CN105458004A - 基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法及模具 - Google Patents

基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法及模具 Download PDF

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Abstract

本发明属于难变形材料加工领域，具体涉及一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法及模具。其特征在于，首先将板坯压入边框腔体中，板坯与边框腔体紧密配合，边框紧紧裹住板坯的侧面，薄板U形框的底端与梯形端紧贴，薄板U形框与板坯和边框的上下板面之间涂有MgO等脱离剂，采用轧制模具的加热装置预热轧辊，将带可拆卸包套的板坯放入加热炉内热轧带可拆卸包套的板坯，随后卸下薄板U形框；同时本发明还提供了一种用于此方法的模具。本发明轧制板材温度均匀、应力状态良好、变形均匀、有效减缓或抑制板材开裂，显著提高低塑性难变形材料的轧制成形能力，能够解决低塑性难变形材料轧制成形难题，提高产品质量、成材率和生产效率。

Description

基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法及模具
技术领域
本发明专利属于难变形材料加工领域，具体涉及一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法及模具。
背景技术
金属间化合物结构材料、金属基复合材料等低塑性难变形材料具有轻质、高比刚度、高比强度等优异性能，其板材在航空航天、飞行器、潜艇、核能、电子、交通运输等领域具有良好的应用。金属间化合物结构材料、金属基复合材料等低塑性难变形材料的塑性和韧性较低，其可加工性差，其板材成形主要采用包套热轧成形。包套轧制是一种有效的制备低塑性难变形材料板材的方法，使用包套可以防止板坯直接与空气和轧辊直接接触，避免了板坯快速降温，造成板坯塑性急剧下降；板坯受热温度均匀，温度梯度小，材料变形均匀，减少了附加应力；当包套与板坯强度匹配、装配合理、紧密贴合时，包套与板材轧制过程中同步协调变形，板坯轧制时处于三向应力状态，有助于抑制和减缓裂纹的产生和扩展，从而可以提高难变形材料的轧制成形能力。
目前包套的主要采用板料拼焊的方法制造，焊缝存在使得包套的性能不一致，轧制过程中包套材料变形不均匀性显著，进而影响到板坯变形的不均匀性，形成附加拉应力，导致包套撕裂，甚至造成板材开裂，产品报废。焊接包套尺寸精度较低，包套与板坯侧边的配合精度极低。与包套紧密贴合的材料，轧制时受到良好的应力状态(压应力)；与包套有间隙的材料，轧制时受到不利的应力状态(拉应力)。与包套有间隙的材料，轧制过程中受到的阻力较小，首先发生变形(变形量较大)，而与包套紧密贴合的材料，由于包套的约束作用，受到的阻力较大，出现滞后变形(变形量较小)，板材易出现变形的不同步性，进一步增大了变形的不均匀性，势必形成附加拉应力，显著降低材料的成形能力。包套轧制的包套盖板焊接在矩形边框上，板材完全被包裹在密闭的包套腔体内，每道次轧制后无法精确测量板材的厚度，使得低塑性难变形材料在轧制过程难以控制板材厚度，在生产中极易出现板材厚度过大或过小，增大了后续机加工量或尺寸超差，导致产品报废，降低成品率。同时，采用现有包套方法在多道次轧制过程中无法观察到上下板面是否会产生裂纹等缺陷，若在轧制过程中及时发现裂纹，通过随时修料，也可以减少轧制过程中裂纹的扩展，提高产品质量和成品率。
采用包套在传统轧机上轧制低塑性难变形材料，轧辊与包套的温度相差悬殊，轧制过程中包套温度急剧降低，为了防止包套温度降温过快，引起板坯温度大幅度降低，传统包套轧制板坯上下面不得不采用厚度较大的包套盖板，厚包套盖板虽然可以避免板坯的快速降温，但包套盖板的温度梯度较大，包套盖板的变形均匀性较差，必然引起板坯变形的不均匀性，导致附加应力的产生，从而造成板材开裂，降低成品率，增加成本。
发明内容
为了克服金属间化合物结构材料、金属基复合材料等低塑性难变形材料轧制过程中板材开裂、尺寸难以精确测量、板面质量难以随时观察以及包套盖板与轧辊接触降温快的难题，本发明提出了一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述可拆卸包套包括边框101和薄板U形框105，薄板U形框105与边框101匹配；边框101为无焊缝整体矩形框，边框101的轧制前端上有一逐渐收窄的梯形端103，边框101中有一长方体形镂空的边框腔体102；
