CN103846278A - 一种电塑性等径轧制轧机 - Google Patents
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Abstract
一种电塑性等径轧制轧机，其主要是：在二辊轧机的基础上，加入由导板与等径角模具组成的等径角轧制机构和由电脉冲接口与电源组成的电致塑性加工机构。本发明省去了常规等径角轧制过程中必须的预热和热轧设备，轧制后也无需对板料进行退火处理，常温下即可进行，大大减少了工序和加工成本，亦可以进行连轧，加工过程简单高效，既可获得常规等径角轧制后板料综合力学性能大幅改善的效果，又大大简化了常规等径角轧制过程中繁琐的工序和笨重的设备，适合进行镁合金等低塑性难轧制金属材料以及高温合金、高强钢等高强度难变形金属材料的轧制和性能改良。
Description
技术领域
本发明涉及一种二辊轧机，尤其是涉及一种电塑性等径轧制轧机。
背景技术
轧制是一种常用的金属塑性加工方法，主要用来生产型材、板材、管材等。轧制可按金属在轧制时是否立即产生软化、回复和再结晶分为热轧和冷轧。轧机即是实现金属轧制过程的设备。
有一些金属材料或合金具有良好的性能，但是通常条件下塑性很差，难以通过塑性变形进行加工，例如镁合金、铝合金，以及合金钢、钛合金、高温合金等。如镁合金等有色轻金属具有质量轻、强度高、电磁屏蔽性好、减震性好等良好性能，钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，这些金属材料性能突出，但常温下变形能力差，加工困难成本高，使得其使用受到很大限制。
大多数金属材料在冷轧过程中均有不同程度的加工硬化产生,在多次冷轧加工后,必须对合金进行再结晶退火,以恢复材料原有的塑性。对于耐高温、耐磨损等高合金材料,变形抗力较大,加工硬化、形成织构的倾向性较高,有些脆性材料基本没有轧制的可能，这是当代轧制技术面临的瓶颈问题。
等径角轧制技术对板料综合力学性能的提升作用显而易见，但在实际操作中存在工序繁杂、成本高、加工效率低的缺点，例如对某种镁合金板料的等径角轧制，需要使用双辊热轧机，并且镁合金板料在进行等径角轧制前需要进行5分钟400℃的预热以提升原料塑性，减小变形抗力并改善金属内部组织，以便于轧制，预热温度和时间需要严格控制，否则容易造成板料内部晶粒长大、塑性降低，轧制完成后需要对板料进行再结晶退火处理以消除残余应力，恢复塑性，才可得到合格的产品。
电致塑性效应是材料在电的作用(包括电子照射、电场、电脉冲等电刺激)下,变形抗力降低、塑性增加的一种现象。电致塑性技术最引人注意的是将其应用于难成形或低塑性材料的轧制加工，电致塑性轧制过程中，脉冲电流使金属在较低温度下具有良好的塑性变形能力，变形抗力降低，最终产品较常规轧制强度更高、韧性和表面质量更好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在常温下工作的设备简单、加工效率高、成本低、可提高难轧制金属综合力学性能的电塑性等径轧制轧机。本发明主要是在常规二辊轧机的基础上，加入等径角轧制机构和电致塑性加工机构。
