鋁板帶冷軋工序表面粗糙度控制技術(shù)研究

鋁板帶產(chǎn)品在航空、包裝、電子及汽車輕量化等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其表面粗糙度直接決定后續(xù)加工適應(yīng)性與表面處理性能，冷軋工序作為成品前關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝穩(wěn)定性對粗糙度控制起決定性作用。表面質(zhì)量受多因素耦合影響，包括軋輥表面狀態(tài)、軋制參數(shù)設(shè)定及潤滑條件控制，微觀變形過程中的粗糙度傳遞規(guī)律復(fù)雜，常導(dǎo)致成品表面波動較大。當(dāng)前生產(chǎn)中存在粗糙度一致性差、調(diào)控響應(yīng)滯后等問題，限制了高端鋁板帶的批量穩(wěn)定制造。文章圍繞冷軋階段的粗糙度形成機理展開分析，結(jié)合關(guān)鍵影響因素構(gòu)建控制技術(shù)路徑，并對優(yōu)化成效進行系統(tǒng)評估，以期為后續(xù)工藝參數(shù)集成與在線質(zhì)量穩(wěn)定提供技術(shù)支撐。

一、表面粗糙度形成機理分析

表面粗糙度在冷軋過程中主要受軋輥表面形貌、金屬在變形區(qū)內(nèi)的塑性流動特征以及潤滑膜狀態(tài)三方面耦合作用影響。軋輥表面粗糙峰谷在軋制接觸中以不同程度印跡轉(zhuǎn)移至鋁板帶表面，其傳遞程度與軋制線壓、滑移系數(shù)和接觸比壓密切相關(guān)。金屬在變形區(qū)內(nèi)發(fā)生非均勻流動，受軋制速度梯度和材料流變性能影響，表面層易出現(xiàn)微觀剪切波動，改變原始粗糙度的分布規(guī)律。潤滑狀態(tài)調(diào)節(jié)金屬與軋輥間摩擦系數(shù)與界面壓力場，若潤滑劑膜厚不足則發(fā)生邊界潤滑或半干摩擦，造成粗糙度局部失控；而在全液膜潤滑下，粗糙度傳遞受到隔離，會抑制微結(jié)構(gòu)真實反映。

二、 粗糙度控制關(guān)鍵技術(shù)路徑

（一）軋輥表面修整技術(shù)

軋輥表面修整直接決定粗糙度初始輸入形貌，是控制粗糙度傳遞精度與一致性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。磨削工藝通過選用粒徑可控的金剛石砂輪對輥面進行高頻切削，形成均勻分布的微凸結(jié)構(gòu)，粗糙度峰值范圍一般控制在算術(shù)平均粗糙度 0.25~0.35 μm[1]。拋光處理進一步清除磨削遺留的微觀劃痕與邊界毛刺，提升輥面波形連續(xù)性，減小粗糙度變化范圍并抑制接觸畸變，典型拋光后算術(shù)平均粗糙度值可穩(wěn)定在0.20 μm以內(nèi)。電火花修整方式利用脈沖能量刻蝕輥面微孔，形成規(guī)則分布的凹坑群結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在潤滑分布中可形成儲油單元，增強潤滑劑保持能力，并在軋制中引導(dǎo)接觸界面壓力分布更均勻，提升粗糙度重現(xiàn)性。

（二）軋制工藝參數(shù)優(yōu)化

軋制過程中壓下率與軋制力影響金屬塑性變形程度與接觸壓力分布，其調(diào)節(jié)直接決定表面粗糙度的峰值延展與波形壓實狀態(tài)[2]。較高壓下率會增強軋制接觸區(qū)法向應(yīng)力，促進粗糙峰谷填平，使算術(shù)平均粗糙度下降，但當(dāng)壓下率過大，材料易產(chǎn)生回彈干擾，導(dǎo)致表面粗糙度反彈增大。軋制速度調(diào)節(jié)影響金屬流動路徑與摩擦狀態(tài)，低速下易產(chǎn)生黏附物堆積，導(dǎo)致表面拉痕形成，而高速易引發(fā)潤滑膜破裂或瞬時干摩擦失穩(wěn)。為定量描述粗糙度變化對工藝參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，引入粗糙度變形率η，定義如下：

η=Rain?RaoutRain

其中Rain為軋制前粗糙度，Raout為軋制后粗糙度，η反映粗糙峰谷壓實比例。該公式用于工藝參數(shù)與粗糙度響應(yīng)的擬合曲線建立，可識別最佳工藝窗口區(qū)間，保障粗糙度控制的穩(wěn)定性與方向性。

