CN105543734B - 一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置 - Google Patents

一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置，方法包括将低熔点金属待处理试件加工成圆柱体状，使圆柱体状的低熔点金属待处理试件沿旋转面进行自转，沿自转的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩；还对低熔点金属待处理试件提供脉冲电流；装置包括试件夹紧自转构件、控压辗摩构件、冷却构件、竖向进给构件和脉冲供电构件；本发明采用的低熔点金属电致塑性环向辗摩表面超细化技术，通过金属的动态再结晶行为来达到目的，同时采用电塑性原理，在一定程度上使得金属表面在细化工程中的加工效率、表面细化程度以及表面成型性得以提高。

Description

一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置
技术领域
本发明属于金属塑性加工领域，具体涉及一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置。
背景技术
铝镁等低熔点金属在服役环境下，材料的失稳(如疲劳、磨损和腐蚀等)多始于表面，因此只有在材料表面制备出一定程度的细化晶粒，即表面超细化技术，就可以通过组织优化提高低熔点材料的整体性能和服役行为。目前广泛应用于制备金属材料表面细晶材料的方法有表面机械研磨处理法、凸轮辊压法、气动喷丸法和超音速颗粒轰击法等方法。
虽然上述几种方法都能达到金属表面晶粒细化的目的，但这些方法或由于制备技术复杂、成本高或由于对所制备的材料要求较为严格而受到限制，并且上述制备细晶材料的方法多数通过在材料表面进行反复的施加载荷，积累足够大的累积塑性变形量，通过位错使得粗晶逐步演化为细晶，由于加工过程过于繁琐，使得工业实际应用受到了限制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法及其装置，该方法不仅能快速的实现低熔点金属的表面细化，通过金属的动态再结晶原理使本发明的方法和装置进行低熔点金属的表面细化时工序更加简单经济，同时采用电塑性原理，提高的碾压时金属的成型性，使得非基面滑移系启动，使得金属塑性提高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，将低熔点金属待处理试件加工成圆柱体状，使圆柱体状的低熔点金属待处理试件沿旋转面进行自转，沿自转的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩；还对低熔点金属待处理试件提供脉冲电流。
具体的，所述的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的自转角速度与行进式表面辗摩的行进速度比为2～10；自转角速度的单位为r/min，行进式表面辗摩的行进速度单位为mm/min；所述的脉冲电流为30πb2～120πb2A，b表示圆柱体状的低熔点金属待处理试件的底面半径，脉冲电流的周期为50HZ～100HZ。
更具体的，对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩时的压下量为0.2～1.2mm。
还有，所述的低熔点金属为AZ31镁合金，对AZ31镁合金待处理试件进行行进式表面辗摩时的压下量为0.2～0.8mm。
另外，进行行进式表面辗摩的单位辗摩面积与圆柱体状的低熔点金属待处理试件的侧面积的面积比为1:4～24。
实现所述的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，包括试件夹紧自转构件、控压辗摩构件、冷却构件、竖向进给构件和脉冲供电构件，试件夹紧自转构件用于夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件并控制其沿旋转面进行自转，控压辗摩构件在竖向进给构件的带动下沿圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向进行行进式辗摩，冷却构件对加工过程中的圆柱体状的低熔点金属待处理试件进行冷却，脉冲供电构件给低熔点金属待处理试件提供脉冲电流。
