[機製][OCW] Rolling

簡介

Forming跟Shaping雖然聽起來很像，但其實是不一樣的兩件事：

• Forming：把一個已經有的東西(比如說Plate, sheet, rod等等)，拗成想要的形狀
• Shaping：比較「流動性」的加工，會把金屬熔融

Plate:比較厚的板子
Sheet:比較薄的板子

這個過程概念上來說是這樣：

• 先把原料鑄造特定的形狀：比如說rod, plate, sheet等等。

• 之後再把這些鑄造好的東西彎成/折成/各式各樣你喜歡的塑性變形，做成需要的形狀。這過程中除了形狀會變，晶相也會由鑄造組織(cast structure)變成鍛造組織(wrought structure)。機械性質也會變。

  • Cast Structure：就是一開始講鑄造的那張圖：
    

    
    表面會有一層比較脆、晶粒比較細的shell，因為冷卻時由表面往中心冷卻，所以形成由表面往中心的柱狀晶粒。中間可能會在凝固過程中產生defect(比如說氣孔)。

  • Wrought Structure：

    把cast structure拿去rolling，就會把晶相從左邊碾成右邊，也會像桿麵團那樣把裡面的一些氣孔擠掉。

    乍聽之下滾過之後會有嚴重的加工硬化，但實際上他是在再結晶溫度之下去壓的，所以加工量反而會讓再結晶的晶粒變得更細(聰明!)

    另外，這個過程也會把晶粒打碎，得到更細、延展性更好的結構。

Rolling

就是設計一組滾輪下去把金屬碾過去，把金屬變成想要的形狀。

分類

Rolling可以依照想做的成品分成兩種：

• 平滾：就是把東西像桿麵團那樣弄成平的(通常是你要做平板的時候)。
• 形滾：滾輪上面有形狀，所以滾了之後會斷面有形狀的。比如說鐵軌(I字形)、各種beam。

也可以依照工作的溫度分兩種：

• 冷軋(Cold Rolling)
• 熱軋(Hot Rolling)

分辨這兩個做法的溫度界線是這樣：

• 溫度在
  $0.6Tm$以上，叫做熱做
• 溫度在
  $0.3Tm$以下，叫做冷做
• 溫度在
  $0.3Tm$ ~
  $0.5Tm$，叫warm working

然後有沒有發現

$0.6Tm$這個溫度聽起來有點熟悉？沒錯，他就是再結晶溫度。所以冷加工與熱加工是用在結晶溫度做為分界的。

然後這裡定義了一個有點雞肋的名詞，叫做Homologous Temperature，不過這個其實只是「溫度除熔點的比值(

$T$/

$Tm$)」，有點normalized的概念。所以剛剛的條件也可以說成是「Homologous Temperature > 0.6叫熱做」等等。

因為Rolling會先金屬鑄造成特定的形狀，所以依照原料的形狀又可以大致分成這樣：

Terminology

首先是英文有一堆Plate, sheet, slab，不過中文都是叫「板」。這天殺的是什麼神邏輯？接下來就要解釋這些東西到底是什麼：

板子系列：

• Plate：6mm ~ 300mm。通常就是你想得到最厚的那種，比如說坦克鋼板(125mm左右)、反應爐的鋼板(150mm)、
• Sheet：6mm以下。比如飛機表面的金屬(1.8mm)、飲料罐、鋁箔紙(反正他看起來很薄就對了)
• Slab：
  • billet 是指特徵長度 < 6吋
  • bloom 是指特徵長度 > 6吋

Flat Rolling

平滾。顧名思義就是把東西滾成平的。

聽起來很單純，實際上要考慮很多東西。比如說滾輪跟材料間的摩擦力、力矩多大？連帶需要探討的是要用多大的馬達？功率要多少？等等的問題

構造與分析

為了解答這些問題，先來看看平滾的自由體圖：

這張圖先注意中間那個No-slip point兩側的摩擦力(上方的箭頭是畫出作用在料上面的摩擦力方向，不是作用在滾輪上的)，會有兩個不同的方向。這是因為：

• 因為進來的料比較厚，出去的料比較薄，所以進口速度會最慢，出口速度會最快(連續方程式嘛)，滾輪的速度介在兩者中間。
• 進口的地方，滾輪邊緣相對材料的速度快，所以摩擦力為了把材料擠進去，會往順時針方向。
• 同理，出口的地方，反而是材料速度比滾輪邊緣快，所以摩擦力傾向阻止材料飛出去，往逆時針方向。
• 最後，因為速度是連續的，所以中間一定有一點速度跟滾輪邊緣速度一樣。這一點就是No-slip point

