利用激光毛化技术在普通冷带.doc

利用激光毛化技术在普通冷带轧机上实现异步轧制高宏陈光南(中国科学院力学研究所)摘要利用激光毛化技术，使两工作辊具有不同的表面粗糙度，以此造成轧制时板带上、下表面摩擦状态的差异，在普通冷带轧机上实现了异步轧制效果。用这种方法实现异步轧制无需改造轧机，工艺简单，成本低廉，生产方便。关键词异步轧制激光毛化摩擦表面粗糙度ASYMMETRICAL COLD ROLLING REALIZED ON PLAIN MILL FOR STEEL SHEET BY LASER-TEXTURED ROLLSGAO Hong CHEN Guangnan(Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences)ABSTRACTThis paper concentrates on asymmetrical cold rolling realized on plain mill by laser-textured work rolls with different surface roughness.As a result of the functions of laser-textured technology characterized with molding and modification ,the work roll surface roughness can be precisely controlled and more permanently maintained.The coefficient of friction of work roll mainly depends on the surface roughness.A new kind of asymmetrical cold rolling with different friction conditions is achieved by use of laser-textured processing .The study presented in this paper has been carried out on plain four-high cold rolling mill,by dulling work rolls with Nd:YAG pulsed laser to make different surface roughness.This rolling technology has the characteristics of easy operation,simple equipment and low cost.KEY WORDSasymmetrical cold rolling,laser-textured,friction ,surface roughness1前言异步轧制作为一种新工艺问世以来，受到了国内外冷轧板带工程界人士的普遍重视1，2。采用异步法轧制薄带钢，除了可以获得更薄的产品外，还具有板形好、精度高和降低轧制压力等一系列优点。已有的异步轧机是依靠不同辊径或不同电机转速的方法造成两工作辊的线速度差，实现异步轧制的。但由于这类轧机在实际生产中容易发生轧机振动、空转时啃辊和钢带表面出现横纹等问题，其应用受到一定限制。激光毛化技术是一种新型的轧辊表面造形、改性技术，该技术通过精确控制辊面形貌改善冷轧板带的冲压性能和涂漆光亮度，以及通过均匀点状局部淬火强化来提高轧辊的耐磨性3。本文尝试利用激光毛化技术特有的改形、改性功能，根据“制造粗糙度差形成轧制摩擦力反向产生异步剪切变形”的思路，在普通冷带轧机上开展了异步轧制试验研究。2异步条件与辊面粗糙度之间的关系异步轧制的特点是中性点处于上、下辊的不同位置，在大小不等的中性角之间造成摩擦力的反向，其所对应的变形区就是轧辊对金属的“搓轧区”。在搓轧区中，两轧辊对带钢的剪切应力使摩擦力由变形阻力转化为促进带钢变形的动力。这种剪切变形条件是常规同步轧制所没有的，如图1所示4。对简图 1两种不同轧制工艺变形区的划分示意图Fig.1Schematic diagram of deformation zones for two different rolling technologies(a)常规轧制；(b)异步轧制单的理想轧制过程，在不考虑张力的情况下，轧制时中性角的大小与摩擦因数之间的关系可用式(1)表达5。(1)式中中性角/rad；咬入角/rad;摩擦因数。由式(1)推得摩擦因数差对中性角差值的影响，如式(2)所示。(2)式中上、下辊中性角差/rad；上、下辊与板之间的摩擦因数差；1、2分别为上、下辊与板间的摩擦因数。实验表明，在表面比较粗糙的轧辊上进行轧制时，润滑剂的种类对摩擦因数没有太大影响，而起决定作用的是轧辊表面的粗糙度和压缩量6。