具体的，所述的控压辗磨构件包括辗磨头和与辗磨头同轴连接的压力器，压力器与竖向进给构件的移动端垂直固定连接。
更具体的，所述的辗磨头的辗磨面为弧形面，弧形面的弧度为
另外，所述的试件夹紧自转构件包括三棘爪和旋转马达，三棘爪夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件，旋转马达带动三棘爪圆柱体状的低熔点金属待处理试件一起沿旋转面进行自转。
还有，所述的试件夹紧自转构件还包括顶针，顶针位于三棘爪的上方，三棘爪将圆柱体状的低熔点金属待处理试件的一个底面端夹紧，顶针在圆柱体状的低熔点金属待处理试件的另一个底面顶紧。
本发明的优点：
1、本发明采用的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，该方法主要通过自转的圆柱体状的低熔点金属待处理试件与沿母线方进行行进式表面辗磨的双向相对运动的方式实现对金属表面的细化，甚至是超细化，低熔点金属材料表面在受到压力和表面切向的摩擦力共同作用时，摩擦切向力使得金属表面晶粒破碎，且由于材料受到的切应力为面切应力，使得材料沿着切向塑性变形提高，达到细化表面的目的；同时材料发生剧烈塑性变形，较大的摩擦热使得金属发生动态再结晶，达到进一步晶粒细化的目的；不需要累积的应变量，不需要通过位错和孪晶及其交互作用的逐步演化来控制金属晶粒的细化，而是通过金属的动态再结晶行为来达到目的。另外配合电塑性原理，提高的碾压时金属的成型性，使得非基面滑移系启动，使得金属塑性提高，在一定程度上使得金属表面在细化工程中的加工效率、表面细化程度以及表面成型性得以提高；
2、相比传统的金属表面细化方式，本发明的加工方式更加简单，成本低，利于工业化应用；
3、本发明还给出了专门用于实现低熔点金属环向辗摩表面超细化方法的装置，该装置主要通过夹紧自转构件、控压辗磨构件、冷却构件、竖向进给构件和脉冲供电构件实现试件的自转和行进式辗磨的双向运动的结合，试件夹紧自转构件用于夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件并控制其沿旋转面进行自转，控压辗磨构件在竖向进给构件的带动下沿圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向进行行进式辗磨，冷却构件对加工过程中的圆柱体状的低熔点金属待处理试件进行冷却，脉冲供电构件给低熔点金属待处理试件提供脉冲电流；
4、另外，本发明的实现低熔点金属环向辗摩表面超细化方法的装置中的辗磨头与试件的配合是面配合，辗摩头在压力的作用下压入一个高速旋转的待处理试件的表面，材料表面在受到压力和表面的切向的摩擦力共同作用，摩擦切向力使得金属表面晶粒破碎，由于材料受到的切应力为面切应力，使得材料沿着切向塑性变形提高，材料达到细化的目的。
附图说明
图1为本发明的低熔点金属电致塑性环向辗摩表面超细化装置的结构示意图；
图2为图1的辗摩头与试件的结构关系示意图；
图3为辗摩头表面的花纹，图中的A、B和C分别表示三种不同的花纹；
图4为本发明的辗摩头在圆柱形加工件表面对应的弧度Ψ示意图，图中D表示圆柱体状试件的直径，图中的圆形表示圆柱体状试件的横向剖面图；
图5为实施例一中试件加工前后金相组织图；
图6为实施例二中试件加工前的表面透射显微照片；
图7为实施例二中试件加工后的表面透射显微照片；
图8为对比例一种试件的加工后金相组织图；
图1和2中各标号表示为：1-辗摩头、2-固定套筒、3-压力器、4-压力控制系统、5-第一保护罩、6-竖向进给马达、7-旋转马达、8-三棘爪、9-工作台、10-低熔点金属待处理试件、11-第二保护罩、12-顶针、13-冷却构件、14-三棘爪导电刷、15-脉冲电源、16-试件导电刷；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明的一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，包括将低熔点金属待处理试件加工成圆柱体状，使圆柱体状的低熔点金属待处理试件沿旋转面进行自转，沿自转的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩；还对低熔点金属待处理试件提供脉冲电流。