CN104178714B - 一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法，包括前置大轧机、后置小轧机，以及镁合金板材上方和下方对称分布的旋转电机、三爪卡盘、旋转盘、垫圈、平面保持架和滚珠等，首先通过前置大轧机对镁合金板材的轧制，然后通过滚珠在镁合金板材上下表面的表面滚压处理，最后通过后置小轧机对镁合金板材进行小压下量的轧制，使镁合金板材表面生成晶粒细化层，改变其组织结构，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材的机械性能，并提高镁合金板材的成形性。

Description

一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种表面轧制结合滚压加工处理镁合金板材的装置和方法。

背景技术

目前，镁合金板材的传统制备方法是冷态轧制，因为冷轧工艺容易满足工业化大生产的要求。

然而，目前常见的这种镁合金板材的冷轧工艺会存在以下问题，因为镁合金的冷变形能力很差，为防止轧制开裂，必须严格控制道次压下量及冷轧总变形量，一般道次压下量要小于5％，总变形量不超过20％，而且道次压下量和总变形量也是因材料而异，比如常见的AZ31B型号的镁合金板材的冷轧总变形量可达到15％左右。并且，对于镁合金来说，由于其晶体结构为hcp结构(密堆六方结构)，在室温下滑移系少，成型性能差，机械孪生是一种重要变形方式。由于在表面处理的过程中应变速率以及形变量都是随着深度的增加而减小的，而形变量又和孪晶的产生有关，形变量越大，越容易产生孪晶，应变速率越大，孪晶的深度也会越大，因此晶粒细化在表面层最为显著，所以提高表面层的机械性能，能有效提高镁合金板材的整体性能，包括板抗拉强度、延伸率和应变速率敏感性等，而目前的冷轧工艺只是采用轧制的方法，对镁合金板材的表面性能没有改观。

在现有技术中，针对冷轧成形性差、压下量小等问题，业界一般采用温轧或者热轧的工艺，温轧是在高于冷轧低于热轧的温度下采用较大的变形量进行轧制，得到抗拉强度较大、厚度不大的板材；热轧能有效提高镁合金板材的机械性能，且提高了成形性、增大了压下量。

然而，本领域技术人员清楚，现有技术的热轧工艺，需要稳定控制坯料和轧辊表面的温度，需要反复多次加热，使轧件始终保持在合适的温度范围内，且道次压下量需要控制在10％至25％左右，否则会产生边界裂纹并使裂纹得到发展；而温轧也同样存在一些困难，因为其轧制温度范围比较小，且镁合金热容小，尤其是在板材较薄的区域温度很难保证均匀稳定，所以大规模的温轧工艺生产难以控制。且现有技术中的温轧和热轧工艺，仍然没有改进镁合金板材的表面层性能，没有在其表面生成机械性能好的晶粒细化层。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能在镁合金板材表面生成晶粒细化层的装置和方法，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材的机械性能，并提高镁合金板材的成形性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种能在镁合金板材表面生成晶粒细化层的装置和方法，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材的机械性能，并提高镁合金板材的成形性。

为实现上述目的，本发明提供了一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法，首先通过前置大轧机对镁合金板材的轧制，然后通过上滚珠和下滚珠在镁合金板材上下表面的表面滚压处理，最后通过后置小轧机对镁合金板材进行小压下量的轧制，使镁合金板材表面生成晶粒细化层，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材的机械性能，并提高镁合金板材的成形性。本发明的具体方案如下所述：

