CN107413949A - 一种复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法。它包括具有弧形凸起的上辊和具有弧形凹槽的下辊，上辊的弧形凸起表面和下辊的弧形凹槽表面均设置有有序分布的复合织构形貌，复合织构形貌包括微凹腔和微凸起，上辊的弧形凸起和下辊的弧形凹槽之间压有待加工的板材。其优点在于：主动控制了模具表面有效成形力分布状态，改善了材料的流动行为、应力应变分布，板材边缘材料的等效塑性应变得到改善，鼓包出现概率降低了5%左右，提高了轧辊精度，成形件质量得到改善，提高了辊子表面硬度、耐磨性能，能够有效延长轧辊模具辊子的使用寿命、增强综合性能；结构设计合理，提高了轧辊辊子的综合使用性能，使用可可靠性高，加工经济性高。

Description

一种复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法

技术领域

本发明涉及一种轧辊成形模具表面处理技术，具体地说是一种复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法，属于机械制造技术领域。

背景技术

金属塑性成形过程，摩擦力为工件成形提供主动力，是影响成形件质量的关键因素，工件-模具接触表面的摩擦分布直接影响塑性成形材料的流动行为，轧辊成形中材料流动不合理导致的鼓包是常见的失效形式。研究和实际应用表明可通过人为控制表面摩擦特性分布优化成形力分布；轧辊成形模具要求辊子硬度高耐磨性好具有一定的粗糙度；对辊子进行激光表面织构加工，可以提高工作表面硬度，改善表面摩擦特性分布，优化板料成形力分布。

例如：中国专利CN200510059343.6冷轧工作辊辊身淬硬层的制造方法公开了一种轧辊辊身淬硬层制作方法，对轧辊辊身进行预热处理，感应电加热处理，喷水冷却和回火处理加工淬硬层，虽然提高了轧辊辊身的耐磨性能，但此工艺对轧辊辊身整体进行改性处理，后续维修不便经济性差，未涉及成形工件表面的改形处理。

例如：中国专利CN103602791A公开了一种轧辊辊身表面处理方法，测量对比轧辊辊身使用前后磨损程度，利用激光强化处理磨损严重区域，此方法修复快捷，但轧辊模具表面的润滑状态未得到改善，无法提高轧辊模具的综合性能。

例如：中国专利CN103628053A公开了一种表面覆盖石墨乳、酒精和水组成的润滑剂的轧辊，虽然提高了轧辊的润滑性能，但是轧辊表面覆盖的润滑剂与基材结合强度低易脱落，磨损消耗之后，需要重新加工轧辊模具，导致轧辊模具维修不便，制造成本高，经济性差。

例如：中国专利CN105080979A提出了采用毛化辊轧制薄板的工艺方法，利用EDT、喷丸处理、喷珠处理、研磨或十字交叉研磨加工毛化辊，进而毛化辊对成形工件表面进行改形、改性处理，但该方法获得的模具表面，粗糙度分布不均，可控性不足，维修不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高轧辊模具相对运动表面硬度、耐磨性，改善材料流动和成形主动力分布的复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法。

为了解决上述技术问题，本发明的复合织构轧辊成形模具，包括具有弧形凸起的上辊和具有弧形凹槽的下辊，上辊的弧形凸起表面和下辊的弧形凹槽表面均设置有有序分布的复合织构形貌，复合织构形貌包括微凹腔和微凸起，上辊的弧形凸起和下辊的弧形凹槽之间压有待加工的板材。

所述上辊的弧形凸起表面和下辊的弧形凹槽表面边缘区域均具有微织构减摩的表面，所述复合织构形貌为微凹腔；所述上辊的弧形凸起表面和下辊的弧形凹槽表面中心区域均具有毛化增摩的表面，所述复合织构形貌为微凸起。

所述微凹腔的几何参数为：凹腔深度h=1-60μm，凹腔直径d=5-300μm，形貌间距s=30-1500μm，行方向与列方向的夹角α=0-60°，面积占有率为20%-45%，所述面积占有率为单个凹腔面积与点距和列距乘积的比值。

