一種外圓弧面校圓用工裝的研制

張淑鴿， 李博， 苗東， 何秀玲， 訾茂德， 紀海龍， 屈嘉彬， 王思琦， 許亮， 朱青

（西安泰金工業(yè)電化學(xué)技術(shù)有限公司，西安710016）

0 引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品輕量化、集成化要求越來越高，電解銅箔作為電子行業(yè)的基礎(chǔ)性材料，對產(chǎn)品的抗拉強度、延伸率、抗剝離強度、防氧化性等物化性能指標提出了更高要求，而且要求銅箔的微觀晶粒組織和表面微觀形貌結(jié)構(gòu)更均勻精細[1]。同時，對電解銅箔的質(zhì)量和生產(chǎn)量均提出了更高要求。隨著電子市場對高質(zhì)量電解銅箔的大量需求，各個銅箔制造商都在不斷尋找和更換高精度和高效率的電解銅箔生產(chǎn)設(shè)備，來提高銅箔的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。這樣促使陰極輥的規(guī)格也發(fā)生了很大變化。根據(jù)目前銅箔制造市場主要使用的陰極輥規(guī)格，按陰極輥的外徑和幅寬分類，大致可分為：φ2016 ×1150 mm、φ2016 ×1370 mm、φ2016 ×1380 mm、φ2016 ×1386 mm、φ2016 ×1400 mm、φ2016 ×1420 mm、φ2016 ×1450 mm、φ2016 ×1500 mm、φ2700 ×1380 mm、φ2700 ×1370 mm、φ2700 ×1420 mm、φ2700 ×1450 mm、φ2700×1500 mm、φ2719×1452 mm。外徑基本上為φ2016 mm、φ2700 mm。幅寬根據(jù)客戶對銅箔的規(guī)格需求，尺寸大小不定。隨著電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，電子市場對銅箔產(chǎn)量的需求也不斷增加，目前，國內(nèi)也在嘗試制作外徑為φ3000 mm的陰極輥，以提高銅箔的生產(chǎn)效率。隨著銅箔制造市場對大規(guī)格陰極輥需求量的日益增加，大直徑陰極輥的生產(chǎn)量和成品質(zhì)量要求也更精細。

現(xiàn)在，電解法制造銅箔是目前高端銅箔產(chǎn)品的主要渠道，生產(chǎn)銅箔的成套設(shè)備中，陰極輥是其關(guān)鍵設(shè)備和部件，其質(zhì)量決定著銅箔的檔次和品質(zhì)，被稱為電解成套設(shè)備的心臟[2]。由于陰極輥在生產(chǎn)銅箔設(shè)備中是負極導(dǎo)電體，只有當陰極輥輥面有足夠電流，且電流分布均勻，這樣銅離子才能均勻地沉積在陰極輥表面；因此對陰極輥輥面外觀質(zhì)量及輥面的成形尺寸要求非常高。

根據(jù)以上可以看出，陰極輥規(guī)格向大型化、高質(zhì)量化不斷發(fā)展，所以作為陰極輥表面的鈦筒體的圓度和表面控制就尤為重要。

由于鈦筒體毛坯成形較復(fù)雜，鈦筒體厚度與內(nèi)徑加工尺寸余量不大，同時考慮到經(jīng)濟成本。尤其對于大直徑無縫鈦筒體，直徑大、壁薄、幾何尺寸要求高[3]、加工余量較小，加工較困難。因此，大直徑無縫鈦筒體加工前的外形偏差對后續(xù)加工影響非常大。

1 鈦筒體材料特點

鈦筒體材料為鈦合金，鈦合金由于其本身的特性，使得筒體結(jié)構(gòu)成型不易控制。具體如下：

1）鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性、小的密度、高的比強度及較好的耐熱性、加工性[4]。工業(yè)純鈦在硫酸銅溶液中耐蝕性良好，且其壓力加工性能優(yōu)異[5]。

2）鈦合金室溫塑性差，變形回彈大，易失穩(wěn)起皺，對裂紋敏感易開裂。屈強比高，在常溫下鈦合金的屈強比均在0.8以上，高強鈦合金其屈強比均超過0.9，因此塑性成形范圍很窄[6]。

