CN104646416B - 一种金属板材强剪切轧制成形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材强剪切轧制成形方法与装置，本发明利用轧制变形时板材与轧辊之间的摩擦力提供动力，使板材先经过模具发生强剪切变形，然后进入轧辊之间进行板材轧制变形，其装置包括双轧辊轧机、动模上模板、动模下模板、机座、定模下模板及定模上模板，所述的定模下模板固定安装在机座上，动模下模板与定模下模板铰接；动模下模板通过油缸安装在机座上；定模上模板、动模上模板通过螺栓分别安装在定模下模板和动模下模板上；双轧辊轧机设置在金属板通道的出口处。本发明的模具等径角调节灵活、成本低，本发明能够实现对镁、铝等金属板材轧制变形和剪切变形的有效结合，细化板材晶粒、调控板材织构演化，提高板材的力学性能和成形性能。

Description

一种金属板材强剪切轧制成形方法与装置

技术领域

本发明涉及一种金属板材强剪切轧制成形方法与装置。

背景技术

镁、铝合金等轻质合金，由于其具有密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等优良性能，而广泛应用于航空航天、交通运输、能源电子、工程机械等领域。而目前铝、镁板材已经很快进入了汽车工业领域，成为汽车轻量化的首选材料。国家《新材料产业“十二五”规划》提出，发展汽车用6016、6022、6111铝合金板材，实现厚度0.7-2.0mm、宽幅1600-2300mm汽车铝合金板的产业化，发展低成本AZ系列镁合金挤压型材和板材产业化，开展镁合金轮毂、大截面型材、宽幅1500mm以上板材研究，实现我国汽车材料向铝、镁合金转型。

传统的铝合金板材的工业化生产主要是采用对称轧制成形。而铝合金塑性变形时启动的是{111}<110>滑移系，常规的对称轧制成形的织构以{110}<112>、{112}<111>、{123}<623>、{001}<100>为主、铝合金的塑性应变比r值小于1，板材的成形性能较差。镁合金是密排六方晶体结构，室温下仅有一个滑移面，在常规轧制工艺下，独立的滑移系少，塑性变形协调能力差，板材通常形成强烈的{0001}基面织构，难以获得细晶组织，难以实现对孪晶的控制，抗冲击能力差。

近年来各国专家通过优化和控制织构减小金属板材的平面各向异性，细化板材晶粒，提高其成形性能。如：等径角挤压、连续约束板带剪切、非对称轧制等变形模式来改善轻质合金板材的成形性能。然而上述工艺在实际生产镁、铝合金板材的过程中出现了一些缺陷和不足。等径角挤压生产不连续、效率较低、难以生产宽幅板材；连续约束板带剪切成形的板材表面质量较差；连续剪切变形、连续大塑性变形的设备复杂；非对称轧制易出现打滑现象，不利于板材工业化生产。国内将等径角挤压工艺进行改进，发明了一种制备高性能镁合金板材的等径角轧制方法及装置、一种多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具。但是这些方法和装置还存在一些不足：一则模具等径角的角度无法便利、灵活的调节，需要制作不同等径角角度的模具，成本高；二是轧制出来的板材难以顺利通过模具，即板材完成了轧制变形，但无法完全通过等径角挤压模具，完成剪切变形。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种模具等径角调节灵活、成本低的金属板材强剪切轧制成形方法与装置，它能够根据不同的材料实现相应的预热处理来改善轧制时板材的塑性变形能力，且能够产生强剪切变形和大的应变积累，有效的实现金属板材的晶粒细化和调控织构的目的。

本发明采用的技术方案是：一种金属板材强剪切轧制成形方法，使板材先连续通过模具发生强剪切变形，然后被轧辊咬入，实现板材强剪切轧制成形；装置包括双轧辊轧机、动模上模板、动模下模板、机座、定模下模板及定模上模板，所述的定模下模板固定安装在机座上，所述的动模下模板通过销接机构与定模下模板铰接；所述的动模下模板与油缸的上端铰接，油缸安装在机座上；所述的定模上模板通过螺栓安装在定模下模板上，动模上模板通过螺栓安装在动模下模板上；定模上模板和定模下模板之间及动模上模板和动模下模板之间留有金属板通道；所述的双轧辊轧机设置在金属板通道的出口处。

上述的金属板材强剪切轧制成形方法中，所述的装置，靠近金属板通道，动模上模板、动模下模板、定模下模板及定模上模板上均设有加热装置。

上述的金属板材强剪切轧制成形方法中，所述的装置，在金属板通道的入口和出口处安装激光感应测温仪。

上述的金属板材强剪切轧制成形方法中，所述的装置，所述的机座的底部设有滚轮。

一种金属板材强剪切轧制成形方法，包括如下步骤：

(1)卸载油缸，使动模下模板平放在机座上，将所需要轧制的板材放入定模上模板和定模下模板之间及动模上模板和动模下模板之间的金属板通道，且使板材伸出金属板通道的出口；