作用在材料上面的淨力就是把它積分起來，最後變成向右邊那樣。水平的力會剛好抵消(Jack!這真是太神奇了!)(應該是因為整個產線在steady state吧)，只留下上下方向的淨力。不過作用點未必會在圓心，所以會多一個力矩。這也是設計要考慮的地方。

另外，上下滾輪之中只有一個馬達是傳動輪，剩下那個只是跟著轉。

經驗公式

有一個經驗公式是這樣的：

$$\mathrm{\Delta }h={\mu }^{2}R$$

其中

$\mathrm{\Delta }h$是加工前後的厚度差，又叫作「Draft」、

$\mu$是摩擦係數、R是滾輪半徑。這個式子大概可以詮釋成「摩擦力越大，半徑越大，力量就越大」。這個後面優化製程的時候會用到。

至於要用多大的力去壓他，理論上要用積分，但實際上這個很難做到，所以可以大概用「接觸面積」跟「平均的應力」來估計：

$$F=Lw\cdot Y_{avg}$$

其中

$L$是接觸材料的長度，

$w$是板子寬度，

$Y_{avg}$是平均的應力。

還有一些跟功率有關的式子，不過老師表示這種數學公式概念比計算重要(所以就被跳過了)。

Hot Rolling

其實我不知道為什麼他要跳到Hot Rolling，明明就是不一樣的分類。不過我想不到比較好的架構所以就來吧。

Hot Rolling就是「把金屬在再結晶溫度以上做加工」。這樣帶來的好處就是可以再結晶(聽起來像廢話)，所以microstructure就會像這樣變化：

本來是(a)的cast structure，在再結晶溫度滾過之後：

• 因為加工過又加上再結晶，所以變成很細的晶粒。
• 如果中間有孔洞，因為再結的關係，剛好可以把它補滿。所以defect也可以消失。

Cold Rolling

定義參照上面。冷加工不用加到高溫，但是因為低溫下降伏應力比較大，所以更大的力去加工。

製程設計的議題

減少Roll Force

同樣的工件，希望盡量以比較小的力來完成：如果力量太大的話，滾輪的軸有可能會變形，像這樣：

這個現象叫做crown(我看不出來哪裡像皇冠R)。因為滾輪彎掉了，所以做出來的東西就不會跟預期的一樣平。

解法有下面幾種：

• 減少摩擦
• 用半徑比較小的滾輪：因為
  $\mathrm{\Delta }h={\mu }^{2}R$
• 在比較高的溫度加工：因為材料會比較軟嘛。專業的講法是「溫度越高，降伏應力越小」。
• 反其道而行：既然壓了會彎，那就故意設計一個「彎曲之後剛好會變成平的」的滾輪，像下圖右邊那個：

滾輪的配置

就是設計各種神奇的配製方法。

命名方法很明顯，兩顆滾輪就叫Two High, 3顆就叫Three High，以此類推。一大坨的就直接叫mill。上面有各種配置的命名。

• 一般來說是希望材料只沿一個方向伸長，不要往旁邊溢出來，所以側邊通常會把它限制。

• 這張圖的滾輪尺寸是不對的。實際上會更大。

Three High

為什麼要有這麼多神奇的設計呢？這其實對工作效率有幫助。想像一下：

1. 因為滾軋一定不會滾一次就變平，需要滾很多次。最naive的解法就是把：

   • 滾過去
   • two high停下來，換方向轉
   • 然後再從另外一個方向滾回來。

2. 但是假設你有three high呢？你可以發現兩個間隙之間的滾動方向剛好是相反的。所以可以：

   • 先從上面滾過去
   • 把滾完的材料往下移
   • 然後從另外一邊滾回來

   這樣就沒有人要停下來了，Magic !

