CN116713328A - 金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属层状复合材料超声‑机械耦合振动轧制复合设备及方法，属于金属层状复合材料制备技术领域。本发明设备包括轧制机构、机械振动机构和超声振动机构。其中，机械振动机构采用曲轴连杆致动的方式安装在轧制机构的第一工作辊的侧面，为第一工作辊提供机械振动，起到提高界面错动率，增强金属层状复合材料的界面结合强度的作用；超声振动机构与轧制机构的第二工作辊连接，发挥超声振动体积效应，起到协调组元金属材料变形的作用。本发明方法工序简单，实施方便，生产效率高、成本低，制备的金属层状复合材料的界面结合强度高、几何尺寸精度好、内部残余应力低，无各向异性等问题。
Description
技术领域
本发明属于金属层状复合材料制备技术领域，具体涉及一种金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备及方法。
背景技术
金属层状复合材料由两种或两种以上组元金属材料复合制成，具有单一金属材料不能满足的优异综合性能，在航空航天、轨道交通、石油化工、电子信息、海洋船舶、国防军工和日常生活等领域得到了广泛的应用。轧制复合作为一种短流程、高效率的制备加工技术，特别适用于金属层状复合材料的连续化、大批量生产。但是，在传统的轧制复合技术中，金属层状复合材料的待复合界面存在错动率低、金属流动性差、氧化膜和硬化层破碎不充分等问题，导致制备的金属层状复合材料在复合界面处易存在微孔洞、微裂缝等缺陷，界面结合质量波动大；此外，由于组元金属材料的晶体结构、变形抗力、加工硬化率等物理性能的差异，在轧制复合时普遍存在变形不协调的问题，导致制备的金属层状复合材料内部残余应力大、几何尺寸精度(如厚度均匀性和板形精度)难以控制，整体质量较差。
超声振动辅助塑性成形技术通过对被加工金属材料或工模具(或工作辊)施加一定频率、振幅和方向的超声振动，利用超声振动系统与被加工金属材料或工模具(或工作辊)的超声振动，将超声能量作用于处于塑性加工过程中的金属材料上。相较于传统塑性成形工艺，超声振动辅助塑性成形技术具有降低金属材料的变形抗力，提高金属材料的塑性和断裂极限，改善接触状态，提高成形金属材料的几何尺寸精度等特点，被广泛应用于轧制、拉拔、挤压等塑性成形过程中。
在金属层状复合材料轧制复合过程中施加超声振动，可以利用超声振动体积效应，降低异种组元金属材料之间的应力应变差异，促进金属材料的协调变形，降低金属层状复合材料轧制后的残余应力，减少回弹。但是，由于超声波在传播时不可避免地存在能量耗散、衰减的问题，极大地限制了超声波在金属层状复合材料制备领域的应用，尤其是在制备毫米级及以上金属层状复合材料时，无法解决错动率低、金属流动性差、氧化膜和硬化层破碎不充分等问题。
机械振动辅助轧制复合技术是一种受迫振动形式的金属层状复合材料轧制成形工艺，通过振动机构驱动其中一个工作辊进行周期性的机械振动，再由该工作辊带动与其接触的金属材料发生周期性的微小错动，不受能量传播衰减的影响，可以有效地为待复合界面引入剧烈的搓轧力，提高待复合界面的剪切摩擦力，促进氧化膜和硬化层的破碎，提升待复合界面的错动率和金属的流动性，进而提高金属层状复合材料复合界面的结合质量。但是，机械振动辅助轧制复合技术在轧制成形金属层状复合材料时，也存在着无法有效地协调组元金属材料的变形等问题。
现有的超声振动或机械振动辅助轧制复合技术还存在另一个共性问题。那就是，现有的超声振动或机械振动辅助轧制复合设备都仅仅是将振动作用施加到其中一个工作辊上，存在着各层组元金属材料的受力不均衡、原子扩散能力差异大、软化效果明显差异较大以及变形状况不一致、协调变形难等不足，无法真正充分发挥出超声振动或机械振动辅助轧制复合技术的更为理想的效果，导致制备的金属层状复合材料的几何尺寸精度控制较难、各层组元金属材料的组织结构所处状态差异大以及复合界面的界面结合强度不高等问题。
此外，目前尚未见到将超声振动和机械振动同时集成在一起，共同作用于同一台金属层状复合材料塑性成形复合设备上的有关研究、应用和报道。
