制備高性能板材的剪切擠壓?軋制復合成形方法與裝置與流程

本發明屬于金屬材料的加工技術領域，具體涉及一種制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法與裝置。

背景技術：

隨著航空航天、國防軍工、交通運輸的不斷發展，對高強、高韌金屬結構材料的需求日益增加，同時對其性能提出了更高的要求。通過細化晶粒是制備高性能結構材料的重要方法之一。大塑性變形技術表明：通過一次或者多次累積反復的塑性變形，使其獲得相當大的累積應變，使材料晶粒細化，提高材料的綜合力學性能。目前大塑性變形技術主要有：等通道擠壓、往復擠壓、高壓扭轉、累積軋制、循環閉模鍛造、大比率擠壓等。國內提出的制備超細晶材料的c形、l形、s形、u形往復擠壓實際上是等通道擠壓的一種。公開號cn2768921y提出一種反復鐓粗擠壓模具是往復擠壓的一種形式。cn104511493a提出了剪切變形制坯的模具及方法。cn203917446u提出了一種反復擠壓制備超細晶金屬材料的裝置。然而，上述工藝在實際金屬板材的過程中均存在一些缺陷和不足。例如，等徑角擠壓難以生產寬幅板材；連續約束板帶剪切成形的板材表面質量較差；往復擠壓、高壓扭轉、循環閉模鍛造的設備較為復雜，多用于棒料和塊體材料制備；將軋機的上下工作輥錯開和上下輥異速的非對稱軋制時板材易出現打滑，板材質量較差；公開號cn101104236的等徑角軋制時板材難以通過等徑角擠壓模具，且板材質量較差；cn104511493a提出的剪切變形制坯的模具及方法則需要不斷更換沖頭，效率不高，且只能用于棒料制備；cn203917446u提出的反復擠壓裝置不能實現一套模具對不同尺寸的塊體材料反復剪切擠壓，也不能實現厚板的變薄剪切擠壓。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法與裝置，它能夠根據不同的材料實現相應的預熱處理來改善板材的塑性變形能力，能夠產生強剪切變形和大的應變積累，有效的實現金屬板材的晶粒細化和調控織構的目的，能夠制備表面質量較好、成形性能優異的板材。多功能金屬剪切擠壓裝置結構簡單、操作方便、成本低，能夠對不同尺寸的坯料進行處理。

本發明采用的技術方案是：一種制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置，包括左成型塊、右成型塊、底板墊塊、壓桿、上成型墊塊、下成型墊塊、板厚調節墊塊、底板、螺栓；能夠實現等厚反復剪切成形和變薄剪切擠壓成形功能；等厚反復剪切成形時，不需要安裝底板墊塊和板厚調節墊塊，所述的左成型塊、右成型塊放置在底板上；所述的左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊通過螺栓連接；所述的底板上有出料孔；變薄剪切擠壓成形時，需要安裝底板墊塊和板厚調節墊塊，所述的底板墊塊放置在底板上；所述的左成型塊放置在底板墊塊上，所述的右成型塊放置在底板上；所述的左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊、板厚調節墊塊通過螺栓連接。

一種制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法，首先利用多功能金屬剪切擠壓裝置進行反復剪切成形，細化坯料晶粒；然后進行變薄剪切成形，制備具有強烈剪切織構的金屬板材；最后通過軋制變形提高板材表面質量，同時平衡織構，提高金屬板材成形性能。多功能金屬剪切擠壓裝置包括左成型塊、右成型塊、左底板墊塊、右底板墊塊、壓桿、上成型墊塊、下成型墊塊、板厚調節墊塊、底板、加熱裝置、螺栓。

上述的金屬剪切擠壓裝置中，靠近金屬坯料，左成型塊、右成型塊上均設有加熱裝置。

上述的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置中，進行等厚反復剪切成形時，左成型塊、右成型塊放置在底板上；所述的左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊通過螺栓連接；所述的底板上有出料孔。

