（机械工程专业论文）汽车刹车片辊压机的研制.pdf

摘要 目前，国内汽车刹车片生产工艺中，以单件或多件模压成形为主， 生产效率低，粉尘污染大；应用辊压工艺连续生产的厂家非常少，针对 国外客户需求，本文设计并制备出一种基于粉末轧制原理进行工作的汽 车刹车片生产设备辊压机。 结合汽车刹车片原料的特点，通过对辊压机的研制和开发，对摩擦 材料辊压成形机理进一步探索，并扩展了其应用范围，样机研制任务己 完成，通过对辊压过程中各种因素的影响进行了分析和总结，希望对刹 车片生产起到一定借鉴作用。 辊压机在加工过程中污染少，材料利用率高，生产效率高，较常规 工艺有较大优势，具有较大的推广潜力。 辊压机加工范围：宽4 0 m m 6 0 m m 厚度l o m m 生产率：4 2 0 m m i n 速度：5 一l o r m i n 关键词：汽车刹车片辊压机研制 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep r o c e s s i n go fb r a k e1 i n i n go fa u t o m o b i l ei n c h i n ai sm a i n l yp r e s s i n ga n ds h a p i n go fs i n g l eo rs e v e r a lp i e c e s m o u l d i t sc h a r a c t e ri sl o we f f i c i e n c ya n ds e r i o u sd u s tp o l l u t i o n r o l l i n gp r e s s i n gp r o c e s s i n gi sa d o p t e ds e l d o mi nm a n yp l a n t s a c c o r d i n gt of o r e i g nc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i si s a b o u td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gak i n do fm a c h i n ef o rb r a k e 1i n i n go fa u t o m o b il eb a s e do nt h et h e o r yo fp o w d e r p r e s s i n g - - r o l l i n gp r e s s c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e ro fm a t e r i a lo fb r a k e1 i n i n ga n d s e a r c h i n ga f t e rt h er o l l i n gp r e s s i n ga n ds h a p i n gm e c h a n i s mo f f r i c t i o nm a t e r i a lt h r o u g ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go fr o l l i n g p r e s se x p a n di t sa p p li c a t i o nr a n g e t h er e s e a r c h i n gw o r ko f s a m p l ep r e s sh a sb e e nf i n i s h e d t h r o u g ha n a l y z i n ga n d s u m m a r i z i n ga 1 1i n f l u e n c ef a c t o r so fr o l l i n gp r e s s i n gp r o c e s s ， t h ep r e s sc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f b r a k e1 i n i n g t h ep r e s s i n gp r o c e s so fr o l1i n gp r e s sh a st h ec h a r a c t e ro f l o w e rp o l l u t i o n ，h i g hr a t eo fm a t e r i a lu t i l i z i n ga n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y i th a sm o r ea d v a n t a g et h a nn o r m a lp r o c e s s i n ga n dh a s h i g hp o t e n t i a lo fg e n e r a l i z i n ga n da p p l i c a t i o n p r o c e s ss c o p e ： w i d t h ：4 0 r a m 6 0 n n t h i c k n e s s ：l o r e p r o d u c t i v i t y ：4 - 2 0 m m i n s p e e d ： 5 一l o r m i n k e yw o r d s ：b r a k el i n i n go fa u t a m o b i l er o l l i n gm a c h i n e d e v e l o p i n g 5 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题目 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名：童丕兰至生年丝月日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士，博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权 长春理工大学- j - 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名：重型兰z 年竺月上日 指导导师签名：兰兰至! 皇塑年竺月同 第一章绪论 1 1 引言 随着汽车工业的发展，汽车刹车片的生产规模在我国呈上升趋势， 我国目前年产3 0 0 吨以上摩擦材料的企业有4 0 0 多家，这其中包括许多 从欧美来投资的中外合资企业或外商独资企业，其年生产能力达到2 0 万吨以上，生产品种3 0 0 多个，规格3 0 0 0 多种，制品有鼓式、盘式制 动器衬片、离合器面片、刹车带、合成火车闸瓦等，除满足国内需求以 外，近几年国外汽车大公司也相继在中国投放大量订单，甚至直接在国 内建厂，这使得汽车刹车片产量在我国短短几年内增长速度达到1 0 个 百分点以上。 汽车刹车片的生产工艺是从混料开始，经过冷压、热压( 有的直接 热压) ，再经热处理、机械加工，形成成品，热压的目的是使树脂固化， 形成具有一定形状和密度的产品，原料中有机物的化学反应可以在热处 理箱中完成。我国传统的热压工艺都是利用模具来完成，原来的筒式模 具从四周向中间传热，热传导路径长，导致产品受热不均，所以必须使 用较长的固化时间才能满足工艺要求，造成能源消耗大，增加成本。后 来学习西方采用排模或板式模，从上下二面导热，路径短，受热较原来 均匀，但生产效率不高，并且操作过程中有粉尘污染。 辊压机的工艺是一个热挤压的过程，将热量和力直接加到摩擦材料 上，加热时间短，加工出来的产品呈带状，可以连续生产，降低能耗， 同时，提高了生产效率，此外与传统工艺相比，还具有污染小，绿色环 保的特点。 1 2 汽车刹车片加工技术的发展状况 1 2 1 汽车刹车片的加工基本工艺流程 传统工艺流程为：混料一热压热处理一外形加工一表面处理一打 印包装 混料工艺：是将十几种或二十几种不同的原料按照配方工艺进行搅 拌、打碎，使其混合均匀。由于原材料中有非金属纤维、金属纤维、非 会属粉末、金属粉末、树脂颗粒等多种不同成份，将这些比重、形状和 流动性各不相同的成份混合为一体。 热压工艺：是将混合均匀的原料经过称重，放入成形模具当中，模 具本身带有加热装置，经过保温保压，使原料的颗粒间隙变小，树脂溶 化将其粘结成具有一定密度和强度的毛坯件。 热处理：是将热压加工出来的毛坯件放到热处理箱中进行固化，不 同的配方有不同的加热时自j 曲线、保温时问等，使毛坯中各成份达到最 佳组合，从而满足制动时所需要的各种参数要求。 外形加工：根据厂家对成品的要求，可安排磨削、开槽、钻孔等工 序。 表面处理：为了使制动衬片具有热稳定性，可以安排表面烧蚀处理 工序，为了防锈和美观还需要进行喷漆或高压静电喷涂处理。 打印包装：打印生产日期、生产批次、包装入库 1 2 2 刹车片材料简史 摩擦材料( 又称摩阻材料) 应用在汽车上，特指制动衬片( b r a k e l i n i n g ，b r a k ep a d ) 和离合器面片( c l u t c hf a c i n g ) ，是汽车上非常 重要的保安零件，在其制造、质量控制、检验等过程中生产设备和测试 设备具有特殊的重要性。 人类最早用于车辆制动的材料是诸如木材、皮革等天然材料。由于 当时车速很低，制动产生的温度也很低，直到1 8 9 7 年，英国人a a b e t f r o o d 首先发明了类似于今天的制动鼓，并研制出一种以头发或棉花为 主要材料制成的制动带，用沥青浸透。这种材料不仅用于当时的马车， 也适用于早期的机动车。由于棉花等天然纤维在2 7 0 c 下将变成碳，并 失去它的摩擦性能和强度，限制了应用。f r o o d 很快认识到这个缺点， 并在1 9 0 8 年开始使用了石棉，一直到本世纪六十年代末期，石棉摩擦 材料一直是制动衬片的主要材料。 摩擦材料发展大致经历了以下几个阶段“】： 1 9 3 0 年前主要以石棉长纤维添加其他线类( 如黄铜丝) 编织浸渍 方式为主。浸渍材料由沥青发展到与油和胶的混合物，并开始用短纤维 替代长纤维。后期出现了无编织干法混合热压工艺。 1 9 3 0 年，化学家研制出了一种柔性树脂粘合剂，且具有更好的热 稳定性。