CN107716668A - 一种板材环波反复拉延强变形模具及加工方法 - Google Patents

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顾勇飞
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Abstract

一种板材环波反复拉延强变形模具及工艺，所述模具包括两套环波模具，即环波模具A、环波模具B，两套环波模具均为轴对称的圆柱形结构，其上、下表面由若干圈数的凸凹连续交替可吻合的环波构成，轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加。所述环波上模为动模，下模为定模，在环波下模上端设有两组径向对称布置的定位机构；环波上、下模通过合模将板材拉延至设定的环波形；所述工艺通过所述模具，反复拉延变形细化板材晶粒，使晶粒尺寸达到微米或亚微米级。本发明不受板材尺寸的限制，可加工大尺寸的板材，可极大的改善板材的物理、化学、力学等方面的综合性能。

Description

一种板材环波反复拉延强变形模具及加工方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料加工方法及加工模具。
背景技术
对板材进行强变形是目前细化板材晶粒、优化板材性能的主流工艺，其典型工艺有累积叠轧焊、高压扭转、限制模压法、反复折皱-压直法等。这些方法绝大部分都受到材料尺寸的限制，很难制备出大尺寸的制品，或者所制备的材料存在较强的各向异性。
燕山大学骆俊廷教授针对上述板材成形工艺中存在的问题，提出了一种板材环波反复拉延强变形模具及工艺，并申报了发明专利(专利号申请号：2016110779707)，该工艺通过单套环波模具，反复成形细化板材晶粒，使晶粒尺寸达到微米或亚微米级，同时不受板材尺寸的限制。但该工艺存在不足之处：仅使用单套模具对板材进行反复拉延，板材在变形过程中始终存在微变形区域，尤其反复拉延次数过多时，应变在各环形模具波峰、波谷对应变形处大量积累，环波连接处始终无法积累足够应变，从而使得板材变形不均匀，且反复拉延次数越多，应变不均匀越显著。
发明内容
本发明目的是提供一种使得板材变形均匀的板材环波反复拉延强变形模具及加工方法。本发明主要是通过两套环波模具，依次对板材进行反复拉延，细化板材晶粒，使晶粒尺寸达到微米或亚微米级。
本发明所采用的技术方案是：
一、模具
本发明的模具为两套环波模具，主要包括：环波模具A、环波模具B。所述环波模具A、环波模具B均由环波上模具和环波下模具组成，即环波上模具A、环波下模具A、环波上模具B以及环波下模具B。环波上模具A、环波下模具A、环波上模具B和环波下模具B均为轴对称的圆柱形结构，其相对的上、下表面由若干圈数的凸凹连续交替可吻合的环波构成，并且轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加；所述环波模具B中心波的几何中心与环波模具A中心波重合，都为轴中心。除中心波外，环波模具B波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处对应；所述环波模具A、B所包含的环波上模A、环波上模B分别与液压机的活动横梁相连接，所述环波模具A、B所包含的环波下模A、环波下模B分别通过液压机的下横梁固定在工作台面上，环波上模为动模，环波下模为定模。
环波模具A、B环波外的端边上设开口槽，上下模的开口槽相对构成周壁开口的环形凹槽，在该环形凹槽的位置上设4个均布的定位机构，该定位机构主要包括：连接件、螺母、定位螺杆、弹簧及定位挡块。其中，与环波下模周壁相连的连接件，其与环波下模周壁平行的部分设有通孔，置于该通孔上的定位螺杆外部设螺母，而朝向中心的内端与定位挡块的内螺孔螺纹连接，在定位螺杆外套有置于定位挡块和连接件之间的弹簧。定位弹簧处于预紧状态，放置板材后，定位挡块被板材顶开，通过螺母调节定位螺杆使板材与环波下模中心准确对齐定位，在拉延过程中，随着板材大径减小，定位挡块顶着板材进一步定位，确保板材精确反复拉延。另在环波模具靠近周边的位置，最好是与环形凹槽对应的位置，设有与环波模具轴线平行且以该轴线为对称的两组通孔，其设在上下模的通孔为一组，每组内各设一根导柱，导柱与环波上模之间设导套。