上述的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置中，進行變薄剪切擠壓成形時，左成型塊放置在底板墊塊上，底板墊塊、右成型塊放置在底板上，左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊、板厚調節墊塊通過螺栓連接。

上述的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法，具體操作如下：

（1）坯根據實際需要，把坯料加工成塊狀，表面平整拋光；

（2）根據坯料的寬度和厚度，選擇尺寸匹配的上成型墊塊、下成型墊塊，用螺栓連接左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊，連接后放置到底板上；

（3）將坯料裝入上模腔；

（4）啟動加熱裝置，對板材進行預熱處理；

（5）啟動壓力機，通過壓桿把金屬壓入下模腔，若是要實現金屬反復剪切成形，可以通過制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置上下反置，實現下一次反復剪切；

（6）松開制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置，選擇尺寸匹配的上成型墊塊、下成型墊塊，根據需要選擇合適厚度的底板墊塊、板厚調節墊塊，用螺栓連接左成型塊、右成型塊、上成型墊塊、下成型墊塊和板厚調節墊塊，連接后放置到底板上；

（7）將坯料裝入上模腔，啟動壓力機，通過壓桿把金屬壓入下模腔可實現變薄剪切擠壓；

（8）將變薄剪切成形的板材進行軋制處理，得到表面質量好、成形性能優異的板材。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法，通過等厚反復剪切成形細化坯料晶粒，通過變薄剪切成形制備具有強烈剪切織構的金屬板材，最后通過軋制變形提高板材表面質量，同時平衡織構，提高金屬板材成形性能；

2、本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形方法，操作方便，能制備表面質量好、綜合力學性能優異的高性能金屬板材，能夠較好應用于工業化生產；

3、本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置操作方便、成本低、結構簡單、取料方便；

4、本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置可以通過左成型塊、右成型塊中的加熱器加熱，實現擠壓前的預熱處理，改善的板材塑性變形能力，板材在反復剪切過程中，制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置的溫度可以通過熱電偶采集數據傳輸到外部測溫裝置上進行檢測，采集數據傳到外接電腦系統上進行溫度控制。

5、本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置功能多，可以通過改變上成型墊塊、下成型墊塊的寬度和厚度實現不同尺寸的塊體材料反復剪切擠壓；也可以通過改變底板墊塊、上成型墊塊、下成型墊塊和板厚調節墊塊的厚度來實現厚板的變薄剪切擠壓。

附圖說明

圖1為本發明的等厚反復剪切成形裝置的結構示意圖。

圖2為本發明的變薄剪切擠壓成形裝置的結構示意圖。

其中：1.底板墊塊，2.左成型塊，3.上成型墊塊，4.壓桿，5.下成型墊塊，6.螺栓，7.底板，8.加熱裝置及控溫裝置，9.右成型塊，10.板厚調節墊塊。

圖3為本發明的變薄剪切擠壓成形裝置的左成型塊的零件圖。

圖4為經過剪切擠壓-軋制復合成形的鋁合金板材的極圖。

圖5為經過剪切擠壓-軋制復合成形的鋁合金板材的織構分布。

圖6為普通軋制成形鋁合金板材的極圖。

圖7為普通軋制成形鋁合金板材的織構分布。

圖8為經過剪切擠壓-軋制復合成形的鋁合金板材的金相組織。

圖9為普通軋制成形鋁合金板材的金相組織。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，本發明的制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置包括左成型塊2（圖2）、右成型塊9、底板墊塊1、壓桿4、上成型墊塊3、下成型墊塊5、板厚調節墊塊10、底板7、加熱裝置及控溫裝置8及螺栓6組成。

