CN212238616U - 超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及槽型材轧制技术领域，尤其涉及一种超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线。沿轧制线依次设有左水平校准轧辊、预轧制轧辊、左超声振动轧辊、左电刷、轧辊组、右电刷、右超声振动轧辊、右高度校准轧辊与右水平校准托辊，所述左、右水平校准轧辊由水平设置的左右轧辊组成，预轧制轧辊与右高度校准轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，左、右超声振动轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，轧辊组由垂直设置的上下轧辊组成；超声波振动模块与左、右超声振动轧辊相连，并带动左、右超声振动轧辊超声振动；左电刷与右电刷与脉冲电流源相连。降低楔形腔型材轧制难度，提高轧制效率，提高楔形腔型材尺寸精度与表面光洁度。

Description

超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线

技术领域

本实用新型涉及槽型材轧制技术领域，尤其涉及一种超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线。

背景技术

金属材质的细颈楔形腔型材可选择的制备工艺主要有冷/温/热挤压成型工艺、冷/温/ 热拉拔成型工艺、铣削工艺和电火花线切割工艺。常见的金属材质细颈楔形腔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。这类细颈楔形腔型材主要采用冷/温/热挤压成型,或者冷/温/热拉拔成型工艺制备。然而，如果制备屈服强度、变形抗力和硬度较高、成形应变极限较低的金属材质细颈楔形腔，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缺陷。而对于屈服强度和硬度较高、成形应变极限较低的金属材质细颈楔形腔型材，比如中/高碳钢材质细颈楔形腔型材，还可选择采用铣削工艺和电火花线切割工艺进行加工。但是，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细颈楔形腔腔体短边开口宽度，细小刀杆降低了刀具铣削过程中的整体刚度，进而降低加工速度和加工过程的稳定性，降低加工精度。而且，对于细颈楔形腔腔体细颈部位宽度和高度过小的型材，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，导致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。考虑到细颈楔形腔的几何形状复杂，这种工艺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细颈楔形腔型材的过程中，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，如何在保证细颈楔形腔型材尺寸精度、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/高碳钢带料制备细颈楔形腔型材，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、集肤效应和对微小空洞和微裂纹的修复融合和止裂效应。这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，如果直接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，这会导致金属轧辊表层温度升高明显，进而引发轧辊表层金属软化和氧化，降低轧辊表面强度、硬度、耐用性、耐磨性和服役寿命，降低轧辊加工效能等问题。这势必会增加换辊、修辊的频率，进而增加生产成本和延误工期，最终降低轧辊加工效费比。如何能进一步弱化导通脉冲电流产生的热效应带来的不良影响，但让能有效降低成型难度，成为有待解决的问题。

在电流辅助的辊轧轧制成型过程中，为了降低轧辊与毛坯带料之间的接触电阻，稳定地维持较低的接触电阻状态，并降低成型后零件表面锈蚀风险，通常会采用在不添加任何润滑液体/流体的状态下展开辊轧轧制成型加工。但是，在传统辊轧轧制成型过程中，行业内的惯例是需要以一定速率向毛坯零件表面喷涂/涂抹/刷涂具有润滑和冷却功能的流体 /液体，以实现降低轧辊和毛坯带料接触表面摩擦系数，目的是降低型材与轧辊之间磨损，提升散热效率，降低发热升温幅度，实现提升辊轧成型后零件表面光洁度，降低成型零件表面粗糙度的目的，以及同时还可以降低轧辊和毛坯带料之间的摩擦生热幅度，抑制辊轧毛坯带料过程中升温对毛坯带料、零件和轧辊的热负荷和热变形偏大之类的不良影响。在辊轧毛坯带料过程中在毛坯带料表面出现具有润滑和冷却功能的流体/液体条件下，如果液体/流体电阻率较低，以及接触不良，这通常会引发通电系统绝缘性能的劣化，提升系统的绝缘难度，而通电状态下存在的持续电场激励也会影响到润滑和冷却功能的流体/液体化学成分的稳定性和物理功能发挥的稳定性；另外一方面，如果液体/流体电阻率较高，这必然会增大轧辊和毛坯带料表面的总的接触电阻，劣化通电效率和效果，提升毛坯带料、轧辊和成型型材之间接触表面的发热量和升温幅度，增大轧辊和毛坯带料的热负荷、热变形和被腐蚀的风险，增加通电的能量损耗。由此可见，在通电辊轧过程中不施加润滑和冷却功能的流体/液体前提下，降低轧辊和带料之间接触摩擦系数，进而降低因摩擦系数偏高导致的发热显著、热变形显著和型材表面剧烈磨损，就成为通电辊轧成型工艺必须解决的一个突出难题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线。首先能降低金属毛坯带料辊轧成形过程中型材带料变形抗力，提高金属毛坯带料成型极限和工艺加工成形性能，降低金属型材毛坯带料的辊轧工艺加工成型难度；其次，显著提升辊轧轧制成型后成型型材带料几何和尺寸精度、表面形貌的光洁度，降低所需加工能耗；再次，实现对辊轧成型后楔形腔型材的细颈结构和型材楔形腔尺寸参数精度等级的精确调控。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，沿轧制线依次设有左水平校准轧辊、预轧制轧辊、左超声振动轧辊、左电刷、轧辊组、右电刷、右超声振动轧辊、右高度校准轧辊与右水平校准托辊，所述左、右水平校准轧辊由水平设置的左右轧辊组成，预轧制轧辊与右高度校准轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，左、右超声振动轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，轧辊组由垂直设置的上下轧辊组成；超声波振动模块与左、右超声振动轧辊相连，并带动左、右超声振动轧辊超声振动；左电刷与右电刷与脉冲电流源相连。