所述环波弧度、长度、高度及圈数取决于板材的成形性能和板材的半径和厚度。合理设计环波的弧度、长度、高度，具体设计为：环波模具轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加。设计依据为：每次拉延变形尤其是第一次变形后，板材所积累的最大应变量不超过板材在单向拉伸塑性失稳时的应变值，且每次变形后，各波峰与波谷处累积应变最大且相近。环波的圈数以环波模具的环波完全覆盖环形板材或者略小于环波板材、适当留有法兰为依据。环波模具A和环波模具B的对应关系：环波模具B波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处相对应，以保证反复拉延后板材的均匀性，参考附图对L、R、H、l、r、h等参数进行计算。第一次拉延变形时，各波峰与波谷处累积应变最大且相等，最大应变值控制在0.2～0.25范围内，L、R、H各模具参数设计为：L1＝16.5,L2＝27.5,L3＝37.5,L4＝47.5,L5＝57.5,L6＝65.5,R1＝15.5,R2＝5.3,R3＝3.8,R4＝4,R5＝3.1,R6＝3.2,R7＝2,H1＝0.4,H2＝2,H3＝0.3,H4＝2.1,H5＝0.15,H6＝2.46。第二次拉延模具参数l、r、h按照如下公式计算： r1＝R1-4,r2＝R2-0.5,r3＝R3+0.5,r4＝R4-0.5,r5＝R5+0.5,r6＝R6-0.5,r7＝R7，h1＝H1+0.4,h2＝H2-0.1,h3＝H3+0.1,h4＝H4-0.1,h5＝H5+0.1,h6＝H6-0.1。(单位：mm)
二、加工方法
本发明的加工方法具体如下：
(1)将圆形板材放置在环波下模A中心位置，调节定位螺杆，校准圆形板材与环波下模A中心准确对齐。
(2)启动液压机，环波上模A按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模A和环波下模A贴合后，保压一定时间。
(3)环波上模A回程，将变形圆形板材翻转180°，放置于环波下模B中心位置，使变形圆形板材的波峰和波谷分别与环波下模B的波峰与波谷连接处相对，再次调节定位螺杆，使变形圆形板材与环波下模B中心准确定位后，启动液压机，环波上模B按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模B和环波下模B贴合后，保压一定时间。
(4)环波上模B回程，将变形圆形板材翻转180°，放置于环波下模A中心位置，使变形圆形板材的波峰和波谷分别与环波下模A的波峰与波谷连接处相对，调节定位螺杆，使变形圆形板材与环波下模A中心准确定位后，启动液压机，环波上模A按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模A和环波下模A贴合后，保压一定时间；
(5)重复步骤(3)～(4)2～3次，将变形圆形板材拉延至预定形变，晶粒细化至预定尺寸；
(6)将经过步骤(5)的变形圆形板材用压平模具缓慢压平，获得晶粒尺寸细化后的平整圆形板材。
其中，步骤(3)～(4)中所述的环波上模A、环波上模B按照预定速度开始下行，具体为先使环波上模A、环波上模B开始快速下行至与圆形板材相距约0.5mm，再使环波上模A、环波上模B下行速度降为0.05～0.10mm/min缓慢下行。步骤(3)～(4)中所述的保压一定时间为保压1～2min。
本发明工艺采用本发明模具可在板材容许变形范围内，通过尽量少的变形道次、尽量大的塑性变形，积累大量的应变，且可使应变分布均匀。本发明工艺在室温下即可使板材积累大的塑性变形，在力学计算和仿真模拟的基础上合理设计本发明模具各环波的尺寸，可在多次反复拉延之后，使得板材各处积累大量、均匀的塑性变形。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)板材环波反复拉延强变形工艺在常温下即可实现难变形材料大量塑性应变，优化板材微观组织和力学性能；