这使得干法工艺有了掺进更多填料的可能性，并逐步研制出我 们今天熟悉的鼓式制动片。在后续的三十年中，石棉一直是主要原料。 与此同时，橡胶工业的研究成果也促进了摩檫材料工艺的改进。用橡胶 混合物胶液刷涂布状编织物，然后再折叠或堆积热压，此方法至今仍被 广泛采用。 1 9 5 0 年，美国s k w e l l m a n 公司首先研制出了用铁粉、石墨和其他 填料加树脂作粘合剂热压而成的摩擦材料，即所谓半会属摩擦材料。 1 9 7 0 年这种材料被用于盘式制动器，至今仍被广泛接受，大量半金属 刹车片正占据着世界各地市场。 1 9 6 0 年以来，随着汽车设计的不断改进，汽车对制动器的要求也 越来越高，迫使许多摩擦材料公司开始研究摩擦材料与制动鼓盘的关 系，并寻求石棉的替代材料。经过分析人们认识到石棉的应用也受到许 多限制。石棉资源是有限的，石棉的质量有很大差异，价格也在不断上 涨。尤其是石棉对环境污染和对人体健康问题的提出，推动了用玻璃纤 维、矿物纤维、金属纤维替代石棉的进程，近期则越来越多地应用碳纤 维和合成纤维。成功的事例不断激励人们放弃对某种单一材料的依赖， 而探讨一切可用材料单一或组合应用的可能性。 有人认为当今摩擦材料工业是个成熟的工业，因为经过努力总可以 满足各方面的新要求。现在汽车制造商对刹车片的改进要求是：克服半 会属片太硬的缺点；降低导热系数；减少热膨胀；研制能在更宽温度范 围内保持摩擦特性的新材料；尽可能靠自身磨损而减少对偶的磨损；研 制适于铝质制动盘的摩擦材料等。 1 2 3 有机摩擦材料的组份及生产过程 1 2 3 1 摩擦材料的配方组份 摩擦材料种类繁多。汽车制动器和离合器用的摩擦材料，几乎都是 用树脂或橡胶作为粘合剂的有机摩擦材料。到目前发现可用于制造有机 摩擦材料的天然和合成原料不下近百种。人们选择其中几种或十几种原 料，按一定比例混合，生产出具有不同特性的摩擦材料。原料选取与配 合比例称为配方。配方是摩擦材料生产中最重要的技术要素之一。配方 五花a f ，千变万化，但万变不离其宗。 归纳起来，任何一种实用配方都不外乎由下述四大类基本原料组 成： 粘合剂：约占5 - - 2 5 增强剂：约占2 0 一5 0 摩擦调节剂：约占3 0 _ - 6 0 工艺性调节剂：约占0 , 5 - - - i 1 2 3 2 各组份的常用原料及作用 ( 1 ) 粘合剂 如热固性树脂和橡胶等。常用的有酚醛树脂、改性酚醛树脂，橡胶， 或树脂与橡胶共混。 粘合剂的作用是将配方中各组分粘合为一体，形成具有足够强度、 适当硬度、尽可能高的耐温性和耐磨性的固体。 粘合剂的耐温性是影响摩擦材料性能的主要因素。因此，其种类和 用量是配方设计中要重点考虑的。 ( 2 ) 增强纤维 如石棉纤维、天然矿物纤维、人造矿物纤维、有机纤维、植物纤维、 素纤维、碳纤维金属。 增强纤维必须能提供足够的强度，应有很好的耐热性能和耐磨性 能，而且不能刮伤对偶。 ( 3 ) 摩擦性能调节剂 摩擦性能调节剂的种类很多，用途各异，必须针对所选择的树脂和 纤维的种类，结合使用要求，进行不同的搭配，以形成满足不同用途的 配方体系。 ( 4 ) 摩擦性能调节剂按照其作用，可作以下粗略分类： a 提高摩擦系数 常采用的是非金属矿物及其制品 例如：重晶石( 硫酸钡) 、硅灰石、铬铁矿、铁、铁墨、氧化铝、荃 石、长石、白之石、陶士、瓷土、矾土( 刚玉) 、还有氧化铁红( 黑) 、焦 炭粉等等。上述这些原料的主要作用是使刹车片有足够的摩擦系数，不 仅在1 0 0 。c 左右的常温区段，而且在4 0 0 - - 5 0 0 。c 的高温区段都能产 生满足需要的制动力。 b 稳定摩擦系数 主要原料有石墨、二硫化钼、云母、滑石、软金属等。 这些原料的硬度都很低，在摩擦表面起润滑作用，使摩擦系数趋 于平稳，并用来保护摩擦对偶。 对于采用钢纤维、玻璃纤维等作为增强纤维的非石棉摩擦材料，必 须注意这一类调节剂的使用。 c 有机摩擦性能调节剂 常用的有橡胶粉、轮胎粉、腰果壳油摩擦粉等。 加入上述材料有助于降低材料的硬度和密度，稳定摩擦系数，降低 磨损，但过量的使用会导致热衰退。 d 金属粉末( 屑) 在一些重载荷的刹车片配方中，也有加入一定份额的金属粉末或 金属屑的情况。常用的有铁粉、铜粉( 屑) 、锌粉( 屑) 、铝粉等，还 有加入锡粉的。 加入金属组份主要是为了改进材料的高温摩擦磨损性能。 e 工艺性调节剂 如脱模剂( 硬脂酸及其它盐类，油酸等等) ，特殊填加剂( 高联剂、 防老剂、偶联剂、阻燃剂等等) 。 脱模剂的作用是使产品在生产过程中容易出模； 特殊填加剂的作用是改善粘合剂的性能，调节粘合剂与其它组份之 间的结合状态，提高材料的使用性能。 上述四类原料在配方中起的作用并非单一。优良配方的微妙之处在 于恰到好处地发挥各种材料交互作用的潜能，使之在满足强度、硬度、 热膨胀、加工工艺性、成本等一般要求的同时，确保摩擦材料在使用温 度范围内有合适并相对稳定的摩擦性能和较长的磨损寿命。另一方面， 由于摩擦材料的使用条件不同，对其性能的要求也不同，因此没有一种 万能配方适用于一切要求。正如没有一种药方包治百病一样。配方工作 人员的任务就是要对症下药，针对不同的要求，对原有配方进行调整或 选配新的配方。 