本发明的具体方案如下：二辊轧机主要包括机架、轧辊组件、平衡机构和压下机构等。封闭式四柱机架内用于安放两个轧辊，两个轧辊呈上下排列，上轧辊轴承座上部与压下机构相连，通过转动机架顶部的齿轮组可以使压下机构上下移动，该压下机构上端穿过机架顶上的竖直通孔与齿轮组相连，通过转动调节杆可以转动齿轮组，使压下机构与两个轴承座相连的部分同步移动。在压下机构左右两侧设有平衡机构，其下端与上轧辊轴承座相连。上下两个轧辊分别装在两个轴承座内，每个轴承座安装在两个立柱之间，立柱内侧装有导轨，两个下轧辊轴承座固定，两个上辊轴承座可以由机架上部的压下装置调节沿着导轨上下移动，用来根据轧制板材厚度需要调节轧辊间距。每个轴承座内安装有两个对称并列的圆锥滚子轴承，轧辊辊颈置于轴承之中，端盖安装于轴承座外侧，顶在外侧轴承的外圈。两个圆锥滚子轴承被套在圆筒形轴承绝缘套中，安装于上述轴承座中，在圆锥滚子轴承外圈与轴承座端盖之间设圆环形轴承绝缘垫，绝缘垫外径与轴承外径相当，上述绝缘套和绝缘垫可使轧辊轴承与轴承座绝缘，从而保证轧辊与机架其他部位绝缘。
所述等径角轧制机构，在与两轧辊垂直方向一侧的两根立柱之间设有导板，由导板架和导板插板组成，由绝缘材料制成的横截面为U形的导板插板插在导板架的插槽内，导板插板的两侧边高于导板架，使轧制过程中导板上的板料不会与导板架接触。导板架上部是供导板插板插入的一对插槽，导板架下部是导板架主体部分和与立柱固定的部分，横截面呈倒U字型，两侧开有与导板长度方向平行的水平条孔，螺栓可以穿过条孔将导板架固定在立柱上，一侧使用两个螺栓，由于条孔的设计，使得导板架的位置可以前后调节。导板插板沿长度方向中部设有凹槽，凹槽宽度略小于等径角模具通道宽度，轧制时板料沿凹槽进行推送，使得板料可以对准等径角模具通道而不会偏离。在与两轧辊垂直方向另一侧的两根立柱之间设有等径角模具，其主要包括：模具固定板、等径角模具上模、等径角模具下模和模具绝缘套。等径角模具上模朝向轧辊的一侧为上下两个分别与上下轧辊对应的弧面，上弧面要与上轧辊尽量贴近而不接触，间隙必须小于板料厚度，下弧面与下轧辊之间要留出供板材通过的间隙，同样下模朝向轧辊的一侧为与下轧辊对应的弧面，要求二者间隙小于板料厚度。上模底平面位于等径角模具下模上平面上，该等径角模具下模两侧向上延伸并将等径角模具上模部分包容，在等径角模具下模向上延伸部分与等径角模具上模之间设有对应的通孔，可用销插入通孔固定上、下模相对位置。该等径角模具上、下模朝向机架外侧的一端设有模具固定板，其凹形开口卡在等径角模具下模外端两侧，其中间部分的长条形板料出口与等径角模具上、下模间隙相通。在模具固定板中间部分设上下两个通孔，分别与等径角模具上、下模上的螺纹孔对应，通过螺栓将等径角模具上、下模固定在模具固定板上，在模具固定板左右两端分别开有条形通孔，模具绝缘套两个一对扣在模具固定板每一端，该模具绝缘套上开有与模具固定板对应的条形通孔，穿过该条形通孔的螺栓将模具固定板固定在机架上，绝缘套的空心柱形结构保证螺栓不与模具固定板接触。模具固定板一角设有接线柱，用于连接脉冲电源。