Four High

看完two high跟three high, 那four high又有什麼用？看起來跟two high不是差不多嗎？再仔細看一下：

發現一件事：forur high是比較小的滾輪在壓。還記得滾輪越大，滾壓需要的力越大嗎？所以這種設計就可以讓半徑減少，減少滾壓需要的力。

另外一件重要的事是：因為後面有兩個大的壓住，所以可以減輕crown發生。這樣真的是好處多多。上面那兩個大的靠山又會叫backing roll

這時候你想：兩個可以減輕crown，那用更多不是減輕效果更多嗎？

所以就有人發明了cluster mill

Cluster Mill

整個很走火入魔。不過大致上的原則是backing roll加的越多，滾起來就愈穩，對滾軋尺寸的精度就可以掌握的越細。

所以如果需較滾軋很薄的東西，就需要很多bacing roll。

Tandom Rolling

剛剛是往上疊，這次是往另外一個方向，一組接一組的滾輪輪流滾軋。不過設計來說就要考慮更多東西，比如說要確保連續性，所以每一組進去跟出去的速度要計算好。

Defects

主要就這4種。不過都很好懂。大致上你滾麵團大概都會碰到這幾種狀況(除了d)(不過如果是金屬的話應該也不難想像)

另外一種是滾軋的時候他往旁邊溢出去，所以寬度不均勻。這叫spreading：

設備相關議題

滾輪的材料

因為要耐熱(加工的時候很高溫)、耐熱疲勞、強度大(要壓下去)，通常都用合金鋼。

謎：啊不知道用什麼做就通通猜和金剛啊

潤滑

不可以加潤滑劑。因為潤滑劑的液珠壓下去的時候，就會留下痕跡，變成瑕疵來源。

Shape Rolling

相較於壓出來是一片平板的Flat Rolling，Shape Rolling是滾輪上有溝槽，利用滾輪上的溝槽去滾軋出各種形狀的做法：

除了滾這種有形狀的長條物之外，也可以把粗的東西滾成細的，像下面介紹的Tube Rolling：

Tube Rolling

大鋼管滾成小鋼管。這樣就可以所有尺寸的管材都用同樣的胚料做。

Thread Rolling

Thread Rolling有點像是把東西搓搓搓，不過是用機器幫你搓：

好處有以下：

1. Microstructure是連續的：
   

   左邊是用切削的結果，右邊是Rolling的結果。因為Rolling只是把東西擠到旁邊，所以晶粒沒有被削掉。

2. 生產速度快：比如說螺絲每秒可以生80顆。想當初在工廠光做一顆螺絲就不知道要十幾分鐘。

3. 表面較光滑

4. 比較不浪費材料：根本沒切削，所以不會有屑屑。

Ring Rolling

就是邊壓邊轉，然後外壁就會變薄的製造方法。因為厚度會越來越薄，所以要一邊滾，一邊控制滾輪之間的距離變小。

可以拿來做飛彈。

除了做成單純的圓環，也可以壁面上做出形狀，像這樣：

Ring Rolling的胚料是一根棒棒，經過一連貫加工之後才變成有環的東西：

1. 先把棒棒上下打扁
2. 用Punch 衝出凹痕
3. 把凹痕中間材料去除
4. 然後你就可以開始Ring Rolling 了～～

Rotary Tube Piercing

又叫作Mannesmann Process。

這個製程是拿來做「無縫鋼管」。這種鋼管可以用在需要高壓的地方，像是高壓鋼瓶、飛彈這種絕對絕對不能漏的場合。

原料一樣是一根鋼棒，然後：

1. 如果把鋼棒上下加壓，這時候左右會有張應力(畫個摩爾圓就知道惹～)

2. 但是金屬不會壓一下中間就裂開，不過既然已經有方法可以製造應力了，不如換個想法：利用金屬疲勞來讓中間裂開。在鋼棒上下加兩片平板並加壓，然後一直滾一直滾，就可以反覆製造出週期性往兩側的壓力了。果很多次它就會金屬疲勞裂開。

3. 最優化的做法是像( c )那樣，上下兩個滾歪斜的滾輪夾著鋼棒旋轉，然後用一個mandrel抵著邊邊。這時候：

   • 因為是歪斜的，所以自動會把鋼棒往裡面送
   • 鋼棒會被上下兩個滾輪帶動一起旋轉，並且受壓

   這樣做到就滿足所有需要的條件，而且是高度自動化的製程了！