（三）潤滑劑應(yīng)用改進

潤滑劑在冷軋過程中的性能表現(xiàn)直接影響金屬與軋輥間的摩擦行為及界面應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)，控制其成分組成、物理參數(shù)和分布狀態(tài)是實現(xiàn)粗糙度穩(wěn)定控制的重要手段。高粘度潤滑劑在剪切速率高的變形區(qū)易維持潤滑膜完整性，但其分散性與成膜均勻性不易控制，存在界面堆積風(fēng)險。低粘度潤滑劑則在高速區(qū)更易形成均勻油膜，但對高壓區(qū)潤滑保持力較差，容易造成粗糙度區(qū)域性漂移[3]。添加劑組分如酯類極壓劑、聚醚類分散劑可提升潤滑劑的界面附著力和耐熱性，穩(wěn)定潤滑狀態(tài)。涂布厚度對粗糙度傳遞效果具有直接調(diào)節(jié)作用，厚膜狀態(tài)下微觀接觸面被油膜隔離，粗糙峰谷無法完全傳遞，算術(shù)平均粗糙度值偏低；而膜層過薄，接觸面處于邊界潤滑或干摩擦區(qū)間，粗糙度變化劇烈。下表1為三種典型潤滑劑配方在不同涂布厚度條件下的表面粗糙度控制性能實測結(jié)果：

表1 潤滑劑配方與涂布厚度對鋁板帶表面粗糙度的影響

潤滑劑類型 主成分組分 涂布厚度（μm） 出口算術(shù)平均粗糙度值（μm） 波峰間距Rsm（μm） 粗糙度穩(wěn)定性因子K

油酸酯礦物油型 油酸酯+石蠟基礎(chǔ)油 2.5 0.23 32.1 0.94

聚醚醇水溶性型 聚醚+醇胺復(fù)配 3 0.18 27.5 0.98

復(fù)合酯合成型 多元酯+極壓添加劑 4 0.15 25.2 0.99

復(fù)合酯合成型潤滑劑在厚膜狀態(tài)下表現(xiàn)出更低的算術(shù)平均粗糙度與更緊湊的Rsm，粗糙度穩(wěn)定性更高，聚醚醇型在中間區(qū)間控制效果較為均衡，油酸酯型波動范圍偏大，需配合軋制條件優(yōu)化使用。

三、控制效果評價與工藝優(yōu)化方向

（一）粗糙度檢測方法

冷軋鋁板帶表面粗糙度檢測需兼顧精度與在線適應(yīng)性。接觸式針式輪廓儀利用探針掃描獲取Ra、Rz、Rsm等參數(shù)，適合實驗室定點測量，但受探針半徑、取樣長度及表面油膜影響，需清潔后重復(fù)檢測。非接觸式方法如激光干涉儀和白光共焦系統(tǒng)具備快速響應(yīng)與高分辨率，適合在線應(yīng)用，但激光干涉在高反射表面易受散斑干擾，需優(yōu)化光斑角度與路徑。三維光學(xué)輪廓儀可實現(xiàn)粗糙度分布可視化，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

（二）工藝優(yōu)化效果分析

潤滑劑在冷軋過程中的性能直接影響摩擦與應(yīng)力分布，高粘度潤滑劑在高剪切區(qū)能保持油膜完整，但分散均勻性差，容易在界面堆積；低粘度潤滑劑在高速條件下成膜均勻，但在高壓區(qū)潤滑保持力不足，易造成粗糙度波動。添加酯類極壓劑、聚醚分散劑等成分可增強潤滑劑附著力與耐熱性，維持穩(wěn)定潤滑狀態(tài)。涂布厚度對粗糙度傳遞作用明顯，厚膜會削弱峰谷傳遞，平均粗糙度值偏低，過薄則進入邊界潤滑或干摩擦，粗糙度波動加劇。下表2展示不同軋輥修整方式、壓下率設(shè)定與潤滑劑類型組合下的鋁板帶表面粗糙度控制效果實測數(shù)據(jù)：

表2 不同工藝路徑下鋁板帶表面粗糙度控制效果對比表

軋輥修整方式 壓下率（%） 潤滑劑類型 算術(shù)平均粗糙度均值（μm） Δ算術(shù)平均粗糙度波動（μm） Rsm（μm）

精磨 18 油酸酯礦物油型 0.26 0.07 34.8

精磨+拋光 22 聚醚醇水溶性型 0.19 0.04 28.3

拋光+電火花處理 24 復(fù)合酯合成型 0.16 0.02 25.1

拋光加電火花處理結(jié)合復(fù)合酯潤滑時，算術(shù)平均粗糙度值最低且波動最小，Rsm最緊湊，控制效果最優(yōu)。精磨工藝粗糙度偏高且波動大，表面穩(wěn)定性較差。精磨加拋光表現(xiàn)居中。

四、結(jié)語

研究明確了鋁板帶冷軋過程中表面粗糙度的演變機制由軋輥表面形貌、金屬塑性流動特征與潤滑狀態(tài)協(xié)同決定，提出了基于修整工藝、工藝參數(shù)與潤滑配方的控制路徑。工藝參數(shù)優(yōu)化以粗糙度變形率為核心指標(biāo)建立響應(yīng)模型，潤滑劑成膜特性與界面分布影響粗糙峰谷傳遞穩(wěn)定性。檢測方法匹配工藝需求實現(xiàn)粗糙度精度評價與波動監(jiān)測，實測結(jié)果驗證了多因素路徑在粗糙度一致性與面貌控制方面的有效性。研究成果為冷軋表面質(zhì)量穩(wěn)定控制提供路徑支撐，可拓展至高精度在線控制系統(tǒng)集成應(yīng)用。

文章來源：《產(chǎn)品可靠性報告》http://12-baidu.cn/w/kj/32519.html