CN115193978A - 基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法及系统 - Google Patents

基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于辊弯‑超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，S1、选取相应厚度的复合板坯；S2、将复合板坯放入加热炉内，并进行加热；S3、对加热后的复合板坯进行反复辊弯，卷制成一定角度的圆弧形状；S4、将反复辊弯后的复合板坯倒置翻盖在模具上进行超声校平；S5、翻转复合板坯，翻转后重新加热复合板坯，之后进行反向辊弯和反向超声校平；S6、将步骤S2‑S5的加热复合板‑辊弯‑超声校平‑翻转复合板坯‑重新加热‑反向辊弯‑反向超声校平设定为一个循环，之后再循环进行步骤S2‑S5多次，得到复合板坯。本发明通过反复进行剧烈的塑性变形和物理超声振动的方式循环配合，能够消除残余应力、破碎晶粒、改善微观组织，来达到改善板坯性能的目的。

Description

基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法及系统
技术领域
本申请涉及塑性成形、材料改性领域，具体地涉及一种基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法及系统。
背景技术
近年来，自然资源稀缺，同时由于单一的金属材料和合金材料的综合性能不佳，使得其应用领域受到了极大限制，金属复合材料的研制、生产和应用越来越受到国家的重视。随着科技的发展，新工艺、新技术不断更新迭代，金属复合板的开发和应用得到了极大地拓展，复合板材料的种类更加丰富、应用领域不断延伸。
由于金属复合材料的性能功能化，能够针对特殊的服役环境进行复合板的选择，将每种合金的性能发挥到最大化。但是在复合板制备出坯时，由于各种因素的影响，会出现严重的各向异性、晶粒粗大、组织不均和残余应力未释放完全等问题，所以需要优化复合板在后续零件加工工艺中的力学及成形性能。
改善板坯性能的方法有很多，比如：为了改善汽车车身用铝合金板材的各向异性，某机构公开了一种改善汽车车身用铝合金板材各向异性的方法，通过热轧、退火、交叉辊弯和固溶处理等一系列步骤使得铝合金板材整体性能得以提升；为了改善Al-Mg-Li系合金板的性能，某机构公开了一种改善Al-Mg-Li系合金板的性能，采用多道辊弯中穿插中间退火工艺，且中间退火后由温轧改为冷轧，此方法提高了合金的变形储能，解决了板材超塑性偏低的问题；为了改善轻质合金表面性能，某机构公开了一种搅拌摩擦与超声滚压一体化的改性装置及方法，对镁合金等轻合金进行此种方法表面改性，显著改善了合金的微观组织，大幅提高了力学性能和延展性，改善了塑性加工能力，提高了耐蚀性能，大大降低了表面粗糙度，提高了其表面的综合性能指标。以上方法均有其各自的不足之处，或是步骤繁琐，或是需要多种热处理辅助，亦或是设备装置复杂等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决复合板板坯中各向异性、晶粒粗大、组织不均和残余应力未释放完全等问题；本发明通过物理超声振动的方式输入能量，能够消除更多的残余应力、破碎晶粒、改善微观组织，来达到改善板坯性能的目的；通过多道次辊弯和超声校平循环交替作用，能够显著减少复合板坯的残余应力，实现板材性能的改善。
为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：提供一种基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其包括以下步骤：
具体地，本发明提供一种基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其包括以下步骤：
S1、根据设定的厚度及合金材料，选取相应厚度的合金复合板坯；
S2、将所述复合板坯放入加热炉内进行加热；
S3、对加热后的复合板坯进行反复辊弯，卷制成一定角度的圆弧形状：
使用卷板机对复合板坯进行反复辊弯，使复合板晶粒均匀细化；
S4、将反复辊弯后的复合板坯倒置翻盖在模具上进行超声校平：
