軟合金鋁板帶材周期橫印缺陷原因分析與解決

孟 軍

(中鋁河南洛陽鋁加工有限公司，河南洛陽471800)

0 前言

鋁板帶生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)橫印，特別是在生產(chǎn)小軋制力、小壓下量的軟合金帶材時更容易出現(xiàn)，這一問題已困擾企業(yè)近10年之久。近幾年隨著市場競爭日趨激烈，對鋁板帶材質(zhì)量要求的不斷提高，橫印問題已致客戶多次提出質(zhì)量異議[1]。為解決此問題，本文從壓靠印排查、調(diào)整工作輥扁頭接手滑塊間隙，改造接手結(jié)構(gòu)、提高主傳動聯(lián)軸器軸的動平衡等級，改造主傳動聯(lián)軸器軸結(jié)構(gòu)、解決展平輥的晃動、工作輥扁頭的接手定位鎖緊改造等方面開展了試驗、驗證，以便找出軟合金產(chǎn)生周期橫印的原因，并提出切實可行的解決措施[2]。

1 振痕缺陷的分類

橫印實際是振痕缺陷的一種。振痕是指在金屬生產(chǎn)的彈性物質(zhì)系統(tǒng)中，對生產(chǎn)的循環(huán)性擾動所產(chǎn)生的一種表面缺陷。這種擾動是有某一特征的頻率振動。在板帶軋制過程中可能發(fā)生多種形式的振動現(xiàn)象，其發(fā)生原因和特點也各不相同。按照載荷傳遞系統(tǒng)的不同，軋機上發(fā)生的振動現(xiàn)象可以分為兩大類：一是軋機主傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，扭振；二是軋機垂直系統(tǒng)的振動，垂振。

軋機垂直方向的振動，頻率恒定，沿輥子上下振動，根據(jù)軋制速度的不同，振痕間距也發(fā)生變化，一般是設(shè)備原因引起，如壓上系統(tǒng)蓄能器、背壓、閥的增益等因素引起的自激振動。另外，由于工藝原因，如潤滑、張力、壓下量分配不均等因素引起的整個軋機震顫，也會造成隨軋制速度不同而出現(xiàn)振痕不同的缺陷，通過改變速度和張力可以消除。

扭轉(zhuǎn)類振痕又分為三類：一是傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，發(fā)生的頻率與輥子轉(zhuǎn)數(shù)成正比，不受軋制速度的影響，間距是一定的，如傳動系統(tǒng)的影響；二是輥子主軸周圍的回轉(zhuǎn)振動，不受軋制速度的影響，間距是一定的，如卷取機的回轉(zhuǎn)跳動、機前展平輥的回轉(zhuǎn)跳動、支撐輥、工作輥軸承箱的回轉(zhuǎn)振動等；三是缺陷轉(zhuǎn)印，輥子自身已存在上下對稱的橫印缺陷，如靠零時產(chǎn)生壓靠印、磨削時已產(chǎn)生的對稱類振動缺陷等。此類缺陷發(fā)生的頻率與輥子轉(zhuǎn)數(shù)亦成正比，不受軋制速度的影響，間距一定。

2 橫印缺陷的判別

2.1 缺陷描述

此缺陷主要表現(xiàn)為橫向貫穿板面，寬約3～5mm，側(cè)光30°可見，嚴(yán)重時有起棱感，呈周期性分布，周期為590mm-610mm-590mm，工作輥周期為1200mm，因此俗稱為“半個工作輥周期橫印”。在H12、H14狀態(tài)合金料上表現(xiàn)明顯，不論速度高低，橫印程度沒有變化，間距也沒有變化，幾乎卷卷產(chǎn)生。

2.2 缺陷類別鎖定

根據(jù)缺陷的描述，對照缺陷的分類，可以將該缺陷鎖定在扭轉(zhuǎn)類缺陷中的傳動系統(tǒng)引起的缺陷轉(zhuǎn)印中。從現(xiàn)場抽輥排查看，輥面沒有發(fā)現(xiàn)對稱的壓靠印，并且在排查中亦進(jìn)行多次靠零的試驗，沒有出現(xiàn)橫印增多的情況，因此可以排除壓靠印是造成此類缺陷的原因。另外，對缺陷仔細(xì)觀察，不存在橫印與軋制方向不垂直的現(xiàn)象，可以排除磨輥因素。從目前看，缺陷可以鎖定在主傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)類振痕。依據(jù)如下：首先缺陷發(fā)生的頻率與輥子轉(zhuǎn)數(shù)成正比；其次，振痕間距不隨軋制速度變化，且振痕程度不隨速度變化而變化。

3 原因分析

軋機傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動頻率一般在5～20Hz（＜50Hz）范圍內(nèi)，主要是傳動系統(tǒng)與工作輥運行方向突然相反造成，它是一個由若干慣性環(huán)節(jié)和彈性元件組成的“質(zhì)量彈簧系統(tǒng)”。這個系統(tǒng)在穩(wěn)定加載時不會發(fā)生振動現(xiàn)象，接軸中的扭矩變化是靜態(tài)平穩(wěn)的，但是在突然加載荷作用下，會發(fā)生不穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)振動。接軸扭矩會隨著轉(zhuǎn)角的周期變化而變化，其變化頻率為該“質(zhì)量彈簧系統(tǒng)”的扭轉(zhuǎn)固有頻率。產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動的根本原因是旋轉(zhuǎn)機械的主動力矩與負(fù)荷反力矩之間失去平衡，致使合成扭矩的方向來回變化。

