摘要：金属压力加工包括轧制、拉拔、矫直等关键工序，是冶金工业的核心工艺环节。张力控制作为该领域的关键技术核心，其控制精度直接影响产品尺寸精度、表面质量与力学性能。当前加工过程中，张力波动、张力匹配失衡、动态响应滞后等问题频发，易诱发带材瓢曲、厚度超差、断带等质量缺陷，进而影响生产质量与效率。文章结合金属压力加工的工艺特性，系统分析张力控制的核心问题及成因，从机械结构优化、控制系统升级、工艺参数协同三个维度提出针对性对策，为精准提升金属压力加工过程的张力控制精度、保障产品质量与生产效率提供了技术支撑。

　　关键词：金属压力加工；张力控制；张力波动；动态响应

　　金属压力加工凭借外力使金属坯料发生塑性形变，获得符合形状、大小和性能要求的产品，被广泛应用于钢铁、有色金属加工等领域。在航空航天、新能源汽车、高端装备制造等下游产业快速发展的背景下，市场对于性能高、精度高的金属板材、型材、箔材需求不断提升，这类高端产品对加工过程中的张力稳定性提出了严格的要求，也让张力控制成为制约金属压力加工向高端化、精细化发展的瓶颈。在持续的生产流程之中，张力控制的主要作用是维持材料稳定运行、协调各工序速度匹配、抑制塑性变形。例如，对于冷轧带钢生产而言，若张力太小，带材在轧制期间容易跑偏、起皱；若张力太大，则会引起带材断裂或者出现残余应力，引起后续加工发生开裂。行业数据显示，因张力控制不当引发的产品质量问题，占金属压力加工总缺陷的35%，情况严重时还可能引起停机调整。随着高端金属材料的普遍应用，传统张力控制技术已难符合生产要求，因此，深入探究张力控制问题、改进控制方案，对促使金属压力加工行业高质量发展具有实践指导意义。

　　1金属压力加工的张力控制问题分析

　　在金属压力加工过程中，张力控制问题受机械系统、控制系统及工艺条件多因素耦合作用影响，具体可归纳为三类核心问题。这些问题的成因与各工艺环节存在紧密关联，且在不同加工工艺中表现出显著差异。
       1.1张力波动

　　张力波动是金属塑性加工领域极为普遍的工艺问题，其典型特征为实际张力值围绕设定值呈无规则或周期性高频振荡。该现象常出现在拉拔、轧制、矫直等关键工序中，由于各工序工艺原理、设备特性及操作参数的不同，其诱发机制与造成的工艺危害存在显著差异。在冷轧带钢的工序中，张力波动主要是因为辊系动态特性的不平衡。例如，四辊冷轧机工作辊与支撑辊的接触压力有偏差，会引起带材横向张力分布的差异，引起边部产生波浪形弯曲。某冷轧厂数据显示，该问题引发的带材修磨率高达12%。另外，在铝型材拉拔的工序中，张力波动大多跟模具状态有关系。拉拔模出现磨损，会引起金属流动阻力瞬间变动，造成张力波动幅度超出±8%，之后引起型材壁厚超出规定。

　　张力波动的原因包括以下方面，首先，机械传动系统精准度不足，如轧机辊系轴承出现了磨损，引发动力传输阶段扭矩不稳定，继而引发张力瞬间改变。其次，原材料的性能波动，金属坯料屈服强度的差别，处于相同的加工参数条件中，材料塑性变形抗力出现变化会直接引发张力波动。例如，冷轧带钢生产过程中，坯料局部屈服强度升高，若轧制力未及时改动，就会导致张力瞬间增大。最后，外部干扰因素，液压系统压力产生波动，使驱动电机输出功率起变化，造成张力不稳定。例如，某冷轧带钢厂生产中，油液污染使轧机液压系统出现阀组卡滞，张力波动范围从±3%升到±8%，带材厚度超差从2%增加到15%。

