CN106984667A - 制备高性能板材的剪切挤压‑轧制复合成形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高性能板材的剪切挤压‑轧制复合成形方法，包括以下步骤：首先利用剪切挤压成形装置进行反复剪切成形，细化坯料晶粒；然后进行变薄剪切成形，制备具有强烈剪切织构的金属板材；最后通过轧制变形提高板材表面质量，同时平衡织构，提高金属板材成形性能。本发明的模具结构简单、操作方便、成本低，可以实现板材等厚反复剪切成形和变薄剪切挤压成形功能，能够通过装置上的加热装置预热处理来改善板材的塑性变形能力，通过剪切挤压成形装置制备具有强烈剪切织构细晶板材，最后通过轧制提高板材表面质量、平衡织构，制备力学性能优异的高性能金属板材。本发明还公开了一种制备高性能板材的剪切挤压‑轧制复合成形装置。

Description

制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法与装置

技术领域

本发明属于金属材料的加工技术领域，具体涉及一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法与装置。

背景技术

随着航空航天、国防军工、交通运输的不断发展，对高强、高韧金属结构材料的需求日益增加，同时对其性能提出了更高的要求。通过细化晶粒是制备高性能结构材料的重要方法之一。大塑性变形技术表明：通过一次或者多次累积反复的塑性变形，使其获得相当大的累积应变，使材料晶粒细化，提高材料的综合力学性能。目前大塑性变形技术主要有：等通道挤压、往复挤压、高压扭转、累积轧制、循环闭模锻造、大比率挤压等。国内提出的制备超细晶材料的C形、L形、S形、U形往复挤压实际上是等通道挤压的一种。公开号CN2768921Y提出一种反复镦粗挤压模具是往复挤压的一种形式。CN104511493A提出了剪切变形制坯的模具及方法。CN203917446U提出了一种反复挤压制备超细晶金属材料的装置。然而，上述工艺在实际金属板材的过程中均存在一些缺陷和不足。例如，等径角挤压难以生产宽幅板材；连续约束板带剪切成形的板材表面质量较差；往复挤压、高压扭转、循环闭模锻造的设备较为复杂，多用于棒料和块体材料制备；将轧机的上下工作辊错开和上下辊异速的非对称轧制时板材易出现打滑，板材质量较差；公开号CN101104236的等径角轧制时板材难以通过等径角挤压模具，且板材质量较差；CN104511493A提出的剪切变形制坯的模具及方法则需要不断更换冲头，效率不高，且只能用于棒料制备；CN203917446U提出的反复挤压装置不能实现一套模具对不同尺寸的块体材料反复剪切挤压，也不能实现厚板的变薄剪切挤压。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法与装置，它能够根据不同的材料实现相应的预热处理来改善板材的塑性变形能力，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，能够制备表面质量较好、成形性能优异的板材。多功能金属剪切挤压装置结构简单、操作方便、成本低，能够对不同尺寸的坯料进行处理。

本发明采用的技术方案是：一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，包括左成型块、右成型块、底板垫块、压杆、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块、底板、螺栓；能够实现等厚反复剪切成形和变薄剪切挤压成形功能；等厚反复剪切成形时，不需要安装底板垫块和板厚调节垫块，所述的左成型块、右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块通过螺栓连接；所述的底板上有出料孔；变薄剪切挤压成形时，需要安装底板垫块和板厚调节垫块，所述的底板垫块放置在底板上；所述的左成型块放置在底板垫块上，所述的右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块通过螺栓连接。

一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，首先利用多功能金属剪切挤压装置进行反复剪切成形，细化坯料晶粒；然后进行变薄剪切成形，制备具有强烈剪切织构的金属板材；最后通过轧制变形提高板材表面质量，同时平衡织构，提高金属板材成形性能。多功能金属剪切挤压装置包括左成型块、右成型块、左底板垫块、右底板垫块、压杆、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块、底板、加热装置、螺栓。

上述的金属剪切挤压装置中，靠近金属坯料，左成型块、右成型块上均设有加热装置。

上述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置中，进行等厚反复剪切成形时，左成型块、右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块通过螺栓连接；所述的底板上有出料孔。

上述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置中，进行变薄剪切挤压成形时，左成型块放置在底板垫块上，底板垫块、右成型块放置在底板上，左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块通过螺栓连接。

上述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，具体操作如下：

（1）坯根据实际需要，把坯料加工成块状，表面平整抛光；

（2）根据坯料的宽度和厚度，选择尺寸匹配的上成型垫块、下成型垫块，用螺栓连接左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块，连接后放置到底板上；