摩擦材料的生产过程主要分为配方筛选和批量生产两个阶段。接到 用户订单并明确了对产品的性能要求后，首先要选择适用的配方，用现 有配方进行调整或研制新配方。经过测试证明能满足用户要求后，投入 批量生产。 1 2 4 汽车刹车片生产设备简介 根据刹车片生产工艺，相应的配有各自加工工序所需的设备。 混料机：常用的有犁耙式混料机，工作原理是用犁头搅拌，翻转物 料，同时配有高速搅刀，将物料打成碎块、碎末，并在混料简体里混合 均匀。 热压机：有四柱式压力机、板框式热压机；配有热压模具，工作时 手工将混合好的原料用天平称量，放入模腔当中，并摊平，然后加压、 保温，加工出成形的毛坯件，生产效率较低。 热处理箱：常用的是电加热，风机循环热空气，使箱内热量均匀。 在不同的高度有相应热电偶测温，并通过控温表控制箱内温度，可以根 据不同品种产品的工艺要求设定温度曲线，加工中打印出实际升温，保 温曲线。 磨床：采用表面镀会钢石的砂轮进行平面、外弧、内弧的磨削。 钻床：采用硬质合金钻头，在钻胎上加工。 表面处理： 烧蚀机是将工件表面通过热板高温加热，使其表面形成一层减震 层： 静电喷涂机：是将工件非工作表面进行金属粉末的静电喷涂，外形 美观。 1 2 5 国内汽车刹车片压力成形工艺的发展过程及趋势 我国摩擦材料的生产使用的机具设备是一个由土制、低级到高级系 列化的过程。建国初期摩擦材料工业剐刚兴起，都是手动和土制设备， 生产产量低，产品质量差，原来压力成形机是手动压机，且只是单模生 产。到1 9 5 8 年才改进为立式上面两层双模油压机，之后又制成筒式连 续出模模具，八十年代开始排模生产，有了专用的油压机及程控油压机， 到了九十年代，引进吸收了国外先进设备、技术、生产机械化，连续化 和自动化水平以及开发新产品的能力有了很大提高，出现的多层排模热 压机。从工艺上为提高生产效率，在热压之前又增加了冷压成型，使摩 擦材料的生产能力有了很大提高。“ 通过模具加热，传导途径受限制，存在受热不均匀，加热时间长， 耗电大等缺点，国外的辊压成形技术已应用多年，这种工艺国内仅有几 家在九十年代从国外引进了设备，具有连续生产、效率高、污染少的特 点。 1 2 6 辊压机在刹车片生产中的应用 辊压机除加工单一种粉末材质外，它还可以利用各种粉末( 金属或 非金属) 之间及与液态物质之间的可掺混性进行改性预处理，能将塑性 金属粉末( 或纤维) ，甚至脆性粉末轧制成材；辊压技术不仅能制造金 属和合金材料，还能创造各种金属一非金属及会属化合物组合材料；利 用轧制成形时粉末原料供给方式的不同，不仅能制造单层板、带和箔材， 还能制造多层复合结构的板带材。 此外，适当地选择和调节成形参数( 如辊径、辊缝、辊速、供粉量 和湿度等) 及不同性能的粉末( 形状、粒度及其组成，物理、化学性能 等) ，不仅能制造致密板、带和箔材的坯料，而且还能直接制造多孔板、 带、箔材；并能在相当大的范围内调节和控制板、带和箔材的厚度和多 孔参数( 孔隙度、孔的形状、孔径及其分布等) 。 采用辊压技术研制和生产的各种不同性能的致密和多孔板、带和箔 材，已日益广泛地应用于石油化工、机械制造、电子、原子能和宇航等 工业部门。 6 辊压机生产多孔材料的最大特点是它可以制造大面积、厚度薄、孔 隙度及孔径分布非常均匀的板、带状材料，而且还具有较高的生产率。 粉末轧制多孔材料的这一特点与轧制粉末工艺本身的特点有密切关系。 因为粉末轧制法是借助两旋转轧辊所形成的狭小滑动变形区将金属粉 末压制成形的，所以只要调整好两轧辊问的缝隙，就能很容易地获得各 种不同厚度的多孑l 材料，并且孔隙度和孔径分卸也比较均匀。采用粉末 轧制法生产多孔薄带时，其厚度的最低极限只取决于生带坯能否从两轧 辊中引出，并确保具有足够的机械强度，以使其进入烧结炉前不致损坏。 辊压成形多孔材料与常规粉末冶金多孔材料一样，它不仅具有金属 材料的优良性能，如强度大、耐高温、抗热震、一定的导热、导电性能； 并且它还可能在很宽的范围内对材料的孔隙度、孔径和孔径分布加以控 制，从而使多孔材料具有一般金属材料所没有的一系列宝贵性能和用 途。这些材料常用于制取过滤、气体分离、节流等制件，多孔电极、催 化剂、热交换器、各种吸音、减震、声阻、缓冲以及密封材料等等m ，。 1 3 论文研究目的和内容 本篇论文对摩擦材料辊压成形成行了初步的研究，目的是设计制造 出摩擦材料行业需要的辊压成形设备，以提高汽车刹车片的生产效率， 降低粉末污染，节约能源，产生良好社会综合效益。 论文主要内容分三部分： ( 一) 原理分析 ( 二) 辊压机设计 ( 三) 样机制造及运行试验 ( 四) 结论 2 1 基本原理 第二章辊压工艺的理论依据 以金属粉末轧制原理为依据，对辊压成型过程进行分析，摩擦材料 粉末和金属粉末相比，比重较轻，热稳定性差，组成成份复杂。但由于 摩擦材料成份中也包含有金属成份，在许多性能上相近，可以参照。 2 1 1 摩擦材料粉末轧制实质上是一个连续的压制过程 粉末不断地通过位于同一平面但转动方向相反的两个轧辊的缝隙 之间，并领先轧辊的压力将其轧制成具有一定强度的带材。 按带材出辊方向的不同，粉末轧制可分为三种形式：垂直的、水平 的和倾斜的，其中以垂赢方向的粉末轧制方法较为普遍。