引發(fā)傳動軸扭矩發(fā)生變化的因素有傳動機械間隙的變化、自身精度的偏差、結(jié)構(gòu)形式的影響等。傳動軸的機械傳動環(huán)節(jié)都存在間隙，軋機在加速運轉(zhuǎn)時，這些間隙是閉合的，但在軋機受到?jīng)_擊時，由于旋轉(zhuǎn)軸的不平衡和重力與慣性力的相互作用，間隙間斷打開。特別是工作輥扁頭與主傳動軸連接的接手，在長期的使用中，存在不同程度的磨損和損傷，工作輥裝到位后會造成工作輥扁頭與傳動軸接手接觸不好或偏心，在高速軋制時會造成傳動軸的不平衡甩動，或用傳動系統(tǒng)機械加工、裝配精度低造成的高速不平衡甩動，以上這些周期性不平衡力作用在工作輥上，就會造成周期性的橫印。

4 解決方案

4.1 聯(lián)軸器扁頭接手與工作輥扁頭間隙調(diào)整

在自由狀態(tài)下對聯(lián)軸器的接手與工作輥扁頭配合間隙，進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)出口側(cè)間隙為1.2mm，入口側(cè)間隙為0.9mm；下工作輥的出口側(cè)間隙為0.85mm，入口側(cè)為1.3mm。對扁頭接手結(jié)合面間隙進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整值如表1所示。

表1 間隙調(diào)整情況

扁頭接手間隙的減小能改善傳動軸的甩動，減輕橫印現(xiàn)象，但不能完全消除，若繼續(xù)減小會增加工作輥的抽裝難度。

4.2 主傳動軸的精度提高

主傳動軸作為電機、減速機以及軋輥的主要力傳遞零部件，其要求較高，主要有十字萬向連軸器、鼓齒形聯(lián)軸器、球籠式聯(lián)軸器、滾珠鏈子聯(lián)軸器等。在粗軋機上一般采用十字萬向聯(lián)軸器，精軋機上一般采用球籠式聯(lián)軸器。十字萬向連軸器的加工精度、裝配精度要高，裝配好后十字關(guān)節(jié)的軸向竄動不能超過0.15mm，整根軸裝配后的動平衡要小于G6.3。實驗表明，提高精度后的萬向聯(lián)軸器，橫印能明顯減輕，客戶可以接受，但運行不到3個月后，缺陷又出現(xiàn)，更換新的傳動軸后缺陷可以消除。但這種方式，不但增加了備件消耗壓力，更浪費了生產(chǎn)時間。

4.3 主傳動軸的結(jié)構(gòu)形式改造

我公司有四臺軋機，兩臺粗軋機的傳動軸聯(lián)軸器采用十字萬向連軸器，另外兩臺精軋機傳動軸采用球籠式連軸器。分析認(rèn)為，十字萬向聯(lián)軸器雖有承載能力大、傳動效率高、角度補償能力強等特點，但同時也有主動軸在回轉(zhuǎn)一周期間，存在主、從動端角速度不同，主、從動軸之間不能保持同步轉(zhuǎn)動，其不同步性隨著夾角變化而變化的缺點，從而使連接件產(chǎn)生振動，這也是粗軋機在軋制中容易產(chǎn)生周期橫印的原因。而球籠式聯(lián)軸器，其設(shè)計結(jié)構(gòu)具有完全等速性、傳動效率高，具有吸收震動和沖擊的能力，擺角范圍大、動平衡精度高等優(yōu)點，在設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生同粗軋機一樣的半個工作輥周期的橫紋現(xiàn)象。為此，將1450軋機主傳動聯(lián)軸器由十字萬向結(jié)構(gòu)形式改為球籠式結(jié)構(gòu)，改造后橫印缺陷有明顯改善。

4.4 傳動軸扁頭接手的定位改造

鋁板帶材在軋制變形過程中有部分金屬某瞬間不直接承受軋輥作用而處于塑性變形區(qū)以外，被稱為外端，其對縱向變形有強迫的“拉擠”作用[1]。其實板帶材的連續(xù)軋制也是一種不斷的“拉擠”過程，如若在軋制變形區(qū)有輕微的振動就會形成振痕缺陷。而在生產(chǎn)軟合金時，當(dāng)加工率在20%以下，軋機力在100t以下時，工作輥扁頭接手所承受的反作用力小于扁頭接手的摩擦力，同時連續(xù)軋制過程中受“拉擠”作用，扁頭每旋轉(zhuǎn)180°就產(chǎn)生一次滑動，作用在變形區(qū)的金屬上，從而造成了半個工作輥周期橫印。

根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)傳動軸接手的定位對橫印的產(chǎn)生有較大的影響，決定對其進(jìn)行改造。

具體改造方案就是在扁頭接手的兩個弧形接觸面加裝頂絲，以便限制扁頭的動作，從而消除橫印缺陷。生產(chǎn)實踐表明，加裝頂絲后，此類缺陷徹底消除。接手改造前后圖如圖1所示。

圖1 接手改造前后對照圖

5 結(jié)論

軟合金鋁板帶材周期橫印缺陷的解決，首先要根據(jù)缺陷的形貌，分析原因，鎖定方向。本文中半個工作輥周期橫印的產(chǎn)生主要就是工作輥受到了不平衡力的影響，而解決不平衡力的措施首先要減小工作輥接手滑塊間隙，提高傳動系統(tǒng)的動平衡等級；其次是對工作輥扁頭接手要加裝改造后的頂絲。

通過以上措施的實施，解決了困擾我公司十幾年的疑難問題，質(zhì)量、生產(chǎn)效率均得到較大提升。并且此方法也解決了瑞閩藍(lán)園項目的2300軋機的橫印問題，得到該單位的認(rèn)可。說明本文所述方法對同類問題的解決也有參考借鑒作用。