所述左水平校准轧辊安装在左水平校准轧辊基座上，预轧制轧辊安装在预轧制轧辊基座上，左超声振动轧辊安装在左超声振动轧辊基座上，右超声振动轧辊安装在右超声振动轧辊基座上，右高度校准轧辊安装在右高度校准轧辊基座上，右水平校准托辊安装在右水平校准托辊基座上。

所述左水平校准轧辊的左右轧辊与型材毛坯带料的左右两侧弹性接触，左右轧辊形状与型材毛坯带料的左右两侧表面相应；右水平校准轧辊组的左右轧辊与辊轧成型后的型材的左右两侧弹性接触，左右轧辊形状与楔形腔型材带料的左右两侧表面相应；左水平校准轧辊、右水平校准轧辊组的左右轧辊均为圆柱体形轧辊。

所述预轧制轧辊上下轧辊形状与型材毛坯带料的上下表面形状仿形设置；右高度校准轧辊的上下轧辊形状与辊轧成型后的型材的上下表面形状仿形设置。

所述左、右高度校准轧辊上下轧辊与型材毛坯带料的上下表面弹性接触；预轧制轧辊的上轧辊的辊面为类M形，预轧制轧辊的下轧辊为圆柱体形轧辊；右高度校准轧辊的上下轧辊为圆柱体形轧辊。

所述左超声振动轧辊包括上下设置的两个上轧辊与一个下轧辊；两个上轧辊形状与毛坯带料上表面形状仿形设置，下轧辊为圆柱形的平辊；所述右超声振动轧辊包括上下设置的两个上轧辊与一个下轧辊；两个上轧辊形状与毛坯带料上表面形状仿形设置，下轧辊为圆柱形的平辊。

所述轧辊组的上下轧辊的辊面上设有环带，环带宽度与楔形腔型材楔形腔细颈宽度相应，环带厚度与楔形腔型材楔形腔深度相应。

所述左水平校准轧辊、预轧制轧辊、左超声振动轧辊、轧辊组、右超声振动轧辊、右高度校准轧辊、右水平校准托辊的轧辊采用陶瓷托辊。选择硬度和韧性平衡性能突出的陶瓷轧辊，不仅可降低由于电流流经金属轧辊产生焦耳热导致的热积累和显著升温-软化行为，确保轧辊服役期间辊轧成品型材的精度、品质和轧辊的服役寿命，还能够根据细颈楔形腔型材不同等级的表面光洁度要求，将陶瓷轧辊加工为具有不同粗糙度的表面，进而实现型材与轧辊接触摩擦系数的择优调控和匹配。

所述左电刷与右电刷包括a、b、c和d其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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的上刷头下表面与型材毛坯带料的上表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头下表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头上表面与型材毛坯带料的下表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头上表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头下表面与型材毛坯带料的上表面接触配合，安装于轧辊组后的电刷的右刷头上表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头上表面与型材毛坯带料的下表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头下表面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正极相连，另外一电刷与脉冲电源的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与被轧制的型材之间形成电流回路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、依据辊轧前待轧带料的横截面形状，配合具有择优设置和设计的环带状突出的轧辊，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、具有细颈结构的楔形腔中空型材，同时保证细颈高度和宽度的幅值和精度，降低生产工具和流程的设计和加工难度，节省原材料，降低生产成本和成形难度，提高生产效率。