一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，包括前置大轧机、后置小轧机和布置在所述前置大轧机和所述后置小轧机之间的滚压机构，所述前置大轧机有第一上辊和第一下辊，所述后置小轧机有第二上辊和第二下辊，所述滚压机构包括上旋转电机、上三爪卡盘、上旋转盘、上垫圈、上平面保持架、上滚珠、下旋转电机、下三爪卡盘、下旋转盘、下垫圈、下平面保持架和下滚珠；所述上旋转电机通过所述上三爪卡盘连接所述上旋转盘，所述上旋转盘的背离所述上旋转电机的一侧固设有所述上垫圈，所述上平面保持架上嵌有所述上滚珠并被置于所述上垫圈背离所述上旋转电机的一侧；所述下旋转电机通过所述下三爪卡盘连接所述下旋转盘，所述下旋转盘的背离所述下旋转电机的一侧固设有所述下垫圈，所述下平面保持架上嵌有所述下滚珠并被置于所述下垫圈背离所述下旋转电机的一侧；所述镁合金板材依次穿过所述第一上辊和所述第一下辊、所述上滚珠和所述下滚珠以及所述第二上辊和所述第二下辊之间的间隙，并与所述第一上辊、所述第一下辊、所述上滚珠、所述下滚珠、所述第二上辊和所述第二下辊皆相接触。

优选地，所述上旋转电机、所述上三爪卡盘、所述上旋转盘、所述上垫圈和所述上平面保持架同轴，且与所述下旋转电机、所述下三爪卡盘、所述下旋转盘、所述下垫圈、所述下平面保持架同轴；所述上旋转电机可通过所述上三爪卡盘带动所述上旋转盘，所述下旋转电机可通过所述下三爪卡盘带动所述下旋转盘；所述上垫圈背离所述上旋转电机的表面上具有上垫圈滚道，所述上滚珠可在所述上垫圈滚道内滚动和/或滑动；所述下垫圈背离所述下旋转电机的表面上具有下垫圈滚道，所述下滚珠可在所述下垫圈滚道内滚动和/或滑动。

此处设计目的在于，在两次轧制之间引入滚珠进行镁合金板材表面滚压的处理方式使镁合金板材表面产生强烈的挤压变形，以改变其织构并细化表层晶粒至微纳米级别，但保持镁合金板材内部原来的粗晶组织，以提高镁合金板材的加工性能，并节约了加工成本，处理后的镁合金板材表面平整、粗糙度较低、抗拉强度高、延伸率高且应变速率敏感指数高。

优选地，所述上滚珠和所述下滚珠的个数皆为至少两个且分别在所述上平面保持架和所述下平面保持架内均布；所述上滚珠可在所述上平面保持架内滚动，所述下滚珠可在所述下平面保持架内滚动。

优选地，所述上平面保持架和所述下平面保持架平行于所述镁合金板材的表面。

优选地，所述前置大轧机、所述后置小轧机和所述上滚珠与所述下滚珠的轧制线的标高一致。

优选地，所述滚压机构有两个以上时，两个以上的所述滚压机构在所述镁合金板材上下表面上呈交错排布。

优选地，首先所述前置大轧机对所述镁合金板材进行轧制，然后进行所述上滚珠和所述下滚珠在所述镁合金板材上下表面的表面滚压处理，最后由所述后置小轧机对所述镁合金板材进行轧制。

优选地，所述前置大轧机和所述后置小轧机的轧辊的线速度一致。

优选地，所述上旋转盘与所述下旋转盘的旋转方向相反，以使镁合金板材在移动过程中不发生晃动，如果所述上旋转盘与所述下旋转盘的旋转方向相同，镁合金板材必定会在移动过程中偏离轧制方向。

优选地，所述上滚珠和所述下滚珠的高度可随着所述上旋转电机和所述下旋转电机的高度的调整而进行调整。

此处设计目的在于，通过调整上下旋转电机的高度，使上下滚珠以一定载荷在镁合金板材表面进行反复连续的滚压，造成镁合金板材较大的塑性变形，从而获得超细晶组织，使其强度得到提高；所述滚压机构有两个以上时，两个以上的所述滚压机构在所述镁合金板材上下表面上呈交错排布，使得宽度较大的镁合金板材能够得到充分的表面处理；另外，晶粒的细化对非基面的滑移有促进作用，并且由于织构得到了改善，使能启动的滑移系更多，其塑性变形性能也得到提高。总之，通过对镁合金板材表面进行反复连续的滚压，使镁合金的抗拉强度、应变速率敏感指数等都有一定的提升，并且延伸率也没有降低。