因此，亟需开发一种能够在促进异种组元金属材料协调变形的同时提高待复合界面错动率的振动辅助轧制复合设备及方法，满足高质量金属层状复合材料的制备加工要求，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备及方法，同时将超声振动和机械振动施加到轧制复合设备上，在金属层状复合材料的制备过程中共同发挥超声振动和机械振动的有机协同耦合作用。机械振动机构采用曲轴连杆致动的方式安装在轧制机构的第一工作辊的侧面，为第一工作辊提供机械振动，起到提高界面错动率，增强金属层状复合材料的界面结合强度的作用；超声振动机构与轧制机构的第二工作辊连接，发挥超声振动体积效应，起到协调组元金属材料变形的作用。本发明方法工序简单，实施方便，生产效率高、成本低，制备的金属层状复合材料的界面结合强度高、几何尺寸精度好、内部残余应力低，无各向异性等问题。
根据本发明技术方案的第一方面，提供一种金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，包括轧制机构、机械振动机构和超声振动机构；所述振动轧制复合设备中的所述机械振动机构采用曲轴连杆致动的方式安装在所述轧制机构的第一工作辊的侧面，驱动所述第一工作辊进行周期性的机械振动，利用所述第一工作辊和第二工作辊之间的位置错动，为待复合界面引入周期的剪切摩擦力，提高所述待复合界面的金属的流动性，促进氧化膜和硬化层的开裂，增强金属层状复合材料的界面结合强度；所述超声振动机构与第二工作辊连接，驱动所述第二工作辊发生超声振动，利用超声振动体积效应使与所述第二工作辊接触的金属材料得到有效的“软化”，并且由于界面间隙阻抗的存在，超声能量在经过所述待复合界面时以内能的方式被大大消耗，将外表面和所述待复合表面经过处理后的室温状态或加热状态的金属层叠坯料按照易变形金属材料与所述第一工作辊接触、难变形金属材料与所述第二工作辊接触的方式布置，可以有效地协调异种组元金属材料的变形差异，降低金属层状复合材料的内部残余应力，提高金属层状复合材料的几何尺寸精度，并助推复合界面的强冶金结合。
所述轧制机构包括所述第一工作辊、所述第二工作辊、盖板、压下装置、轴承座、底板、弹簧组、万向伸缩联轴器、齿轮支架、齿轮组、齿轮组底座、输入轴、轧机牌坊和步进电机；其中，所述输入轴与所述步进电机固定连接，为所述第一工作辊提供驱动力，通过转动安装在所述齿轮支架上的所述齿轮组将轧制力矩分流至所述第二工作辊，轧制力矩的输入端通过所述万向伸缩联轴器分别与所述第一工作辊和所述第二工作辊连接，所述盖板固定安装在所述轧机牌坊的上方，所述压下装置通过螺纹的方式安装在所述盖板上，通过调整安装在所述盖板上的所述压下装置的旋进量调整轧制压下量；所述轧机牌坊和齿轮组底座安装在所述底板上，所述齿轮组底座用于固定安装所述齿轮支架；所述弹簧组用于平衡所述第二工作辊的重力。
所述机械振动机构包括滑块、传动连杆、振动连接盘、曲轴、曲轴座、伺服电机、电机支座和导轨；其中，机械振动的驱动力由所述伺服电机提供，所述伺服电机固定安装在所述电机支座上，所述曲轴与所述传动连杆连接，并通过所述曲轴与所述传动连杆将转动转换为线性往复振动，所述振动连接盘转动安装在所述第一工作辊的侧面，由所述伺服电机驱动所述传动连杆，迫使所述第一工作辊进行周期性的往复振动；为了降低所述第一工作辊振动时的摩擦阻力，将两个所述轴承座安装在所述滑块上，所述导轨固定安装在所述轧机牌坊上，所述导轨与所述滑块之间滑动安装。
所述超声振动机构包括超声变幅杆、超声换能器和超声发生器；其中，所述超声振动机构的超声振动频率由所述超声发生器控制，并通过所述超声换能器中的压电陶瓷将电能转变为机械能；所述超声发生器固定安装在所述曲轴座上，所述超声变幅杆与所述超声换能器通过双头螺柱连接，所述超声变幅杆固定安装在所述第二工作辊的轴端侧面，在轧制时随着所述第二工作辊同步转动，如图1所示。
此外，所述超声振动机构还可以安装在所述第二工作辊的上方或下方，如图5所示，驱动所述第二工作辊进行上下振动；也可以布置在所述第二工作辊的轧制方向的前方或后方，如图6所示，驱动所述第二工作辊进行沿轧制方向前后的超声振动。
进一步地，所述机械振动机构的机械振动频率f1i为1～100Hz，所述超声振动机构的超声振动频率f2i为1～50kHz。
进一步地，所述第一工作辊和所述第二工作辊分别是上工作辊或下工作辊，所述轧制机构包括0～20个中间辊或支撑辊。
进一步地，所述超声变幅杆与所述超声换能器之间紧密连接，并涂覆超声波耦合剂以排除空气，减小界面传递的阻抗，所述超声换能器的连接线采用电刷连接。