超声振动对复合板坯施加周期性的动应力，动应力与复合板坯内部残余应力叠加，产生微小塑性变形，完成残余应力的释放；
S5、翻转复合板坯，翻转后重新加热复合板坯，然后使用卷板机反卷成相同预设角度的圆弧状，之后进行超声校平；
S6、将步骤S2-S5的加热复合板-辊弯-超声校平-翻转复合板坯-重新加热-反向辊弯-反向超声校平设定为一个循环，之后再循环进行步骤S2-S5多次，得到复合板坯。
优选地，步骤S6中再循环的次数为两次。
优选地，所述步骤S2中利用加热炉进行加热，将复合板坯放入加热炉内部加热至150℃-200℃。
优选地，所述步骤S3中的使用卷板机多道次辊弯加热后的复合板坯具体为：
所述步骤S3中的使用卷板机多道次辊弯加热后的复合板坯具体为：
S31、将加热后复合板坯的第一端平放在两个下辊的表面上，使复合板坯的第一端超过复合板前进方向一侧的下辊一定距离。
S32、调整复合板坯位置使复合板坯的侧边垂直于下辊的母线；调整上辊位置与复合板坯的上表面接触，上辊以初始压下量下压一定距离使复合板坯发生弯曲变形，转动下辊利用辊子和复合板的摩擦力使板材运动，发生整体的弯曲变形。
S33、逐步增大上辊的压下量使下辊反向转动，反复多次辊弯加热后的复合板坯，卷制成设定角度的圆弧状。
优选地，所述步骤S3中的卷制成预设角度圆弧形状是指将复合板坯卷制成角度为150°-160°的圆弧状。
优选地，所述步骤S4中的进行超声校平是将超声发生器设置功率为0-3KW，频率为20KHz，振幅为30-50μm。
优选地，步骤S1中预先制备并选取厚度为2-6mm，层厚比为2:1的不锈钢铝合金轧制复合板初始板坯，并将其剪切成600mm×300mm的板材样本。
优选地，另一方面，本发明还提供一下基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法的复合板性能优化系统，所述系统包括加热组件、辊弯组件以及超声校平组件，所述加热组件包括加热炉，所述辊弯组件包括并列设置的多个弯辊，所述超声校平组件包括上砧、下砧、换能器、变幅杆和超声发生器；
所述超声发生器的输出端连接所述换能器的输入端，所述换能器的输出端连接所述变幅杆的第一端，所述变幅杆的第二端连接所述下砧，所述下砧固定在工作台上，所述上砧安装在液压机的上滑块上。
优选地，所述变幅杆的两端分别借助于双头螺柱与所述下砧和所述换能器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过物理超声振动的方式输入能量，能够消除复合板坯的绝大部分残余应力、破碎晶粒、改善微观组织，来达到改善板坯性能的目的；通过多道次辊弯和超声校平循环交替作用，能够显著减少复合板坯的残余应力，实现板材性能的提高。
(2)本发明能够解决复合板板坯中各向异性、晶粒粗大、组织不均和残余应力未释放完全等问题；工艺流程清晰，设备操作简单有效，对操作人员的技术经验依赖较低，易于推广，实际应用效果好。
(3)本发明通过将加热复合板-辊弯-超声校平-翻转复合板坯-重新加热-反向辊弯-反向超声校平设定为一个循环，之后再循环进行上述步骤两次，获得了性能显著改善的复合板坯，抗拉强度提高了4.79％，屈服强度提高了5.43％，伸长率提高了4.82％，厚向异性系数得到明显改善由0.729提高到了0.887，应变强化指数由0.029提高到了0.042，晶粒尺寸明显细化降低了60％，拉伸性能显著提高，杯突值平均提高了21.11％。
附图说明
图1为本发明实施例辊弯-超声校平工艺循环作用的复合板性能优化工艺方法简图；
图2为本发明实施例辊弯-超声校平工艺循环作用的复合板性能优化工艺的流程图；
图3为本发明实施例复合板板坯尺寸图；
图4为本发明实施例超声校平装置示意图。
附图中主要附图标记如下：
1-超声发生器；2-换能器；3-变幅杆；4-双头螺柱；5-上砧；6-下砧；7-复合板。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例通过超声校平装置产生超声振动的方式输入能量，能够消除绝大部分的残余应力、破碎晶粒、改善微观组织，来达到改善板坯性能的目的；通过三辊卷板机多道次辊弯和超声校平多次循环作用，显著减少复合板坯的残余应力，实现复合板材性能的改善。如图1所示为本发明实施例辊弯-超声校平工艺循环作用的复合板性能优化工艺方法简图。