(2)用扳手调节定模上模板和定模下模板之间的螺栓及动模上模板和动模下模板之间的螺栓，使得调节定模上模板、定模下模板、动模上模板和动模下模板紧贴板材；

(3)板材放置好后，启动加热装置，对板材进行预热处理；

(4)根据预定的金属板通道夹角，调节油缸的活塞杆的上升距离；

(5)调整机座，将金属板通道的出口与双轧辊轧机的轧辊的入口位置相对应，使定模上模板和定模下模板之间的金属板通道与轧辊的间隙处于一条水平线上；

(6)将板材推入双轧辊轧机的轧辊间，轧辊压下，进行剪切轧制成形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的金属板材强剪切轧制成形方法与装置利用了轧制与强剪切变形相结合的工艺，可以实现强剪切变形与轧制变形相结合，实现应变积累，有效的细化金属板材的晶粒和调控合适的织构，可以改善金属板材的微观组织和晶粒取向，加工后对板材的强度、塑性、韧性等力学性能大大提高，冲压成形性能有较大的改善。

2、板材在轧制前经过金属板通道，可以通过金属板通道两侧的加热器加热，实现轧制前的预热处理，改善轧制时的板材塑性变形能力，很大程度上避免了常规等径角轧制时出现的板材褶皱、开裂现象。板材的温度可以通过热电偶采集数据传输到外部测温装置上进行精确检测，金属板通道的入口和出口处也有相应的测温设备，采集数据传到外接电脑系统上进行温度控制。

3、本发明的金属板材强剪切轧制成形装置的使用方法简单可靠，金属板材强剪切轧制成形装置易于制造，可实现大规模工业化生产，且定模下模板和动模下模板的夹角可以通过调节油缸活塞杆的高度实现；金属板通道的高度也可以调节；不需要制作许多个不同等通道角度和金属板通道高度的模具，可降低生产、实验成本。

4、本发明的金属板材强剪切轧制成形装置的机座底部设有滚轮，方便运输。

附图说明

图1是本发明的金属板材强剪切轧制成形装置的结构示意图。

图2轧制前AZ61镁合金坯料的金相显微组织。

图3 AZ61镁合金轧制板材的金相显微组织，(a)#1样品显微组织；(b)#2样品显微组织。

图4 6016铝合金轧制板材的取向分布，(a)#3样品极图；(b)#4样品极图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的金属板材强剪切轧制成形装置包括双轧辊轧机1、动模上模板5、动模下模板6、机座9、定模下模板11及定模上模板2，所述的定模下模板11固定安装在机座9上，所述的动模下模板6通过销接机构10与定模下模板11铰接；所述的动模下模板6与油缸8的上端通过销轴7铰接，油缸8安装在机座9上。所述的定模上模板2通过螺栓安装在定模下模板11上，动模上模板5通过螺栓安装在动模下模板6上；定模上模板2和定模下模板11之间及动模上模板5和动模下模板6之间留有金属板通道；靠近金属板通道，动模上模板5、动模下模板6、定模下模板11及定模上模板2上均设有加热装置4。述的双轧辊轧机1设置在金属板通道的出口处。所述的在金属板通道的入口和出口处安装激光感应测温仪；动模上模板5和动模下模板6之间的金属板通道侧壁上安装热电偶控制温度。所述的机座9的底部设有滚轮。

实施例1：AZ61镁合金板材轧制

坯料为AZ61镁合金挤压板两块(试样编号分别为#1及#2)，轧制前的尺寸均为500mm×100mm×5mm，轧制前板材的金相显微组织如图2所示，其平均晶粒尺寸为21.5μm。采用本发明设计的方法和装置对试样1进行如下实验：

(1)卸载油缸8，使得动模下模板6平放在机座9上，将所需要轧制的AZ61镁合金板材3放入定模上模板2和定模下模板11之间及动模上模板5和动模下模板6之间的金属板通道，且使板材伸出金属板通道的出口。

(2)用扳手调节定模上模板2和定模下模板11之间的螺栓及动模上模板5和动模下模板6之间的螺栓，使得调节定模上模板2、定模下模板11、动模上模板5和动模下模板6紧贴AZ61镁合金板材；

(3)AZ61镁合金板材3放置好后，启动加热装置4将定模上模板2、定模下模板11、动模上模板5和动模下模板6预热至350℃，保温0.5h；以改善AZ61镁合金板材3的塑性；