根据本发明技术方案的第二方面，提供一种采用上述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备的振动轧制复合方法，具体步骤如下：
第一步：根据金属层叠坯料的临界压下量调节所述压下装置以改变所述第一工作辊与所述第二工作辊之间的辊缝；
第二步：启动所述步进电机，并通过计算机程序控制所述第一工作辊和所述第二工作辊的转速，使所述第一工作辊和所述第二工作辊以vi的轧制速度稳定转动；
第三步：启动所述伺服电机使所述第一工作辊以f1i的机械振动频率(f1i的机械振动频率调节范围为1～100Hz)沿轴向进行机械振动；同时启动所述超声发生器，使所述第二工作辊以f2i的超声振动频率(f2i的超声振动频率调节范围为1～50kHz)与所述超声换能器和所述超声变幅杆发生稳定的超声振动；
第四步：待所述第一工作辊和所述第二工作辊的转动与所述第一工作辊的机械振动和所述第二工作辊的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过处理后的室温状态或加热状态的所述金属层叠坯料按照易变形金属材料与所述第一工作辊接触、难变形金属材料与所述第二工作辊接触的方式送入所述第一工作辊和所述第二工作辊之间的辊缝中；其中，所述易变形金属材料是指所述金属层叠坯料中最容易变形的组元金属材料，所述难变形金属材料是指所述金属层叠坯料中最难以变形的组元金属材料；
第五步：在轧制速度vi、机械振动频率f1i和超声振动频率f2i的条件下，对所述金属层叠坯料进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量金属层状复合材料。
进一步地，根据需要将所述金属层状复合材料进行1～10道次的后续复合轧制成形。
本发明的有益效果：
1.本发明设备在一台轧制复合设备上同时施加超声振动和机械振动，实现了二者的有机协同耦合作用，解决了传统的机械振动或超声振动辅助轧制复合设备在制备金属层状复合材料时，都只能将振动作用施加于其中一层组元金属材料上，而无法分别对两层及两层以上组元金属材料都同时施加各自独立的振动作用等不足，在促进异种组元金属材料协调变形的同时提高其待复合界面的错动率，增强了两层及两层以上组元金属材料的原子扩散能力以及金属的流动性和塑性变形能力，提高了金属层状复合材料的几何尺寸精度和界面结合强度，并降低了金属层状复合材料各组元金属材料之间的变形差异，大大提高了金属层状复合材料的整体质量。
2.本发明设备采用伺服电机驱动第一工作辊振动的方式，避免了在轧制不同厚度金属材料时存在的偏心问题，大大拓宽了设备的通用性，可以实现不同厚度金属层状复合材料的高效制备。
3.本发明方法工序简单，实施方便，生产效率高、成本低，制备的金属层状复合材料的界面结合强度高、几何尺寸精度好、内部残余应力低，不存在各向异性等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例在轧辊轴的轴端侧面施加超声振动的伺服电机侧观察超声-机械耦合振动轧制复合设备示意图；
图2为本发明实施例在轧辊轴的轴端侧面施加超声振动的非伺服电机侧观察超声-机械耦合振动轧制复合设备示意图；
图3为本发明实施例在轧辊轴的轴端侧面施加超声振动的超声-机械耦合振动轧制复合设备轧制复合设备主视图；
图4为本发明实施例在轧辊轴的轴端侧面施加超声振动的超声-机械耦合振动轧制复合设备侧视图；
图5为本发明实施例在轧辊轴的上下方向施加超声振动的超声-机械耦合振动轧制复合设备示意图；
图6为本发明实施例在轧辊轴的轧制前后方向施加超声振动的超声-机械耦合振动轧制复合设备示意图。
其中，1-第一工作辊；2-第二工作辊；3-盖板；4-压下装置；5-滑块；6-轴承座；7-底板；8-超声变幅杆；9-超声换能器；10-弹簧组；11-传动连杆；12-振动连接盘；13-曲轴；14-曲轴座；15-伺服电机；16-电机支座；17-万向伸缩联轴器；18-齿轮支架；19-齿轮组；20-齿轮组底座；21-输入轴；22-轧机牌坊；23-导轨；24-步进电机；25-超声发生器。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细的说明。