左成型塊2右上部設有通槽，該通槽的兩端分別設有上成型塊3。右成型塊9的左下部設有通槽，該通槽的兩端分別設有下成型墊塊5。進行等厚反復剪切成形時，不需要安裝底板墊塊1和板厚調節墊塊10，所述的左成型塊2、右成型塊9放置在底板7上，左成型塊2、右成型塊9上成型墊塊3和下成型墊塊5圍成z形模腔，左成型塊2上部、右成型塊9上部和上成型墊塊3通過螺栓6連接。左成型塊2下部、右成型塊9下部和下成型墊5塊通過螺栓連接，如圖1所示。所述的左成型塊2、右成型塊9中安裝加熱及控溫裝置8，對剪切擠壓溫度進行控制。通過改變上成型墊塊3、下成型墊塊5的寬度和厚度實現不同尺寸塊體材料的等厚反復剪切擠壓。

進行變薄剪切擠壓成形時，所述的底板墊塊1、右成型塊9放置在底板7上，左成型塊2放置在底板墊塊1上，左成型塊2、右成型塊9、上成型墊塊3、下成型墊塊5、板厚調節墊塊10分別通過螺栓連接，如圖2所示。通過改變上成型墊塊3、下成型墊塊5、改變底板墊塊1和板厚調節墊塊10的厚度實現厚板的變薄剪切擠壓。

具體實施案例：將初始厚度為12mm的6016鋁合金板材經過反復剪切擠壓+軋制復合成形，制備2mm的板材，試樣編號為#1。

（1）坯料處理：根據實際需要，把坯料加工成塊狀，表面平整拋光；

（2）等厚反復剪切制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置裝配：根據坯料的寬度和厚度，選擇尺寸匹配的上成型墊塊3、下成型墊塊5，用螺栓連接左成型塊2（圖3）、右成型塊9、上成型墊塊3、下成型墊塊5，連接后放置到底板上，如圖1所示；

（3）裝載坯料：將坯料裝入制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置的上模腔；

（4）坯料加熱：坯料放置好后，啟動加熱裝置8，對坯料進行預熱處理，預熱溫度460℃，保溫30分鐘；

（5）等厚反復剪切成形：啟動壓力機，通過壓桿4把金屬壓入下模腔，通過制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置上下反置，下模腔變成上模腔，實現下一次剪切變形；

（6）變薄剪切制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置裝配：松開制備高性能板材的剪切擠壓-軋制復合成形裝置，選擇尺寸匹配的上成型墊塊3、下成型墊塊5，選擇9mm厚的底板墊塊1和9mm厚的板厚調節墊塊10，使上模腔厚度為12mm，下模腔厚度為3mm；用螺栓連接左成型塊2、右成型塊9、上成型墊塊3、下成型墊塊5和板厚調節墊塊10，連接后放置到底板墊塊和底板上，如圖2所示。

（7）變薄剪切成形：啟動壓力機，通過壓桿4把金屬壓入下模腔，實現變薄剪切擠壓，板材厚度變為3mm；

（8）軋制成形：將變薄剪切成形的板材進行冷軋處理，軋制后板材厚度為2mm，得到表面質量、成形性能優異的板材。

為了便于對比，將同批次12mm厚的6016鋁合金板材，進行普通軋制，試樣編號為#2，預熱溫度460℃，保溫30分鐘，將板材軋至3mm厚，最后冷軋至2mm厚。

軋制變形后，#1及#2軋制態板材的極圖如圖4和圖6所示，#1及#2軋制態板材的織構分布如圖5和圖7所示。由圖可知，經過反復剪切擠壓+軋制復合成形后，織構分布散亂，織構強度較低。圖8和圖9分別為#1及#2樣品經固溶處理+自然時效t4p態的金相組織，從圖中可以看出，經過反復剪切擠壓+軋制復合成形后板材的晶粒組織比普通軋制板材的晶粒細小。表1為經過相同固溶處理+自然時效板材t4p態的力學性能，從表1可看出，經本發明處理的板材延伸率、塑性應變比和表征板材成形性能的杯突ie值得到了顯著的提高。