所述电致塑性加工机构，其电脉冲接口主要包括：电脉冲接口架、压板、弹簧、接线柱及绝缘垫等。其中，电脉冲接口架为L形板，其较短的一边打有通孔，两个带孔的绝缘垫扣在其上，绝缘垫为空心柱形结构，螺栓穿过通孔将其固定于入口侧的一根立柱上，该接口架较长的一边上有一大四小共五个通孔，大通孔在中央，四个小通孔呈矩形分布在大通孔周围，分别与压板上的一粗四细共五根短杆相对应，五根短杆插在通孔内，限制压板只能沿着垂直于接口架方向移动，压板另一面与下轧辊接触，压板与接口架之间的弹簧将压板压在下轧辊上，保证轧辊在转动过程中压板与下轧辊保持接触，使电流回路保持贯通，中心较粗的短杆另一端设有接线柱，该接线柱通过导线与脉冲电源正极相连。脉冲电源负极通过导线与模具固定板上的接线柱相连，脉冲电源的正极通过电脉冲接口与下轧辊相连，于是脉冲电流由脉冲电源的正极出发依次到电脉冲接口、下轧辊、板料、等径角模具，再回到脉冲电源的负极构成回路。脉冲电源的正极与下轧辊相连使得板料与等径角模具接触时电源即接通，板料轧制后期，板料后部进入等径角模具上模和下轧辊之间，此时板料脱离了上轧辊，但与下轧辊仍然接触，下轧辊仍可提供轧制所需摩擦力，脉冲电源的正极与下轧辊相连保证了整个轧制过程中板料上始终有电流通过，当板料离开下轧辊时电流回路才切断。
本发明工作过程大致如下：板料（厚度不宜超过10mm）经由导板进入两个轧辊之间，两个轧辊之间的间距事先调整到比板料厚度略小，两个轧辊转动挤压板料提供的摩擦力将板料挤入等径角模具上模与下轧辊之间的通道，通道中有一个一定角度的转角，板料在通过转角时受限制完成剪切变形，进入等径角模具上、下模之间的通道，最后板料在等径角模具固定板上的出口挤出，板料轧制完成；整个轧制过程中，脉冲电源提供的脉冲电流，经由脉冲电源的正极，通过导线导入与机架绝缘的电脉冲接口，再经由电脉冲接口导入与机架绝缘的下轧辊，再经过与轧辊接触的板料、与机架绝缘的等径角模具以及导线流回脉冲电源的负极，整个轧制过程中板料中始终通有脉冲电流，电致塑性效应的作用贯穿始终。所述轧机设计的绝缘结构使轧制过程中，脉冲电流只经过电脉冲接口、轧辊、板料、等径角模具等形成电流回路必须的部分，而与轧机其它部分绝缘，保证人员安全和不对轧机其它部分的造成影响。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明大幅度改进了常规等径角轧制设备，主要是加入电致塑性加工技术，使得常规等径角轧制中板料需要提前预热、热轧机需要预热、加工后板料需要进行退火等步骤被简化，从而等径角轧制在常温下就可以有效进行，改善了工作条件，也省去了笨重的加热设备和热轧机，使得等径角轧制效率提高，成本降低。
2、等径角轧制技术和电致塑性加工技术的结合，共同改善了难加工金属材料的微观结构，晶粒得到细化，强度、塑性和韧性等力学性能大大提高，冲压性能明显提高，同时由于轧制在常温下进行，金属材料表面氧化现象大大减少，避免了晶粒的长大，加工后产品的表面质量也远好于热轧。
3、本发明电塑性等径轧制轧机，轧机改造于常规二辊轧机，结构简单可靠，无需加热设备，易操作，轧制后效果明显，使得难加工金属材料或合金也可以使用等径角轧制技术来提升力学性能，特别适用于轧制镁合金、钛合金等难加工金属材料或合金板材及带材，可进行连续轧制，轧制前后板料厚度基本不变，板材的宽度应不大于200mm，厚度不大于10mm，是一种简单有效大幅提高难加工金属材料综合力学性能的方法和设备，也很大程度避免了常规等径角轧制中容易出现的板材褶皱、开裂等，节约了成本和空间，通过更换等径角模具上模以及调节上下轧辊间距调，可以进行不同厚度金属或合金板材的轧制。
附图说明
图1为本发明立体示意图；
图2为本发明半剖立体视图；
图3为本发明等径角模具立体示意图；