如图1-6所示，根据本发明技术方案的一种金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，主要包括轧制机构、机械振动机构和超声振动机构三部分，机械振动机构采用曲轴连杆致动的方式安装在轧制机构的第一工作辊1的侧面，驱动第一工作辊1进行周期性的机械振动；超声振动机构与第二工作辊2连接，驱动第二工作辊2发生超声振动。
轧制机构包括第一工作辊1、第二工作辊2、盖板3、压下装置4、轴承座6、底板7、弹簧组10、万向伸缩联轴器17、齿轮支架18、齿轮组19、齿轮组底座20、输入轴21、轧机牌坊22和步进电机24；其中，输入轴21与步进电机24固定连接，为第一工作辊1提供驱动力，通过转动安装在齿轮支架18上的齿轮组19将轧制力矩分流至第二工作辊2，轧制力矩的输入端通过万向伸缩联轴器17分别与第一工作辊1和第二工作辊2连接，盖板3固定安装在轧机牌坊22的上方，压下装置4通过螺纹的方式安装在盖板3上，通过调整安装在盖板3上的压下装置4的旋进量调整轧制压下量；轧机牌坊22和齿轮组底座20安装在底板7上，齿轮组底座20用于固定安装齿轮支架18；弹簧组10用于平衡第二工作辊2的重力。
机械振动机构包括滑块5、传动连杆11、振动连接盘12、曲轴13、曲轴座14、伺服电机15、电机支座16和导轨23；其中，机械振动的驱动力由伺服电机15提供，伺服电机15固定安装在电机支座16上，所述曲轴13与所述传动连杆11连接，并通过曲轴13与传动连杆11将转动转换为线性往复振动，振动连接盘12转动安装在第一工作辊1的轴的侧面，由伺服电机15驱动传动连杆11迫使第一工作辊1做机械往复振动；为了降低第一工作辊1振动时的摩擦阻力，将下方的两个轴承座6安装在滑块5上，导轨23固定安装在轧机牌坊22上，导轨23与滑块5之间滑动安装。
超声振动机构包括超声变幅杆8、超声换能器9和超声发生器25；其中，超声振动机构的超声振动频率由超声发生器25控制，并通过超声换能器9中的压电陶瓷将电能转变为机械能；超声发生器25固定安装在曲轴座14上，超声变幅杆8与超声换能器9通过双头螺柱连接，超声变幅杆8固定安装在第二工作辊2的轴端侧面，在轧制时随着第二工作辊2同步转动。
此外，超声振动机构还可以安装在第二工作辊2的上方或下方，如图5所示，驱动第二工作辊2进行上下振动；也可以布置在第二工作辊2的轧制方向的前方或后方，如图6所示，驱动第二工作辊2进行沿轧制方向的超声振动。
进一步地，机械振动机构的机械振动频率f1i例如为1～100Hz，超声振动机构的超声振动频率f2i例如为1～50kHz。
进一步地，第一工作辊1和第二工作辊2分别是上工作辊或下工作辊，轧制机构包括例如0～20个中间辊或支撑辊。
进一步地，超声变幅杆8与超声换能器9之间紧密连接，并涂覆超声波耦合剂以排除空气，减小界面传递的阻抗，超声换能器9的连接线采用电刷连接。
本发明技术方案还提供一种采用上述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备的振动轧制复合方法，具体步骤如下：
第一步：根据金属层叠坯料的临界压下量调节压下装置4以改变第一工作辊1与第二工作辊2之间的辊缝；
第二步：启动步进电机24，并通过计算机程序控制第一工作辊1和第二工作辊2的转速，使第一工作辊1和第二工作辊2以vi的轧制速度稳定转动；
第三步：启动伺服电机15使第一工作辊1以f1i的机械振动频率(f1i的频率调节范围例如为1～100Hz)沿轴向进行机械振动；同时启动超声发生器25，使第二工作辊2以f2i的超声振动频率(f2i的超声振动频率调节范围例如为1～50kHz)与超声换能器9和超声变幅杆8发生稳定的超声振动；
第四步：待第一工作辊1和第二工作辊2的转动与第一工作辊1的机械振动和第二工作辊2的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过处理后的室温状态或加热状态的金属层叠坯料按照易变形金属材料与第一工作辊1接触、难变形金属材料与第二工作辊2接触的方式送入第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝中；其中，易变形金属材料是指金属层叠坯料中最容易变形的组元金属材料，难变形金属材料是指金属层叠坯料中最难以变形的组元金属材料；