低熔点金属材料表面在受到压力和表面切向的摩擦力共同作用时，摩擦切向力使得金属表面晶粒破碎，且由于材料受到的切应力为面切应力，使得材料沿着切向塑性变形提高，达到细化表面的目的；同时材料发生剧烈塑性变形，较大的摩擦热使得金属发生动态再结晶，达到进一步晶粒细化的目的；在对低熔点金属表面进行环向辗摩时辅助以高能脉冲电流，电流会对位错产生电子风力作用，使得位错相其容易运动的方向移动，降低材料的变形抗力，使得材料的塑性成型性大幅度提高，这个现象称为电致塑性现象，采用电塑性原理，提高的碾压时金属的成型性，使得非基面滑移系启动，使得金属塑性提高，在一定程度上使得金属表面在细化工程中的加工效率、表面细化程度以及表面成型性得以提高。
在加工过程中，低熔点金属待处理试件的旋转角速度和行进式表面辗摩的行进速度应该保持在一定范围内，因为旋转角速度过大，会加大摩擦热量，热输入量过大会使得金属晶粒粗化；同时行进式表面辗摩的行进速度过大时，由于移动速度过快，热输入量减少，使得加工件表面产生缺陷，成型性不好。根据发明人研究经验，圆柱体状的低熔点金属待处理试件的自转角速度与行进式表面辗摩的行进速度比为2～10时，可以有效保证加工过程中金属表面成型性和金属细化程度；自转角速度的单位为r/min，行进速度单位为mm/min。
进行行进式表面辗摩的单位辗摩面积与圆柱体状的低熔点金属待处理试件的侧面积的面积比为1:4～24。
结合图1和2，本发明的实现低熔点金属环向辗摩表面超细化方法的装置包括试件夹紧自转构件、控压辗摩构件、冷却构件13、竖向进给构件和脉冲供电构件，试件夹紧自转构件用于夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件10并控制其沿旋转面进行自转，控压辗摩构件在竖向进给构件的带动下沿圆柱体状的低熔点金属待处理试件10的母线方向进行行进式辗摩，冷却构件对加工过程中的圆柱体状的低熔点金属待处理试件10进行冷却，脉冲供电构件给低熔点金属待处理试件提供脉冲电流。
脉冲供电构件包括串联的三棘爪导电刷14、脉冲电源15和试件导电刷16，通过脉冲电源15同时给三棘爪导电刷14和试件导电刷16脉冲电流，三棘爪导电刷14的脉冲电流输送给三棘爪8，试件导电刷16的脉冲电流输送给待处理试件，采用电塑性原理，提高辗摩时金属成型性的同时，使得非基面滑移系启动，使得金属塑性提高，在一定程度上使得金属表面在细化工程中的加工效率、表面细化程度以及表面成型性得以提高。
其中，控压辗磨构件包括辗磨头1和依次与辗磨头1同轴连接的固定套筒2、压力器3和压力控制系统4，辗磨头1通过固定套筒2安装在压力器3上，压力器3通过压力控制系统4进行控制；压力器3与竖向进给构件的移动端垂直固定连接。竖向进给构件包括竖向进给马达6，在进行试件的辗磨时，通过压力系统4控制压力器3给予辗磨头1的压下量，再通过竖向进给马达6控制辗磨头1在待处理试件表面沿母线方向来回行进的速度；在竖向进给构件外设置密封的第一保护罩5，保护竖向进给构件的操作过程；辗摩头1和待处理试件的配合是面配合，辗摩头1在压力的作用下压入一个高速旋转的待处理试件的表面，材料表面在受到压力和表面的切向的摩擦力共同作用，摩擦切向力使得金属表面晶粒破碎，由于材料受到的切应力为面切应力，使得材料沿着切向塑性变形提高，材料达到细化的目的；同时材料发生剧烈塑性变形，较大的摩擦热使得金属发生动态再结晶，达到晶粒细化的目的。同时强制冷却作用使得金属的表面晶粒细化程度提高。
本发明的冷却构件13采用冷却润滑液，通过连通的管道喷洒在处理过程中的试件表面，一方面是为了在加工完成后对金属进行降温，抑制金属再结晶晶粒的长大；另外一方面是可以调节待处理试件和辗摩头1之间的摩擦力,同时可以冷却辗摩头1，提高其使用寿命。
优选的，结合图4，辗磨头1的辗磨面为弧形面，弧形面的弧度为且结合图3，本发明的辗磨头1的辗磨面上设置多种不同的增加表面摩擦力的压花，不同压花对于待处理试件的作用是为了使得加工过程中的摩擦力增大，产生的热量更多，更有利于成型，使得金属的流动范围更大。