3）鈦及鈦合金各向異性嚴重，均勻延伸率值及穩(wěn)定性指數(shù)n值較低，面縮率較低，且波動范圍大[6]。

4）鈦及鈦合金的彈性模量小，常溫時為106.4 GPa，僅為鋼材的一半左右，因此鈦環(huán)坯在旋壓成鈦筒體時，回彈嚴重，鈦筒體的成形形狀和尺寸公差控制困難。

5）鈦材的彎曲能力差，只有普通材料的1/5左右。

6）鈦材在受壓時穩(wěn)定性較低，僅為一般材料的一半左右，容易失穩(wěn)起皺。

7）不同環(huán)境溫度下，鈦筒體旋壓受力后回彈量不同，變形量不同。成形尺寸偏差不同。

8）鈦環(huán)坯與制作模具之間的間隙不同，鈦筒體旋壓成形尺寸偏差也不同，差異較大。

2 鈦筒體加工過程中的影響因素

由于鈦筒體材料的特性，導(dǎo)致加工過程中的控制有一定難度，影響因素如下：1）毛坯的初始殘余應(yīng)力；2）刀件對鈦筒體的作用；3）鈦筒體的裝夾條件。

由于陰極輥的核心零件是鈦筒體，而鈦筒規(guī)格尺寸大，毛坯料的成形加工復(fù)雜，毛坯料的成形尺寸偏差較大，機加工余量小，機加工后的半成品尺寸要求偏差較高，加工成本高；因此，為了保證鈦筒機加工后的成品尺寸，鈦筒體機加工前必須進行校圓。

3 傳統(tǒng)校圓方法

傳統(tǒng)的校圓加工方法，一是經(jīng)過卷板機反復(fù)校圓；二是對筒體進行車加工。這兩種方法對于陰極輥用鈦筒體校圓均不能滿足要求：第一種方法將鈦筒體放入卷板機中進行校圓，經(jīng)過反復(fù)的滾動校圓后，鈦筒體內(nèi)外徑尺寸不能得到控制，同時校圓后，鈦筒體內(nèi)外弧面局部尺寸偏差依然很大；第二種方法，由于鈦筒機加工余量小，無法進行操作。

目前用的方法卷板機校圓或者機械加工方式均不能滿足要求，為了保證陰極輥外圓弧面精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計制作出了一種外圓弧面校圓用工裝，很好地解決了問題。

4 外圓弧校圓工裝設(shè)計

鑒于以上問題，本文設(shè)計制作出了一種用于鈦筒體外圓弧面校圓的工裝。如圖1所示，工裝結(jié)構(gòu)主要包括包括碳鋼支撐環(huán)、碳鋼立柱、調(diào)節(jié)架支撐板、調(diào)節(jié)架底板、調(diào)節(jié)架筋板、調(diào)節(jié)架立板、調(diào)節(jié)螺栓。

其中支撐環(huán)、立柱、調(diào)節(jié)架墊板三者之間為焊接連接形式；調(diào)節(jié)架零件之間為焊接連接形式；調(diào)節(jié)架墊板與調(diào)節(jié)架之間為螺栓連接形式。

5 校圓工裝使用過程

校圓工裝由支撐環(huán)1、立柱2、調(diào)節(jié)架墊板3與調(diào)節(jié)支架4組成；其中調(diào)節(jié)支架組件4中含有調(diào)節(jié)架底板4-1、調(diào)節(jié)架筋板4-2、調(diào)節(jié)架擋塊4-3、擋塊固定螺栓4-4、擋塊固定螺母4-5、調(diào)節(jié)螺栓4-6、調(diào)節(jié)螺母4-7；其中支撐環(huán)與立柱組焊連接，調(diào)節(jié)支架筋板與調(diào)節(jié)支架擋塊、調(diào)節(jié)支架筋板組焊連接，調(diào)節(jié)支架墊板與支撐環(huán)組焊連接；調(diào)節(jié)支架底板與調(diào)節(jié)支架墊板螺栓連接。