2、电热效应、电致塑性效应、脉冲电流对应变偏大产生的空洞和微裂纹的电涡流修复和愈合、超声软化效应综合作用，可实时降低带料辊轧过程中的变形抗力、屈服强度和硬度，在不改变毛坯带料金属种类、热处理状态、应力硬化水平的前提下，显著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同一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和工作寿命长度。

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，实现成型后细颈楔形腔型材微观结构的细晶强化，提升轧制后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；在脉冲电流流经毛坯带料和超声波振动毛坯带料引起热效应、电致塑性和超声软化效应综合作用于辊轧过程中的毛坯带料，有利于提升金属材料的塑性，降低工件的变形抗力，降低塑性变形成型对能源消耗；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。

4、本实用新型中对细颈楔形腔辊轧成型过程属于无液体/流体润滑和散热的塑性成型过程。由于无液体/流体，具有防止腐蚀，稳定轧辊和毛坯带料接触电阻的优势。但是，这同时带来辊轧和毛坯带料接触表面摩擦系数增大，导致辊轧过程发热严重，轧辊热负荷和热变形显著，轧辊和成型后细颈楔形腔表面磨损损耗严重的问题。为了解决这一问题，本专利通过采用施加超声波振动的方法，降低无润滑和散热液体/流体条件下，轧辊和毛坯带料之间接触表面摩擦系数，实现降低摩擦发热量，降低轧辊表面热积累速度、热负荷程度和热变形水平的功能，进而实现降低由于升温导致的磨损损耗速度过高的目的。上述优势会提升硬度、屈服强度和变形抗力偏大金属毛坯带料辊轧的可加工性能，也会使轧制之后工件表面的质量较为光洁，且加工成形所需能量较低，加工成型效率也可以显著提升。

5、由于辊轧最初引入毛坯带料的时候，此时轧辊需要与毛坯带料接触表面之间有较大接触摩擦系数，即较高幅值的摩擦力才有利于带入毛坯带料进入上下轧辊之间进行辊轧。因此，超声振动不是在辊轧最初时刻施加振动，而是在毛坯带料已经引入轧辊，辊轧毛坯带料过程已经正常运行状态下，才施加优化幅值、频率和功率的超声波振动，最大化超声软化效应和超声振动对接触摩擦系数效能。

附图说明

图1是本实用新型结构示意与工艺流程图。

图2是本实用新型楔形腔型材横截面示意图。

图3是图1的A向剖视图。

图4是图1的B向剖视图。

图5是图4的型材毛坯带料的横截面结构参数示意图，具体结构参数包括α1：毛坯型材带料脱模角；h1：毛坯高度；w1毛坯型材带料宽度；r1：顶部圆角半径。

图6是图1的C向剖视图。

图7是图6的型材毛坯带料横截面结构参数示意图，其中α2为毛坯型材预轧制后带料脱模角；h2为毛坯带料次高度；h3为毛坯带料总高度；w2为毛坯型带料内宽度；w2 为毛坯型带料外宽度。择优设计脱模角度的大小幅值，流畅化上轧辊辊轧进入毛坯型材带料和脱离型材带料过程。

图8是图1的D向剖视图。

图9是图1的E向剖视图。

图中：1-脉冲电流源 2-毛坯带料 3-左水平校准轧辊 4-预轧制轧辊 5-左超声振动轧辊 6-左电刷 7-上轧辊 8-右电刷 9-右超声振动轧辊 10-右高度校准轧辊 11-右水平校准轧辊 12-左水平校准轧辊基座 13-预轧制轧辊基座 14-左超声振动轧辊基座 15-左超声振动模块 16-下平辊 17-右超声振动模块 18-右超声振动轧辊基座 19-右高度校准轧辊基座 20-右水平校准轧辊基座

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，沿轧制线依次设有左水平校准轧辊3、预轧制轧辊4、左超声振动轧辊5、左电刷6、轧辊组、右电刷8、右超声振动轧辊9、右高度校准轧辊10与右水平校准托辊11。左水平校准轧辊3与右水平校准轧辊11由水平设置的左右轧辊组成，预轧制轧辊4与右高度校准轧辊9由垂直设置的上下轧辊组成，左超声振动轧辊5与右超声振动轧辊9由垂直设置的上下轧辊组成，轧辊组由垂直设置的上轧辊7与下平辊16组成。左超声波振动模块15与左超声振动轧辊5相连，并带动左振动轧辊5超声振动；右超声波振动模块17与右超声振动轧辊9相连，并带动右超声振动轧辊9超声振动。左电刷6与右电刷8与脉冲电流源1相连。