试件夹紧自转构件包括三棘爪8和旋转马达7，三棘爪8夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件10，旋转马达7带动三棘爪8与圆柱体状的低熔点金属待处理试件10一起沿旋转面进行自转，采用三棘爪8紧固的目的是为了保证在旋转的过程中，待处理试件不会因为旋转力的作用产生位移，同时，三棘爪8的可以满足众多工件尺寸的要求。试件夹紧自转构件还包括顶针12、工作台9和第二保护罩11，顶针12位于三棘爪8的上方，三棘爪8将圆柱体状的低熔点金属待处理试件10的一个底面端夹紧，顶针12在圆柱体状的低熔点金属待处理试件10的另一个底面顶紧，三棘爪8嵌设在工作台9上，试件夹紧自转构件的外侧设置密封的第二保护罩11，保护试件的处理过程，采用顶针12的目的是为了保证在自转过程中使得待处理试件的稳定性更好，使得待处理试件表面处理更加的均匀，顶针12的运动轨迹是沿着其固定端进行旋转，并且能够进行竖直方向进给。
为了研究试件加工过程中各个因素之间的关系，发明人给出了以下的计算公式进行理论指导：
假设所选择的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的直径为D，单位为mm，待处理试件的旋转角速度为ω，单位为r/min，行进式表面辗磨的行进速度为v,单位为：mm/min，辗磨头所对应的弧度为Ψ，辗磨头的高度为h，单位为mm，待处理试件的高度为H，单位为mm，搭变量为γh(0<γ<1),假设在完成路程h-γh的距离时，待处理试件旋转N圈，N为自然数，则加工完试样所需要的时间t，单位为min，为：
则有：
则有：
搭变量指的是每次加工完一道次之后，要对上一道次的一部分进行重复加工，为了使得上下加工之间不存在缝隙；也为了每道次环向加工后金属的表面不存在加工后的接茬，也可以使得金属的细化程度提高，同时提高了金属细化的整体性和均匀性，使得表面性能更加的均匀。
其中，在调节垂直于加工件表面的压力时，应当考虑辗摩头对加工件的摩擦力。假设摩擦力为τn，根据库伦干摩擦定律有：
τn＝fσn
其中，f为摩擦因素，σn为压力器给与的表面压缩正应力，单位为牛顿，一般来说，变形材料的温度越高，则摩擦系数越大。但铜在800℃和钢在900℃以上时，其摩擦系数反而随温度的升高而降低，因而在调节摩擦力时应考虑加工件材料的因素。
辗摩头深入的加工件表面的部分称之为压下量，在选取压下量的时候，可以根据加工金属的表面成型性来确定，在压下量较大时，摩擦产生的热输入量加大，金属的成型性得以提高，对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗磨时的压下量为0.2～1.2mm，压下量越大，加工表面的成型性越好，但是产生的摩擦热量多，晶粒尺寸会变粗化，本发明给出熔点较低的金属如AZ31镁合金的压下量在0.2～0.8mm之间。
电流大小的确定，电致塑性的电流密度临界值大约为1A/mm2，在电致塑性环向辗摩时理想的均方根脉冲电流密度为30A～120A/mm2,即对于半径为b mm的圆柱体状试件，所需要的电流为30πb2～120πb2A。
实施例一：
结合本发明所示的方法和装置，对直径为6mm的圆柱体状AZ31镁合金进行环向辗摩加工。采用如图1所示装置，其中自转角速度为680r/min，行进式表面辗摩的行进速度为75mm/min,压下量为0.5mm，采用乳化液进行润滑，辗摩头面为平面没有花纹，辗摩头高为5mm，搭变量为1mm，进行1次辗摩,采用的脉冲电流为50A/mm2。
如图5所示为加工后待处理试件截面金相组织，从图中可以看出明显的加工区和母材区，并且可以观察到过渡区。并且可以发现加工区金属组织细化效果较为明显，平均晶粒尺寸为4～5μm，母材的组织不均匀，大小晶粒混合，过渡区域金相尺寸相对母材略显均匀但是晶粒尺寸相对加工区较为粗大，说明辗摩装置在可以使得晶粒得到细化，并且辗摩后组织均匀。
实施例二：
结合本发明所示的方法和装置，对直径为5mm的圆柱体状6063铝合金棒材进行环向辗摩加工。采用如图1所示装置，其中自转角速度为600r/min，行进式表面辗摩的行进速度为53mm/min,压下量为0.5mm，采用乳化液进行润滑，辗摩头面为平面没有花纹，辗摩头高为5mm，搭变量为1mm，进行1次辗摩,采用的脉冲电流为50A/mm2。如图6和7所示为加工后棒材加工前和加工后表面透射显微照片。母材的晶粒尺寸为2～3μm加工后铝棒表面组织细化效果明显，加工后平均晶粒尺寸0.5～0.8μm，使得晶粒尺寸达到超细化，且组织均匀。
对比例一：
本实施例与实施例一不同的是，本实施例不通过电磁场处理，在加工时，由于金属塑性流动相比加磁场的差，因而在加工过程中所需要的压下量增大为1.0mm，并且加工过程中容易产生缺陷如图8所示，金属加工区和母材结合处产生微裂纹。

