高精度异型铜带因其具有优异的导电和力学性能，同时又具有较为特殊的截面形状，可在冲制时省去弯曲工序，被广泛应用于大规模集成电路、半导体分立器件、新能源汽车接插件等精密电子领域。随着半导体逐渐向高集成化、高流通能力、高可靠性方向发展，对作为半导体芯片载体的引线框架用铜合金材料的综合性能要求也越来约高^[1-5]。目前，生产异型铜带的主流工艺主要包括挤压轧制法和锻轧法。其中，挤压轧制法生产的带材常存在分层、起皮、夹杂等质量缺陷，不能应用于高端电子产品中^[6]。锻轧法则选用热轧工艺生产的性能均一的平带坯为原材料，利用金属的横向不均匀宽展特性进行锻轧，可很好地消除带材生产过程中产生的夹杂及残余应力问题，锻轧法常作为高端产品基材的首选^[7-8]。

锻轧法在实际生产过程中，其关键工序包括：平带坯开卷—焊接—高频锤锻—连续在线退火—研磨清洗—精整冷轧—收卷等，其锻轧工艺流程如图1所示。

在生产过程中，受锻压工艺设计和工装模具等众多因素影响，带材常存在斜纹缺陷，严重影响产品外观和力学性能，致使产品不能满足客户使用要求，出现大量报废^[9]。锻轧法生产的异型铜带常见的质量缺陷可分为两大类，即尺寸精度、表面质量。尺寸精度分为：尺寸超差、侧弯。表面质量分为：斜纹、色差、划伤。技术人员对不良品报废量进行了数据统计和帕累托图标绘制，如表1和图2所示。

由表1数据可知，锻压斜纹（以下简称斜纹）缺陷引起的报废量占产品总量的22.86%。同时，通过图2可以看出，表面缺陷占报废量的65.94%，且斜纹引起的报废量占总缺陷量的57.75%，这极大地影响了生产效率和成本。如何有效改善斜纹显得至关重要。异型铜带表面斜纹导致的不良产品如图3所示。

在市场对铜带品质要求不断提高的背景下，对带材表面质量的提升显得至关重要，本文结合生产实践，对由锻压工艺造成的带材斜纹缺陷的原因进行了分析，通过设计正交实验，得到最佳锻压工艺参数，并结合生产实践验证该方案的可行性。

1 锻压工艺对斜纹缺陷的影响 1.1 异型铜带斜纹产生原因

采用锻轧工艺进行异型铜带生产时，其工作原理是利用铜合金良好的延展性和塑性，将符合锻轧工艺技术要求的平带坯在闭合的型模中，通过高频锤锻的方式，迫使铜合金横向发生宽展。一般使用的锻压模具，上模为带有凸起的型模，其形状为“Λ”，下模为平面锻模。在进行锻轧时，依靠“Λ”型锤头的尖部，在一定步进速度下，不断地将平带坯两侧或中间部分进行锻轧，形成“T”型或“U”型带坯，如图4所示。

在锻压生产过程中，受锻压工装模具和工艺设计等影响，生产的预成型材料常会出现一定深度的斜纹凹槽，由于纹路过深，在研磨清洗和精整冷轧处理时，表面无法得到有效修复，导致生产的铜带成品表面会形成斜纹缺陷。经测量，当锻压后铜带斜纹深度大于0.05 mm时，后道工序无法将斜纹缺陷消除。因异型铜带斜纹产生的因素较多，本文主要从锻压工艺参数：锻压力A、锻打频次B、步进速度C、锻压加工率D对铜带表面斜纹产生的影响程度进行研究。