校圓時，將需要校圓的鈦筒體放置于工裝內(nèi)，根據(jù)鈦筒體外徑大小，先調(diào)節(jié)工裝調(diào)節(jié)板到適當位置，再調(diào)整好鈦筒體位置，通過調(diào)節(jié)架上的調(diào)節(jié)螺栓，將鈦筒體固定懸空，為了保護鈦筒體外表面，加工了φ40 mm的鋼保護套，放置于調(diào)節(jié)螺栓端頭，并在螺栓和鋼保護套內(nèi)部表面上均涂抹潤滑油，以防止調(diào)節(jié)擰緊螺栓時的螺栓粘死。按調(diào)節(jié)架布置位置，通過專用量尺，對鈦筒體內(nèi)徑上端、中端、下端及圓周方向上10多個點進行多處測量；同時，通過測量數(shù)據(jù)，在對應(yīng)位置用校圓工裝對鈦筒體進行多處對稱調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時，鋼保護套隨調(diào)節(jié)螺栓一起移動。將整個外圓弧面調(diào)節(jié)完后，再次測量鈦筒體內(nèi)徑，使鈦筒體內(nèi)徑滿足機加工要求，保證鈦筒體的圓度及垂直度，進而保證鈦筒體機加工半成品尺寸，滿足圖樣的加工要求。

圖1 校圓工裝

圖2 調(diào)節(jié)支架組件圖

6 校圓工裝的優(yōu)點

1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于制造。工裝主體由材質(zhì)為Q235、厚度為50 mm的3個碳鋼環(huán)和圓周方向10個φ60 mm的立柱、10個調(diào)節(jié)支架三層焊接而成。

2）獨立安裝，易于調(diào)節(jié)。為了保證鈦筒體的成品質(zhì)量，鈦筒體在加工制作過程中，內(nèi)外弧面均需要車加工。鈦筒體毛坯料加工工藝復(fù)雜、成本高，內(nèi)外弧面加工余量有限，因此，機加工前必須使用工裝對筒體進行校圓，以保證加工尺寸；工裝使用時，先把需要校圓的鈦筒體放置于工裝中，再將工裝固定于鈦筒體外壁上，根據(jù)筒體外壁圓弧度，將工裝上均布的調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)螺栓進行適當調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)筒體圓弧度、垂直度；保證外圓面車加工余量，進而保證筒體車加工后的成品壁厚，提高筒體加工質(zhì)量。

3）工裝通用性強。φ2016 mm、φ2700 mm規(guī)格的鈦筒體均可用此工裝調(diào)節(jié)。與鈦筒體固定可靠，連接方便；此工裝調(diào)節(jié)支架底板設(shè)置長條孔，調(diào)節(jié)量大，對于一定范圍內(nèi)不同規(guī)格的筒體，外徑及軸向方向上，均可用此工裝進行校圓；調(diào)節(jié)架連接底板上設(shè)置長條孔，易于調(diào)節(jié)。

7 方案驗證

鈦筒經(jīng)校圓工裝校圓后，圓度和直線度提高明顯，從而使得后期表面加工質(zhì)量得到了可靠保證，同時提高了生產(chǎn)效率。

截至目前，經(jīng)校圓工裝校圓的鈦筒體，φ2016 mm規(guī)格的鈦筒體有157件，φ2700 mm規(guī)格的鈦筒體有56件，圓度由原來自由狀態(tài)的15 mm以上提高到2 mm多, 直線度由原來自由狀態(tài)6 mm以上提高到1 mm。從而后期加工中表面粗糙度由原來的Ra3.2 μm降到Ra1.6 μm。

由于圓度和直線度較好，從而也大大提高了生產(chǎn)效率。如φ2000 mm鈦筒，經(jīng)校圓工裝校圓后，加工時間由原來的5 d縮短為3 d；φ2700 mm鈦筒，經(jīng)校圓后加工時間由原來的6 d縮短為4 d，客戶反饋所制作的陰極輥生產(chǎn)出的銅箔質(zhì)量非常好。目前，外圓弧校圓工裝已普遍用于生產(chǎn)中，作為陰極輥加工工序的關(guān)鍵工序執(zhí)行。