本发明实施例提供了一种辊弯-超声校平工艺循环作用的复合板性能优化工艺方法，如图2所示为本发明实施例根据生产实际工艺流程设计的工艺的流程图；为了证明本发明的适用性，将其应用于实例，具体包含如下步骤：
S1：根据需要优化的复合板板坯的相关参数，制备并选取一定厚度和成分比例的合金复合板坯。
在本实施例中，预先制备并选取厚度为6mm，层厚比为2:1的不锈钢铝合金轧制复合板初始板坯，将其剪切成600mm×300mm的板材，并取得复合尺寸标准的若干个样本；如图3所示为本发明实施例复合板板坯的尺寸图，用来显示标准板坯的形状尺寸。
S2：将合金复合板坯放入加热炉内进行加热。
具体地，使用夹具将复合板放入加热炉中，调节加热炉温度至150℃～200℃。
S3：使用卷板机反复辊弯加热后的复合板坯，卷制成预设角度圆弧形状；
将板坯放入上下辊子的间隙中，主要用于将板坯卷制成角度为150°的圆弧状。
卷板机的上辊下压所提供的压应力超过材料的屈服极限，复合板坯便会发生塑性变形，随后转动下辊带动复合板旋转，复合板便弯曲成具有一定弧度的板坯，板坯外层晶粒、组织被拉伸，内层则被压缩，中性层变化程度较小，并且形成变形织构，对复合板微观组织进行重塑；根据辊弯条件下所获得的再结晶数据，通过建立以下动态再结晶模型就能够预测并获得想要得到的晶粒尺寸：
卷板机辊弯过程中的动态再结晶临界切应变模型如下所示：
Figure BDA0003740500010000051
式中：εp表示峰值应变；εc表示临界切应变；Z表示温度对应变速率的补偿因子；k1表示切应变线性拟合系数；m1表示切应变线性拟合指数；
Figure BDA0003740500010000052
表示应变速率(s-1)；Q表示热变形激活能(KJ/m0l)；R表示气体常数，具体为8.314J·(mol·K)-1；T表示变形温度(K)；
卷板机辊弯过程中的动态再结晶体积分数模型如下所示：
Figure BDA0003740500010000053
式中：Xdrx表示动态再结晶体积分数；kd表示体积分数线性拟合系数；md表示体积分数线性拟合指数；
卷板机辊弯过程中的动态再结晶晶粒尺寸模型如下所示：
Figure BDA0003740500010000054
式中：k2表示晶粒尺寸线性拟合系数；m2表示晶粒尺寸线性拟合指数；
卷板机辊弯过程中动态再结晶后组织的平均晶粒尺寸称为动态再结晶平均晶粒尺寸，其计算公式如下所示：
Davg＝DdrxXdrx+D0(1-Xdrx)；
式中：Davg表示动态再结晶平均晶粒尺寸；D0表示初始晶粒尺寸。
步骤S3中的使用卷板机多道次辊弯加热后的复合板坯具体为：
S31、使用夹具将加热后复合板坯的第一端平放在两个下辊的表面上，使复合板坯的第一端超过复合板前进方向一侧的下辊一定距离；
S32、调整复合板坯位置使复合板坯的侧边垂直于下辊的母线；调整上辊位置与复合板坯的上表面接触，上辊以初始压下量下压一定距离使复合板坯发生弯曲变形，转动下辊利用辊子和复合板的摩擦力使板材运动，发生整体的弯曲变形；
S33、逐步增大上辊的压下量使下辊反向转动，反复多次辊弯加热后的复合板坯，卷制成设定角度的圆弧状。
在辊压过程中，卷板机的上辊下压所提供的压应力超过材料的屈服极限，从而使复合板坯发生塑性变形，之后转动卷板机的下辊带动复合板旋转，复合板弯曲成具有一定弧度的圆弧状板坯，此时，板坯外层晶粒和组织拉伸，内层晶粒和组织压缩。
S4：将加热后的复合板坯倒置翻盖在模具上进行超声校平。
将板坯倒置翻盖在模具上进行超声校平，设置装置功率为3KW，频率为20KHz，振幅为40μm；如图4所示为本发明实施例超声校平装置示意图，通过物理超声振动的方式输入能量，能够消除绝大部分的残余应力、破碎晶粒、改善微观组织，来达到改善板坯性能的目的。
通过超声振动能够对金属构件施加周期性的动应力，动应力与金属构件内部残余应力叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限时，就会产生微小的塑性变形，达到释放残余应力的目的。
根据施加超声振动前后结果计算出残余应力的减少量的计算公式如下式所示：
Figure BDA0003740500010000061
式中：εx表示横向残余应力的减少量；εy表示切应力残余应力的减少量；E表示复合板坯的弹性模量；ν表示符合板坯的泊松比；
