CN110394362A - 一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，该方法是一种能降低金属毛坯带料成形过程中变形抗力，提高其成形极限和成形性能，在脉冲电流辅助下，能够通过被优化设计横截面形状的初始毛坯型材带料，快速制备出整体表面光洁的燕尾槽型材的辊轧流程。主要是将优化设计横截面几何形状的初始毛坯带料和辊轧成形过程中辅助以脉冲电流技术相结合，在此基础上设计了可以提升燕尾槽成形效率和辊轧加工能力的，主要针对强度偏高但成形极限偏低金属毛坯带料的，可提升其加工性、成形性和使用性的脉冲电流辅助的辊轧工艺。该方法获得的型材成形性更高、加工性更好、尺寸精度更高、性能更加稳定、晶粒尺寸更细小、残余应力更小，适合推广应用。

Description

一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法
技术领域
本发明属于型材轧制技术领域，涉及一种金属燕尾槽型材的生产制造方法，具体地说，涉及一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法。
背景技术
金属材质的燕尾槽型材制备工艺主要有冷/温/热挤压成型、冷/温/热拉拔成型工艺、铣削工艺和电火花线切割工艺。常见的金属材质燕尾槽型材主要是用屈服强度较小、变形抗力较低的金属材料制备，比如铝合金、铜合金和低碳钢。这类燕尾槽型材主要采用冷/温/热挤压成型,或者冷/温/热拉拔成型工艺制备。如果制备屈服强度和硬度较高、成形极限较低的金属材质燕尾槽，则存在模具缩口部位磨损过快导致成本过高，以及成品型材过渡圆角半径普遍偏大的问题。而对于屈服强度和硬度较高、成形极限较低的金属材质燕尾槽型材，比如中/高碳钢材质燕尾槽型材，可采用铣削工艺和电火花线切割工艺。这两种工艺的共同缺点是切断了金属坯料本身的纤维流线，弱化了成型后的型材的整体强度。此外，铣削加工中，铣削刀杆直径必须小于燕尾槽短边开口宽度，降低了刀具刚度，进而降低加工速度和加工过程的稳定性。而对于燕尾槽短边开口宽度过小的型材几乎无法通过铣削工艺进行加工。电火花线切割加工的不足是型材总长度受制于加工设备高度，型材总长度受到限制。此外，由于成形表面经过电化学腐蚀，形成表面氧化层，表面粗糙且疏松，还需后续打磨抛光处理以降低表面粗糙度以提升尺寸和形状精度。考虑到燕尾槽的几何形状复杂，显著增大了提升表面质量的难度。相比较前三种工艺，线切割加工速度最慢，效费比最低。上述工艺在加工屈服强度和硬度较高、成形极限较低的金属燕尾槽型材的过程中，不仅成材率低，生产工具/模具磨损过快，而且原料和能源浪费严重。因此，如何在保证燕尾槽型材尺寸精度、几何精度和表面粗糙度的前提下，以较高加工效率实现对屈服强度和硬度均较高的中/高碳钢带料制备燕尾槽型材，已成为塑性加工领域的难点问题。
在金属材料塑性成形过程中施加脉冲电流，会导致金属出现电致塑性效应和止裂效应，可降低金属材料在成形过程中的变形抗力，提升成形极限，进而提高金属坯料的成形性、可加工性。上述优点使得脉冲电流在金属轧制领域广泛使用，发展迅速。但是，如果通过轧辊向带料施加脉冲电流，由于电流的趋肤效应，使得轧辊表层电流密度明显高于其他部位，会导致金属轧辊表层温度升高明显，引发轧辊表层软化和氧化，降低轧辊表面强度、硬度和耐磨性，降低轧辊加工效能，势必会增加换辊、修辊的频率，增加生产成本，最终降低轧辊加工效费比的问题。
目前还未发现金属燕尾槽型材的辊轧成形，以及将脉冲电流辅助轧制工艺应用到燕尾槽型材的辊轧成形过程中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法。该方法是一种能降低金属毛坯带料成形过程中变形抗力，提高其成形极限和成形性能，在脉冲电流辅助下，能够通过被优化设计横截面形状的初始毛坯型材带料，快速制备出整体表面光洁的燕尾槽型材的辊轧流程。本发明主要是将优化设计横截面几何形状的初始毛坯带料和辊轧成形过程中辅助以脉冲电流技术相结合，在此基础上设计了可以提升燕尾槽成形效率和辊轧加工能力的，主要针对强度偏高但成形极限偏低金属毛坯带料的，可提升其加工性、成形性和使用性的脉冲电流辅助的辊轧工艺。为了获得型材成形性更高、加工性更好、尺寸精度更高、性能更加稳定、晶粒尺寸更细小、残余应力更小的燕尾槽型材，本发明提供一种将脉冲电流应用到辊轧机上，进行燕尾槽型材的轧制生产。
本发明所要解决的技术问题是：将提供一种能降低强度偏高金属燕尾槽型材加工难度、节省原料、提高生产效率的脉冲电流辅助辊轧成形燕尾槽型材的制造工艺。将脉冲电流作用金属产生的电致塑性技术、微裂纹/孔洞修复愈合技术和趋肤效应应用到金属燕尾槽型材辊轧成形过程中，进行针对屈服强度和硬度较高、成形极限较低金属燕尾槽型材的轧制生产。
其具体技术方案为：
一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，包括以下步骤：两个电刷形成电刷组，并且轧机上电刷组的安装方式包括(a)、(b)、(c)和(d)中至少一种安装方式：
(a)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的上刷头下表面与型材毛坯带料2的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；