所述微凸起的形貌为球冠状，所述微凸起的形貌几何参数为：凸起高度H=2-30μm，凸起直径D=6-500μm，形貌间距S=30-2000μm，行方向与列方向的夹角β=0-60°，面积占有率为25%-65%，所述面积占有率为单个凸起面积与点距和列距乘积的比值。

所述上辊和下辊具有同一中心轴，所述上辊的弧形凸起表面和下辊的弧形凹槽表面中心区域相对上辊和下辊的中心轴轴对称，中心角为60°-80°。

一种采用上述复合织构轧辊成形模具的复合织构成形方法，包括如下步骤：

A、在对轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行复合织构之前进行精磨处理，加工后上辊和下辊的表面粗糙度范围为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm；

B、分析轧辊成形模具表面成形力分布状态，对上辊和下辊的表面进行复合织构形貌分布布局，划分摩擦磨损区域，针对成形过程中摩擦较大材料流动较慢的区域，加工微凹腔织构，针对成形过程中摩擦较小材料流动过快的区域，加工凸起织构；

C、利用激光器对精磨过后的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行激光微织构加工，具体激光加工参数为：激光波长1064nm，离焦量±2mm，脉冲宽度1-600ms，脉冲频率1-50KHz，激光能量密度为10⁴-10⁶W/cm²，脉冲重复次数为1-8次；

D、对复合激光微织构的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行抛光后处理，经由抛光去除复合微造型表面熔渣，抛光工艺参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力为0.4-2.0MPa，时间2-25s。

在步骤D之后，当微凹腔深度降低40%-80%，凸起高度降低35%-65%时，将轧辊成形模具的上辊和下辊重新研磨至轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm，在轧辊辊子上重新加工复合微织构。

所述激光器为光纤激光器、CO₂激光器或YAG激光器。

本发明的优点在于：

1、较之原轧辊成形模具，在轧辊辊子表面加工复合织构，主动控制了模具表面有效成形力分布状态，改善了材料的流动行为、应力应变分布，板材边缘材料的等效塑性应变得到改善，鼓包出现概率降低了5%左右，提高了轧辊精度，成形件质量得到改善。

2、轧辊辊子的表面织构主动优化了辊子工作表面的摩擦润滑状态，提高了辊子表面硬度、耐磨性能，能够有效延长轧辊模具辊子的使用寿命、增强综合性能。

3、采用激光处理轧辊模具辊子，加工形貌为微米级，其热影响区小，辊子无热变形。

4、其结构设计合理，提高了轧辊辊子的综合使用性能，使用可可靠性高，加工经济性高。

附图说明

图1为本发明中复合织构轧辊成形模具分区及复合织构示意图；

图2为图1的J处局部放大图；

图3为图1的K处局部放大图；

图4是本发明中微凹腔微形貌图；

图5为本发明中复合织构轧辊成形模具辊子表面微凹腔形貌分布图；

图6是本发明中球冠状微凸起形貌图。

图7为本发明中复合织构轧辊成形模具辊子表面球冠状微凸起形貌分布图。

图中：1、板材；2、上辊；3、下辊；4、微凹腔；5、微凹腔形貌点间距s；6、微凹腔行列间距m；7、微凹腔行列角度α；8、凹腔深度h；9、凹腔直径d；10、微凸起；11、微凸起形貌点间距S；12、微凸起行列间距M；13、微凸起行列角度β；14、凸起高度H；15、凸起直径D；16、上下辊中心区域中心角θ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法作进一步详细说明。