图4为本发明模具绝缘套例1立体示意图；
图5为本发明模具绝缘套例2立体示意图；
图6为本发明电脉冲接口立体示意图；
图7为本发明电脉冲接口绝缘垫立体示意图；
图8为本发明导板组合立体示意图；
图9为本发明导板拆分结构示意图；
图10为本发明轴承座局剖示意图；
图11为本发明绝缘套的立体示意图；
图12为本发明绝缘垫的立体示意图。
图中：1、机架，2、脉冲电源，3、等径角模具（3-1、等径角模具上模，3-2、等径角模具下模，3-3、模具绝缘套，3-4、模具固定板，3-5、接线柱），4、电脉冲接口（4-1、压板，4-2、弹簧，4-3、电脉冲接口架，4-4、绝缘垫，4-5、短杆,4-6、接线导柱），5、导板（5-1、导板插板，5-2、导板架），6、轧辊组件（6-1、轴承绝缘套，6-2、轴承绝缘垫，6-3、轧辊，6-4、圆锥滚子轴承，6-5、轴承座，6-6、端盖），7、平衡机构，8、压下机构。
具体实施方式
在图1和图2所示的电塑性等径轧制轧机的示意图中，二辊轧机主体为封闭式四柱机架1，每侧两个立柱之间设有上下设置,两个辊身的公称直径为180mm的轧辊6，上轧辊轴承座6-5上部设有螺纹式压下机构8，可手动进行辊间距的调整，手动调节机构位于机架顶部，穿过机架顶上的竖直通孔与上辊轴承座6-5相连。在压下机构左右两侧设有平衡机构7，其下端与上辊轴承座相连，该压下机构上端穿过机架顶上的竖直通孔与齿轮组相连，通过转动调节杆可以转动齿轮组，带动压下机构与两个上辊轴承座相连的部分同步移动。
在与两轧辊垂直方向一侧的两根立柱之间设有等径角模具3，结构如图3所示。等径角模具上模3-1朝向轧辊的一侧为上下两个分别与上下轧辊对应的弧面，上弧面与上轧辊尽量贴近而不接触，间隙必须小于板料厚度，下弧面与下轧辊之间要留出供板材通过的间隙，同样等径角模具下模3-2朝向轧辊的一侧为与下轧辊对应的弧面，二者间隙小于板料厚度但不能接触。上模底平面位于等径角模具下模上平面上，两者所夹空间和等径角模具上模与下轧辊所夹空间一起作为板料经过的通道，两段通道之间的夹角为120°，该等径角模具下模两侧向上延伸并将等径角模具上模部分包容，在等径角模具下模3-2向上延伸部分与等径角模具上模3-1之间设有位置对应的通孔，可用销插入通孔固定上、下模相对位置，该等径角模具上、下模朝向机架外侧的一端设有模具固定板3-4，其凹形开口卡在等径角模具下模3-2外侧，其中间部分设与等径角模具上、下模间通道相通的条形板料出口。在模具固定板3-4中间部分设上下两个通孔，其分别与等径角模具上、下模上的螺纹孔对应，通过螺栓将等径角模具上、下模固定在模具固定板3-4上。在模具固定板3-4左右两端分别开有条形通孔，模具绝缘套3-3两个一对扣在模具固定板3-4每一端，该模具绝缘套3-3上设有条形通孔，穿过该条形通孔的螺栓将模具固定板3-4固定在机架上，绝缘套为空心柱形结构，如图4和图5所示，模具固定板3-4一侧设有接线柱3-5。