Figure BDA0003740500010000062
表示轴向应力的校准系数；
Figure BDA0003740500010000063
表示剪切应力的校准系数；ε1表示第一主应力；ε3表示第三主应力；
由于超声振动作用，辊弯工艺所产生的残余应力得到较为完全的释放并减少复合板在后续不适当热处理、焊接、切削加工条件下发生的翘曲、扭曲变形和开裂现象。
超声振动不但能够消除辊弯板材的残余应力，还能够使材料内部晶粒、组织等吸收振动能量后活性增加，热振动速度增大，材料温度提升，发生与位错相关的热致软化作用，降低了材料的动态变形抗力和流动应力，增强了复合板在进行塑性变形时金属的流动性；另一方面材料在发生塑性变形时，高频超声振动会对晶粒起到一定程度的破碎作用，显著改善了复合板内部的组织形态，大幅提高了力学性能和延展性，提高了机械加工、塑性变形和综合力学性能。
S5：翻转复合板坯，重复S2-S4；
翻转后重新加热复合板坯，然后使用卷板机反卷成相同角度的圆弧状，最后进行超声校平；通过反向超声校平改善复合板坯的综合力学性能，释放由多道次辊弯工艺产生的残余应力，并且能够恢复由辊弯工艺造成的塑性变形能力下降的问题，为循环作用打下基础。
S6：再重复S2-S5两次，通过循环作用来获得性能显著改善的复合板坯。
循环作用具体为：通过加热复合板-辊弯工艺-超声校平-反向辊弯工艺-反向超声校平为一个循环，共进行两次循环，获得了性能显著改善的复合板坯，抗拉强度、屈服强度、伸长率性能均能提高；厚向异性系数得到改善、应变强化指数提高、晶粒尺寸能够细化、拉伸性能显著提高；杯突值平均提高，复合板坯性能指标明显改善。
本发明的第二个方面提出了一种用于基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法的系统，包括加热组件、辊弯组件以及超声校平组件。加热组件包括加热炉，用于进行加热。辊弯组件用于进行多次辊弯。
超声发生器1的输出端连述换能器2的输入端，换能器2的输出端连接变幅杆3输入端，变幅杆3输入端连接下砧6，下砧6固定在工作台上，上砧5安装在液压机的上滑块上。超声校平组件用来完成对板料的压平和超声较平作用；上砧5安装在液压机的上滑块上负责开合装卸复合板7；下砧6固定在工作台上，通过适配型号的双头螺柱4与变幅杆3、换能器2和超声发生器1相连。
对最终成形复合板材的各项指标进行测试，利用光学显微镜观察并分析复合板显微组织和几何形态；在材料万能试验机上检测试样的综合力学性能、厚向异性系数r、变形强化指数n；用杯突试验检测复合板的深冲性能；一方面反向超声校平后的复合板材的综合力学性能已经有所改善，由多道次辊弯工艺产生的残余应力基本释放完全，并且一定程度上恢复了由辊弯工艺造成的塑性变形下降的问题，对接续的辊弯工艺创造了再变形条件，同时为循环作用创造了前提条件；另一方面加热复合板-辊弯工艺-超声校平-反向辊弯工艺-反向超声校平为一个循环，最开始的一次加上之后的两次，共进行三次循环，获得了性能显著改善的复合板坯，抗拉强度提高了4.79％，屈服强度提高了5.43％，伸长率提高了4.82％，厚向异性系数得到明显改善由0.729提高到了0.887，应变强化指数由0.029提高到了0.042，晶粒尺寸明显细化降低了60％，拉伸性能显著提高，杯突值平均提高了21.11％，达到了结束循环过程的性能指标；如表1所示为复合板经过0次、1次、2次及3次循环后的材料性能对比情况，通过表中的数据能够看出，使用本工艺得到的复合板坯的抗拉强度、屈服强度和伸长率等各项性能指数均有明显提高。
表1复合板性能对比
循环次数 0 1 2 3
抗拉强度(MPa) 277.4 284.2 287.3 290.7
屈服强度(MPa) 211.7 216.9 220.7 223.2
伸长率(％) 24.9 25.6 25.9 26.1
厚向异性系数(r) 0.729 0.747 0.821 0.887
应变强化指数(n) 0.029 0.034 0.038 0.042
晶粒尺寸(μm) 120 75 55 48
平均杯突值①(mm) 10.1 10.7 11.4 11.9
平均杯突值②(mm) 8.2 8.8 9.6 10.2
表中，平均杯突值①表示不锈钢层在外侧时复合板杯突值的平均水平；平均杯突值②表示铝层在外侧时复合板杯突值的平均水平。