左水平校准轧辊5安装在左水平校准轧辊基座12上，预轧制轧辊4安装在预轧制轧辊基座13上，左超声振动轧辊5安装在左超声振动轧辊基座14上，右超声振动轧辊9安装在右超声振动轧辊基座18上，右高度校准轧辊10安装在右高度校准轧辊基座19上，右水平校准托辊11安装在右水平校准托辊基座20上。

两个电刷形成电刷组(左电刷6和右电刷8)，并且毛坯带料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下表面与辊轧成型后型材(2)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上表面与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头上表面与辊轧成型后型材(2)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上表面与辊轧成型后型材(2)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上表面与型材毛坯带料2的下表面接触配合，安装于轧辊后的电刷的刷头下表面与辊轧成型后型材2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1正极相连，另外一电刷与脉冲电源1的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与被轧制的型材(2) 之间形成电流回路。

两个超声波振动模块包括左右两组，左侧组包括左超声振动轧辊5、左超声振动模块 15和左超声振动轧辊基座14，右侧组包括右超声振动轧辊9、右超声振动模块17和右超声轧辊基座18，各自分别布置于细颈楔形腔型材辊轧成型前后进出位置形成超声波振动组，实现对辊轧细颈楔形腔型材过程中施加超声波激励，实现超声软化和降低金属型材表面摩擦系数的效果，并且整个轧制过程中超声振动模块的安装方式具体细节如下：

(a)左超声振动轧辊5位于辊轧细颈楔形腔型材毛坯带料2的进口阶段，两个轧辊各自上、下布置，分别与毛坯带料2上、下表面呈仿形接触，择优配合状态。上轧辊与毛坯带料2上表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2上表面呈现仿形接触；下轧辊与毛坯带料 2下表面形状呈现仿形形状，由于毛坯带料2下表面为平面，所以下轧辊空间形状为圆柱体的平辊。上、下两个轧辊与毛坯带料2处于表面弹性变形接触状态的过渡配合适配状态，择优配合状态。超声波振动模块15位于左超声轧辊基座14上，产生的超声振动可以通过带动上、下轧辊，进而施加给毛坯型材带料，从而改善毛坯带料2与上平辊7和下平辊 16接触表面之间的摩擦状态，降低毛坯带料2辊轧成型过程中的接触轧辊表面的摩擦系数，从而达到降低成型所需能量和摩擦发热程度的效果。

(b)右超声振动轧辊9位于辊轧细颈楔形腔型材毛坯带料2辊轧终成型后的出口段，轧辊分上、下布置，分别与毛坯带料2上、下表面仿形接触，择优配合状态。上轧辊与毛坯带料2上表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2上表面仿形接触，择优配合状态；下轧辊与毛坯带料2下表面形状呈现仿形形状，由于毛坯带料2下表面为平面，所以下轧辊空间形状为圆柱体的平辊。上、下两个轧辊与毛坯带料2处于表面弹性变形接触状态的过渡配合适配状态，择优配合状态。右超声波振动模块17固定于右超声轧辊基座18上，产生的超声振动可以通过带动上、下轧辊施加给毛坯带料2，从而改善毛坯带料2与接触表面之间的摩擦状态，从而实现降低毛坯带料2辊轧成型过程中的摩擦系数，从而达到降低成型所需能量和摩擦发热程度的目的。

通过上述左、右超声轧辊组对型材毛坯带料2的作用激励注入超声振动形式能量，降低上轧辊7和下平辊16和毛坯带料2接触表面之间接触摩擦系数，从而减缓/降低由于接触摩擦系数偏高所引发的辊轧成型过程中一系列常见问题，比如型材和轧辊发热量偏高、型材和轧辊表面磨损过快和毛坯带料成型后表面粗糙度偏高等缺陷。