图2 - 1 为垂直 方向的粉末轧制示意图。 图2 一l 垂直方面的粉末轧制示意图 粉末轧制的原料是一种具有一定流动性的分散颗粒或团粒组成的 不连续的松散体。 粉末轧制就像其它任何粉末压力加工一样，是建立在颗粒| 1 日j 有空隙 存在的基础上。在轧制压力作用下，粉末颗粒相互移近和重新排列。颗 粒问所含气体也不断逸出。结果，粉末颗粒| 日j 的空隙减小，粉末体被压 实，成为具有一定密度和机械强度的连续的带材。 8 金属粉末和摩擦材料粉末轧制遵守轧制前后粉末重量相等这一原 理。 2 1 2 粉末轧制变形区的形成 在垂直方向的会属粉末轧制中，依据粉末在轧制变形区所处姿态的 不同，通常又将整个粉末轧制变形区划分为三个区段，即供料区、粉末 滑移区和压实区。在这三个不同区段里，相应出现有粉末的流动、滑移 和粉末体的压实。 在供料区内，粉末依靠自重下流，贴近辊面的粉末为辊面的摩擦所 带动。就是说，漏斗内的粉末颗粒移动有两个基本方向：位于漏斗中心 部位的粉末颗粒按垂直方向下落，而贴近辊面的粉末层则按横向弧形移 动。随着粉末的下落和向变形区的移近，它们的移动速度逐渐加快。在 这一过程中，松散的粉末开始进行重新排列，并由于某些震动，而引进 粉末更加密实的堆积，其密度由原来松装时的密度逐渐增大到粉末的摇 实密度。但这时粉末颗粒之日j 尚未构成联接，整体粉末仍然处于一种松 散状态。应该指出，在供料区，粉末颗粒向变形区流动的特点，在很大 程度上取决于粉末开始的供料厚度和轧制方式。 滑移区是指部分金属粉末间发生相对移动的区域，包括从最上部至 最下部( 图2 2 中a c 和a c 到b d 和b d ) 的滑移线所包围区域。 么1蔺寄心。 i o ( 够 图2 2 金属粉末轧制变形区的形成 i 一供料区i i 一滑移区i i l - 压实区 9 在滑移区内，粉末颗粒向压实区移动逐渐加快。原来处于漏斗内开 始布料的粉末水平层，随着轧制过程的进行，破坏了其层次日j 的连续性， 继而出现粉末层间的滑移，使贴近辊面的粉末开始沿滑移线向变形区移 动，而被滑移线切断的中心部位的粉末，则仍作垂直方向向下移动。不 过它的移动速度要低于贴近辊面的粉末的移动速度。随着粉末层的下 落，粉末沿滑移线的移动速度也逐渐加快。同时，使沿滑移线向前移动 的粉末层厚度加厚。粉末滑移的厚度通常取决于粉末颗粒大小和形状， 而滑移区的长度则与供料方式( 自由供料或强制供料) 有关。 在此区段内，随着粉末颗粒向前移动的速度加快，轧制压力逐渐增 大，粉末体内部颗粒日j 的空隙逐渐减少。这时粉末颗粒间已经产生了一 定的联接。 压实区的形成与滑移区的形成一样，也是由于在两个轧辊之间形成 一抑制变形区的结果。在形成抑制变形区的同时，除与轧辊表面接触的 粉末层外，所有粉末都被压实到摇实密度。 在压实区内，由于轧制压力急剧增长，粉末颗粒进一步相互靠紧和 镶嵌，颗粒i 日j 的接触面积增大。这时颗粒间已产生较好的联接，粉末体 被轧制成具有一定密度和一定机械强度的带材。 2 2 粉末轧制中的角度参数 当粉末被轧辊咬入后，粉末在沿轧辊咬入弧渐向变形区移近的过程 中被轧辊所压实。在此过程中，粉末体的性能也相应地发生了很大变化。 为了正确理解会属粉末轧制过程，采用一组相应的角度参数来描述粉末 体在变形区内各个不同截面的状态。这些角度参数是粉末轧制中的重要 参数。 2 2 1 供料角a 供料角( 图2 3 ) 指的是粉末与轧辊辊面相接触的整个弧所对应的 轧辊中心角，而与其相对应的粉末体截面厚度称为供料( 或咬入) 宽度 h 。 在金属粉末轧制中，因为粉末颗粒或团粒具有一定流动性，尤其是 沿垂直方向轧制粉末时，粉末因自重向下流动，更有利于粉末被轧辊的 咬入。这时转动的轧辊表面就像运输带一样，借助于摩擦力，将与其接 触的粉末带向变形区。显然，供料角的大小，直接影响到粉末被轧辊的 咬入量，终归也将影响到粉末轧制带材的性能。 1 0 图2 - 3 粉末轧制中的角度参数 2 2 2 轧制角i 轧制角也是粉末轧制过程中的一个重要角度参数。它所对应的轧辊 弧长正是轧制压力分布曲线的基底( 横坐标) ，其弧上的上端点又是轧 制压力分布曲线的起始点。通常处于轧制角所对应截面上方的粉末，其 密度已达到了粉末的摇实密度。而在此弧区内，松散的粉末被轧制成形， 粉末体的密度由摇实密度逐渐增大到带材密度。 轧制角不是一个常量，它是随轧制压力和带材密度增加而增加的一 个变量。 轧制角可以确定压实区的大小，而压实区的形成则是这些几何和物 理力学因素相互作用的结果。由于影响粉末轧制的因素很多，所以到目 前为止，还没有一个成熟的计算轧制角以及带材厚度和密度的理论公 式，而工艺设计时所经常采用的都是一些经验计算式。 2 2 3 压制角q2 压制角是一个轧辊中心角，该角所对应的变形截面，可将变形区内 的粉末体明显地分成松散和已压实两个部分。但对于任何一种粉末说 来，却又达不到它的准确的数值。事实上到目前为止，也还没有一个合 理的计算和确定压制角的严格方法。 2 2 4 中性角a3 会属粉末轧制与一般致密金属轧制一样，在变形区内存在一个中性 截面。在此中性截面上，粉末体的移动速度与轧辊圆周速度相等。且轧 制压力达到最高值。这个中性截面所对应的轧辊中心角叫做中性角。 