(b)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(c)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(d)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；并且电刷组内的其中一电刷与脉冲电源4正极相连，另外一电刷与脉冲电源4的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与辊轧成型后型材之间形成电流回路。
进一步，通过调节脉冲电源4的特征参数，包括功率、电压幅值、脉冲频率和脉冲宽度，利用脉冲电流趋肤效应，提升变形显著的金属型材表层的电流密度幅值，通过金属的电致塑性，降低表层金属的屈服强度，降低型材的成形力，提升型材的可加工性。
进一步，针对屈服强度较高和硬度较大的钢质毛坯带料，通过辊轧工艺一次成形横截面呈燕尾槽形状的中空型材。
进一步，毛坯带料2轧辊为陶瓷轧辊。
再进一步，所述陶瓷为氮化硅陶瓷或者Sialon陶瓷。
进一步，针对不同的轧制材料和加工工艺，通过调节上轧辊和下轧辊之间圆心距，或/和加工为不同直径的轧辊以适应不同金属型材的制备生产。
进一步，根据不同产品的燕尾槽型材表面质量要求将陶瓷轧辊加工为具有不同粗糙度的表面。
本发明主要包括：进入导向辊、毛坯带料、进入电刷、脉冲电源、上轧辊、退出电刷、退出导向辊、下轧辊。轧辊为圆形形状。在轧辊进入端，待辊轧的毛坯带料的横截面整体呈现出中间下凹、两侧凸起的折线状轮廓形状。左右两侧呈尖角状凸起，凸起尖端位置分别偏向中间对称轴线位置。在圆柱形平辊的辊轧过程中，金属材料发生塑性变形，两侧尖角凸起向中空部位变形。通过精确优化设计和控制左右两侧尖角状凸起部位的几何形状和体积，使得轧制结束后原本毛坯带料中空部位的上部不被轧制变形的左右两侧尖角部位金属封死，最终使得中空腔体形成上窄下宽的燕尾槽横截面形状。而原本横截面左右两侧向上尖角状凸起被辊轧轧平。此外，还在初始毛坯带料轧制变形过程中，通过电刷向带料接通脉冲电流，对轧制变形较大区域通电，使得金属升温区域主要集中表层应变区域，提升能量利用效率。在轧制过程中，两个电极和轧制件之间形成回路，使工件内部有电流通过，利用电致塑性效应降低工件金属的变形抗力，利用脉冲电流的趋肤效应提升钢带表层的电流密度，利用脉冲电流的电涡流效应对应变区域的应变损伤微裂纹进行修复。上述效能的利用会提升材料的可加工性能，也会使轧制之后工件表面的质量较为优异，在通电热效应作有助于轧制过程中的金属内残余应力释放，有利于提升成型后型材的尺寸稳定性，整体上提高了燕尾槽型材加工成形的效率和品质。辊轧前毛坯带料的横截面几何形状设计成中间向下凹陷，两侧向上凸起的形状，通过平辊辊轧，将两侧凸起材料挤压至中间区域，形成上窄下宽的燕尾槽几何形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、通过设计辊轧前待轧带料的横截面形状，使得轧辊轧制后能准确、简单和快速地加工出横截面为上窄下宽的燕尾槽中空结构，降低加工难度，节省原材料，降低生产成本和成形难度，提高生产效率。
2、降低带料辊轧过程中的变形抗力，提升带料的成形极限，提升带料的塑性变形能力，进而提升其可加工成形性能，提高了加工成形速率和辊轧装置对不同金属材料，尤其是屈服强度偏大，极限应变偏低中高碳钢带料的加工适应性，增加轧辊的服役期限。
3、利用脉冲电流流经带料引起热效应，克服能量势垒，提升金属原子的扩散能力，有利于诱导金属的回复和再结晶的发生，有利于金属晶粒细化，实现细晶强化，提升轧制成品型材的综合力学性能。同时，由于带料电加热的热经历，有利于降低残余应力，降低成形后型材的翘曲和变形程度；在脉冲电流流经带料引起热效应和电致塑性综合作用有利于提升金属材料的塑性，降低工件的变形抗力，降低对能源消耗；利用脉冲电流的趋肤效应提升钢带表层的电流密度，使得金属带料升温区域主要集中表层应变较大的区域，提升能量利用效率；利用脉冲电流的电涡流效应对应变区域的应变损伤形成的微裂纹进行修复和愈合。上述优势会提升材料的可加工性能，也会使轧制之后工件表面的质量较为优异，且加工成形迅速。
附图说明
图1为实施例中轧辊与带料的配合示意图；
图2为实施例所示具体辊轧前待轧制带料的图1的A-A横截面形状结构示意图；
图3为实施例所示具体辊轧后轧制带料的图1的B-B横截面形状结构示意图；
图中：1-进入导向辊，2-毛坯带料，3-进入电刷，4-脉冲电源，5-上轧辊，6-退出电刷，7-退出导向辊，8-下轧辊。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1-图3，一种脉冲电流辅助燕尾槽型材辊轧轧制成形的方法，两个电刷形成电刷组，并且轧机上电刷组的安装方式包括(a)、(b)、(c)和(d)中至少一种安装方式：
(a)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的上刷头下表面与型材毛坯带料2的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；
(b)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(c)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(d)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；并且电刷组内的其中一电刷与脉冲电源4正极相连，另外一电刷与脉冲电源4的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与辊轧成型后型材之间形成电流回路。