第五步：在轧制速度vi、机械振动频率f1i和超声振动频率f2i的条件下，对金属层叠坯料进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量金属层状复合材料。
这里，根据需要将金属层状复合材料进行例如1～10道次的后续复合轧制成形。
实施例1
铜/铝层状复合材料的超声-机械耦合振动轧制复合(原始坯料厚度为2mm铝板+1mm铜板)：
首先利用压下装置4将第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝调节为1.8mm(铜/铝层叠坯料的临界压下量为40％)，启动步进电机24，通过计算机程序控制第一工作辊1和第二工作辊2以vi＝1m/min的轧制速度进行稳定转动；启动伺服电机15，使第一工作辊1以f1i＝50Hz的机械振动频率沿轴向进行机械振动，然后启动超声发生器25，使第二工作辊2以f2i＝20kHz的超声振动频率与超声换能器9和超声变幅杆8发生稳定的超声振动；待第一工作辊1和第二工作辊2的转动与第一工作辊1的机械振动和第二工作辊2的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过机械打磨处理后的室温状态的铜/铝层叠坯料按照铝板与第一工作辊1接触、铜板与第二工作辊2接触的方式送入第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝中，进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量铜/铝层状复合材料。
实施例2
铜/铝层状复合材料的超声-机械耦合振动轧制复合(原始坯料厚度为1.5mm铝板+1.3mm铜板)：
首先利用压下装置4将第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝调节为1.9mm(铜/铝层叠坯料的临界压下量为32％)，启动步进电机24，通过计算机程序控制第一工作辊1和第二工作辊2以vi＝1m/min的轧制速度进行稳定转动；启动伺服电机15，使第一工作辊1以f1i＝20Hz的机械振动频率沿轴向进行机械振动，然后启动超声发生器25，使第二工作辊2以f2i＝25kHz的超声振动频率与超声换能器9和超声变幅杆8发生稳定的超声振动；待第一工作辊1和第二工作辊2的转动与第一工作辊1的机械振动和第二工作辊2的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过机械打磨处理后的室温状态的铜/铝层叠坯料按照铝板与第一工作辊1接触、铜板与第二工作辊2接触的方式送入第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝中，进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量铜/铝层状复合材料。
实施例3
镁/铝层状复合材料的超声-机械耦合振动轧制复合(原始坯料厚度为2mm镁板+1mm铝板)：
首先利用压下装置4将第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝调节为1.8mm(镁/铝层叠坯料的临界压下量为40％)，启动步进电机24，通过计算机程序控制第一工作辊1和第二工作辊2以vi＝1m/min的轧制速度进行稳定转动；启动伺服电机15，使第一工作辊1以f1i＝70Hz的机械振动频率沿轴向进行机械振动，然后启动超声发生器25，使第二工作辊2以f2i＝30kHz的超声振动频率与超声换能器9和超声变幅杆8发生稳定的超声振动；待第一工作辊1和第二工作辊2的转动与第一工作辊1的机械振动和第二工作辊2的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过机械打磨处理后的镁/铝层叠坯料进行加热处理，加热温度为400℃、加热时间为10min，然后按照铝板与第一工作辊1接触、镁板与第二工作辊2接触的方式送入第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝中，进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量镁/铝层状复合材料。