所述电致塑性加工机构的电脉冲接口4如图6所示，其中电脉冲接口架4-3为L形板，其较短的一边打有通孔，两个带孔的绝缘垫4-4扣在其上，使用螺栓穿过通孔将其固定于入口侧的一根立柱上，绝缘垫4-4的空心柱形结构保证螺栓不与电脉冲接口架4-3接触，如图7所示，该接口架4-3较长的一边上有一大四小共五个通孔，大通孔在中央，四个小通孔呈矩形分布在大通孔周围，分别与压板4-1上的一粗四细共五根短杆4-5相对应，短杆4-5插入通孔中，限制压板4-1只能沿着垂直于接口架4-3方向移动，压板4-1另一面与下轧辊接触，压板4-1与接口架4-3之间有弹簧4-2，将压板4-1压在下轧辊上，保证轧辊在转动过程中压板4-1与下轧辊保持接触，使电流回路保持畅通，中心较粗的短杆另一端设有接线柱4-6，该接线柱4-6通过导线与脉冲电源2正极相连。
在与两轧辊垂直方向另一侧的两根立柱之间设有导板5，结构如图8和图9所示，由导板架5-2和导板插板5-1组成，导板架5-2上部是供导板插板5-1插入的一对插槽，导板架5-2下部是导板架主体部分和与立柱固定的部分，横截面呈倒U字型，两侧开有与导板5长度方向平行的水平条孔，螺栓可以穿过条孔将导板架5-2固定在立柱上，一侧使用两个螺栓，条孔的设计使导板架5-2的位置可以前后调节。由绝缘材料制成的横截面为U形的导板插板5-1插在导板架5-2的插槽内，并且该导板插板5-1的两侧边高于导板架5-2，使整个轧制过程，导板插板5-1上的板料不与导板架5-2接触，从而与机架1绝缘。导板插板5-1沿长度方向中部设有凹槽，凹槽宽度略小于等径角模具3的通道宽度，板料沿凹槽推送，可以使板料顺利对准等径角模具通道。
如图10所示，上下两个轧辊6-3分别装在两个轴承座6-5内，每个轴承座6-5安装在两个立柱之间，立柱内侧装有导轨，两个下轧辊轴承座固定，两个上辊轴承座可以由机架上部的压下机构8调节沿着导轨上下移动，用来根据轧制板材厚度需要调节轧辊间距。每个轴承座6-5内安装有两个对称并列的圆锥滚子轴承6-4，轧辊6-3的辊颈置于轴承6-4之中，端盖6-6安装于轴承座6-5外侧，顶在外侧轴承的外圈。在上述轴承座6-5与圆锥滚子轴承6-4之间隔有圆筒形轴承绝缘套6-1,见图11，在圆锥滚子轴承6-4与轴承座端盖6-6之间设圆环形轴承绝缘垫6-2，见图12，绝缘垫6-2外径与轴承外径相当，套在辊颈上，使外侧轴承与端盖6-6绝缘。
脉冲电源2的负极通过导线与模具固定板3-4上的接线柱3-5相连，脉冲电源2的正极通过导线与电脉冲接口4上的接线导柱4-6相连，于是脉冲电流由脉冲电源2的正极出发依次到电脉冲接口4、下轧辊6-3、板料、等径角模具3，再回到脉冲电源2的负极构成回路。用于电致塑性轧制的高能脉冲电流，其参数要求脉冲宽度10-200μs，频率100-1500Hz，电流密度幅值要求≥500A/mm2。
在AZ91D镁合金轧制试验中，AZ91D镁合金变形率很低，塑性很差，即使第一道次的很小下压量的轧制就可能发生严重的裂边甚至轧碎，几乎没有轧制的可能，只有在高温热加工下才能变得相对容易，但会带来表面质量差等问题。在尺寸为板宽100mm，板厚10mm的AZ91D镁合金电塑性等径轧制过程中，单道次最大剪切变形达到40%，成形性能明显改善，成形表面质量好。在保持板厚与板宽基本保持不变条件下，经一道次轧制，抗拉强度由原始试样的125MPa，提高到236MPa，且表面质量良好，虽然轧制过程中还是出现了一定程度的加工硬化，但明显要小于普通冷轧。
在尺寸为板宽70mm，板厚5mm的304不锈钢板坯电塑性等径轧制过程中，单道次最大剪切变形达到30%。在保持板厚与板宽基本保持不变条件下，经一道次轧制，屈服强度由原始试样的308MPa，提高到410MPa。在电脉冲条件下，304不锈钢塑性明显提高，经5道次等径轧制后表面质量良好，板坯表面及边缘未见裂纹出现，轧制力明显降低，最大降幅达40%。