在压缩量一定的情况下，摩擦因数的改变则取决于弹性和塑性接触时的表面粗糙度。冷轧稳态轧制时的摩擦因数与辊面粗糙度的关系可由式(3)表达6KL1+(0.4+0.01)Ra(3)式中KL润滑油特性因数；变形量/%；Ra辊面平均粗糙度/m。设Ra为上、下辊表面粗糙度差，根据式(3)有KL(0.4+0.01)Ra(4)将式(4)代入式(2)可得辊面粗糙度差与中性角差的关系(5)这样就建立起了异步轧制条件与辊面粗糙度之图 2辊面粗糙度差造成的中性角差计算值与测量值的比较Fig.2Comparison of computed difference of neutral angle with measured one by different surface roughness间的联系。图2为按式(5)计算所得值与通过测量轧制时的前滑值所得结果的比较，二者相当接近。激光毛化方法可以通过独立控制辊面微坑尺寸、间距和峰高，对辊面粗糙度进行精确控制7，如图3所示。利用激光毛化方法实现并精确控制辊面粗糙度是能够利用激光辊实现异步轧制的基本条件。激光毛化处理轧辊的另一个重要特点是可使激光作用区材料得到超细晶甚至非晶改性强化，还可有效地松驰辊面原有的强残余压应力场，使轧辊在强化的同时得到韧化3。激光辊的这种强韧化综合效果，使其具有比普通磨光辊和喷丸辊高得多的耐磨性，如图4所示。激光辊的超常强韧化特性是其维持异步轧制的基本条件。图 3激光毛化工作辊的表面形貌Fig.3Surface topography of the laser-textured work roll3异步轧制实验结果及分析3.1试验条件利用中科院力学所研制开发的LT-9402型激光毛化机床，毛化轧机的上、下两工作辊，轧辊材质为GCr15，轧辊尺寸为85/350 mm300 mm。主要加工参数为，激光波长1.064 m，激光功率为100 W，脉冲频率20 kHz，脉宽0.151.00 s，焦点光斑直径约200 m。喷吹气体为压缩空气，气体压力为0.20.4 MPa，喷吹气体角度为45，轧辊转速66 r/min，平移速度0.19 mm/r。其中一个激光辊的表面粗糙度控制在0.50.8 m范围，另一个激光辊的表面粗糙度控制在5.0 m左右。异步轧制试验在普通四辊可逆冷轧机上进行。3.2轧制试验情况与分析轧制时，在不影响板形的基础上尽可能采用大的道次压下量，压下规程如表1所示。由此可见，激光辊轧制时道次压下量达40 %50 %，轧制道次从原来采用普通光辊轧制时的1213道次减少到45道次。图 4激光辊与普通辊和喷丸辊的耐磨性比较Fig.4Wearability of laser-textured roll,plain roll and shot blasted roll表 1两种不同轧制工艺的压下规程对比(08Al)mmTable 1Rolling procedures with two different technologies(08Al)mm普通磨光辊轧制0.500.480.450.400.360.320.260.200.150.120.100.090.08激光辊轧制0.500.300.150.090.08此外，由于激光毛化辊微坑 具有的连续润滑和对碎屑的搜集作用，使板带表面划伤减少。由于利用的激光毛化辊辊径和转速相同，只是表面粗糙度不同，避免了由于不同辊径或转速所造成的轧机振动，消除了钢带表面横纹。若以带钢的翘曲度来表示板形8，测得两种不同轧制工艺条件下的翘曲度分别为，普通光辊轧制时13 %5 %；激光辊轧制时21 %2 %。在设备上，该工艺采用的是具有不同表面粗糙度的两个等辊径的激光辊，一方面避免了辊速调整问题；另一方面排除了利用大、小辊时轧机轴承、接轴等设备的制造、安装问题，以及利用辊速差时的齿轮箱结构制造设计的复杂性。它只需要通过改变毛化工艺参数获得不同轧辊表面粗糙度即可实现，从设备制造和调整方面更加简便化，便于操作。 4结论(1) 利用激光毛化工艺技术的改形功能精确控制辊面粗糙度，使辊面粗糙度得以较长久的保持，将具有不同表面粗糙度的两个等辊径的激光辊配合使用，在普通轧机上实现了“异步轧制”效果，生产实践表明其效果良好、可行。(2) 该工艺既保留了以往采用辊径差或电机转速比不同实现异步轧制时的优点，即压下量大、减少轧制道次，改善板形；同时又克服了以往的不足之处，即避免了轧制时的振动和啃辊所带来的调整困难等问题。该技术使异步轧制设备简便化，操作容易，为异步冷轧板带的推广使用开辟了一种新手段。参考文献1李尧，崔建忠，马龙翔.异步轧制使单位压力降低的原因分析.钢铁，1990，25(4)：41.2世界塑性加工最新技术(译文集).北京：机械工业出版社，1987.921930.3陈光南.轧辊激光毛化技术及应用(博士后学位论文).北京：中国科学院力学研究所，1993.4陶洪畴，苏敏文.不对称轧制原理和应用.北京：北京科技大学，1991.6.5John A Schay.Tribolog