薄可達(dá)到0.005 mm.西北院引進(jìn)的精密箔材軋機(jī)工作輥直徑僅Ф6.5 mm，軋制寬度100 mm～130 mm的稀有金屬箔材最小厚度可達(dá)0.005 mm，厚度精度±0.000 5 mm.

由此可見，軋制帶材最小厚度與其寬度和材料有關(guān)，而我國在寬度100 mm以上的金屬箔材軋制方面與國外還存在較大差距，尤其是厚度小于0.005 mm的寬幅稀有金屬箔材軋制。西北院精密箔材軋機(jī)產(chǎn)品具有寬度大、厚度薄、厚度公差小、平直度好、表面光亮一致等特點(diǎn)，目前主要用于滿足電子、航空航天、核工業(yè)和軍工行業(yè)等部門所需的高精度鉬、鉭、鈮、鈦、鋯及其合金箔材的生產(chǎn)，是軍工行業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的高精尖產(chǎn)品。在滿足軍工產(chǎn)品需求的前提下，還可用于開發(fā)稀有金屬及合金箔材在化工、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域的民品市場，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3 精密箔材軋機(jī)組成及其主要特點(diǎn)

精密箔材軋機(jī)主要有軋機(jī)主體、開卷卷取機(jī)、墊紙卷紙機(jī)、接觸式測厚儀、激光測速儀、張力計、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

3.1 軋機(jī)主體

軋機(jī)主體采用適合于高強(qiáng)度材料大壓下量軋制的整體牌坊，使工作機(jī)座剛度大，變形程度小，保證很小的厚度和平整度公差。軋機(jī)輥系在整體牌坊的梅花孔內(nèi)按1-2-3-4呈塔形布置，輥系結(jié)構(gòu)[10]如圖1所示。

圖1 輥系結(jié)構(gòu)圖

塔形輥系使軋制壓力經(jīng)多點(diǎn)支撐梁結(jié)構(gòu)的外層支承輥通過鞍座呈放射狀態(tài)均勻的傳遞給機(jī)架的各個斷面。塔形輥系結(jié)構(gòu)還能夠很好的保證小直徑工作輥在垂直平面和水平面內(nèi)具有較大的剛度和穩(wěn)定性，從而保證軋制的穩(wěn)定性。

3.2 徑向輥型調(diào)整機(jī)構(gòu)

B、C支承輥組的鞍座分解如圖2所示[5]。扇形齒輪1與內(nèi)偏心環(huán)4用鍵固定在心軸2上，而且扇形齒輪節(jié)圓與內(nèi)偏心環(huán)外圓同心。扇形齒輪1與壓下調(diào)整雙面齒條嚙合，組成壓下調(diào)整機(jī)構(gòu)。用銷釘將外偏心環(huán)5與兩側(cè)的扇形齒輪片3連接，扇形齒輪片3與徑向輥型調(diào)整雙面齒條嚙合，組成徑向輥型調(diào)整機(jī)構(gòu)。

圖2 B、C支承輥鞍座分解圖

徑向輥型調(diào)整機(jī)構(gòu)[8]布置在機(jī)架的頂部，如圖3所示，穿過機(jī)架頂部由五根雙面齒條分別與B、C支撐輥上的五對外偏心扇形齒輪片相嚙合，每個齒條分別由五個伺服油缸單獨(dú)驅(qū)動。通過驅(qū)動相應(yīng)齒條的垂直運(yùn)動，從而帶動外偏心扇形齒輪片旋轉(zhuǎn)，使最外層支撐輥凸度發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)板形控制的目的。

圖3 徑向輥型調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

3.3 電氣控制系統(tǒng)

PLC控制分為兩級：一級為基礎(chǔ)自動化級，二級為過程監(jiān)控控制級，由彩色人機(jī)界面（簡稱HMI）組成。通訊模塊及數(shù)字模塊安裝在主操作臺，提供主PLC和主操臺數(shù)字PLC模塊之間的通訊。同時采用“0”扭矩電機(jī)，無齒輪箱減速箱，保證了傳動的平穩(wěn)性。

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括泵站和壓下油缸。該軋機(jī)采用具有高精度液壓壓下系統(tǒng)和液壓傳動的徑向輥型調(diào)整機(jī)構(gòu)。液壓傳動反應(yīng)靈敏，控制精度高，在此基礎(chǔ)上配備了測量偏差僅為0.0005 mm的高精度Vollmer接觸式測厚儀，使軋制箔材的板形好，尺寸精度高。

4 結(jié)束語

我國在20輥軋機(jī)研制方面做了大量工作，并且取得了一定的成果，但是，由于電氣集成、液壓AGC控制、張力控制和系統(tǒng)加工件的組裝公差等方面的欠缺，使我國在高精度20輥軋機(jī)設(shè)計、制造和運(yùn)行方面與國際先進(jìn)水平相比存在很大的差距。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω呔认∮薪饘俨牡男枨笤诓粩嘣鲩L，而我國在高精度多輥軋機(jī)設(shè)計、制造和運(yùn)行方面與國際先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)，在高精度超薄帶材的生產(chǎn)方面也比較落后，為了滿足市場需求，填補(bǔ)我國在0.005 mm以下箔材生產(chǎn)的空白，逐漸解決高精度箔材的進(jìn)口依賴問題，引進(jìn)國際先進(jìn)設(shè)備，提高我國的整體工業(yè)技術(shù)水平是很有必要的。

我院引進(jìn)的森吉米爾20輥軋機(jī)是一臺專門用于軋制稀有金屬箔材的精密軋機(jī)，產(chǎn)品主要面向電子、軍工、航空航天和核工業(yè)等領(lǐng)域，市場前景可觀。另外，產(chǎn)品的最小厚度可達(dá)到0.005 mm，厚度公差不大于箔材厚度的±0.6%，絕對誤差不大于0.001 mm，當(dāng)軋制0.01 mm以下箔材時，厚度公差最小可達(dá)0.0005 mm，填補(bǔ)了國內(nèi)寬幅稀有金屬精密箔材軋制的空白，有助于解決高精度箔材的進(jìn)口依賴問題。