从表中可以看出经过3次的循环后，各个性能均取得了非常大的改进，也可以看出，本案例辊弯-超声校平工艺循环作用的复合板性能优化工艺证明了其具有很好的应用效果。
在其余的实施例中，可以根据不同材料的需要选择不同的循环次数，均能得到有益性能的板材。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、根据设定的厚度及合金材料，选取相应厚度的合金复合板坯；
S2、将所述复合板坯放入加热炉内加热；
S3、对加热后的复合板坯进行反复辊弯，卷制成一定角度的圆弧形状：
使用卷板机对复合板坯进行反复辊弯，使复合板晶粒均匀细化；
S4、将反复辊弯后的复合板坯倒置翻盖在模具上进行超声校平：
超声振动对复合板坯施加周期性的动应力，动应力与复合板坯内部残余应力叠加，使合金复合板坯产生微小塑性变形，完成残余应力的释放；
S5、翻转复合板坯，翻转后重新加热复合板坯，然后使用卷板机反卷成相同预设角度的圆弧状，之后进行超声校平；
S6、将步骤S2-S5的加热复合板-辊弯-超声校平-翻转复合板坯-重新加热-反向辊弯-反向超声校平设定为一个循环，之后再循环进行步骤S2-S5多次，得到复合板坯。
2.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于：步骤S6中再循环的次数为两次。
3.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于：所述步骤S2中利用加热炉进行加热，将复合板坯放入加热炉内部加热至150℃-200℃。
4.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于，所述步骤S3中的使用卷板机多道次辊弯加热后的复合板坯具体为：
S31、将加热后复合板坯的第一端平放在两个下辊的表面上，使复合板坯的第一端超过复合板前进方向一侧的下辊一定距离；
S32、调整复合板坯位置使复合板坯的侧边垂直于下辊的母线；调整上辊位置与复合板坯的上表面接触，上辊以初始压下量下压一定距离使复合板坯发生弯曲变形，转动下辊利用辊子和复合板的摩擦力使板材运动，发生整体的弯曲变形；
S33、逐步增大上辊的压下量使下辊反向转动，反复多次辊弯加热后的复合板坯，卷制成设定角度的圆弧状。
5.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于：所述步骤S3中的卷制成预设角度圆弧形状是指将复合板坯卷制成角度为150°-160°的圆弧状。
6.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于：所述步骤4中的进行超声校平是将超声发生器设置功率为0-3KW，频率为20KHz，振幅为30-50μm。
7.根据权利要求1所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法，其特征在于：步骤S1中预先制备并选取厚度为2-6mm，层厚比为2:1的不锈钢铝合金轧制复合板初始板坯，并将其剪切成600mm×300mm的板材样本。
8.一种用于实现根据权利要求1至5之一所述的基于辊弯-超声校平工艺循环的复合板性能优化方法的复合板性能优化系统，其特征在于：所述系统包括加热组件、辊弯组件以及超声校平组件，所述加热组件包括加热炉，所述辊弯组件包括并列设置的多个弯辊，所述超声校平组件包括上砧、下砧、换能器、变幅杆和超声发生器；
所述超声发生器的输出端连接所述换能器的输入端，所述换能器的输出端连接所述变幅杆的第一端，所述变幅杆的第二端连接所述下砧，所述下砧固定在工作台上，所述上砧安装在液压机的上滑块上。
9.根据权利要求8所述的复合板性能优化系统，其特征在于：所述变幅杆的两端分别借助于双头螺柱与所述下砧和所述换能器连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115739996A (zh) * 2022-11-14 2023-03-07 浙江申吉钛业股份有限公司 一种高强高塑性tc4钛合金薄板的制备方法

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