在本发明中，辊轧机上电刷组的安装方式包括上述安装方式中的至少一种。如果采用两种以上的安装方式，各电刷组之间的电刷可共用。以四种安装方式为例说明，即进入电刷3与退出电刷6分别位于上轧辊组的辊前和上轧辊组的辊后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本发明所述的(a)安装方式；即进入电刷3与退出电刷6分别位于下轧辊组的辊前和下轧辊组的辊后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本发明所述的(b)安装方式；进入电刷3与退出电刷6分别位于位于上轧辊组的辊前和下轧辊组的辊后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本发明所述的(c)安装方式；进入电刷3与退出电刷6分别位于下轧辊组的辊前和上轧辊组的辊后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本发明所述的(d)安装方式。无论电刷组为何种安装方式，脉冲电源4的电流均能够与辊轧成型后型材之间形成电流回路。并且在轧制时仅仅只有一组电刷组与脉冲电源4相连。在轧制过程中，上轧辊组和下轧辊组进行转动且不会发生位移变化，工作的电刷组也不会发生位移变化，但型材毛坯带料2在上轧辊组和下轧辊组的工作辊相对转动的带动下从辊前运行至辊后辊轧成型。
本发明的工作过程大致如下：将需要轧制的型材毛坯带料2放入到进入导向辊1和退出导向辊7中间，型材毛坯带料2在上轧辊组和下轧辊组的相对转动的带动下从辊前运行至辊后。通过固定块将电电刷固定在型材毛坯带料2的两侧，使两个电极与需要轧制的型材毛坯带料2接触，将电源线连接在两个电极所设的接线柱上，接通电源，启动上轧辊5和下轧辊8使型材毛坯带料2在水平方向向右运动，对型材毛坯带料2进行轧制，使得毛坯带料横截面左右两侧的角状凸起被轧辊辊轧变形，发生向中间的应变，形成横截面上窄下宽的中空燕尾槽结构的型材。在轧制的过程中，由于进入电刷3和退出电刷6与轧制的型材始终接触，避免工件和电极之间发生干涉造成工件尺寸误差过大的严重的后果。
轧制型材毛坯带料2轧辊(工作辊)为陶瓷轧辊。优选断裂强度、抗弯强度、硬度、韧性和极限应变足以满足辊轧机的生产使用的陶瓷工作轧辊。所述辊轧机的工作轧辊选取陶瓷轧辊，这样设计可以解决轧辊的绝缘问题，可以避免脉冲电流通过轧辊时产生的热能和电致塑性，降低了轧辊的磨损速率，节省了电能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
两个电刷形成电刷组，并且轧机上电刷组的安装方式包括(a)、(b)、(c)和(d)中至少一种安装方式：
(a)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的上刷头下表面与型材毛坯带料(2)的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；
(b)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料(2)的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(c)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料(2)的上表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的下表面接触配合；
(d)电刷组内的两个电刷分别安装于轧辊前和轧辊后，安装于轧辊前的电刷的刷头与型材毛坯带料(2)的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头与辊轧成型后型材的上表面接触配合；并且电刷组内的其中一电刷与脉冲电源(4)正极相连，另外一电刷与脉冲电源(4)的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与辊轧成型后型材之间形成电流回路。
2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，其特征在于，通过调节脉冲电源(4)的特征参数，包括功率、电压幅值、脉冲频率和脉冲宽度，利用脉冲电流趋肤效应，提升变形显著的金属型材表层的电流密度幅值，通过金属的电致塑性，降低表层金属的屈服强度，降低型材的成形力，提升型材的可加工性。
3.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，其特征在于，所述毛坯带料(2)轧辊为陶瓷轧辊。
4.根据权利要求3所述的脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，其特征在于，所述陶瓷为氮化硅陶瓷或者Sialon陶瓷。
5.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法，其特征在于，针对不同的轧制材料和加工工艺，通过调节上轧辊和下轧辊之间圆心距，或/和加工为不同直径的轧辊，以适应不同金属型材的制备生产。
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