从上述技术方案可以看出，本发明一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法，首先通过前置大轧机对镁合金板材的轧制，然后通过上滚珠和下滚珠在镁合金板材上下表面的表面滚压处理，最后通过后置小轧机对镁合金板材进行小压下量的轧制，使镁合金板材表面生成晶粒细化层，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材的机械性能，并提高镁合金板材的成形性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的表面轧制结合滚压加工处理镁合金板材的装置示意图；

图2是图1中的上旋转盘、上垫圈、上平面保持架和上滚珠的装配示意图的放大图；

图3是图1中的下旋转盘、下垫圈、下平面保持架和下滚珠的装配示意图的放大图；

图4是上平面保持架和上滚珠的装配示意图的放大图；

图5是图4的A-A剖面图；

图6是上垫圈示意图的放大图；

图7是图6的B-B剖面图；

图8是多个滚压机构的装配示意图；

图9是多个滚压机构交错排布的俯视图。

图中，1为前置大轧机，2为上旋转电机，3为上三爪卡盘，4为上旋转盘，5为上垫圈，6为上平面保持架，7为上滚珠，8为后置小轧机，9为镁合金板材，10为下旋转电机，11为下三爪卡盘，12为下旋转盘，13为下垫圈，14为下平面保持架，15为下滚珠，16为第一上辊，17为第一下辊，18为第二上辊，19为第二下辊。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置与方法做进一步的描述。

实施例：

如图1至图9所示，图1是本发明的表面轧制结合滚压加工处理镁合金板材的装置示意图；图1表示了一种轧制结合滚压处理镁合金板材9的加工装置，包括前置大轧机1、后置小轧机8和布置在所述前置大轧机1和所述后置小轧机8之间的滚压机构，所述前置大轧机1包括第一上辊16和第一下辊17，所述后置小轧机8包括第二上辊18和第二下辊19，所述滚压机构包括上旋转电机2、上三爪卡盘3、上旋转盘4、上垫圈5、上平面保持架6和上滚珠7，和下旋转电机10、下三爪卡盘11、下旋转盘12、下垫圈13、下平面保持架14和下滚珠15；平面保持架外圆直径为5～10厘米，滚珠直径为3～4毫米，并且因为实施例中，镁合金板材9的宽度小于5～10厘米，可只用一个滚压机构；所述上旋转电机2通过所述上三爪卡盘3连接有所述上旋转盘4，所述上旋转盘4的背离所述上旋转电机2的一侧固设有所述上垫圈5，所述上平面保持架6上嵌有所述上滚珠7并被置于所述上垫圈5背离所述上旋转电机2的一侧；所述下旋转电机10通过所述下三爪卡盘11连接所述下旋转盘12，所述下旋转盘12的背离所述下旋转电机10的一侧固设有所述下垫圈13，所述下平面保持架14上嵌有所述下滚珠15并被置于所述下垫圈13背离所述下旋转电机10的一侧；所述镁合金板材9依次穿过所述第一上辊16和所述第一下辊17、所述上滚珠7和所述下滚珠15以及所述第二上辊18和所述第二下辊19之间的间隙，并与所述第一上辊16、所述第一下辊17、所述上滚珠7、所述下滚珠15、所述第二上辊18和所述第二下辊19皆相接触。

在实施例中，所述上旋转电机2、所述上三爪卡盘3、所述上旋转盘4、所述上垫圈5和所述上平面保持架6同轴，且与所述下旋转电机10、所述下三爪卡盘11、所述下旋转盘12、所述下垫圈13、所述下平面保持架14同轴；所述上旋转电机2可通过所述上三爪卡盘3带动所述上旋转盘4，所述下旋转电机10可通过所述下三爪卡盘11带动所述下旋转盘12。

请参阅图2，图2是图1中的上旋转盘、上垫圈、上平面保持架和上滚珠的装配示意图的放大图，图2中，所述上垫圈5背离所述上旋转电机2的表面上具有上垫圈滚道，所述上滚珠7可在所述上垫圈滚道内滚动和/或滑动。