1.2 锻压工艺设计

采用锻压工艺进行异型铜带生产时，需通过锻打机不断地对平带坯施加撞击力，使得带坯发生形变。因此，变形所需的撞击力不仅取决于带坯硬度、成品厚薄料厚度差以外，还受锻压频率和步进速度的匹配性、锻压加工率等影响。随着机械设备自动化技术程度的不断成熟，现代化锻压设备可通过自控系统实现不同工艺参数的组合来提升生产效率。锻轧法在生产异型铜带时，常采用提高锻打频次和步进速度、降低锻压力和锻压加工率的方式的问题来解决带材表面斜纹缺陷^[10]。一般情况下，锻压频次越高、步进速度越快、锻压力和锻压加工率越小，则铜带表面的斜纹较浅且间距较大，后道工序更容易修复。为探究上述因素对斜纹缺陷的影响，采用控制变量法对上述因素进行逐一研究。为保证锻压工艺的合理性，参数选取时应在设备性能要求范围内，如表2所示。

选取T型铜带作为研究对象，产品规格为0.6 mm×2.0 mm/36 mm×94.5 mm，合金牌号为C19210，平带坯初始维氏硬度为70，厚度为2.40 mm。为避免铜带在轧制时出现扭曲或应力过大等缺陷，锻压后异型坯料应满足以下2个条件：

第一、延伸系数一致：

$ \qquad\frac{H}{W} = \frac{h}{w} = \lambda $

(1)

根据生产实践经验，此类带材的最佳延伸系数λ为1.20～1.25。

第二、厚薄比定值原则^[11]：

$ \qquad\frac{H}{h}=\frac{W}{w}=K $

(2)

式中：H为平带坯原始厚度；h为锻压后薄料厚度；W为成品厚料厚度；w为成品薄料厚度；λ为延伸系数；K为“T”型带材厚薄比值，定值常熟。

因“T”型铜带在锻压时，平带坯料中间部分不参与变形，其厚度变化基本为零。根据轧机加工率要求和上述条件计算可知，锻压后变形部位的铜带的厚度应控制在0.72～0.75 mm。

1.3 锻压力对斜纹缺陷的影响

平带坯加工成异型铜带，其变形量主要取决于锻压力的大小^[12]。铜带锻压力计算公式为：

$ \qquad beta= \eta · P · S $

(3)

式中：F为锻压力；η为温度与材料影响系数；P为塑性变形所需压力；S为锻压接触面积。

通过计算，在进行铜带生产时，所需最小锻压力为800 kN才能使得带坯发生塑性变形。因此，通过调整锻压力大小，对斜纹深度进行测量，其结果如表3所示。由表3可知，随着锻压力的增加，斜纹深度也在增大，当锻压力增大至900 kN时，铜带表面斜纹深度达到0.11 mm，继续增大锻压力至950 kN时，铜带出现开裂现象。

1.4 锻压频次对斜纹缺陷的影响

带坯在进行锻压时，为使其产生塑性变形需在稳定锻压力下，依靠锤头反复进行撞击。锻压频次的大小取决于设备性能和材料塑性，其计算公式^[13]：

$ \qquad \tau = \frac{{v \times 1\; 000}}{{\lambda \times \varphi }} $

(4)

式中：v为轧制速度；λ为材料延伸系数；φ为步进量；$ \tau $为锻压频次。

由式（4）可知，当材料确定后，其频次的大小主要取决于轧制速度和步进量，通过计算，当步进量和轧制速度达到设备额定值3.2 mm和2.9 m/min时，其最小频次为750 Hz。因此，研究锻压频次对斜纹深度的影响，实验结果如表4所示。

由表4数据可以看出，随着锻压频次的增大，斜纹深度也在加深。这是因为单位时间内增加了铜坯同一位置的加工量，导致斜纹深度有所增加，由此可知，锻压频次对斜纹深度有显著影响。

1.5 锻压加工率对斜纹深度的影响

锻压加工率的合理设计是平带坯能否锻压成合格异型带坯的前提，锻压加工率的设计主要由铜合金塑性和轧制时锻压加工率的大小决定。锻压加工率计算公式为：

$ \qquad \omega = \frac{{H - h}}{H} \times 100\% $

(5)