中性角实际上与带材厚度和供粉条件无关，而只取决于粉末的材 质、带材密度和最大单位轧制压力。通常中性角随着轧制压力的增加而 增加。 2 2 5 轧辊弹性压缩角d 在轧制中，由于轧辊弹性压缩变形而形成的一个角度称做弹性压缩 角，它实际上是表示变形区增大了的那一部分的轧辊中心角。 2 3 轧制时粉末的咬入条件 2 3 1 实现粉末轧制的必要条件， 在金属粉末轧制过程中，粉末被轧辊的咬入主要依靠粉末与轧辊表 面间的摩擦。尽管在垂直方向轧制粉末时，粉末漏斗可以直接安装在辊 面上方，而有利于粉末直接向变形区的流动。但粉末与轧辊表面间所产 生的摩擦仍然是实现粉末被轧辊咬入的主要条件。如果粉末与辊面问不 产生摩擦那么粉末就不会被两个轧辊咬入，粉末t f l 铜j 也就无法进行。 为了探讨粉末轧制过程中的咬入条件，可以从研究变形区内靠近咬 入弧的任意微小粉末体的受力状态着手，从图2 - 4 中可看到，作用于咬 入板上任意微小粉末体的力有：粉末柱的自重；轧辊对粉末体的径向压 力；粉末体对轧辊的反作用力和粉末与轧辊表面之问的摩擦力。 ( d 图2 4 在咬入弧上作用于微小粉末a b c 的各种力( a ) 和粉末体a b c 上的作用力平衡图( b ) 很明显，所有在y 轴上的投影并与轧制方向相反的力是阻碍粉末进 入变形区的力。例如，r 力，它在y 轴上的投影为r s i n a 。，在轧 制过程中，这个力不会有助于粉末轧辊的咬入。相反，在y 轴上与轧制 方向一致的力，如t c o sa 。+ q ，就会促进粉末被轧辊的咬入。根 据所有作用于微小粉末体上的力的平衡概念，可以看出，对处于变形弧 上任意微小粉末体a b c 来说，被轧辊咬入的条件是在y 轴上并与车l s j j 方 向一致的作用力( 或作用力在y 轴上的投影) 之和等于或大于与轧制方 向相反的作用力( 或作用力在y 轴上的投影) 之和，即： 么t c o s a ，+ 厶q r 苫加戤 又因为z 3 t = l z 厶r ，所以， ( 2 1 ) tga。p+笪q(2-2) 厶r 百i n a 由作用于微小粉末体a b c 上的所有力的平衡图可得出： 盘：笪：! 箜生 c o s ( a e ) 将( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 式则得： z s o c o s ( n 8 ) t g a 酃+ p 荔 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 根据一般的压制理论可知： 丝q = t g a ( k 为侧压系数。一般为0 3 - 0 4 ) ( 2 - 5 ) p 如将此式代入( 2 4 ) 式，就可得出在粉末自重喂实的垂直方向轧制 粉末时，平滑辊面咬入粉末和实现轧制粉末的必要条件是： f g 口k c o s 型( a - 宦一) 1 一伽口c o s b 一 ( 2 - 6 ) 2 3 2 粉末漏斗侧挡板对粉末咬入条件的影响 在粉末轧制中，为了保证带材边部的正常成形，漏斗下部与轧辊轮 缘的接触部位，一般采用不动侧挡板或采用沿轧制方向可以移动的活动 侧挡板。这样可以使粉末在各向均匀的受压状态下成形。 2 4 粉末在轧制条件下的流动 金属粉末的流动性是粉末轧制的重要工艺因素之一。它不仅直接影 响轧制带材的最终性能，而且也影响对其它轧制工艺条件的选择。实践 表明，一般方法测量的粉末流动性，不能充分反映出轧制条件下的粉末 流动特性。因此必须结合粉末轧制工艺的特点来研究轧制金属粉末时粉 末所特有的流动行为。 2 4 1 垂直轧制时的粉末的流动 。 图2 5 是垂直方向轧制粉末( 供料厚度为h = 0 5 d ) 时，应用) ( - 一射 线跟踪漏斗内粉末向变形区流动的轨迹示意图。实验用辊径为9 6 毫米， 带材厚度1 5 毫米。由图中可 以看出，在上述轧制条件下， 处于漏半中间部分的粉末向变 形区的移动速度比较缓慢，而 边部，尤其是贴近辊面的粉末 向变形区移动的速度反而比较 快。这种现象充分说明，在粉 末轧制过程中，转动的轧辊对 贴近其表面的粉末，借助于摩 擦起着连续不断的搬运作用。 它首先将漏斗下部靠近辊面的 那一部分粉末带向变形区，然 后再由位于其上部的并沿漏斗 隔板垂直向下滑动的粉末不断 补充。 在粉末轧制过程中，漏斗 内粉末的这种流动行为，最终 图2 - 5 在h = 0 5 d 的条件下，粉末向变形区 的流动( 轧辊转动2 转后x 射线跟踪示意图 使漏斗内最初柿料的水平粉末层，逐渐形成一个向下弯曲的曲线。随着 粉末向变形区的移近，又因为漏斗边部的粉末颗粒比其中间部分的粉开 颗粒移动的速度较快，因此这条曲线会逐渐形成一个对称于漏斗截面中 心线的圆圈。 1 4 图2 6 在h = d 的条件下漏斗内的粉末流动行为 l ，2 ，3 卜为粉末颗粒编号； i ，i i ，i i i 为水平粉末层 应该指出，在垂直方向轧制粉末时，供料厚度对漏斗内的粉末流动 行为有着极为明显的影响。当供料厚度和辊缝都比较小时，漏斗内粉末 向变形区的流动，只出现一个位于漏斗中部的粉末流动低速区( 图2 5 ) ， 当供料厚度和辊缝都比较大时，漏斗内的粉末流动存在着两个明显的低 速区( 图2 - 6 ) ，它们分别位于漏斗截面中心线与漏斗的两个隔板之间。 