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(duì)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(rùn)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(dòng)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(jī)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(duì)優(yōu)化成效進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)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(jī)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(dòng)特征以及潤(rùn)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(dòng)，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(dòng)，改變?cè)即植诙鹊姆植家?guī)律。潤(rùn)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(chǎng)，若潤(rùn)滑劑膜厚不足則發(fā)生邊界潤(rùn)滑或半干摩擦，造成粗糙度局部失控；而在全液膜潤(rùn)滑下，粗糙度傳遞受到隔離，會(huì)抑制微結(jié)構(gòu)真實(shí)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(duì)輥面進(jìn)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(jìn)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(rùn)滑分布中可形成儲(chǔ)油單元，增強(qiáng)潤(rùn)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(shí)狀態(tài)[2]。較高壓下率會(huì)增強(qiáng)軋制接觸區(qū)法向應(yīng)力，促進(jìn)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(dòng)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(rùn)滑膜破裂或瞬時(shí)干摩擦失穩(wěn)。為定量描述粗糙度變化對(duì)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(shí)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(shí)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(rùn)滑劑應(yīng)用改進(jìn)

潤(rùn)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(shí)現(xiàn)粗糙度穩(wěn)定控制的重要手段。高粘度潤(rùn)滑劑在剪切速率高的變形區(qū)易維持潤(rùn)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(xiǎn)。低粘度潤(rùn)滑劑則在高速區(qū)更易形成均勻油膜，但對(duì)高壓區(qū)潤(rùn)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(rùn)滑劑的界面附著力和耐熱性，穩(wěn)定潤(rùn)滑狀態(tài)。涂布厚度對(duì)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(rùn)滑或干摩擦區(qū)間，粗糙度變化劇烈。下表1為三種典型潤(rùn)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(shí)測(cè)結(jié)果：

表1 潤(rùn)滑劑配方與涂布厚度對(duì)鋁板帶表面粗糙度的影響

潤(rùn)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(rùn)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(dòng)范圍偏大，需配合軋制條件優(yōu)化使用。

三、控制效果評(píng)價(jià)與工藝優(yōu)化方向

（一）粗糙度檢測(cè)方法

冷軋鋁板帶表面粗糙度檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室定點(diǎn)測(cè)量，但受探針半徑、取樣長(zhǎng)度及表面油膜影響，需清潔后重復(fù)檢測(cè)。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(shí)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑在高速條件下成膜均勻，但在高壓區(qū)潤(rùn)滑保持力不足，易造成粗糙度波動(dòng)。添加酯類極壓劑、聚醚分散劑等成分可增強(qiáng)潤(rùn)滑劑附著力與耐熱性，維持穩(wěn)定潤(rùn)滑狀態(tài)。涂布厚度對(duì)粗糙度傳遞作用明顯，厚膜會(huì)削弱峰谷傳遞，平均粗糙度值偏低，過薄則進(jìn)入邊界潤(rùn)滑或干摩擦，粗糙度波動(dòng)加劇。下表2展示不同軋輥修整方式、壓下率設(shè)定與潤(rùn)滑劑類型組合下的鋁板帶表面粗糙度控制效果實(shí)測(cè)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(duì)比表

軋輥修整方式 壓下率（%） 潤(rùn)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(dòng)（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(rùn)滑時(shí)，算術(shù)平均粗糙度值最低且波動(dòng)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(dòng)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(jī)制由軋輥表面形貌、金屬塑性流動(dòng)特征與潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(cè)方法匹配工藝需求實(shí)現(xiàn)粗糙度精度評(píng)價(jià)與波動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)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(bào)告》http://www.00559.cn/w/kj/32519.html