（3）将坯料装入上模腔；

（4）启动加热装置，对板材进行预热处理；

（5）启动压力机，通过压杆把金属压入下模腔，若是要实现金属反复剪切成形，可以通过制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置上下反置，实现下一次反复剪切；

（6）松开制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，选择尺寸匹配的上成型垫块、下成型垫块，根据需要选择合适厚度的底板垫块、板厚调节垫块，用螺栓连接左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块和板厚调节垫块，连接后放置到底板上；

（7）将坯料装入上模腔，启动压力机，通过压杆把金属压入下模腔可实现变薄剪切挤压；

（8）将变薄剪切成形的板材进行轧制处理，得到表面质量好、成形性能优异的板材。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、 本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，通过等厚反复剪切成形细化坯料晶粒，通过变薄剪切成形制备具有强烈剪切织构的金属板材，最后通过轧制变形提高板材表面质量，同时平衡织构，提高金属板材成形性能；

2、本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，操作方便，能制备表面质量好、综合力学性能优异的高性能金属板材，能够较好应用于工业化生产；

3、本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置操作方便、成本低、结构简单、取料方便；

4、本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置可以通过左成型块、右成型块中的加热器加热，实现挤压前的预热处理，改善的板材塑性变形能力，板材在反复剪切过程中，制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置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检测，采集数据传到外接电脑系统上进行温度控制。

5、本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置功能多，可以通过改变上成型垫块、下成型垫块的宽度和厚度实现不同尺寸的块体材料反复剪切挤压；也可以通过改变底板垫块、上成型垫块、下成型垫块和板厚调节垫块的厚度来实现厚板的变薄剪切挤压。

附图说明

图1为本发明的等厚反复剪切成形装置的结构示意图。

图2为本发明的变薄剪切挤压成形装置的结构示意图。

其中：1.底板垫块，2.左成型块，3.上成型垫块，4.压杆，5.下成型垫块，6.螺栓，7.底板，8.加热装置及控温装置，9.右成型块，10.板厚调节垫块。

图3为本发明的变薄剪切挤压成形装置的左成型块的零件图。

图4为经过剪切挤压-轧制复合成形的铝合金板材的极图。

图5为经过剪切挤压-轧制复合成形的铝合金板材的织构分布。

图6为普通轧制成形铝合金板材的极图。

图7为普通轧制成形铝合金板材的织构分布。

图8为经过剪切挤压-轧制复合成形的铝合金板材的金相组织。

图9为普通轧制成形铝合金板材的金相组织。

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，本发明的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置包括左成型块2（图2）、右成型块9、底板垫块1、压杆4、上成型垫块3、下成型垫块5、板厚调节垫块10、底板7、加热装置及控温装置8及螺栓6组成。

左成型块2右上部设有通槽，该通槽的两端分别设有上成型块3。右成型块9的左下部设有通槽，该通槽的两端分别设有下成型垫块5。进行等厚反复剪切成形时，不需要安装底板垫块1和板厚调节垫块10，所述的左成型块2、右成型块9放置在底板7上，左成型块2、右成型块9上成型垫块3和下成型垫块5围成Z形模腔，左成型块2上部、右成型块9上部和上成型垫块3通过螺栓6连接。左成型块2下部、右成型块9下部和下成型垫5块通过螺栓连接，如图1所示。所述的左成型块2、右成型块9中安装加热及控温装置8，对剪切挤压温度进行控制。通过改变上成型垫块3、下成型垫块5的宽度和厚度实现不同尺寸块体材料的等厚反复剪切挤压。

进行变薄剪切挤压成形时，所述的底板垫块1、右成型块9放置在底板7上，左成型块2放置在底板垫块1上，左成型块2、右成型块9、上成型垫块3、下成型垫块5、板厚调节垫块10分别通过螺栓连接，如图2所示。通过改变上成型垫块3、下成型垫块5、改变底板垫块1和板厚调节垫块10的厚度实现厚板的变薄剪切挤压。

具体实施案例： 将初始厚度为12 mm的6016铝合金板材经过反复剪切挤压+轧制复合成形，制备2mm的板材，试样编号为#1。

（1）坯料处理：根据实际需要，把坯料加工成块状，表面平整抛光；

（2）等厚反复剪切制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置装配：根据坯料的宽度和厚度，选择尺寸匹配的上成型垫块3、下成型垫块5，用螺栓连接左成型块2（图3）、右成型块9、上成型垫块3、下成型垫块5，连接后放置到底板上，如图1所示；