左水平校准轧辊3固定于左水平校准轧辊基座12之上，左水平校准轧辊3和左水平校准轧辊基座12布置于毛坯带料2辊轧预成型之前阶段，右水平校准轧辊11固定于右水平校准轧辊基座20上，右水平校准轧辊11和右水平校准轧辊基座20分别设置于毛坯带料2终辊轧成型和高度校准(10)之后的出口阶段。两组水平校准轧辊和水平校准轧辊基座布置于细颈楔形腔型材辊轧成型前和后，除了实现对毛坯带料2对上平辊7和下平辊 16的水平方向的定位和校准精度协调和保证之外，还实现终辊轧成型之前的预辊轧成型 (4)，降低终辊轧成型难度，同时提升辊轧成型精度。

为了实现确定对辊轧供给毛坯带料2和细颈楔形腔型材水平方向定位和校准精度，整个轧制过程中左水平校准轧辊3和右水平校准轧辊11安装方式如下：

左水平校准轧辊3位于辊轧细颈楔形腔型材毛坯带料2预辊轧成型之前的进口段，两个轧辊各自相对毛坯带料2呈现左、右布置，分别与毛坯带料2左、右侧面表面接触。左轧辊与毛坯带料2左侧表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2左表面仿形接触，择优配合状态；右轧辊与毛坯带料2右表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2右表面接触，择优配合状态。由于毛坯带料2左、右表面皆为平面，所以左、右轧辊空间形状为圆柱体状的平辊。左、右两个轧辊与毛坯带料2左、右侧表面均处于表面接触状态为择优的弹性变形状态的过渡配合适配状态，与毛坯带料2侧面接触产生的弹力可以施加给毛坯带料2，从而为确保毛坯带料2引入上平辊7和下平辊16之间的水平方向定位精度提供支撑。

右水平校准轧辊11位于辊轧细颈楔形腔型材毛坯带料2的出口段，两个轧辊各自左、右布置，分别与毛坯带料2左、右侧表面接触，择优配合状态。左轧辊与毛坯带料2左侧表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2左侧表面接触；右轧辊与毛坯带料2右侧表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2右侧表面接触，择优配合状态。由于毛坯带料2左、右侧表面皆为平面，所以左、右轧辊空间形状为圆柱体的平辊。左、右两个轧辊与毛坯带料2左、右侧表面接触状态皆为处于表面弹性变形的过渡配合适配状态，择优配合状态，与毛坯带料2侧面接触产生的弹力可以施加给毛坯带料2，从而为确保毛坯带料2引入上平辊7 和下平辊16之间的水平方向定位精度提供支撑和保证。

通过上述左水平校准轧辊3和右水平校准轧辊11确保对毛坯带料2运行水平方向定位和校准精度，降低毛坯带料2和细颈楔形腔型材运行的水平运动误差，从而减缓一系列由于毛坯带料2和细颈楔形腔带料在辊轧成型过程中由于水平误差偏高引发的诸如辊轧形状偏差过大、运行过程不稳定、尺寸精度超差等一系列问题。

预轧制轧辊4固定于预轧制轧辊基座13上，预轧制轧辊4和预轧制轧辊基座13布置于毛坯带料被施加超声振动之前的进口段，右高度校准轧辊10固定于右高度校准轧辊基座19上，右高度校准轧辊10和右高度校准轧辊基座19分别设置于毛坯带料被施加超声振动之后的出口段。两组轧辊和轧辊基座布置于细颈楔形腔型材被施加超声振动之前和之后，实现对毛坯带料2引入上轧辊7和下平辊16的高度定位和校准精度协调和保证。

实现确定对辊轧供给毛坯带料2高度方向定位和校准精度，整个轧制过程中预轧制轧辊4和右高度校准轧辊10安装方式如下：

预轧制轧辊4位于毛坯型材带料2被施加超声振动激励的进口段，两个轧辊各自相对毛坯带料呈现上、下布置，分别与毛坯带料2上、下表面接触。上轧辊与毛坯带料2上表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2上表面接触；下轧辊与毛坯带料2下表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2下表面接触。由于毛坯带料2上表面为近C形形状，所以上轧辊空间形状为类“M”形状的异形轧辊。由于毛坯带料2下表面为平面，所以下轧辊空间形状为圆柱体状的平辊。上、下两个轧辊与毛坯带料2上、下表面均处于表面接触状态为弹性变形状态，择优的过渡配合适配状态，与毛坯带料2表面接触产生的弹力可以施加给毛坯带料2，从而为确保毛坯带料2引入上轧辊7和下平辊16之间的高度方向定位精度提供支撑。