　　1.2张力匹配失衡

　　在多机组连续加工过程中，张力匹配失衡问题十分显著，具体表现为前后工序张力数值不匹配。该问题在不同工艺链中危害程度差异明显，其中，在带钢连续退火的机组中，退火炉出入口张力不稳定容易引发带材在炉内跑偏，撞到炉壁引起表面氧化刮伤，进而造成带材表面氧化与刮伤缺陷。在铜带拉拔-剪切联合生产线中，拉拔机和剪切机的张力不匹配会造成带钢过度拉伸变形，完成剪切后尺寸出现短缩偏差，无法满足客户定尺交付要求［1］。多道次连续加工中的张力排查累计更是加剧了匹配不均衡的问题，如多机架冷连轧过程中，单机架的张力偏差如果是±2%，经过5道次轧制后整体偏差会达到±10%，最终导致成品带材的纵向张力分布严重不均；同时，带材的板形偏差也会与张力失衡形成耦合效应，飘曲的带材慧在传输过程中与辊系产生非均匀接触，进一步改变局部张力值，形成恶性循环。

　　张力匹配失衡的主要成因包括：首先，速度协调机制丧失功效，各机组采用单独速度控制，还没有建立联动调节的逻辑。例如，平整机组速度比冷轧机组快2%时，带材会被过度拉长，若平整机组速度慢了1.5%，则带材在两机组之间堆积，张力降低至接近零值。其次，张力检测装置位置不合理，普通检测装置（如张力辊）安装在机组出口端，当带材出现塑性变形滞后的情形时，检测信号无法实时反映实际张力情形，引起调节滞后。铝箔拉拔生产中，在拉拔模后3m的位置安装张力辊，带材变形后的张力变化需0.5s才可被检测，当下张力已经出现了超差现象。最后，影响来自材料弹性恢复，金属材料加工完毕后有弹性恢复现象（比如冷轧带钢弹性恢复率约2%~3%，铝型材的弹性恢复率为5%~7%），倘若后续工序未依照弹性恢复量调整张力，会导致实际张力跟设定值产生偏差，例如，经过退火工序后带材长度收缩，若没有降低平整工序张力，则会引起带材边缘开裂。

　　1.3动态响应滞后

　　动态响应滞后体现为加工工况突然变化（如断带预警、速度调整）时，张力控制系统在规定时间（要求≤0.1s）内无法将张力调整到目标值。该问题在超薄、高精度材料加工时的危害尤其明显，例如，在对超薄铝箔（厚度≤0.006mm）进行轧制时，若张力响应滞后0.2s，会引起铝箔局部过度拉长，形成针孔瑕疵；在精密合金带（如坡莫合金）拉拔时，动态响应落后容易引起断带，鉴于合金材料脆性高，张力误差超过5%即有断裂可能，极大降低了生产的效率［2］。

　　动态响应滞后的主要成因包括：一是控制系统的采样频率不达标，传统PLC控制系统张力的采样周期为50ms，无法捕捉高频的张力变动，引发调节指令输出出现延迟。二是执行机构响应速度迟缓，若液压伺服阀响应时间超过0.05s、电机减速器传动间隙超过0.1mm，让控制指令执行产生滞后。例如，当检测出张力超限时，调整液压压力伺服阀需0.06s，此时张力超差了15%。三是控制算法存有局限性，传统PID算法面对非线性工况时，容易出现超调或者震荡，例如，当进行超薄铝箔轧制时，倘若轧制速度从600m/min升高至800m/min之际，PID算法调节会导致张力超调量达到20%，要3s才可以平稳［3］。

　　2金属压力加工张力控制的优化对策

　　针对金属压力加工的张力问题，按照“机械系统升级、控制系统迭代、工艺参数协同”三个维度拟定综合方案，同时结合不同工艺的特点实施差异化优化，达成张力控制精度跟稳定性提升。