实施例4
镁/铝层状复合材料的超声-机械耦合振动轧制复合(原始坯料厚度为1mm镁板+1mm铝板)：
首先利用压下装置4将第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝调节为1.4mm(镁/铝层叠坯料的临界压下量为30％)，启动步进电机24，通过计算机程序控制第一工作辊1和第二工作辊2以vi＝1m/min的轧制速度进行稳定转动；启动伺服电机15，使第一工作辊1以f1i＝90Hz的机械振动频率沿轴向进行机械振动，然后启动超声发生器25，使第二工作辊2以f2i＝45kHz的超声振动频率与超声换能器9和超声变幅杆8发生稳定的超声振动；待第一工作辊1和第二工作辊2的转动与第一工作辊1的机械振动和第二工作辊2的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过机械打磨处理后的镁/铝层叠坯料进行加热处理，加热温度为400℃、加热时间为10min，然后按照铝板与第一工作辊1接触、镁板与第二工作辊2接触的方式送入第一工作辊1和第二工作辊2之间的辊缝中，进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量镁/铝层状复合材料。
综上，本发明技术方案通过机械振动机构驱动第一工作辊做周期性的机械振动，使第一工作辊和第二工作辊分别带动与各自接触的金属材料产生周期性的微小错动，提高待复合界面的剪切摩擦力，增强金属层状复合材料的界面结合强度；并且通过布置在第二工作辊上的超声振动机构为轧制复合的变形区引入超声能量，采取将外表面和待复合表面经过处理后的室温状态或加热状态的金属层叠坯料按照易变形金属材料与第一工作辊接触、难变形金属材料与第二工作辊接触的组坯方式，可以有效地协调异种组元金属材料的变形差异，降低金属层状复合材料的内部残余应力，提高金属层状复合材料的几何尺寸精度。本发明的超声-机械耦合振动轧制复合设备将超声振动和机械振动进行有机协同耦合，充分发挥了两种振动在金属层状复合材料的制备加工过程中的优势，在提高待复合界面错动率的同时降低了异种组元金属材料之间的变形差异，大大提高了金属层状复合材料的整体质量。本发明振动轧制复合方法工序简单，实施方便，生产效率高、成本低，制备的金属层状复合材料的界面结合强度高、几何尺寸精度好、内部残余应力低，不存在各向异性等问题。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，包括轧制机构、机械振动机构和超声振动机构；所述机械振动机构采用曲轴连杆致动的方式安装在所述轧制机构的第一工作辊(1)的侧面，驱动所述第一工作辊(1)进行周期性的机械振动；所述超声振动机构与第二工作辊(2)连接，驱动所述第二工作辊(2)发生超声振动。
2.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述轧制机构包括所述第一工作辊(1)、所述第二工作辊(2)、盖板(3)、压下装置(4)、轴承座(6)、底板(7)、弹簧组(10)、万向伸缩联轴器(17)、齿轮支架(18)、齿轮组(19)、齿轮组底座(20)、输入轴(21)、轧机牌坊(22)和步进电机(24)；其中，所述输入轴(21)与所述步进电机(24)固定连接，所述齿轮组(19)转动安装在所述齿轮支架(18)上，轧制力矩的输入端通过所述万向伸缩联轴器(17)分别与所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)连接，所述盖板(3)固定安装在所述轧机牌坊(22)的上方，所述压下装置(4)通过螺纹的方式安装在所述盖板(3)上；所述轧机牌坊(22)和齿轮组底座(20)安装在所述底板(7)上，所述齿轮组底座(20)用于固定安装所述齿轮支架(18)；所述弹簧组(10)用于平衡所述第二工作辊(2)的重力。