右高度校准轧辊10位于毛坯型材带料2被超声激励后的出口段，两个轧辊各自上、下布置，分别与毛坯带料2上、下表面接触。上轧辊与毛坯带料2上表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2上表面接触；下轧辊与毛坯带料2下表面形状呈现仿形形状，与毛坯带料2下表面接触。由于与毛坯带料2上、下表面皆为平面，所以上、下轧辊空间形状为圆柱体的平辊。上、下两个轧辊与毛坯带料2上、下表面接触状态皆为处于表面弹性变形，择优过渡配合适配状态，与毛坯带料2上、下侧面接触产生的弹力可以施加给毛坯带料2，从而为确保毛坯带料2引入上轧辊7和下平辊16之间的高度方向定位精度提供支撑。

通过上述预轧制轧辊4和右高度校准轧辊10确保对毛坯带料2运行高度方向定位和校准精度，降低毛坯带料2供料运行的高度运动误差，从而减缓一系列由于毛坯带料2在上轧辊7和下平辊16辊轧成型过程中由于高度定位误差偏高引发的诸如辊轧形状误差过大、辊轧运行过程不稳定、成型后细颈楔形腔尺寸精度超差等一系列问题。

上述布置位置均以能合格完成辊轧细颈楔形腔型材为准，各个装置彼此相对位置的前后左右布置均不唯一固定。

在本实用新型中，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，即左电刷6与右电刷8分别位于上轧辊7和下平辊16之前和之后，并且分别与脉冲电流源1 相连时，为本实用新型所述的(a)安装方式；即左电刷6与右电刷8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1相连时，为本实用新型所述的(b)安装方式；左电刷6与右电刷8分别位于上轧辊7和下平辊16之前和之后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本实用新型所述的(c)安装方式；左电刷6与右电刷8分别位于上轧辊7和下平辊16之前和之后，并且分别与脉冲电源4相连时，为本实用新型所述的(d) 安装方式。无论电刷组为何种安装方式，脉冲电源4的电流均能够与被轧制的毛坯带料2 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7和下平辊16相对转动的带动下从上轧辊7和下平辊16之前运行至轧辊之后成型。

图2为实施例所示具体的成型后的细颈楔形腔型材横截面几何结构示意图，成型后型材横截面几何形状不仅包括中空楔形腔形状，还包括细颈结构的宽度和高度，具体参数需要通过成型控制获得有一定等级的精度。图中L代表内宽度，D代表外宽度，H代表型材高度。由于细颈结构中细颈宽度值较小，这导致传统的对楔形腔中空型材的铣削加工难以实施。图3为实施例所示具体的左水平校准轧辊A-A剖面示意图，终辊轧成型细颈楔形腔型材环节之前，对待轧制带料实现毛坯带料型材的水平定位和校准功能环节，展示了包括待辊轧成型的型材毛坯带料和左水平校准轧辊的横截面形状结构，以及相互配合示意图，对应着图1总流程示意图中的A-A剖面。图4为实施例所示具体的辊轧细颈楔形腔型材之前，对待轧制带料实现预辊轧成型，以及高度定位和校准功能环节的进入状态毛坯带料和相应轧辊关系示意图。

图5为实施例所示具体的预轧制前毛坯型材横截面结构参数示意图，具体结构参数包括α1：毛坯型材带料脱模角；h1：毛坯高度；w1毛坯型材带料宽度；r1：顶部圆角半径。

图6为实施例所示具体的预轧制后，终辊轧环节之前，毛坯型材带料在辊轧入口端C-C剖面示意图，辊轧细颈楔形腔型材之前已预轧制成型的毛坯带料结构的环节，展示了包括已预辊轧成型细颈楔形腔的型材带料，上轧辊和下平辊的横截面形状结构和配合示意图，本图对应着图1中的C-C剖面。其中，上轧辊与预辊轧成型后毛坯带料上端几何形状仿形，上轧辊和毛坯带料之间择优配合。

图7为预轧制后终轧制之前毛坯型材带料横截面结构参数示意图，其中α2为毛坯型材预轧制后带料脱模角；h2为毛坯带料次高度；h3为毛坯带料总高度；w2为毛坯型带料内宽度；w2为毛坯型带料外宽度。择优设计脱模角度的大小幅值，流畅化上轧辊辊轧进入毛坯型材带料和脱离型材带料过程。