Claims (4)
1.一种电塑性等径轧制轧机，其包括二辊轧机，轧机机架采用封闭式铸造机架，共有4根立柱，上下两个轧辊分别装在两端的两个轴承座内，每个轴承座安装在两个立柱之间，立柱内侧装有导轨，两个下轧辊轴承座固定，两个上辊轴承座可以由机架上部的压下装置调节沿着导轨上下移动。每个轴承座内安装有两个对称并列的圆锥滚子轴承，轧辊辊颈置于轴承之中，端盖安装于轴承座外侧，顶在外侧轴承的外圈，其特征在于：两个圆锥滚子轴承外套有圆筒形轴承绝缘套，安装于上述轴承座中，在外侧圆锥滚子轴承外圈与轴承座端盖之间设圆环形轴承绝缘垫，绝缘垫外径与轴承外径相当；
在与两轧辊垂直方向一侧的两根立柱之间设有导板，由导板架和导板插板组成，由绝缘材料制成的横截面为凹字形的导板插板插在导板架的插槽内，并且该导板插板的两侧边高于导板架；
在与两轧辊垂直方向另一侧的两根立柱之间设有等径角模具，在模具固定板中间部分设上下两个通孔，其分别与等径角模具上、下模上的螺纹孔对应，通过螺栓将模具固定板固定在等径角模具上、下模上，在模具固定板左右两端分别开有条形通孔，模具绝缘套两个一对扣在模具固定板每一端，该模具绝缘套上设有与模具固定板上通孔对应的条形通孔，穿过该条形通孔的螺栓将模具固定板固定在机架上，绝缘套为空心柱形结构，模具固定板一角设有接线柱；
电脉冲接口架为L形板，其较短的一边打有通孔，两个带孔的绝缘垫扣在其上，绝缘垫为空心柱形结构，螺栓穿过通孔将其固定于入口侧的一根立柱上，该接口架较长的一边上有一大四小共五个通孔，大通孔在中央，四个小通孔呈矩形分布在大通孔周围，分别与固定在压板上的一粗四细共五根短杆相对应，短杆插在通孔中，压板另一面与下轧辊接触，压板与接口架之间有压力弹簧，中间较粗的短杆另一端设有接线柱，该接线柱通过导线与脉冲电源正极相连，该脉冲电源负极通过导线与模具固定板上的接线柱相连。
2.根据权利要求1所述的电塑性等径轧制轧机，其特征在于：导板架上部是供导板插板插入的一对插槽，导板架下部是导板架主体部分和与立柱固定的部分，横截面呈倒U字型，两侧开有与导板长度方向平行的水平条孔，螺栓穿过条孔将导板架固定在立柱上，一侧使用两个螺栓。
3.根据权利要求2所述的电塑性等径轧制轧机，其特征在于：导板插板沿长度方向中部设有凹槽，凹槽宽度略小于等径角模具通道。
4.根据权利要求1所述的电塑性等径轧制轧机，其特征在于：等径角模具上模朝向轧辊的一侧为上下两个分别与上下轧辊对应的弧面，上弧面与上轧辊贴近而不接触，且间隙小于板料厚度，下弧面与下轧辊之间留出供板材通过的间隙，同样下模朝向轧辊的一侧为与下轧辊对应的弧面，二者间隙小于板料厚度但不接触。上模底平面位于等径角模具下模上平面上，该等径角模具下模两侧向上延伸并将等径角模具上模部分包容，在等径角模具下模向上延伸部分与等径角模具上模之间设有对应的通孔，销插入通孔固定上下模相对位置，该等径角模具上、下模朝向机架外侧的一端设有模具固定板，其凹形开口卡在等径角模具下模外侧，其中间部分的长条形板料出口与等径角模具上、下模间隙相通。
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