所述方法的具体过程为：
步骤1机加工低塑性难变形材料板坯104；
步骤2根据机加工后板坯的尺寸，加工所述可拆卸包套，边框腔体102高度和板坯厚度相等，边框腔体102的长度和宽度较板坯的长度和宽度小于等于0.04mm～0.1mm；
步骤3将板坯104压入边框101的边框腔体102内，用薄板U形框105将板坯和边框的上下面及梯形端103一起包覆，形成带可拆卸包套的板坯，薄板U形框105与板坯104和边框101的上下板面之间涂有脱离剂；
步骤4采用轧制模具的加热装置预热轧辊，将步骤3中的带可拆卸包套的板坯放入加热炉内加热；
步骤5热轧带可拆卸包套的板坯，随后卸下薄板U形框105，观察板材表面质量和测量板材厚度。
所述边框101的轧制前端的边框厚度为板坯104厚度的2～4倍，其余三边的厚度为板坯104厚度的0.8～1.5倍.
所述梯形端103的长度为板坯104厚度的1～3倍。
所述薄板U形框105的厚度为板坯104厚度的0.05～0.2倍。
所述边框101和薄板U形框105为同一材质，都为塑性优良且高温强度与轧制坯料一致的材料。
所述板坯104的长度和宽度的尺寸公差为0～+0.05mm。
所述热轧的道次变形量为15％～30％，总变形量为50％～85％。
一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制模具，其特征在于，所述模具包括空心辊体1、电加热管2、轴承3、固定螺杆4、连接轴5、引线槽6、空心辊颈7、引线8、引线杆9、压盖10、第一螺杆11、第二螺杆12、实心辊颈13、连接螺孔14、环形引线槽15、引线柱16、固定螺钉17及绝热垫；用压盖10、第一螺杆11和连接螺孔14将轴承3安装到空心辊体1上，采用固定螺杆4将连接轴5固定在轴承3上，并将一块绝热垫固定在连接轴5上，减少连接轴5传热，采用固定螺钉17将电加热管2和引线柱16固定在连接轴5上，将电加热管引线柱16上的引线8通过环形引线槽15，集中到一起，并通过连接轴5和引线杆9上的引线槽6引出，引线杆9被固定，不发生转动；用第二螺杆12将空心辊颈7和实心辊颈13固定在空心辊体1上，同时分别在两个辊颈与空心辊体1之间放置一块绝热垫，减少辊颈传热，实心辊颈13与传动机构连接，当实心辊颈13转动时，辊体1和空心辊颈7一起发生转动，由于引线杆9被固定，不发生转动，接轴承5和引线杆9为一体不发生转动，轴承3的外圈随辊体一起转动，其内圈不发生转动，使得电加热管2和引线8不发生转动；轧制过程中空心辊体1转动，但电加热管2不发生转动，引线8与电源连接，对轧辊加热，实现轧制和加热轧辊同时进行，保证了轧辊温度和温度的均匀性。
所述空心轧辊1在轧制TiAl基合金及钛基复合材料时采用的材料为镍基高温合金，在轧制铝、镁基复合材料及高合金化铝、镁合金时采用的材料为热作模具钢。
有益效果
本发明的适用性强，本发明首次提出的可拆卸包套轧制方法可适用于所有需要轧制的低塑性难变形材料，包括TiAl、TiAlNb、NiAl等金属间化合物结构材料，石墨烯、碳纳米管以及Al2O3、SiC、B4C、TiB2、TiC、AlN等的颗粒(短纤维)增强金属基复合材料，不同金属组合形成的层状复合材料，塑性相对较差的镁合金、钛合金及高合金化合金(如A390铝合金、高硅电工钢以及高硅铝)等。本发明提出采用多个电加热管对轧辊加热，轧辊的预热温度高、预热均匀，显著减少了包覆板材上下板面盖板的厚度，提高了板材轧制变形的均匀性，解决了传统包套轧制轧辊与包套的温度相差悬殊，厚包套盖板的温度梯度较大，板材轧制变形均匀性差，应力状态不良(拉应力)，板材开裂等问题。当然对于塑性相对较好的低塑性难变形材料采用可拆卸包套在传统轧机上直接轧制，无需采用该方法加热轧辊。
采用本发明轧制板材温度均匀、应力状态良好、变形均匀、减缓或抑制板材开裂，有效改善低塑性难变形材料的轧制成形能力，能够解决金属间化合物结构材料、金属基复合材料等低塑性难变形材料轧制成形难题，显著提高产品质量、成材率和生产效率，且具有极强的适用性和良好的工程应用。
附图说明
图1为本发明专利可拆卸包套的结构示意图。
图2为本发明模具结构剖视图。
图3为本发明模具装配后的左视图。
图1中：101-边框；102-边框腔体；103-梯形端；104-板坯；105-薄板U形框；1-空心辊体；2-电加热管；3-轴承；4-固定螺杆；5-连接轴；6-引线槽；7-空心辊颈；8-引线；9-引线杆；10-压盖；11-第一螺杆；12-第二螺杆；13实心辊颈；14-连接螺孔；15-环形引线槽；16-引线柱；17-固定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明专利可拆卸包套的结构示意图，可拆卸包套包括矩形边框101、边框腔体102、梯形端103、薄板U形框105。首先将板坯104压入边框腔体102中，板坯104与边框腔体102紧密配合，边框101紧紧裹住板坯104的侧面，薄板U形框105的底端与梯形端103紧贴，薄板U形框105覆盖在板坯104和边框101的上下板面，为了便于轧制咬入和防止撕裂薄板U形框105底端，边框101的前端制成梯形，薄板U形框105与板坯104和边框101的上下板面之间涂有MgO等脱离剂，防止轧制过程中薄板U形框105与板坯104和边框101的上下板面焊合。