如图4和图5所示。经过预先辊轧轧制之后，形成顶部为尖角结构的，左右两侧具有略微墩粗特点的类C形结构型材带料，如图6和图7所示，通过相关几何参数大小幅值实现精度等级调控。预辊轧之前和之后类C形型材几何结构上都有脱模角度，以方面辊轧前轧辊的进入和辊轧后轧辊的脱离拔出。优化预辊轧成型后毛坯带料横截面几何结构尺寸，为后续终辊轧成型提供精度等级足够高的择优几何形状和尺寸参数。

图8为终轧制之前毛坯型材带料横截面结构示意图，对应图1中D-D剖面视角，其中2为毛坯型材带料，7为上轧辊(带有突出环带的异型轧辊)，16为下平辊。择优设计上轧辊和下平辊几何参数和两轧辊之间圆心距，使得经过辊轧成型后，毛坯型材带料上部尖角部位向中线塑性发生塑性变形。在上轧辊中部具有的突出环带作用下，择优辊轧过程中轧辊的结构参数和轧辊圆心距，形成细颈结构并确保细颈结构参数保持在一定精度等级。

图9为终轧制之前对应图1中E-E剖面示意图，其中2为毛坯型材带料，7为上轧辊(带有突出环带的异型轧辊)，16为下平辊。由图可见，经过辊轧成型后，形成了具有楔形腔体的中空结构，以及细颈结构。

在轧辊进入端，待辊轧的毛坯带料2的横截面整体呈现出“中间下凹、两侧凸起”的近似“U”形的轮廓形状。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、辊轧过程中下压量引发的塑性变形的体积和中间带有环状凸起的上轧辊7，终辊轧前后如图8和图9所示，使得轧制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，反被轧辊上突出环带精准控制细颈的宽度和高度，保证辊轧成型后中空腔体形成“窄下宽”的具有细颈结构的楔形腔形状。而原本横截面左右两侧向上尖角状凸起被辊轧突出环带两侧的平辊辊轧碾平。

本实用新型的工艺流程如下：将需要轧制的型材毛坯带料2放入到进入成对布置的导向轧辊，即左水平校准轧辊3和预轧制轧辊4中间，型材毛坯带料2在成对的轧辊组的相对转动的带动下从辊前运行至辊后。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7和下平辊16使型材毛坯带料2在水平方向由左向右运动，对型材毛坯带料 2进行轧制成型，使得毛坯带料横截面左右两侧的凸起被轧辊辊轧变形，发生向中间的应变，不仅形成横截面上窄下宽的中空细颈楔形腔结构的型材，而且由于上轧辊7上的凸起环带的自身宽度精准控制了细颈楔形腔型材成型后细颈的宽度和高度，在优化的毛坯带料 2横截面几何形状的帮助下，细颈楔形腔的高度也可以被精准控制。由于毛坯带料2与左电刷6和右电刷8在轧制成型过程中始终接触，可以避免工件和电极之间发生配合干涉造成工件尺寸误差过大的严重的后果。左超声轧辊6与毛坯带料2上、下表面之间弹性接触，右超声轧辊8与毛坯带料2上、下表面之间弹性接触。在轧制初期不同施加超声振动，当辊轧毛坯带料2开始引入上轧辊7和下平辊16辊轧成型一段时间后再施加超声波振动，避免初期施加超声振动降低导向轧辊和毛坯带料2之间接触表面摩擦系数引发的难以引入毛坯带料2的问题。

轧制型材毛坯带料2轧辊成型的工作扎轧辊可选用陶瓷轧辊。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的优势在于可以保证轧辊的绝缘性能，可以避免脉冲电流通过轧辊时产生的热能和电致塑性，相比较升温明显导致金属轧辊软化明显的不足，较低的生产温度保持陶瓷轧辊具有较稳定的力学特性，降低了轧辊的磨损速率，节省了电能。

超声辅助金属塑性成型工艺的具有两个显著优点：首先，超声作用金属材料具有即时性良好的超声软化效应，可即时降低金属材料的成型过程中的变形抗力和屈服强度，且发热升温和热变形不明显，具有金属的热效应和热负荷较低的优点；其次，振动会引发金属表面接触摩擦系数的降低，而超声波振动对降低金属接触表面摩擦系数功效尤为突出，在金属塑性变形过程中施加超声波振动有利于提升成型后零件金属表面的光洁度品质，降低零件成型后需要进一步打磨抛光来提升表面光洁度的需求，减少打磨和抛光带来的环境污染和生产成本，提升生产效率。由此可见，将超声波振动引入电辅助辊轧过程，以及采用硬度和韧性平衡的陶瓷轧辊，就成为在通电辊轧过程中不施加润滑和冷却功能的流体/液体前提下，降低轧辊和带料之间接触摩擦系数，抑制电热效应引发轧辊和型材显著升温-软化行为等上述问题的极具可行性的解决方法。

