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多道次扁線軋延：壓下率、道次規劃與尺寸控制

前言

精密扁線之生產極少能僅透過單一道次軋延完成。

將圓線成形為矩形或扁形斷面時，必須對材料施加可控變形，以滿足下列要求：

厚度
寬度
斷面形狀
邊緣狀態
表面品質
尺寸公差

因此，精密扁線製造廣泛採用多道次軋延。

並非透過單次大量壓下直接達成最終尺寸，而是將總變形量分配至多個軋延道次。

完善的道次規劃，可在整個生產流程管控金屬流動、軋延負荷、加工硬化與尺寸精度。

針對彈簧鋼這類高強度材料，道次規劃更顯重要。單一道次施加過大變形，會提高以下風險：

邊緣裂紋
表面缺陷
過度加工硬化
尺寸不穩定
線材斷裂

多道次軋延不僅僅是縮減線材斷面的手段。

它是一套製程工程策略，負責管控從原料線材到成品扁線的材料變形。

Sky Bluer Environmental Technology Co., Ltd. (CRM) 依據材料等級、入料尺寸、成品尺寸、公差與生產需求，開發客製化精密軋延系統與扁線整廠生產線。

何謂多道次扁線軋延

多道次扁線軋延，是將所需總變形量分配到多個可控的軋延製程。

簡化製程流程：

圓線 → 第 1 道次 → 第 2 道次 → 第 3 道次 → 中間扁形斷面 → 精軋道次 → 成品扁線

每一個道次給予設定的變形量。

目標是維持穩定金屬流動，逐步將原始斷面成形。

舉例來說，以圓線生產薄且寬的矩形扁線，若將全部變形集中於單一道次，會造成軋延負荷過高、金屬流動不穩定。

多道次作法分散變形，並可針對每個製程個別最佳化。

為什麼需要道次規劃

道次規劃定義材料從原料尺寸到成品尺寸的壓下計畫。

規範以下參數：

每一道次之壓下率
軋延道次數
中間尺寸
軋延順序
最終精軋條件

簡化範例：

製程階段	厚度	寬度	主要目標
入料	2.00 mm 圓線	—	原料
第 1 道次	—	—	初始變形
第 2 道次	—	—	可控展寬
第 3 道次	—	—	厚度壓下
第 4 道次	—	—	斷面穩定化
精軋道次	成品尺寸	成品尺寸	最終尺寸控制

