1   引言

阴极辊作为生产电解铜箔的核心设备，其性能直接决定着铜箔的质量和性能。目前阴极辊结构主要为两层复合结构，最外侧为工业纯钛TA1，通过过盈装配的方式，将外侧TA1钛筒固定在Q235材质辊芯上，合理的过盈量在保证两者结合面产生足够扭矩及接触压力的同时TA1钛筒不发生变形，一旦TA1钛筒发生塑性变形，将直接导致阴极辊报废，造成极大的经济损失。为了保证TA1钛筒装配后得到较大的传递扭矩且不发生塑性变形，本文采用Comsol多物理场仿真软件，对TA1钛筒过盈装配进行有限元仿真研究，通过对仿真结果研究分析，得到指导实际生产的过盈装配最佳工艺参数，为后续优化生产工艺提供理论依据。

2   TA1筒型件过盈装配原理

图1为典型的过盈装配示意结构，图中d_a为包容件外径，d_i为被包容件内径，d_f为两者结合直径，l_f有效结合长度。对于大直径筒型件的过盈装配，一般采用热装法，即加热被包容件使其膨胀至合理的范围区间，然后将包容件放入被包容件内，待随炉冷却后，二者完成装配。

图1 过盈装配结构示意图

阴极辊TA1钛筒生产制造及使用过程中不允许发生屈服现象，因此必须严格控制被包容件的加热温度及两者之间的过盈量，以确保热装后TA1钛筒不发生屈服。表1为两过盈装配材料力学性能参数表，其中阴极辊用TA1钛筒材质为专用TA1，其微量元素杂质含量远低于国标TA1，由试验测得其屈服极限为110MPa。

表1 材料力学性能参数

3   TA1筒型件仿真建模及结果分析    

3.1  仿真原理及方法

采用Comsol多物理场软件中固体力学模块进行阴极辊TA1钛筒过盈装配工艺仿真研究，仿真模型为TA1钛筒与Q235辊芯过盈配合连接在一起时的挤压变形，由于辊芯外径大于钛筒的内径，辊芯受挤压，而钛筒膨胀，产生的接触压力将取决于这两个零件的初始几何，同时，可传递扭矩和力取决于这两个零件之间的摩擦力，它与接触压力成正比。

3.2  过盈装配仿真模型建立

利用Comsol固体力学模块建立筒型件过盈装配仿真物理模型，为便于计算，假设两种材料固体模型均为各项同性，两种材料接触面摩擦系数μ=0.2，单边过盈量f=0-6mm，TA1钛筒尺寸：d_a=2700mm，d_f=2680mm，l_f=1000mm；Q235辊芯尺寸：d_i=2630mm，辊芯外径d_c=2680-f，图2为过盈装配仿真模型。

图2  过盈装配仿真模型

3.3  仿真计算及结果分析

图3为不同过盈量下，径向应力分布云图，由图可知，随着过盈量f由1.8增大到6.0的过程，径向应力呈增大趋势，由应力值符号为“负”可知，此过程中，包容件受到的径向应力为拉应力，阴极辊使用过程中长期浸泡在具有腐蚀性的CuSO₄溶液中，表面产生的拉应力在CuSO₄溶液介质中导致辊面容易产生应力腐蚀，阴极辊作为电解铜箔阴极核心设备，辊面一旦产生应力腐蚀，生产的铜箔均为废箔，因此，经过盈装配后的阴极辊，通过采用一次消除辊面应力的工序，才能作为合格产品出厂，目前采用的辊面去应力工序，作用层较浅，深度在微米级，一旦表面拉应力过大，无法有效去除辊面产生的拉应力。

图4为不同过盈量下等效应力分布云图，由图可知，随着过盈量f由1.8增大到6.0的过程，材料等效应力逐步增大，根据第四强度理论，一旦材料等效应力值大于材料屈服极限，将引起材料发生塑性屈服。阴极辊使用工业纯钛TA1微量元素远低于国标TA1，因此其屈服极限低于国标TA1，通过实验室测量，得到阴极辊使用工业纯钛TA1屈服极限为110Mpa，过盈量f为3.0mm时，仿真结果等效应力值为103Mpa，考虑到实际材料在微观结构上存在缺陷，因此当过盈量f大于3.0mm时，阴极辊钛筒将发生塑性屈服，辊面材料晶体结构受到破坏，因此该尺寸下阴极辊过盈装配选取过盈量f值不得大于3.0mm。

图5为不同过盈量下局部径向应力分布云图，由仿真结果可知，过盈量f由0.6mm、2.4mm、6.0mm增大的过程，包容件外径逐渐增大，被包容件内径不断缩小，仿真结果符合过盈装配实际情况。

图6为不同过盈量下外管内半径变化趋势，图中由下到上依次为过盈量不断增大时外管内半径沿过盈接触面变化曲线，分析图中曲线可知，随着过盈量f由0.01mm增大到6.0mm过程中，外管内半径不断增大，横坐标1以上部分仍受到内管支撑力，综合边缘效应，横坐标1.0处外管受到的支撑力最大，因而外管内半径数值最大，同理，横坐标0处外管受到的支撑力最小，因而外管内半径数值最小。

图7为不同过盈量下过盈面接触压力曲线，图中由下到上依次为过盈量不断增大时过盈面接触压力变化曲线，由图可知，随着过盈量不断增大，两过盈面接触压力呈上升趋势，由于横坐标0处受到接触压力时，产生的摩擦力部分向边缘释放，因此外管内半径及接触面在靠近横坐标0端有明显凸起部分，对比分析图6、图7变化趋势，仿真结果符合实际理论情况。

图8为不同过盈量下扭矩、摩擦力变化曲线，图中扭矩数据由仿真结果采集得到，摩擦力通过扭矩公式T=F·S计算得出，式中T为扭矩，F为摩擦力，S为作用半径，由图中变化曲线可知，随着过盈量不断增大，过盈装配产生的扭矩不断增大，相应的两接触面摩擦力不断增大，过盈量f为3.0mm时，产生的扭矩为2106211N·m，计算得到摩擦力为1573985N，钛钢接触面摩擦系数μ约为0.3，得到此过盈量下正压力为5246617N，此时包容件产生的最大抱合力约为535t，该抱合重量对阴极辊内部支撑结构强度具有一定的要求。阴极辊驱动扭矩约为30000 N·m，过盈装配产生的扭矩远大于阴极辊驱动扭矩，满足实际生产要求。

图8 不同过盈量扭矩、摩擦力变化曲线

4   结论

（1）工业纯钛TA1筒型件过盈装配仿真研究结果表明，当过盈量f为3.0mm时，仿真结果等效应力值为103Mpa，由实验测得阴极辊使用工业纯钛TA1屈服极限为110Mpa，考虑到实际材料在微观结构上存在缺陷，因此当过盈量f大于3.0mm时，阴极辊钛筒将发生塑性屈服，辊面材料晶体结构受到破坏，因此该尺寸下阴极辊过盈装配选取过盈量f值不得大于3.0mm，仿真结果表面当过盈量f为3.0mm，产生的抱合力约为535t，设计的阴极辊内部支撑结构需满足在该抱合力下不发生塌陷等变形。

（2）分析仿真结果可知，过盈量与过盈装配产生的扭矩、径向应力及等效应力呈线性相关，均随过盈量的增大而不断增加，过盈装配产生的接触压力越大，两接触面产生的接触电阻就越小，装配结构导电性能越优越，综合考虑，在不发生塑性屈服的前提下，阴极辊使用工业纯钛TA1筒型件过盈量取最大值，将大幅提升阴极辊导电性能。

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