（3）装载坯料：将坯料装入制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置的上模腔；

（4）坯料加热：坯料放置好后，启动加热装置8，对坯料进行预热处理，预热温度460℃，保温30分钟；

（5）等厚反复剪切成形：启动压力机，通过压杆4把金属压入下模腔，通过制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置上下反置，下模腔变成上模腔，实现下一次剪切变形；

（6）变薄剪切制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置装配：松开制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，选择尺寸匹配的上成型垫块3、下成型垫块5，选择9 mm厚的底板垫块1和9 mm厚的板厚调节垫块10，使上模腔厚度为12mm，下模腔厚度为3mm；用螺栓连接左成型块2、右成型块9、上成型垫块3、下成型垫块5和板厚调节垫块10，连接后放置到底板垫块和底板上，如图2所示。

（7）变薄剪切成形：启动压力机，通过压杆4把金属压入下模腔，实现变薄剪切挤压，板材厚度变为3 mm；

（8）轧制成形：将变薄剪切成形的板材进行冷轧处理，轧制后板材厚度为2mm，得到表面质量、成形性能优异的板材。

为了便于对比，将同批次12 mm厚的6016铝合金板材，进行普通轧制，试样编号为#2，预热温度460℃，保温30分钟，将板材轧至3mm厚，最后冷轧至2mm厚。

轧制变形后，#1及#2轧制态板材的极图如图4和图6所示，#1及#2轧制态板材的织构分布如图5和图7所示。由图可知，经过反复剪切挤压+轧制复合成形后，织构分布散乱，织构强度较低。图8和图9分别为#1及#2样品经固溶处理+自然时效T4P态的金相组织，从图中可以看出，经过反复剪切挤压+轧制复合成形后板材的晶粒组织比普通轧制板材的晶粒细小。表1为经过相同固溶处理+自然时效板材T4P态的力学性能，从表1可看出，经本发明处理的板材延伸率、塑性应变比和表征板材成形性能的杯突IE值得到了显著的提高。

Claims (8)

1.一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先利用剪切挤压成形装置进行反复剪切成形，细化坯料晶粒；

2）然后进行变薄剪切成形，制备具有强烈剪切织构的金属板材；

3）最后通过轧制变形提高板材表面质量，同时平衡织构，提高金属板材成形性能。

2.一种制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，其特征是：包括左成型块、右成型块、底板垫块、压杆、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块、底板、螺栓；能够实现等厚反复剪切成形和变薄剪切挤压成形功能；等厚反复剪切成形时，不需要安装底板垫块和板厚调节垫块，所述的左成型块、右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块通过螺栓连接；所述的底板上有出料孔；变薄剪切挤压成形时，需要安装底板垫块和板厚调节垫块，所述的底板垫块放置在底板上；所述的左成型块放置在底板垫块上，所述的右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块通过螺栓连接。

3.根据权利要求2所述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，其特征在于：靠近金属坯料，左成型块、右成型块上均设有加热装置。

4.根据权利要求2所述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，等厚反复剪切成形时，其特征在于：所述的左成型块、右成型块放置在底板上；所述的左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块通过螺栓连接；所述的底板上有出料孔。

5.根据权利要求2所述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，其特征在于：左成型块放置在底板垫块上，底板垫块、右成型块放置在底板上，左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块、板厚调节垫块通过螺栓连接。

6.根据权利要求2所述的多功能金属剪切挤压装置，其特征在于：通过改变上成型垫块、下成型垫块的宽度和厚度可以实现不同尺寸的块体材料等厚反复剪切挤压。

7.根据权利要求2所述的多功能金属剪切挤压装置，其特征在于：改变底板垫块、上成型垫块、下成型垫块和板厚调节垫块的厚度，可以实现厚板的变薄剪切挤压。

8.根据权利要求1所述的制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形方法，其特征在于：按照如下的步骤进行：

（1）把坯料加工成块状，表面平整抛光；

（2）根据坯料的宽度和厚度，选择尺寸匹配的上成型垫块、下成型垫块，用螺栓连接左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块，连接后放置到底板上；

（3）将坯料装入制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置的上模腔；

（4）启动加热装置，对板材进行预热处理；

（5）启动压力机，通过压杆把金属压入制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置的下模腔；把制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置上下翻转，实现下一次剪切；

（6）松开制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置，选择尺寸匹配的上成型垫块、下成型垫块、底板垫块、板厚调节垫块，用螺栓连接左成型块、右成型块、上成型垫块、下成型垫块和板厚调节垫块，连接后放置到底板上；

（7）将坯料装入制备高性能板材的剪切挤压-轧制复合成形装置的上模腔，启动压力机，通过压杆把金属压入下模腔，实现变薄剪切挤压；

（8）薄板轧制变形。