實際數值取決於材料、原始線徑、成品尺寸與軋延設備。

不存在一套可適用所有產品的萬用道次規劃。

認識扁線軋延的壓下率

壓下率代表單一軋延道次中材料的變形量。

厚度壓下率基礎公式：

厚度壓下率 (%) = (h₀ − h₁) /h₀ × 100 %

其中：

h₀ = 軋延前厚度

h₁ = 軋延後厚度

範例：材料厚度自 2.00 mm 變為 1.60 mm：

壓下率 = (2.00 − 1.60) / 2.00 × 100 % = 20 %

僅靠厚度壓下率，無法完整描述扁線的變行行為。

材料會同時發生下列現象：

厚度減少
展寬
長向伸長
斷面形狀改變

因此道次設計必須考量整體材料流動。

總壓下率與單道次壓下率

兩個關鍵觀念：

總壓下率

從原料到成品的整體變形量。

單道次壓下率

個別軋延製程所施加的變形量。

範例：

原料線材 → 壓下 10% → 壓下 12% → 壓下 15% → 壓下 12% → 精軋道次

總變形不會集中於單一道次，而是分散至多個製程。

這個方式可以有效控制：

軋延負荷
金屬流動
加工硬化
邊緣成形
尺寸精度

單道次過度壓下會產生的問題

單一道次壓下量過大，會引發多項缺陷。

軋延負荷過大

大變形需要更高軋延力，提高機械負荷於：

軋輥
軸承
驅動系統
機台機架

金屬流動不均

變形量大時，難以維持穩定矩形斷面。

加工硬化

彈簧鋼冷軋時，過大變形會造成硬度快速上升、延展性下降。

邊緣裂紋

大變形加上不利材料條件，會提升邊緣應力，提高裂紋風險。

尺寸不穩定

大變形難以精準控制寬度與厚度。

所以壓下率不應無限最大化，須依製程工程規劃決定。

多道次軋延之道次規劃設計

實用的道次規劃，需綜合多項因素。

材料

首要條件為材料等級。不同材料具備不同特性：

降伏強度
抗拉強度
延展性
加工硬化特性
變形抵抗

舉例：高碳彈簧鋼所需製程條件，與低碳鋼、銅不同。

入料尺寸

原始線徑決定需要的總變形量。若原始線徑大，要達成目標尺寸，可能需要更多道次。

成品尺寸

目標寬度與厚度決定最終變形比。寬厚比大的產品，必須特別留意金屬流動。

要求公差

尺寸公差嚴格的產品，通常配置獨立精軋道次。粗軋變形與最終精密軋延，不建議使用相同條件。

粗軋、中間道次、精軋道次

多道次製程大致分為三階段。

粗軋道次

承擔大部分總變形量。

主要目標：

快速縮減尺寸
穩定材料變形
高生產效率

此階段對於公差要求，低於精軋階段。

中間道次

讓材料逐步接近目標斷面。

主要目標：

斷面展寬
厚度壓下
斷面穩定化
加工硬化控制

做為粗軋與最終精密軋延之間的過渡階段。

精軋道次

最終製程，負責達成：

最終厚度
最終寬度
邊緣幾何
表面品質
尺寸公差

精軋道次必須在穩定條件運轉，軋輥設計與線上量測系統極度關鍵。

寬度與厚度必須同時控制

扁線軋延一大難點：厚度與寬度並非獨立變化。

厚度減少時，材料會向側向流動，產生展寬。

製程邏輯：

厚度壓下 → 金屬流動 → 展寬 → 成品斷面

若道次規劃只考量厚度，成品寬度會偏離目標。

良好的道次規劃會同時管控兩個參數：

厚度壓下
斷面展寬

對於寬度公差要求嚴格的細扁線尤為重要。

斷面積與體積不變定律

軋延時材料產生塑性變形。忽略微小製程損失，斷面積與長度近似符合以下關係：

簡化公式：

A₀ × L₀ ≈ A₁ × L₁

其中：

A₀ = 軋延前斷面積

L₀ = 軋延前長度

A₁ = 軋延後斷面積

L₁ = 軋延後長度

斷面積縮減，材料會沿長向伸長。

因此軋延速度、張力、捲取速度必須配合變形製程調整，直接牽涉張力控制原理。

道次規劃與材料加工硬化

冷軋會造成材料加工硬化，提升強度。

對彈簧鋼來說，這可以是優點，產品需要高強度。

但過度加工硬化會降低延展性，提高裂紋風險。

多道次製程可妥善管控變形累積。工程人員評估：

每道次之壓下率
總冷加工變形量
材料中間狀態
需要的精軋變形量

目標是獲得所需機械性質與尺寸，又不產生過大變形應力。

這和冷軋扁線製程的殘留應力控制高度相關。

道次規劃與邊緣品質

邊緣品質是精密扁線最重要指標之一。

不當道次設計會造成以下缺陷：

邊緣裂紋
邊緣波浪
邊角 R 角離散
邊緣過度變形

金屬流動由軋輥幾何控制。影響因子：

軋輥直徑
軋輥溝槽形狀
每道次壓下率
材料變形抵抗
寬厚比

正確道次規劃採逐步成形，而非一次強壓到位取得最終幾何。

道次規劃與表面品質

軋延道次規劃同樣會影響表面品質。

可能產生的缺陷：

軋輥壓痕
刮痕
表面粗糙度離散
局部變形痕跡

軋輥表面狀態至關重要。精軋道次使用表面品質良好的精密軋輥，可降低表面缺陷。

軋延速度、潤滑條件也會影響最終表面狀態。

設計精軋製程時，必須同時考量尺寸精度與表面品質。

多道次軋延與張力控制

道次規劃與張力控制必須整合考量。

軋延過程材料連續通過各變形區。張力不穩定會造成：

金屬流動變異
軋延負荷飄移
厚度不穩定
線材斷裂

系統架構：放捲機 → 軋延道次 → 張力檢測輥 / 張力控制系統 → 捲取機

穩定張力讓軋機在可預期條件運作。

延伸閱讀：精密扁線軋延張力控制：放捲、阻尼輥、捲取系統。

多道次軋延與線上量測系統

現代精密軋延設備配備生產中線上量測。

常見量測技術：

雷射厚度量測
雷射寬度量測
斷面形狀檢測

系統持續比對實測尺寸與目標值。

簡化流程：軋延 → 線上量測 → 取得實際尺寸 → 比對目標參數 → 補正 / 伺服控制 → 穩定成品。

相較離線抽檢，可以更早偵測尺寸偏移，這是閉迴路控制的基礎。參考：精密軋機閉迴路厚度控制技術。

多道次扁線製程範例

生產情境：鋼質圓線加工為精密矩形扁線。

完整作業流程：

步驟 1 — 放捲

自料捲以可控張力釋放線材。

步驟 2 — 矯直

軋機入料端線材矯直。

步驟 3 — 初始軋延

圓斷面開始成形為扁斷面。

步驟 4 — 中間軋延

減少厚度、斷面展寬。

步驟 5 — 斷面控制

將幾何調整逼近目標矩形。

步驟 6 — 精軋

達成目標成品寬度、厚度。

步驟 7 — 線上量測

連續監控成品尺寸。

步驟 8 — 捲取

將成品扁線在受控條件下捲成料捲。

實際道次數取決於材料與產品要求。

軋延道次數最佳化

增加道次數並不會自動提升品質。

道次太少：

單道次變形過大
軋延負荷上升
邊緣裂紋
斷面控制不良

道次過多：

產能下降
設備負荷提高
不必要加工硬化
生產成本上升

最佳道次數來自下列平衡：

品質＋產能＋材料變形特性＋設備能力

沒有固定標準道次，必須從整體製程導出。

彈簧鋼扁線多道次軋延

彈簧鋼扁線屬高規格產品。

適用材料：

‑ SAE1070

‑ SAE1095

‑ 60Si2Mn

‑ SUP10

需要嚴格管控冷變形。

軋延製程必須平衡：

強度
延展性
尺寸精度
表面品質
殘留應力
疲勞特性

彈簧產品的道次規劃需依材料等級與應用客製化。

針對某一彈簧鋼開發的道次規劃，未經製程驗證，不可直接套用其他鋼種。

多道次軋延缺陷對策

發生缺陷時，須重新檢討整套道次規劃。

缺陷	可能原因	建議處置
邊緣裂紋	壓下過大	降低單道次變形量
寬度偏移	金屬流動不良	最佳化道次幾何
厚度飄移	軋輥間隙不穩定	改善控制系統
表面缺陷	軋輥表面狀況不佳	檢查改善軋輥表面
線材斷裂	張力或壓下過大	最佳化張力與壓下條件
直度不良	變形不均	重新調整道次順序與張力
過度加工硬化	總冷加工量過高	最佳化總壓下分配