请参阅图4和图5，图4上平面保持架和上滚珠的装配示意图的放大图；图5是图4的A-A剖面图；图4和图5中，所述上滚珠7有8个。

请参阅图6和图7，图6是上垫圈示意图的放大图；图7是图6的B-B剖面图；图6和图7中，所述上垫圈5上有一圈滚道。

请参阅图3，图3是图1中的下旋转盘、下垫圈、下平面保持架和下滚珠的装配示意图的放大图，图3中，所述下滚珠15有8个，所述下垫圈13背离所述下旋转电机10的表面上具有下垫圈滚道，所述下滚珠15可在所述下垫圈滚道内滚动和/或滑动。

在两次轧制之间引入滚珠进行镁合金板材9表面滚压的处理方式使镁合金板材9表面产生强烈的挤压变形，以改变其织构并细化表层晶粒至微纳米级别，但保持镁合金板材9内部原来的粗晶组织，以提高镁合金板材9的加工性能，并节约了加工成本，处理后的镁合金板材9表面平整、粗糙度较低、抗拉强度高、延伸率优异且应变速率敏感指数高。在实施例中，所述上滚珠7和所述下滚珠15分别在所述上平面保持架6和所述下平面保持架14内均布；所述上滚珠7可在所述上平面保持架6内滚动和/或滑动，所述下滚珠15可在所述下平面保持架14内滚动和/或滑动。

在实施例中，所述上平面保持架6和所述下平面保持架14平行于所述镁合金板材9的表面。

在实施例中，所述前置大轧机1、所述后置小轧机8和所述上滚珠7与所述下滚珠15的轧制线的标高一致。

下面以宽为5厘米、厚为1毫米的AZ31镁合金板材9为例进行加工方法的说明，因为其镁合金板材9的宽度为5厘米，所以只用一个滚压机构：

首先，在室温下，调整前置大轧机1和后置小轧机8的转速使AZ31镁合金板材9移动速度为8.5×10^-4m/s，并调整压力使镁合金板材9通过前置大轧机1后，平均厚度从1.00毫米轧到0.97毫米，轧下量为3％。

然后，使该AZ31镁合金板材9按照图1中的箭头所示方向进入前置大轧机1、滚压机构和后置小轧机8，并调整好所述上旋转盘4的高度，然后在所述上旋转盘4内安装嵌有所述上滚珠7的所述上平面保持架6，然后，开启并调整上旋转电机2和下旋转电机10的转速是150rpm(转/分钟)，旋转方向相反，以使镁合金板材9在移动过程中不发生晃动，并调整上旋转电机2和下旋转电机10的高度使得上滚珠7和下滚珠15对板材的压力为250N，以便对镁合金板材9进行充分的表面滚压处理。在滚压过程中需要在上滚珠7、上垫圈5和上旋转盘4，以及下滚珠15、下垫圈13和下旋转盘12之间不断添加润滑油。

最后，调整后置小轧机8的轧下量为2％，镁合金板材9平均厚度从0.97毫米轧到0.95毫米，经过后置小轧机8的板材表面平整的小压下量的轻轧制后，镁合金板材9被送出本发明的加工装置。

在另一实施例中，当镁合金板材9的宽度大于5～10厘米时，可用两个以上的滚压机构：

请参阅图8和图9，图8是多个滚压机构的装配示意图；图9是多个滚压机构交错排布的俯视图；对于宽度大于或等于10厘米镁合金板材9，就用两个甚至多个交错排布的滚压机构，使得镁合金板材9能够得到充分的表面处理。

在上述实施例中，通过调整上旋转电机2和下旋转电机10的高度，使上滚珠7和下滚珠15以一定载荷在镁合金板材9表面进行反复连续的滚压，造成镁合金板材9较大的塑性变形；另外，晶粒的细化对非基面的滑移有促进作用，并且由于织构得到了改善，使能启动的滑移系更多，其塑性变形性能也得到提高。总之，通过对镁合金板材表面进行反复连续的滚压，使镁合金的抗拉强度、应变速率敏感指数等都有一定的提升，并且延伸率也没有降低。