　　2.1优化机械系统

　　机械系统作为张力控制的基础，应按照不同加工工艺要求，利用优化结构与提高精度，解决硬件因素造成的张力问题。对轧辊、张力辊等核心部件进行表面硬质镀铬处理，镀层厚度控制在0.05~0.01mm，可将辊面的耐磨性提升4~5倍，减少辊面磨损引发的带材接触摩擦波动；同时对辊系进行动平衡校正，将动平衡精度控制在G1级以内，避免辊系高速旋转过程中的离心力引发张力周期性波动。就冷轧机组而言，核心是改进辊系支撑结构，采用多列圆锥滚子轴承替换传统深沟球轴承，控制径向跳动量在0.005mm以内。同时，加装辊系平衡设备，将工作辊跟支撑辊的接触压力偏差控制在2%以内。某不锈钢冷轧厂通过改造，带材边部波浪的缺陷比率从12%降至3%。另外，针对拉拔机组，必须对模具和卷筒设计进行优化，选用硬质合金拉拔模，耐磨性可提升3倍，按时检测模具孔径，还把卷筒同轴度误差控制到0.01mm/m以内，减少拉拔时段里的张力波动［4］。

　　此外，共性优化措施包括：其一，完善张力检测装置的布局安排，将传统的出口端张力辊变为“入口—出口”双点检测，降低检测滞后时长。如在拉拔机组中，将张力检测点移至拉拔模前方1m处，检测滞后时间由0.5s降到0.1s。其二，提升液压系统维护水平，使用高精度滤油装置，过滤精度为5μm，每隔6个月定期换一次液压油，再安装一个压力稳定器，使油源压力波动处于±0.2MPa以内，杜绝阀组卡滞所引发的张力突变。

　　2.2升级控制系统

　　控制系统是张力控制的核心，应通过硬件升级与算法优化，解决动态反应滞后和调节精度欠缺的问题。在高端加工领域，可采用智能化技术与高速PLC，替换传统控制硬件，提高信号处理和执行的速度。某铝型材厂将控制系统采样周期从50ms降到8ms，张力动态响应时间从0.3s减少到0.08s。不同材料特性的优化控制策略也不同，其中，塑性较好的低碳钢，可采用“PID+前馈控制”的算法，预先测算轧制力变化对张力形成的影响。脆性大的精密合金，可采用“模糊PID+限幅控制”的算法，将张力超调量管控到5%以内，避免断带［5］。

　　针对智能化升级，数字孪生技术已逐渐应用于冷轧带钢张力控制。某钢厂建设轧机数字孪生模型，以实时采集辊系温度、轧制力、带材速度等200余项数据，在虚拟环境当中模拟张力变化走向，提前1s预判张力波动风险，使张力控制精度提高15%。AI算法在参数自动优化中发挥了重要作用，某铜带加工厂依靠机器学习分析10万组历史生产数据，构建“材料性能—加工参数—张力设定”的映射模型，实现张力参数自动契合，降低了人工调整次数。同时，构建多机组速度联动控制体系，通过工业以太网实现各机组速度信号实时交互。若某一个机组速度做调整，其余机组同步响应动作，确保张力匹配。某“冷轧—平整”联合机组运用速度联动控制，张力匹配的偏差从10%下降到3%，断带率从0.5%降到0.1%［6］。

　　2.3协同工艺参数

　　工艺参数的协同优化可从源头解决张力问题，将材料特性与加工需求相结合，搭建全流程参数匹配模式，做好原材料的预处理事宜，根据不同材料采用不一样的处理工艺。例如，将铝合金坯料置于450℃下保温6h，均匀化退火，减小屈服强度的波动；冷轧带钢坯料利用激光表面清理技术，去除厚度不超过5μm的氧化铁皮，杜绝轧制过程中因氧化铁皮压入引起的张力波动；应用激光测厚仪在线检测坯料厚度，去除厚度偏差超过0.01mm的坯料，减小由材料因素引起的张力波动。同时。需结合轧制时的轧辊热凸度变化，建立热凸度-张力补偿参数模型，根据轧辊实时温度调整张力设定值。