随着漏斗内各层粉末料位的下降，位于漏斗中部的水平粉末层向下弯 曲，而处于漏斗截面中心线与两个隔板之间的水平粉末层( 即漏斗内供 料厚度的四分之一处) 反而向上弯曲。这种现象的产生，就是由于贴近 辊面的粉末以较快的速度不断被推向变形区，以及漏斗中间部分的粉末 不断的迅速向下陷落的结果。 从x 一射线照射垂直方向轧制粉末时所得的漏斗内粉末颗粒流动的 照片中可以清楚地看出，轧制过程中漏斗内粉未颗粒向变形区流动的轨 迹和方向。位于漏斗中心线附近的粉末颗粒流动的轨迹的方向则是弯曲 向下，其中靠近漏斗隔板附近的粉未颗粒流动变形区所经过的路程最 长。可是由于它们贴近轧辊表面，因而却以愈来愈快的速度被轧辊辊面 带向变形区。 很明显，在供料厚度和辊缝都比较大的情况下，整个漏斗内的粉末 向变形区的流动，除了辊面对粉末的引带外，还有漏斗中心部分的粉末 层明显地垂直向下流动和陷落。 2 4 2 垂直方向轧制时粉末沿供料宽度的流动 观察整个轧制过程可以发现，处理漏斗内的粉末沿供料宽度向变形 区的流动行为如图2 7 所示，边部和中间部位的粉末流动速度完全不同。 靠近漏斗两侧边部的粉末向下流动速度 较快。而中间部分的粉末向下流动的速度 较慢。因此，漏斗内开始布料的水平粉末 层，由于漏斗两侧边部的粉末流动速度较 快，使漏斗内的粉末在轧制过程将近结束 时，形成个由中问向下弯曲的曲线。 事实上，尽管漏斗的两个侧板与轧辊 轮缘问有较好的紧密配合，但其日j 不可避 免地还存在使较细的粉末颗粒可以自由 漏掉的缝隙。因而漏斗内的粉末自然会具 有自然漏掉的倾向，即向阻力较小的漏斗 两侧补充和流散。同时又由于带材较宽和 粉末粒度较细，变形区罩的反向纵向气流 沿供料宽度的分布由中间向两边逐渐减 弱。因此，很明显，在供料宽度的中日j 部 位，粉末向变形区的流动受反向气流的影 响比较大，因此，漏斗中间部分的粉末流 枯近 结束对 砑斗内 耪末 堆西 图2 7 正常情况下沿供料 宽度方向的粉末流动行为及 对带材表面的影响 向变形区的速度也就会减慢。反之，两边的反向气流作用较小，漏斗内 粉末向变形区流动所受阻力也较小，所以粉末的流动速度也较快。在这 种情况下，所得到的带材边部密度，可能大于带材的中间部位密度，不 过由于漏斗侧板与其靠近的粉末间的摩擦以及存在的边部粉末流失等 现象，所以严格地说来，在带材边部还会出现有0 5 - 1 0 毫米宽度的低 密度区。 2 4 3 粉末粒度及其组成 1 6 h m = 0 i l o 毫米 图2 8 1 作辊中心线交叉时漏斗内粉末的流动行为和带材表面状态 。 砂塑i ! 垄! 一- 将麓鳍柬 _ 斗l猗；葛 鲤=：i il 榜末分书 - - 。一i 图2 9 辊缝不一致时漏斗内粉末的流动行为 米姥 忙蝴巨 松装密度、流动性、带材密度、辊面光洁度和轧制速度以及轧机的 调整状态等因素，对漏斗内的粉末沿带材宽度方向上向变形区的流动和 带材表面纵向波纹的形成等都有很大影响。 在垂直方向轧制粉末时，当两个工作辊的中心线不平行或存在交叉 时( 图2 8 ) ，漏斗内的粉末将趋向轧辊缝较大的那一方向流动。如果 两个轧辊中心线交叉点在中部，那么中部辊间距离为最小，这时粉末向 变形区的流动主要靠粉末与辊面的摩擦。但在边部，粉末向变形区的流 动，除靠粉末与辊面间的摩擦带动外，还由于两边部对粉末流动的阻力 较小，漏斗内的粉末也自然会较快地流向两边。这样，在供料宽度方向 上，由漏斗的中问部分向两边部，粉末向变形区的流动速度和流量逐渐 加快和增多。结果使带材边部厚度大于带材中部厚度。 当轧辊的两边辊缝调整的不一致时( 图2 - 9 ) ，漏斗内的粉末则趋 向阻力较小的辊缝大的那一边流动。而在辊缝较小的那一边，由于阻力 大，粉末向变形区的流动速度较小。这样在辊缝较小的一边，带材较厚 和密度较低，并且出辊后的带材将向辊缝小的那一边弯曲。而不是像一 般冷轧金属薄带那样，向辊缝大的一边弯曲。其原因在于辊缝大的一边， 单位时间内通过的粉末流量比辊缝小的一边的粉末流量要大。这是金属 粉末轧制区别一般金属轧制的又一特征。同时也说明，在会属粉末轧制 中，带材性能与漏斗内部粉末向变形区的流动行为有密切关系。 2 5 轧制速度 由于金属粉末是由许多具有流动性的颗粒或团粒所组成的松散体， 而且又由于其内部和外部都存在着摩擦，这就使粉末颗粒或团粒在相互 移动时受到了很大阻力。因此在会属粉末轧制中，轧制速度受粉末能否 及时地和连续不断地流入变形区所制约。 1 8 轧制速度米分 图2 1 0 轧制速度对带材厚度 和密度的影响 在粉末轧制过程中，通常要求单位时间通过咬入截面并进入变形区 的粉末量等于或略多于( 考虑到轧辊端部的粉末流失) 出辊成形带材的 重量。 实验表明，在一定的轧制工艺条件下，对任何一种粉末都存在一个 最低和最高的轧制成形速度。在此成形速度范围内，粉末轧制可以正常 进行。还应当指出，轧制速度的变化有时对带材性能也产生一定的影响。 为得到一条成形完整的和性能稳定的粉末轧制带材，根据轧制前后 粉末重量相等原理，可以求出粉末轧制的最低轧制速度： ， 矿* 二 j 7z ( 2 6 ) t l 为气体粘滞系数，而粉末轧制的最高轧制速度则应为： a ，“qk | 矿默否；厂；亨i ( 2 7 ) 图2 1 0 是在粉木轧制正常成形条件下，轧制速度对带材厚度 和密度的影响曲线。