图2是本发明模具结构剖视图，图3是图2中连接轴和电加热管装配后左视图，本发明的模具轧辊主要包括空心辊体1、电加热管2、轴承3、固定螺杆4、连接轴5、引线槽6、空心辊颈7、引线8、引线杆9、绝热垫、压盖10、第一螺杆11、第二螺杆12、实心辊颈13、连接螺孔14、环形引线槽15、引线柱16、固定螺钉17。通过压盖10、第一螺杆11和连接螺孔14将轴承3安装到空心辊体1上。采用固定螺杆4将连接轴5固定在轴承3上，并将一块绝热垫固定在连接轴5上，减少连接轴5传热。采用固定螺钉17将电加热管2和引线柱16固定在连接轴5上，将电加热管引线柱16上的引线8通过环形引线槽16，集中到一起，并通过接轴承5和引线杆9上的引线槽6引出，引线杆9被固定，不发生转动。
用第二螺杆12将空心辊颈7和实心辊颈13固定在空心辊体1上，同时在辊颈与空心辊体1之间放置一块绝热垫，减少辊颈传热，实心辊颈13与传动机构连接。当实心辊颈13转动时，辊体1和空心辊颈7一起发生转动，由于引线杆9被固定，不发生转动，接轴承5和引线杆9为一体不发生转动，轴承3的外圈随辊体一起转动，其内圈与接轴承5和引线杆9不发生转动，使得电加热管2和引线8不发生转动。轧制过程中辊体1转动，但电加热管2不发生转动，引线8与电源连接，对轧辊加热，可实现轧制和加热轧辊同时进行，保证了轧辊温度和温度的均匀性。
实施例1
TiAl基合金(Ti-48Al-2Cr-0.5Mo)板坯的尺寸为200mm×250mm×50mm(宽×长×厚)，将板坯压入矩形边框中，矩形边框的外形尺寸为350mm×475mm×50mm(宽×长×厚)，矩形边框轧制前端边框的厚度为150mm，其余三边的厚度为75mm，轧制前端边框锥形端长度为75mm，薄板U形框的厚度为5mm，矩形边框和薄板U形框为316不锈钢。轧辊材料为Inconel718镍基高温合金，轧辊的预热温度为650℃。TiAl基合金每道次的轧制温度为1200℃，道次轧制变形量为20％，经过4道次轧制成厚度为20.5mm的板材，总的变形量为59％。
实施例2
高铌TiAl基合金(Ti-45Al-8.5Nb)板坯的尺寸为200mm×250mm×40mm(宽×长×厚)，将板坯压入矩形边框中，矩形边框的外形尺寸为320mm×470mm×40mm(宽×长×厚)，矩形边框轧制前端边框的厚度为160mm，其余三边的厚度为60mm，轧制前端边框锥形端长度为100mm，薄板U形框的厚度为8mm，矩形边框和薄板U形框为304不锈钢。轧辊材料为Inconel718镍基高温合金，轧辊的预热温度为650℃。高铌TiAl基合金每道次的轧制温度为1250℃，道次轧制变形量为15％，经过7道次轧制成厚度为12.8mm的板材，总的变形量为68％。
实施例3
粉末冶金A12O3/6063复合材料板坯，复合材料中A12O3颗粒的体积分数为22％，颗粒的平均尺寸为10μm，复合材料板坯的尺寸为200mm×250mm×50mm(宽×长×厚)，将板坯压入矩形边框中，矩形边框的外形尺寸为300mm×400mm×50mm(宽×长×厚)，矩形边框轧制前端边框的厚度为100mm，其余三边的厚度为50mm，轧制前端边框锥形端长度为50mm，薄板U形框的厚度为2mm，矩形边框和薄板U形框为6063铝合金。轧辊材料为H13热作模具钢，轧辊的预热温度为350℃。复合材料每道次的轧制温度为540℃，道次轧制变形量为16％，经过5道次轧制成厚度为20.9mm的复合材料板材，总的变形量为58％。
实施例4
粉末冶金TiB2/6351复合材料板坯，复合材料中TiB2颗粒的体积分数为11％，颗粒的平均尺寸为12μm，复合材料板坯的尺寸为200mm×250mm×40mm(宽×长×厚)，将板坯压入矩形边框中，矩形边框的外形尺寸为280mm×370mm×40mm(宽×长×厚)，矩形边框轧制前端边框的厚度为80mm，其余三边的厚度为40mm，轧制前端边框锥形端长度为40mm，薄板U形框的厚度为1mm，矩形边框和薄板U形框为6061铝合金。轧辊材料为H13热作模具钢，轧辊的预热温度为300℃。复合材料每道次的轧制温度为540℃，道次轧制变形量为25％，经过7道次轧制成厚度为7.1mm的复合材料板材，总的变形量为82％。