如图所示，本发明的复合织构轧辊成形模具，包含若干道次，以其中某一道次为例，轧辊模具包括具有弧形凸起的上辊2和具有弧形凹槽的下辊3，上辊2的弧形凸起表面和下辊3的弧形凹槽表面均设置有有序分布的复合织构形貌，复合织构形貌包括微凹腔4和微凸起10，上辊2的弧形凸起能够压入到下辊3的弧形凹槽并在上辊2的弧形凸起和下辊3的弧形凹槽之间压有待加工的板材，待加工的板材的上表面与上辊2的弧形凸起接触，待加工的板材的下表面和下辊3的弧形凹槽接触，经过判别有效成形力分布区域后，根据轧辊辊子实际磨损程度并结合辊子表面摩擦系数分布，使与板材相接触的上辊2的弧形凸起表面和下辊3的弧形凹槽表面边缘区域均具有微织构减摩的表面，其复合织构形貌为微凹腔；使与板材相接触的上辊2的弧形凸起表面和下辊3的弧形凹槽表面中心区域均具有毛化增摩的表面，复合织构形貌为微凸起，微凹腔织构和微凸起织构位于轧辊成型模具辊子与板材的接触位置，由图可见，将轧辊辊子表面划分为边缘区域（A、C）和中心区域（B、G），边缘区域（A、C）为减摩区域，中心区域（B、G）为增摩区域；微凹腔区域位于上、下辊边缘区域（A、C），微凸起区域位于上、下辊中心区域（B、G），上辊2和下辊3具有同一中心轴，中心区域（B、G）相对上辊2和下辊3的中心轴轴对称，中心角16为60°-80°。

其中，微凹腔的具体几何参数为：凹腔深度h=1-60μm，凹腔直径d=5-300μm，形貌间距s=30-1500μm，行方向与列方向的夹角α=0-60°（以锐角计算），面积占有率为20%-45%，面积占有率为单个凹腔面积与点距和列距乘积的比值；微凸起的形貌为球冠状，微凸起的形貌几何参数为：凸起高度H=2-30μm，凸起直径D=6-500μm，形貌间距S=30-2000μm，行方向与列方向的夹角β=0-60°（以锐角计算），面积占有率为25%-65%，所述面积占有率为单个凸起面积与点距和列距乘积的比值。

通过该结构设计，通过主动控制轧辊辊子表面的摩擦系数，达到优化轧辊成形力分布的目的，改善了成形件应力、应变分布；优化了成形过程材料的流动，减小了边缘拉伸量，改良了成形质量，鼓包出现概率降低5%左右；增加了辊子的硬度、耐磨性，延长了辊子使用寿命，提高了轧辊模具的综合使用性能。

一种采用上述复合织构轧辊成形模具的复合织构成形方法，包括如下步骤：

A、在对轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行复合织构之前进行精磨处理，使辊子表面达到激光微加工精度要求，加工后上辊和下辊的表面粗糙度范围为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm；

B、分析轧辊成形模具表面成形力分布状态和表层材料流动速度分布，对上辊和下辊的表面进行复合织构形貌分布布局，划分摩擦磨损区域，针对成形过程中摩擦较大材料流动较慢的区域，加工微凹腔织构4，即上、下辊边缘区域A、C加工微凹腔织构4，针对成形过程中摩擦较小材料流动过快的区域，加工凸起织构10，即上、下辊中心区域B、G加工凸起织构10；具体如图1所示轧辊成型模具上辊和下辊分区图，轧辊成形中开口段辊子边缘区域为滑动摩擦区域，上辊边缘区域材料流动速度相对中心区域较慢，下辊边缘区域材料流动速度相对中心区域较快，工件上下表面材料流动速度差大，易失稳，此区域的摩擦力为有害摩擦，加工微凹腔织构4，改善润滑状态减小摩擦系数；轧辊成形中上下辊中心区域为滚动摩擦区域，摩擦力属于成形主动力，上下辊中心区域摩擦过小，同样不利于板材成形，针对成形过程中成形力过小、摩擦较小、材料流动较快、易产生裂纹的区域，加工凸起织构10，成形过程中，凸起织构压印至板材表面，增加上、下辊中心区域对材料的粘附性能，增加辊子表面的摩擦系数；因此轧辊辊子表面复合织构加工区域主要分为减摩区和增摩区，边缘区域（A、C）为减摩区域，加工微凹腔，中心区域（B、G）为增摩区域，进行毛化处理；

C、利用光纤激光器、CO₂激光器、YAG激光器其中之一对精磨过后的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行激光微织构加工，具体激光加工参数为：激光波长1064nm，离焦量±2mm，脉冲宽度1-600ms，脉冲频率1-50KHz，激光能量密度为10⁴-10⁶W/cm²，脉冲重复次数为1-8次；