实验采用的电解镍粉末，平均粒度为2 5 微米，松 装密度为1 4 克厘米3 0 轧制是在工作辊径为2 5 毫米的四辊垂直粉朱 轧机上进行的。从图中可以看出，在粉末轧制正常成形的范围内，随着 轧制速度的提高，带材厚度变薄和密度降低；反之，随着轧制速度的降 低，带材增厚，密度增加。 1 9 改变轧制速度而引起带材厚度和密度的这种变化，主要是由于粉末 与辊面i 日】摩擦系数的改变和变形区内反向气流影响的结果。提高轧制速 度会降低与辊面问的摩擦系数和增大反向气流的影响，使轧辊咬入的粉 末量显著减少。所以，带材厚度和密度都随着轧制速度的提高而下降。 反之，降低轧制速度则会增加粉末与辊面问的摩擦系数和减弱变形区内 反向气流的影响。使轧辊在单位时间咬入更多的粉末量。这样，带材厚 度和密度也就随着轧制速度的降低而同时增加。 2 6 粉末轧制压力计算式 在垂直轧制会属粉末时，通常金属粉末带材的宽度都比轧制变形弧 的总长度要长数倍到数十倍( 为一有利于对比，也可将这两个尽寸视为 方形压坯的长和宽) 。同时，粉末在轧制成形过程中也很少沿轧辊轴方 向发生明显的位移。依据上述条件，就可以把垂直轧制粉末的过程简单 的看做是金属粉术两个方向受力的压制成形，如图2 - 1 1 所示。此外， 粉末轧制变形区的长度又都显著地大于轧制带材的平均存度，因此可以 认为，粉末体每一横截面的变形是一种均匀变形，这时金属粉末沿轧制 方向的成形过程也就可以看做是一种粉末连续的压制成形过程。 从图2 一1 1 中可以看到，轧制角q 与轧制变形区的起点及起始截 面的厚度膨相对应，轧辊弹性压缩角q 。与轧制粉末材料的出辊截面相 对应。当粉末体通过中性截面后，其密度和厚离的变化并不显著，此外， 在轧制一般塑性金属粉末时，a ，角通常也都不超过。2 5 7 。 i 图2 - 1 1 垂直轧制粉末时轧制力的作用 综上所述，依据轧制会属粉末时粉末沿轧制弧所承受的单位压力的 分布规律，并以不改变t f l n 粉末成形的特点又使其在数学上更加容易理 解和演算，需要对粉末轧制过程做如下几点假定： ( 1 ) 粉末的被压缩和粉末体密度的提高只发生的滞后区，粉末体 密度的变化终止于中性截面，轧件的弹性变形可以忽略不计( 因为轧件 出辊后的弹性变形，一般不超过嬲； ( 2 ) 轧件屈服强度的变化可看做是从截面届为零开始，以中性截 面为最高值，呈线性规律变化的，并且在中性截面之后，轧制件的屈服 强度不再改变； ( 3 ) 单位摩擦力与单位轧制压力成比例关系，而且在轧制变形区 内粉末与轧辊间的摩擦系数可认为是恒定的，并忽略轧制时所出现的 “粘着区”； ( 4 ) a b 弧可由通过a 、b 两点的a b 弦所取代，轧制变形区内的 b c 弧，则由平行于轧制方向的占f 弦所取代。 依据上述假定条件，对处于变形区内的松散粉末体在受外力作用下 的行为，可进一步做如下的分析：若在滞后区内，取一无限微小粉末体 a b c d , 如图2 1 1 所示，且沿轧制方向，上下两截面间具有无限小距离 出。那么，为计算该微小粉末体在变形区内受力的平衡条件，需将所有 作用于a b c d 微小粉末体上的力向轧制轴方向投影。这时，来自金属粉 末体内部并作用于该微小粉末体上的力应该是： ( o 。+ d o0 ( h 。+ d h 0 no 。h 。( 2 - 8 ) 式中一，为产生于耐截面内的平均法线压缩应力。 如果用厅和“分别表示轧辊作用于该微小粉末体a b e d 上的接触法 线应力和切线应力，那么，把它们向轧制轴方向投影后，则为： 2 t 茂等矗一n t 。毫蠹c o s 阑 若把所有作用于该微小粉末体上的力向轧制轴方向投影，就可得到 微小粉末体所受作用力的平衡方程式： 产( o i m q ( h , + d h q o i h 珊。毫矗s i n n 。 + 2 t 。c o 呱= o ( 2 - i 0 ) 2 1 去掉数值较小的二次幂后得： a d o j ox 幽吨饥以丝l ：0 t go - ( 2 - 1 1 ) 若求方程( 2 - 1 1 ) 之解，必须确立b 与口，及厅与t ，问的相 互关系。如果忽略轧制变形区内的粘着区，那么，沿轧制弧则有如= 掣 厅的关系，且弧朋被册弦取代后，a ，也可认为是常数，并等于角， o | + q3 又，= 歹一。又因为轧制粉末时，粉末体沿轧辊轴向的宽展很小， 可忽略不计，即腑；这时，只要应用物体在两个方向上的受力变形塑 性变形方程就可以确立法线接触应力只与口，的关系。 如果平面变形的塑性方程式是口广口，气式中口，和口，是作用于 变形体上的最大和最小的主法线应力，尼为按平面图形变形时的会属实 际形变阻力，若把应力的水平分量a ，和垂直方向上的分量口，取作两 个主法线应力，那么水平方向上的作用力的平衡条件是： s 出：p x 垡c 何帜堡；s i f ( 2 1 2 ) c o s tc o s t 因为等式中右侧第二项与第一项相比，其值甚小，在轧制粉末时口 与占埘的乘积一般不超过髓以一n0 5 , 所以可以忽略不计。结果可近 似的取一，砚同理，在垂