(4)调节油缸8活塞杆的高度，将金属板通道的夹角调整为120°；

(5)调整机座9，将金属板通道的出口与双轧辊轧机1的轧辊的入口位置相对应，使定模上模板2和定模下模板11之间的金属板通道与轧辊的间隙处于一条水平线上；

(6)将AZ61镁合金板材3推入双轧辊轧机1的轧辊间，轧辊压下，与AZ61镁合金板材3之间产生摩擦，在轧辊与板材间的摩擦力作用下，板材顺利通过金属板通道发生强剪切变形后，再进入轧辊间进行轧制。

(7)重复步骤1)-6)，直至AZ61镁合金板材厚度为1.2mm。

然后取样进行金相观察及力学性能测试。作为对比，对#2试样进行普通轧制变形，轧制温度、道次变形量及总变形量均与#1一致。

轧制变形后，#1及#2板材的金相显微组织分别如图3(a)和(b)所示。由图可知，经过120℃夹角模具强烈的剪切变形后，#1板材的晶粒细化效果较#2板材更为显著。对比#1及#2板材的拉伸力学性能(表1)也可看出，#1板的力学性能也优于#2板，尤其是板材塑性得到了显著的提高。

表1AZ61镁合金轧制板材的室温力学性能

样品编号	屈服强度	抗拉强度	延伸率
				#1	184MPa	312MPa	39.7％
#2	191MPa	304MPa	28.4％

实施例2：6016铝合金板材轧制

26mm厚的6016铝合金铸锭两块(试样编号分别为#3及#4)，采用本发明设计的方法和装置进行如下实验：采用与实施例1类似的方法，放入坯料#3(将模具预热至450℃，坯料在450℃条件下保温2h后)，通过多道次将6016板材轧至2mm厚，然后取样进行金相观察及力学性能测试。作为对比，对#4试样进行普通轧制变形，轧制温度、道次变形量及总变形量均与#3一致。

轧制变形后，#3及#4板材的极图分别如图4(a)和(b)所示。由图可知，经过120℃夹角模具强烈的剪切变形后，#3板材形成了明显的剪切织构。表2为经过相同固溶处理+自然时效板材T₄态的力学性能，从表2可看出，经本发明处理的板材塑性和塑性应变比得到了显著的提高，有利于6016铝合金成形。

表26016铝合金轧制板材的室温力学性能

样品编号	屈服强度	塑性应变比r	延伸率
				#3	120MPa	0.98	29.2％
#4	129MPa	0.75	24.6％

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参考上述实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权力要求范围中。

Claims (6)

1.一种金属板材强剪切轧制成形方法，其特征在于：在普通双轧辊轧机的轧辊入口处放置一个模具，利用轧辊与板材之间的摩擦力提供动力，使得板材能够先连续通过模具发生强剪切变形，然后被轧辊咬入，实现板材强剪切轧制成形；所述的模具包括动模上模板、动模下模板、机座、定模下模板及定模上模板，所述的定模下模板固定安装在机座上，所述的动模下模板通过销接机构与定模下模板铰接；所述的动模下模板与油缸的上端铰接，油缸安装在机座上；所述的定模上模板通过螺栓安装在定模下模板上，动模上模板通过螺栓安装在动模下模板上；定模上模板和定模下模板之间及动模上模板和动模下模板之间留有金属板通道；所述的双轧辊轧机设置在金属板通道的出口处。

2.根据权利要求1所述的金属板材强剪切轧制成形方法，其特征是：板材先连续通过模具发生强剪切变形，然后被轧辊咬入，实现板材强剪切轧制成形。

3.根据权利要求1所述的金属板材强剪切轧制成形方法，其特征是：所述的模具，靠近金属板通道，动模上模板、动模下模板、定模下模板及定模上模板上均设有加热装置。

4.根据权利要求2所述的金属板材强剪切轧制成形方法，其特征是：所述的模具，在金属板通道的入口和出口处安装激光感应测温仪。

5.根据权利要求3所述的上述的金属板材强剪切轧制成形方法，其特征是：所述的模具，机座的底部设有滚轮。

6.一种金属板材强剪切轧制成形方法，包括如下步骤：

（1）卸载油缸，使动模下模板平放在机座上，将所需要轧制的板材放入定模上模板和定模下模板之间及动模上模板和动模下模板之间的金属板通道，且使板材伸出金属板通道的出口；

（2）用扳手调节定模上模板和定模下模板之间的螺栓及动模上模板和动模下模板之间的螺栓，使得调节定模上模板、定模下模板、动模上模板和动模下模板紧贴板材；

（3）板材放置好后，启动加热装置，对板材进行预热处理；

（4）根据预定的金属板通道夹角，调节油缸的活塞杆的上升距离；

（5）调整机座，将金属板通道的出口与双轧辊轧机的轧辊的入口位置相对应，使定模上模板和定模下模板之间的金属板通道与轧辊的间隙处于一条水平线上；

（6）将板材推入双轧辊轧机的轧辊间，轧辊压下，进行剪切轧制成形。