从上述实施方案可以看出，本发明一种轧制结合滚压处理镁合金板材9的加工装置与方法，首先通过前置大轧机1对镁合金板材9的轧制，然后通过上滚珠7和下滚珠15在镁合金板材9上下表面的表面滚压处理，最后通过后置小轧机8对镁合金板材9进行小压下量的轧制，使镁合金板材9表面生成晶粒细化层，以较小的下压量来大幅提高镁合金板材9的机械性能，并提高镁合金板材9的成形性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，包括前置大轧机、后置小轧机和布置在所述前置大轧机和所述后置小轧机之间的至少一个滚压机构，所述前置大轧机包括第一上辊和第一下辊，所述后置小轧机包括第二上辊和第二下辊，每个所述滚压机构包括上旋转电机、上三爪卡盘、上旋转盘、上垫圈、上平面保持架、上滚珠、下旋转电机、下三爪卡盘、下旋转盘、下垫圈、下平面保持架和下滚珠；所述上旋转电机通过所述上三爪卡盘连接所述上旋转盘，所述上旋转盘的背离所述上旋转电机的一侧固设有所述上垫圈，所述上平面保持架上嵌有所述上滚珠并被置于所述上垫圈背离所述上旋转电机的一侧；所述下旋转电机通过所述下三爪卡盘连接所述下旋转盘，所述下旋转盘的背离所述下旋转电机的一侧固设有所述下垫圈，所述下平面保持架上嵌有所述下滚珠并被置于所述下垫圈背离所述下旋转电机的一侧；所述镁合金板材依次穿过所述第一上辊和所述第一下辊、所述上滚珠和所述下滚珠以及所述第二上辊和所述第二下辊之间的间隙，并与所述第一上辊、所述第一下辊、所述上滚珠、所述下滚珠、所述第二上辊和所述第二下辊皆相接触；所述上旋转电机、所述上三爪卡盘、所述上旋转盘、所述上垫圈和所述上平面保持架同轴，且与所述下旋转电机、所述下三爪卡盘、所述下旋转盘、所述下垫圈、所述下平面保持架同轴。

2.根据权利要求1所述的轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，所述上旋转电机可通过所述上三爪卡盘带动所述上旋转盘，所述下旋转电机可通过所述下三爪卡盘带动所述下旋转盘；所述上垫圈背离所述上旋转电机的表面上具有上垫圈滚道，所述上滚珠可在所述上垫圈滚道内滚动和/或滑动；所述下垫圈背离所述下旋转电机的表面上具有下垫圈滚道，所述下滚珠可在所述下垫圈滚道内滚动和/或滑动。

3.根据权利要求1所述的轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，所述上滚珠和所述下滚珠的个数皆为至少两个且分别在所述上平面保持架和所述下平面保持架内均布；所述上滚珠可在所述上平面保持架内滚动，所述下滚珠可在所述下平面保持架内滚动。

4.根据权利要求1所述的轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，所述上平面保持架和所述下平面保持架平行于所述镁合金板材的表面。

5.根据权利要求1所述的轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，所述前置大轧机、所述后置小轧机和所述上滚珠与所述下滚珠的轧制线的标高一致。

6.根据权利要求1所述的轧制结合滚压处理镁合金板材的加工装置，其特征在于，所述滚压机构有两个以上时，两个以上的所述滚压机构在所述镁合金板材上下表面上呈交错排布。

7.一种处理镁合金板材的方法，应用于根据权利要求1至6中任一项所述的加工装置，其特征在于，首先所述前置大轧机对所述镁合金板材进行轧制，然后进行所述上滚珠和所述下滚珠在所述镁合金板材上下表面的表面滚压处理，最后由所述后置小轧机对所述镁合金板材进行轧制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述前置大轧机和所述后置小轧机的轧辊的线速度一致。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上旋转盘与所述下旋转盘的旋转方向相反。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上滚珠和所述下滚珠的高度可随着所述上旋转电机和所述下旋转电机的高度的调整而进行调整。