铝板带冷轧工序表面粗糙度控制技术研究

铝板带产品在航空、包装、电子及汽车轻量化等领域应用广泛，其表面粗糙度直接决定后续加工适应性与表面处理性能，冷轧工序作为成品前关键环节，其工艺稳定性对粗糙度控制起决定性作用。表面质量受多因素耦合影响，包括轧辊表面状态、轧制参数设定及润滑条件控制，微观变形过程中的粗糙度传递规律复杂，常导致成品表面波动较大。当前生产中存在粗糙度一致性差、调控响应滞后等问题，限制了高端铝板带的批量稳定制造。文章围绕冷轧阶段的粗糙度形成机理展开分析，结合关键影响因素构建控制技术路径，并对优化成效进行系统评估，以期为后续工艺参数集成与在线质量稳定提供技术支撑。

一、表面粗糙度形成机理分析

表面粗糙度在冷轧过程中主要受轧辊表面形貌、金属在变形区内的塑性流动特征以及润滑膜状态三方面耦合作用影响。轧辊表面粗糙峰谷在轧制接触中以不同程度印迹转移至铝板带表面，其传递程度与轧制线压、滑移系数和接触比压密切相关。金属在变形区内发生非均匀流动，受轧制速度梯度和材料流变性能影响，表面层易出现微观剪切波动，改变原始粗糙度的分布规律。润滑状态调节金属与轧辊间摩擦系数与界面压力场，若润滑剂膜厚不足则发生边界润滑或半干摩擦，造成粗糙度局部失控；而在全液膜润滑下，粗糙度传递受到隔离，会抑制微结构真实反映。

二、 粗糙度控制关键技术路径

（一）轧辊表面修整技术

轧辊表面修整直接决定粗糙度初始输入形貌，是控制粗糙度传递精度与一致性的关键环节。磨削工艺通过选用粒径可控的金刚石砂轮对辊面进行高频切削，形成均匀分布的微凸结构，粗糙度峰值范围一般控制在算术平均粗糙度 0.25~0.35 μm[1]。抛光处理进一步清除磨削遗留的微观划痕与边界毛刺，提升辊面波形连续性，减小粗糙度变化范围并抑制接触畸变，典型抛光后算术平均粗糙度值可稳定在0.20 μm以内。电火花修整方式利用脉冲能量刻蚀辊面微孔，形成规则分布的凹坑群结构，该结构在润滑分布中可形成储油单元，增强润滑剂保持能力，并在轧制中引导接触界面压力分布更均匀，提升粗糙度重现性。

（二）轧制工艺参数优化

轧制过程中压下率与轧制力影响金属塑性变形程度与接触压力分布，其调节直接决定表面粗糙度的峰值延展与波形压实状态[2]。较高压下率会增强轧制接触区法向应力，促进粗糙峰谷填平，使算术平均粗糙度下降，但当压下率过大，材料易产生回弹干扰，导致表面粗糙度反弹增大。轧制速度调节影响金属流动路径与摩擦状态，低速下易产生黏附物堆积，导致表面拉痕形成，而高速易引发润滑膜破裂或瞬时干摩擦失稳。为定量描述粗糙度变化对工艺参数的响应规律，引入粗糙度变形率η，定义如下：

η=Rain−RaoutRain

其中Rain为轧制前粗糙度，Raout为轧制后粗糙度，η反映粗糙峰谷压实比例。该公式用于工艺参数与粗糙度响应的拟合曲线建立，可识别最佳工艺窗口区间，保障粗糙度控制的稳定性与方向性。

（三）润滑剂应用改进

润滑剂在冷轧过程中的性能表现直接影响金属与轧辊间的摩擦行为及界面应力分布结构，控制其成分组成、物理参数和分布状态是实现粗糙度稳定控制的重要手段。高粘度润滑剂在剪切速率高的变形区易维持润滑膜完整性，但其分散性与成膜均匀性不易控制，存在界面堆积风险。低粘度润滑剂则在高速区更易形成均匀油膜，但对高压区润滑保持力较差，容易造成粗糙度区域性漂移[3]。添加剂组分如酯类极压剂、聚醚类分散剂可提升润滑剂的界面附着力和耐热性，稳定润滑状态。涂布厚度对粗糙度传递效果具有直接调节作用，厚膜状态下微观接触面被油膜隔离，粗糙峰谷无法完全传递，算术平均粗糙度值偏低；而膜层过薄，接触面处于边界润滑或干摩擦区间，粗糙度变化剧烈。下表1为三种典型润滑剂配方在不同涂布厚度条件下的表面粗糙度控制性能实测结果：