Claims (9)

1.一种低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，其特征在于，将低熔点金属待处理试件加工成圆柱体状，使圆柱体状的低熔点金属待处理试件沿旋转面进行自转，沿自转的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的母线方向对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩；
还对低熔点金属待处理试件提供脉冲电流；
所述的圆柱体状的低熔点金属待处理试件的自转角速度与行进式表面辗摩的行进速度比为2～10；自转角速度的单位为r/min，行进式表面辗摩的行进速度单位为mm/min；
所述的脉冲电流为30πb2～120πb2A，b表示圆柱体状的低熔点金属待处理试件的底面半径，脉冲电流的周期为50HZ～100HZ。
2.如权利要求1所述的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，其特征在于，对低熔点金属待处理试件进行行进式表面辗摩时的压下量为0.2～1.2mm。
3.如权利要求1所述的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，其特征在于，所述的低熔点金属为AZ31镁合金，对AZ31镁合金待处理试件进行行进式表面辗摩时的压下量为0.2～0.8mm。
4.如权利要求1所述的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法，其特征在于，进行行进式表面辗摩的单位辗摩面积与圆柱体状的低熔点金属待处理试件的侧面积的面积比为1:4～24。
5.实现权利要求1、2、3或4所述的低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，其特征在于，包括试件夹紧自转构件、控压辗摩构件、冷却构件(13)、竖向进给构件和脉冲供电构件，试件夹紧自转构件用于夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)并控制其沿旋转面进行自转，控压辗摩构件在竖向进给构件的带动下沿圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)的母线方向进行行进式辗摩，冷却构件(13)对加工过程中的圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)进行冷却，脉冲供电构件给低熔点金属待处理试件提供脉冲电流。
6.如权利要求5所述的实现低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，其特征在于，所述的控压辗摩构件包括辗磨头(1)和与辗磨头(1)同轴连接的压力器(3)，压力器(3)与竖向进给构件的移动端垂直固定连接。
7.如权利要求6所述的实现低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，其特征在于，所述的辗磨头(1)的辗磨面为弧形面，弧形面的弧度为
8.如权利要求5所述的实现低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，其特征在于，所述的试件夹紧自转构件包括三棘爪(8)和旋转马达(7)，三棘爪(8)夹紧圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)，旋转马达(7)带动三棘爪(8)与圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)一起沿旋转面进行自转。
9.如权利要求8所述的实现低熔点金属电致塑性环向辗摩超细化方法的装置，其特征在于，所述的试件夹紧自转构件还包括顶针(12)，顶针(12)位于三棘爪(8)的上方，三棘爪(8)将圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)的一个底面端夹紧，顶针(12)在圆柱体状的低熔点金属待处理试件(10)的另一个底面顶紧。
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