Claims (9)

1.一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述可拆卸包套包括边框(101)和薄板U形框(105)，薄板U形框(105)与边框(101)匹配；边框(101)为无焊缝整体矩形框，边框(101)的轧制前端上有一逐渐收窄的梯形端(103)，边框(101)中有一长方体形镂空的边框腔体(102)；
所述方法的具体过程为：
步骤1机加工低塑性难变形材料板坯(104)；
步骤2根据机加工后板坯的尺寸，加工所述可拆卸包套，边框腔体(102)高度和板坯厚度相等，边框腔体(102)的长度和宽度较板坯的长度和宽度小于等于0.04mm～0.1mm；
步骤3将板坯(104)压入边框(101)的边框腔体(102)内，用薄板U形框(105)将板坯和边框的上下面及梯形端(103)一起包覆，形成带可拆卸包套的板坯，薄板U形框(105)与板坯(104)和边框(101)的上下板面之间涂有脱离剂；
步骤4采用轧制模具的加热装置预热轧辊，将步骤3中的带可拆卸包套的板坯放入加热炉内加热；
步骤5热轧带可拆卸包套的板坯，随后卸下薄板U形框(105)，观察板材表面质量和测量板材厚度。
2.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述边框(101)的轧制前端的边框厚度为板坯(104)厚度的2～4倍，其余三边的厚度为板坯(104)厚度的0.8～1.5倍。
3.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述梯形端(103)的长度为板坯(104)厚度的1～3倍。
4.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述薄板U形框(105)的厚度为板坯(104)厚度的0.05～0.2倍。
5.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述边框(101)和薄板U形框(105)为同一材质，都为塑性优良且高温强度与轧制坯料一致的材料。
6.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述板坯(104)的长度和宽度的尺寸公差为0～+0.05mm。
7.根据权利要求1所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制方法，其特征在于，所述热轧的道次变形量为15％～30％，总变形量为50％～85％。
8.用于实现权利要求1所述方法的一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制模具，其特征在于，所述模具包括空心辊体(1)、电加热管(2)、轴承(3)、固定螺杆(4)、连接轴(5)、引线槽(6)、空心辊颈(7)、引线(8)、引线杆(9)、压盖(10)、第一螺杆(11)、第二螺杆(12)、实心辊颈(13)、连接螺孔(14)、环形引线槽(15)、引线柱(16)、固定螺钉(17)及绝热垫；用压盖(10)、第一螺杆(11)和连接螺孔(14)将轴承(3)安装到空心辊体(1)上，采用固定螺杆(4)将连接轴(5)固定在轴承(3)上，并将一块绝热垫固定在连接轴(5)上，减少连接轴(5)传热，采用固定螺钉(17)将电加热管(2)和引线柱(16)固定在连接轴(5)上，将电加热管引线柱(16)上的引线(8)通过环形引线槽(15)，集中到一起，并通过连接轴(5)和引线杆(9)上的引线槽(6)引出，引线杆(9)被固定，不发生转动；用第二螺杆(12)将空心辊颈(7)和实心辊颈(13)固定在空心辊体(1)上，同时分别在两个辊颈与空心辊体(1)之间放置一块绝热垫，减少辊颈传热，实心辊颈(13)与传动机构连接，当实心辊颈(13)转动时，辊体(1)和空心辊颈(7)一起发生转动，由于引线杆(9)被固定，不发生转动，接轴承(5)和引线杆(9)为一体不发生转动，轴承(3)的外圈随辊体一起转动，其内圈不发生转动，使得电加热管(2)和引线(8)不发生转动；轧制过程中空心辊体(1)转动，但电加热管(2)不发生转动，引线(8)与电源连接，对轧辊加热，实现轧制和加热轧辊同时进行，保证了轧辊温度和温度的均匀性。
9.根据权利要求8所述一种基于可拆卸包套的低塑性难变形材料板材轧制模具，其特征在于，所述空心轧辊(1)在轧制TiAl基合金及钛基复合材料时采用的材料为镍基高温合金，在轧制铝、镁基复合材料及高合金化铝、镁合金时采用的材料为热作模具钢。
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