　　优化加工参数的匹配，根据材料种类与产品需求，构建“张力—速度—轧制力/拉拔力”参数矩阵。在低碳钢冷轧期间，可以将轧制速度从500m/min提升到700m/min，同时将张力从15kN下调至12kN，以此防止速度提升引发的张力剧增。在铝型材开始拉拔时，需根据型材截面复杂状况调整张力参数，对于截面复杂的异型材，应采用较低的张力以防止拉伸变形出现不均。对于截面结构简单的棒材，可选用10~12kN的较高张力，保障成品尺寸精度。构建工况预警体系，通过安装振动传感器，实时监测生产加工工况，若出现异常情况，系统自动调整张力与速度的参数。某铜带加工厂凭借工况预警机制，预先识别辊系磨损危机，防止张力波动引起的表面划伤缺陷，产品的合格率提升了8%［7］。

　　3工程应用案例

　　以某精密合金带钢厂冷轧机组张力控制优化为例，该机组最初采用的是传统PID控制系统，当加工坡莫合金带（厚度0.1~0.3mm）时，存有张力波动大(±7%）、动态响应慢（0.4s）的缺陷，精密合金带厚度超差的比率为18%，断带事故每个月出现3~4次。

　　针对性的优化措施如下：首先，将多列圆锥滚子轴承（径向跳动≤0.005mm）进行替换，增装辊系平衡部件，将张力检测点从出口端向前移至轧机入口1.5m的地方；其次，运用高速PLC和“模糊PID+限幅控制”算法，构建轧机数字孪生模型，实时监测张力变化。与此同时，建立机组速度联动逻辑，对合金坯料开展550℃×8h均匀化退火，创建“轧制速度500~800m/min、对应张力10~14kN”的参数矩阵，然后安装振动和温度双传感器的预警系统。

　　机组张力波动的幅度降低至±2%，动态响应时间缩短至0.09s，精密合金带厚度的超差比率降到3%，每个月断带事故仅0.5次，日均产能提升12%，年节约生产成本约200万元，该案例表明，工艺特性与“机械—控制—工艺—智能”多维度协同优化相融合，能有效处理好金属压力加工张力控制状况，尤其适合于高端金属材料加工场景［8］。

　　4结语

　　金属压力加工张力控制是一项多学科交叉的系统工程，其问题成因涉及机械、控制、材料等多个领域，且在不同工艺、不同材料加工中表现出显著差异，需打破单一环节优化的局限，构建“硬件—软件—工艺—智能”协同的解决方案。随着工业4.0技术的发展，张力控制正朝着智能化、数字化方向升级。为了更好地控制压力问题，还需进一步推动智能技术与张力控制的深度融合，针对超薄、超高强度、脆性金属材料的加工需求，开发专用张力控制算法。同时加强基础研究（如材料塑性变形与张力的耦合关系、多物理场作用下的张力变化规律），为金属压力加工行业提供更精准、更稳定的张力控制技术，助力高端金属材料国产化生产，推动冶金工业向高质量、高效率、低能耗方向发展。

参考文献

　　［1］李健东.轻量化金属铝合金在压力加工中的工艺润滑研究［J］.中国金属通报，2023（4）：103-105.

　　［2］刘小军.压力加工工具材质及表面处理对金属粘结的影响研究［J］.世界有色金属，2023（5）：145-147.

　　［3］刘小军.金属压力加工张力控制问题及对策初探［J］.中国金属通报，2023（2）：198-200.

　　［4］荆文婧.表面处理和工具材质对压力加工金属粘结的影响［J］.信息记录材料，2022，23（9）：47-50.

　　［5］张保家.微细金属丝新型拉拔工艺及拉拔张力控制算法［D］.天津：天津工业大学，2022.

　　［6］刘致祥，洪敏，戴宇杰.浅析压力加工工具的材质及表面处理对金属粘结的影响［J］.现代盐化工，2021，48（2）：97-98.

　　［7］刘致祥，戴宇杰，洪敏.金属压力加工张力控制问题及措施［J］.内蒙古煤炭经济，2021（6）：160-161.

　　［8］何展明.金属带材压力加工中张力控制系统探究［J］.冶金管理，2019（9）：39+60.