D、对复合激光微织构的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行抛光后处理，经由抛光去除复合微造型表面熔渣，抛光工艺参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力为0.4-2.0MPa，时间2-25s。

E、在步骤D之后，当微凹腔深度降低40%-80%，凸起高度降低35%-65%时，将轧辊成形模具的上辊和下辊重新研磨至轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm，在轧辊辊子上重新加工复合微织构。

上述轧辊成形过程中，下辊模具表面加工的凸起织构局部或全部压印至板材1的表面。

上述实例只是为了说明本发明，而不是对本发明进行限制，对本发明所做的修改和改变，都应在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合织构轧辊成形模具，其特征在于：包括具有弧形凸起的上辊（2）和具有弧形凹槽的下辊（3），所述上辊（2）的弧形凸起表面和下辊（3）的弧形凹槽表面均设置有有序分布的复合织构形貌，所述复合织构形貌包括微凹腔和微凸起，所述上辊（2）的弧形凸起和下辊（3）的弧形凹槽之间压有待加工的板材。

2.按照权利要求1所述的复合织构轧辊成形模具，其特征在于：所述上辊（2）的弧形凸起表面和下辊（3）的弧形凹槽表面边缘区域均具有微织构减摩的表面，所述复合织构形貌为微凹腔；所述上辊（2）的弧形凸起表面和下辊（3）的弧形凹槽表面中心区域均具有毛化增摩的表面，所述复合织构形貌为微凸起。

3.按照权利要求1或2所述的复合织构轧辊成形模具，其特征在于：所述微凹腔的几何参数为：凹腔深度h=1-60μm，凹腔直径d=5-300μm，形貌间距s=30-1500μm，行方向与列方向的夹角α=0-60°，面积占有率为20%-45%，所述面积占有率为单个凹腔面积与点距和列距乘积的比值。

4.按照权利要求3所述的复合织构轧辊成形模具，其特征在于：所述微凸起的形貌为球冠状，所述微凸起的形貌几何参数为：凸起高度H=2-30μm，凸起直径D=6-500μm，形貌间距S=30-2000μm，行方向与列方向的夹角β=0-60°，面积占有率为25%-65%，所述面积占有率为单个凸起面积与点距和列距乘积的比值。

5.按照权利要求4所述的复合织构轧辊成形模具，其特征在于：所述上辊（2）和下辊（3）具有同一中心轴，所述上辊（2）的弧形凸起表面和下辊（3）的弧形凹槽表面中心区域相对上辊（2）和下辊（3）的中心轴轴对称，中心角（16）为60°-80°。

6.一种采用如权利要求1-5之一所述复合织构轧辊成形模具的复合织构成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、在对轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行复合织构之前进行精磨处理，加工后上辊和下辊的表面粗糙度范围为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm；

B、分析轧辊成形模具表面成形力分布状态，对上辊和下辊的表面进行复合织构形貌分布布局，划分摩擦磨损区域，针对成形过程中摩擦较大材料流动较慢的区域，加工微凹腔织构（4），针对成形过程中摩擦较小材料流动过快的区域，加工凸起织构（10）；

C、利用激光器对精磨过后的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行激光微织构加工，具体激光加工参数为：激光波长1064nm，离焦量±2mm，脉冲宽度1-600ms，脉冲频率1-50KHz，激光能量密度为10⁴-10⁶W/cm²，脉冲重复次数为1-8次；

D、对复合激光微织构的轧辊成形模具的上辊和下辊表面进行抛光后处理，经由抛光去除复合微造型表面熔渣，抛光工艺参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力为0.4-2.0MPa，时间2-25s。

7.按照权利要求6所述的复合织构轧辊成形模具的复合织构成形方法，其特征在于：在步骤D之后，当微凹腔深度降低40%-80%，凸起高度降低35%-65%时，将轧辊成形模具的上辊和下辊重新研磨至轮廓的算术平均偏差Ra≤0.6μm，几何公差：同心度≤0.03μm，在轧辊辊子上重新加工复合微织构。

8.按照权利要求6所述的复合织构轧辊成形模具的复合织构成形方法，其特征在于：所述激光器为光纤激光器、CO₂激光器或YAG激光器。