高精度銅板帶拉伸矯直工藝研究及應用

姚廷鑫，盧 燕

(安徽鑫科銅業有限公司，安徽 蕪湖 241006)

銅材具有高導電性、高導熱性、較高強度、高耐蝕以及可鍍性和易加工性等一系列優異性能，廣泛應用于集成電路、連接器、5G通訊、消費電子等領域，隨著科學技術的發展，對銅板帶產品的尺寸精度、力學性能、物理性能、工藝性能、殘余應力和板形一致性等提出了更高要求，因銅合金成分、性能均勻性、冷軋機剛度等影響，很難得到理想的板形和低殘余應力的板帶材。因此，通過連續拉伸彎曲矯直機列來減少帶材平直度缺陷、改善板形、降低或均衡帶材殘余應力就成了高精度銅板帶材生產的必然工序。連續拉伸彎曲矯直是使帶材在拉伸和交替彎曲的聯合作用下產生塑性延伸，來矯正帶材原有的波浪和翹曲等板形缺陷。由于拉伸彎曲矯直機具有降低或均衡應力、板形矯直效果好，所需矯直張力小、操作簡便等優點，能夠實現板形自動閉環控制、自動停車、料卷自動裝載卸載，同時配備在線表面檢測儀，在高精度銅板帶材生產中得到了廣泛應用，已成為高精度銅板帶材精整工序中不可缺少的組成部分。

1 拉伸彎曲矯直原理

銅板帶材板形缺陷產生的實質是板帶材在軋制過程中橫截面上不均勻的塑性變形或局部軋制熱冷卻不均勻的結果，使之沿某一方向上相鄰的纖維之間在長度方向上產生了很小的長度差。要想得到平直度好的板帶材，只需對帶材施以超過材料屈服極限的應力，使長、短纖維趨于一致，使帶材在拉伸和交替彎曲的聯合作用下產生塑性延伸，使應力松弛或重新分布，即能達到矯直帶材的目的(圖1、圖2、圖3、圖4)。

由于銅板帶材并不是理想的彈塑性材料。因此拉彎矯直的矯直效果與帶材的原始板形和硬化模量的大小有關，硬化模量愈小的材料越易矯直。經過拉彎矯直的板帶材板形會有很大改善，但不可能完全消除原有板形缺陷，獲得絕對平直的板形。一般當來料的板形在40I以內時，經過拉彎矯直后帶材平直度可達到3I以內，這足以滿足目前各種用戶的使用要求。

圖1 反復彎曲 圖2 無張力彈塑彎曲應力應變圖Fig.1 Bending repeatedly Fig.2 Stress strain diagram of elastic-plastic bending without tension

圖3 下矯直輥帶材受力分析Fig.3 Force analysis of strip of lower straightening roll

圖4 上矯直輥帶材受力分析Fig.4 Force analysis of strip of upper straightening roll

2 拉彎矯直機的特點

連續拉彎矯直機組包括開卷機、張力測量輥、壓板、夾送輥、切頭剪、制動S輥組、矯直輥系、牽引S輥組、板形測量輥、收卷機等。矯直輥系的前后各有一套S輥組，帶張力的帶材通過矯直輥系時，在拉應力和彎曲應力的聯合作用下，產生塑性變形。同時，經過反復的正向、反向彎曲，使材料內部的殘余應力逐漸減小，甚至趨近于零。拉彎矯有延伸率和張力控制兩種運行模式，可自動閉環控制板形，也可手動控制，能夠實現料卷自動裝載、卸載，自動穿帶等功能。

3 彎曲矯直輥系的結構與特點

彎曲矯直輥系是使帶材先彎曲后矯直的核心部分，彎曲矯直輥系由多個小直徑彎曲矯直輥組成，其作用是使帶材在張力作用下經過劇烈的反復彎曲變形，達到工藝要求的延伸率；其功能是通過調節彎曲矯直輥系的開口度來實現。彎曲矯直輥系由一組中間輥和支承軸承構成，以提高工作輥的剛度。彎曲矯直輥系是無動力的，其與帶材同步運動，不會因打滑而擦傷帶材表面，工作時上輥系是相對固定的，下輥系是相對可調節的，并實行分段調節，設定了最大調節量，以保護輥系。因矯直輥系的精度高，裝配要求嚴格，在裝配不當時，會造成輥子之間相互運動，輥面劃傷，進而對帶材造成表面劃傷。在正常運行時，矯直輥系通過一種特制的油品進行潤滑冷卻。當輥面及帶材出現劃傷時必須對輥面進行處理。

4 張力輥組的結構與特點

張力輥組的作用是使帶材產生張力，由前后兩組S輥組成。前S輥組是牽引輥，后張力輥組是制動輥，兩組張力輥都是由電機驅動的，但前張力輥組的線速度高于后張力輥組，帶材的延伸率就是由這一線速度差決定的。前后張力輥組S形布置，使得帶材與張力輥之間接觸摩擦的總包角是最大的，以把開卷機的初始張力進行最大限度的放大，帶材在機列中從開卷機到卷取機各段的受力情況如圖5所示。為了使帶材與輥面之間摩擦力增加，同時又不傷害帶材表面，S輥組的輥面襯了一層既耐磨又耐油的聚氨酯材料。每一個輥子都帶有獨立的減速裝置及電機驅動，前后S輥組可以分別點動。正常工作時，牽引S輥組提供動力，被動S輥組被動并發電回饋到電網中，以降低能耗。

圖5 帶材張力情況Fig.5 Tension of strip

5 拉伸彎曲矯直機組主要工藝參數的選擇

拉伸彎曲矯直機組的主要工藝參數是帶材延伸率、入口壓下量、出口壓下量和矯直張力等。以上工藝參數的選擇要根據帶材的品種、厚度、性能、原始板板形及產品要求來決定，見表1。

(1)延伸率。對于銅板帶材單純為了矯正板形延伸率一般取值在0.2%～0.6%，如要改變帶材機械性能則延伸率一般為1%～3%。主要根據被矯帶材的品種、狀態、厚度、原始板形確定，當來料板形差、屈服極限高時，延伸率取上限，反之取下限。

表1 典型產品的矯直工藝參數

(2)壓下量。其值的大小直接影響矯直延伸率，影響矯直效果及帶材的性能。入口壓下量根據被矯帶材的品種、厚度、狀態、來料板形來確定，同時與所選延伸率相關。入口壓下量隨厚度增加而減小，隨著材料屈服極限增加而增加，當來料板形差時，壓下量增加。一般矯直銅及銅合金帶材時，入口壓下量的調整范圍為-1～-4mm(圖6)，出口壓下量的選擇要約小于帶材厚度，以矯直帶材為準，過小的出口壓下量會導致帶材反向卷曲。

圖6 入口壓下量Fig.6 Entry rolling reduction

由以上所述可知，為達到一定的帶材延伸率可以采用不同的方案。例如，用大張力小壓下量或小張力大壓下量均可以得到相同的帶材延伸率。這樣可在一臺拉伸彎曲矯直機組上，通過各種條件的組合，對較多品種和規格的帶材進行矯直，如采用增大壓下量或延伸率的方式來改善帶材的機械性能，銅及銅合金經過去應力矯直后，抗拉強度和屈服強度約有減小，伸長率有所增加。但是過大的壓下量或過大的延伸率會使帶材出現翹曲等過矯現象。