3.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述机械振动机构包括滑块(5)、传动连杆(11)、振动连接盘(12)、曲轴(13)、曲轴座(14)、伺服电机(15)、电机支座(16)和导轨(23)；其中，所述伺服电机(15)固定安装在所述电机支座(16)上，所述曲轴(13)与所述传动连杆(11)连接，所述振动连接盘(12)转动安装在所述第一工作辊(1)的侧面，由所述伺服电机(15)驱动所述传动连杆(11)，使所述第一工作辊(1)做机械往复振动；两个所述轴承座(6)安装在所述滑块(5)上，所述导轨(23)固定安装在所述轧机牌坊(22)上，所述导轨(23)与所述滑块(5)之间滑动安装。
4.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述超声振动机构包括超声变幅杆(8)、超声换能器(9)和超声发生器(25)；其中，所述超声振动机构的超声振动频率由所述超声发生器(25)控制；所述超声发生器(25)固定安装在所述曲轴座(14)上，所述超声变幅杆(8)与所述超声换能器(9)通过双头螺柱连接，所述超声变幅杆(8)固定安装在所述第二工作辊(2)轴端侧面。
5.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述超声振动机构安装在所述第二工作辊(2)的上方或下方。
6.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述超声振动机构安装在所述第二工作辊(2)的轧制方向的前方或后方。
7.如权利要求1所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述机械振动机构的机械振动频率f1i为1～100Hz，所述超声振动机构的超声振动频率f2i为1～50kHz。
8.如权利要求2所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在于，所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)分别是上工作辊或下工作辊，所述轧制机构包括0～20个中间辊或支撑辊。
9.如权利要求4所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备，其特征在，所述超声变幅杆(8)与所述超声换能器(9)之间紧密连接，并涂覆超声波耦合剂；所述超声换能器(9)的连接线采用电刷连接。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述金属层状复合材料超声-机械耦合振动轧制复合设备的振动轧制复合方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：根据金属层叠坯料的临界压下量调节所述压下装置(4)以改变所述第一工作辊(1)与所述第二工作辊(2)之间的辊缝；
第二步：启动所述步进电机(24)，并通过计算机程序控制所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)的转速，使所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)以vi的轧制速度稳定转动；
第三步：启动所述伺服电机(15)使所述第一工作辊(1)以f1i的机械振动频率沿轴向进行机械振动，f1i的机械振动频率调节范围为1～100Hz；同时启动所述超声发生器(25)，使所述第二工作辊(2)以f2i的超声振动频率与所述超声换能器(9)和所述超声变幅杆(8)发生稳定的超声振动，f2i的超声振动频率调节范围为1～50kHz；
第四步：待所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)的转动与所述第一工作辊(1)的机械振动和所述第二工作辊(2)的超声振动都稳定后，将外表面和待复合表面经过处理后的室温状态或加热状态的所述金属层叠坯料按照易变形金属材料与所述第一工作辊(1)接触、难变形金属材料与所述第二工作辊(2)接触的方式送入所述第一工作辊(1)和所述第二工作辊(2)之间的辊缝中；
第五步：在轧制速度vi、机械振动频率f1i和超声振动频率f2i的条件下，对所述金属层叠坯料进行超声-机械耦合振动轧制复合，获得复合界面实现强冶金结合的高质量金属层状复合材料。
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