式中$ \boldsymbol{\omega} $为锻压加工率。

由锻压加工率公式计算可知，锻压变形部位的材料，其厚度为0.72～0.75 mm，才能满足轧机工艺需求，锻压加工率为69%～70%。因此，对锻压加工率对斜纹深度的影响进行研究，其检测结果如表5所示。由表5中的数据分析可知，随着锻压加工率的增大，斜纹深度也在逐步增加。当锻压加工率达到70%时，斜纹深度为0.12 mm。由此可知，锻压加工率对斜纹缺陷影响较大。

1.6 步进速度对斜纹深度的影响

平带坯在密闭的锻模中进行塑性变形时，需通过不断移动带坯来实现连续生产。一般地，步进速度的大小决定斜纹分布和斜纹深度。在锻压频次和锻压力大小一定时，步进速度越快，带坯单位面积撞击次数越少，斜纹深度越浅、斜纹间距越大。因此，在锻压力、锻压频次及锻压加工率保持不变时，通过改变步进速度对斜纹深度进行研究。其测量结果如表6所示。由表6可知，当步进速度为2.8 m/min时，斜纹深度和斜纹间距分别为0.09 mm和0.46 mm。随着步进速度的增大，斜纹深度逐渐变浅，且斜纹间距也在不断增大。当步进速度达到3.2 m/min时，斜纹深度减小至0.04 mm，斜纹间距增加至0.53 mm。由此可知，步进速度对斜纹深度和斜纹间距都有一定的影响，见图5。

2 正交实验设计及结果分析

根据上述实验探究得出，影响异型铜带斜纹间距及斜纹深度的主要4种因素为：锻压力、步进速度、锻压加工率、锻压频次。若采用控制单一变量进行随机试验时，其工艺组合较多，试验数量过于庞大。因此，采用正交实验法^[14]，选择L₉（3⁴）正交表进行设计，如表7所示。

斜纹深度是影响产品表面质量的重要指标，因此斜纹深度为考察指标，对正交实验设计的9组工艺组合进行实验，所得斜纹深度如表8所示。通过对表8中的9组工艺进行异型铜带生产试实验，将实验材料放置于显微镜下进行观察，其铜带表面质量如图5所示。对上述斜纹深度进行极差分析，其中K_j值为任意一列因素水平数为j时，所对应的实验结果之和。极差R=max{K₁，K₂，K₃}−min{K₁，K₂，K₃}，计算结果如表9所示。

斜纹深度越小对铜带表面斜纹缺陷的影响就越小。因此，可以判断A₁为因素A的优水平。同理，分别对B、C、D的优水平进行筛选，得出优水平分别为B₃、C₁、D₃，其最佳工艺组合为A₁B₃C₁D₃，即工艺参数分别为：锻压力为800 kN、步进速度为3.2 m/min、锻压加工率为69%、锻压频次为850 Hz。同时，由极差R可知：R_A=R_D>R_C>R_B，所以实验因素对指标的影响主次顺序为A＞D＞C＞B。根据筛选的工艺组合进行试验，测得此条件下的斜纹深度为0.02 mm，小于正交实验表中的最小值0.03 mm，从而验证了此参数组合为本实验最佳设计方案。此工艺下生产所示。此最佳设计方案很好地解决了锻压工艺引起的斜纹缺陷问题，极大地节约了生产成本，提高了铜带表面质量，如图6所示。此最佳设计方案很好地解决了锻压工艺引起的斜纹缺陷问题，极大地节约了生产成本，提高了铜带表面质量^[15]。

3 结　论

通过正交实验法研究了4种锻压因素对铜带斜纹深度影响的主次顺序，为：R_A=R_D>R_C>R_B。锻压工艺最佳参数组合为：锻压力800 kN、步进速度3.2 m/min、锻压加工率69%、锻压频次850 Hz，在此条件下生产的异型铜坯的斜纹深度为0.02 mm。本实验为实际生产中设计锻轧工艺提供参考，可有效改善铜带因锻压工艺引起的锻压斜纹缺陷问题。