本实用新型利用脉冲电流作用金属产生时的电致塑性效应、电流密度的趋肤效应，脉冲电流对过大塑性应变损伤引发生成的孔洞/微裂纹所形成的电涡流进行修复愈合的效能，以及超声波辅助塑性变形所具有的超声软化效应和降低金属表面接触摩擦系数的效能，同时将两类能量应用到针对变形抗力、屈服强度和硬度偏高、成形极限偏低金属的细颈楔形腔型材辊轧成形过程中，首次采用经过尺寸参数优化的C形类毛坯型材带料，经过预辊轧和终辊轧环节成型具有细颈结构的楔形腔型材。而且，此过程由于采用陶瓷轧辊，不采用液体冷却润滑液，显著提升了传统的辊轧方法对低/难成型金属的复杂横截面形貌型材的辊轧工艺的可加工效费比。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，沿轧制线依次设有左水平校准轧辊、预轧制轧辊、左超声振动轧辊、左电刷、轧辊组、右电刷、右超声振动轧辊、右高度校准轧辊与右水平校准托辊，所述左、右水平校准轧辊由水平设置的左右轧辊组成，预轧制轧辊与右高度校准轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，左、右超声振动轧辊由垂直设置的上下轧辊组成，轧辊组由垂直设置的上下轧辊组成；超声波振动模块与左、右超声振动轧辊相连，并带动左、右超声振动轧辊超声振动；左电刷与右电刷与脉冲电流源相连。

2.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左水平校准轧辊安装在左水平校准轧辊基座上，预轧制轧辊安装在预轧制轧辊基座上，左超声振动轧辊安装在左超声振动轧辊基座上，右超声振动轧辊安装在右超声振动轧辊基座上，右高度校准轧辊安装在右高度校准轧辊基座上，右水平校准托辊安装在右水平校准托辊基座上。

3.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左水平校准轧辊的左右轧辊与型材毛坯带料的左右两侧弹性接触，右水平校准轧辊组的左右轧辊与辊轧成型后的型材的左右两侧弹性接触；左水平校准轧辊、右水平校准轧辊组的左右轧辊均为圆柱体形轧辊。

4.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述预轧制轧辊上下轧辊形状与型材毛坯带料的上下表面形状仿形设置；右高度校准轧辊的上下轧辊形状与辊轧成型后的型材的上下表面形状仿形设置。

5.根据权利要求4所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左、右高度校准轧辊上下轧辊与型材毛坯带料的上下表面弹性接触；预轧制轧辊的上轧辊的辊面为类M形，预轧制轧辊的下轧辊为圆柱体形轧辊；右高度校准轧辊的上下轧辊为圆柱体形轧辊。

6.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左超声振动轧辊包括上下设置的两个上轧辊与一个下轧辊；两个上轧辊形状与毛坯带料上表面形状仿形设置，下轧辊为圆柱形的平辊；所述右超声振动轧辊包括上下设置的两个上轧辊与一个下轧辊；两个上轧辊形状与毛坯带料上表面形状仿形设置，下轧辊为圆柱形的平辊。

7.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述轧辊组的上下轧辊的辊面上设有环带，环带宽度与楔形腔型材楔形腔细颈宽度相应，环带厚度与楔形腔型材楔形腔深度相应。

8.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左水平校准轧辊、预轧制轧辊、左超声振动轧辊、轧辊组、右超声振动轧辊、右高度校准轧辊、右水平校准托辊的轧辊均采用陶瓷轧辊。

9.根据权利要求1所述的超声波和脉冲电流混合辅助楔形腔型材轧制线，其特征在于，所述左电刷与右电刷包括a、b、c和d其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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的上刷头下表面与型材毛坯带料的上表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头下表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头上表面与型材毛坯带料的下表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头上表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头下表面与型材毛坯带料的上表面接触配合，安装于轧辊组后的电刷的右刷头上表面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组前和轧辊组后，安装于轧辊组前的左电刷的刷头上表面与型材毛坯带料的下表面接触配合，安装于轧辊组后的右电刷的刷头下表面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正极相连，另外一电刷与脉冲电源的负极相连，且轧制时只有一组电刷组通电，使电刷组与被轧制的型材之间形成电流回路。

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