表1 润滑剂配方与涂布厚度对铝板带表面粗糙度的影响

润滑剂类型 主成分组分 涂布厚度（μm） 出口算术平均粗糙度值（μm） 波峰间距Rsm（μm） 粗糙度稳定性因子K

油酸酯矿物油型 油酸酯+石蜡基础油 2.5 0.23 32.1 0.94

聚醚醇水溶性型 聚醚+醇胺复配 3 0.18 27.5 0.98

复合酯合成型 多元酯+极压添加剂 4 0.15 25.2 0.99

复合酯合成型润滑剂在厚膜状态下表现出更低的算术平均粗糙度与更紧凑的Rsm，粗糙度稳定性更高，聚醚醇型在中间区间控制效果较为均衡，油酸酯型波动范围偏大，需配合轧制条件优化使用。

三、控制效果评价与工艺优化方向

（一）粗糙度检测方法

冷轧铝板带表面粗糙度检测需兼顾精度与在线适应性。接触式针式轮廓仪利用探针扫描获取Ra、Rz、Rsm等参数，适合实验室定点测量，但受探针半径、取样长度及表面油膜影响，需清洁后重复检测。非接触式方法如激光干涉仪和白光共焦系统具备快速响应与高分辨率，适合在线应用，但激光干涉在高反射表面易受散斑干扰，需优化光斑角度与路径。三维光学轮廓仪可实现粗糙度分布可视化，为工艺参数优化提供数据支撑。

（二）工艺优化效果分析

润滑剂在冷轧过程中的性能直接影响摩擦与应力分布，高粘度润滑剂在高剪切区能保持油膜完整，但分散均匀性差，容易在界面堆积；低粘度润滑剂在高速条件下成膜均匀，但在高压区润滑保持力不足，易造成粗糙度波动。添加酯类极压剂、聚醚分散剂等成分可增强润滑剂附着力与耐热性，维持稳定润滑状态。涂布厚度对粗糙度传递作用明显，厚膜会削弱峰谷传递，平均粗糙度值偏低，过薄则进入边界润滑或干摩擦，粗糙度波动加剧。下表2展示不同轧辊修整方式、压下率设定与润滑剂类型组合下的铝板带表面粗糙度控制效果实测数据：

表2 不同工艺路径下铝板带表面粗糙度控制效果对比表

轧辊修整方式 压下率（%） 润滑剂类型 算术平均粗糙度均值（μm） Δ算术平均粗糙度波动（μm） Rsm（μm）

精磨 18 油酸酯矿物油型 0.26 0.07 34.8

精磨+抛光 22 聚醚醇水溶性型 0.19 0.04 28.3

抛光+电火花处理 24 复合酯合成型 0.16 0.02 25.1

抛光加电火花处理结合复合酯润滑时，算术平均粗糙度值最低且波动最小，Rsm最紧凑，控制效果最优。精磨工艺粗糙度偏高且波动大，表面稳定性较差。精磨加抛光表现居中。

四、结语

研究明确了铝板带冷轧过程中表面粗糙度的演变机制由轧辊表面形貌、金属塑性流动特征与润滑状态协同决定，提出了基于修整工艺、工艺参数与润滑配方的控制路径。工艺参数优化以粗糙度变形率为核心指标建立响应模型，润滑剂成膜特性与界面分布影响粗糙峰谷传递稳定性。检测方法匹配工艺需求实现粗糙度精度评价与波动监测，实测结果验证了多因素路径在粗糙度一致性与面貌控制方面的有效性。研究成果为冷轧表面质量稳定控制提供路径支撑，可拓展至高精度在线控制系统集成应用。

文章来源：《产品可靠性报告》https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html