(2)模具结构简单，操作方便，且模具具有定位***，变形过程可控，有严谨力学运算和仿真模拟，精度高；
(3)成形过程中，变形量较小，但累积的塑性应变较大，且在反复过程中微观均匀化程度高，变形后板材性能均匀稳定；
(4)两套不等高模具交替拉延，消除变形死区和小应变区，且板材环波反复拉延强变形工艺模具为轴对称结构，可以较好改善原始板材和现有成形工艺的各向异性现象，使板材微观组织在径向和切向更均匀，板材宏观力学性能也更加稳定；
(5)不受成形制件尺寸限制，可加工大尺寸的板材。
(6)极大地改善板材的物理、化学、力学等方面的综合性能，尤其在变形均匀性方面，较现有板材强变形工艺，有了显著的改善。单套环波模具反复拉延后，板材存在显著变形区和微变形区，显著变形区晶粒细化效果较好，微变形区晶粒细化效果较差，变形后板材总体晶粒尺寸在1—10μm之间波动，变形均匀性较差。两套波形相互交错的环波模具反复拉延后，板材沿径向均有显著变形，消除微变形区，变形后板材总体晶粒尺寸在1—3μm之间波动，变形均匀性较好，板材性能也得到了较大的提升。
附图说明
图1为本发明环波模具A主视示意简图。
图2为图1去除环波上模A的俯视示意简图。
图3为图2的A-A视图。
图4为环波下模A的环波结构示意图。
图5为图4环波下模A的环波放大图。
图6为本发明环波模具B主视示意简图。
图7为图6去除环波上模B的俯视示意简图。
图8为图7的B-B视图。
图9为环波下模B的环波结构示意图。
图10为图9环波下模B的环波放大图。
图11为环波下模A与环波下模B波形相对位置示意图。
图12为压平模具下模的俯视示意图。
图13为图12的C-C视图。
图14为本发明各道次拉延后板材截面示意图。
图中：1-定位挡块A，2-定位弹簧A，3-定位螺杆A，4-螺母A，5-内六角螺钉A，6-连接件，7-环波下模A，8-导柱A，9-环波上模A，10-导套A，11-定位挡块B，12-定位弹簧B，13-定位螺杆B，14-螺母B，15-内六角螺钉B，16-连接件B，17-环波下模B，18-导柱B，19-环波上模B，20-导套B，21-压平模具导柱，22-压平模具下模，23-压平模具上模，24-压平模具导套；S1～S6-环波模具A各环波定位尺寸，R1～R7-环波模具A各环波半径，h1～h6-环波下模A各环波波峰及波谷到顶面的高度；L1～L6-环波模具B各环波定位尺寸，r1～r7-环波模具B各环波半径，H1～H6-环波下模B各环波波峰及波谷到顶面的高度；(a)-道次1原始板材，(b)-道次2拉延后板材，(c)-道次3拉延后板材，(d)-道次4拉延后板材，(e)-道次5a拉延后板材，(f)-道次5b拉延后板材，(g)-道次5a拉延后板材，(h)-道次6压平后板材。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
在图1、图2和图3所示的板材环波反复拉延强变形模具A的示意简图中，环波模具A由环波上模A9和环波下模A7组成，其均为轴对称的圆柱形结构，其相对的上、下表面由若干圈数的凸凹连续交替可吻合的环波构成，并且轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加；具体如图4和图5所示，环波下模A表面均由3圈凸凹连续交替的环波构成，环波下模A的环波与环波上模A的环波相吻合，在力学计算和仿真模拟的基础上确定各环波尺寸参数为：L1＝16.5mm,L2＝27.5mm,L3＝37.5mm,L4＝47.5mm,L5＝57.5mm,L6＝65.5mm,R1＝15.5mm,R2＝5.3mm,R3＝3.8mm,R4＝4mm,R5＝3.1mm,R6＝3.2mm,R7＝2mm,H1＝0.4mm,H2＝2mm,H3＝0.3mm,H4＝2.1mm,H5＝0.15mm,H6＝2.46mm。上述尺寸是根据板材尺寸88mm，确定环波数目为5圈，保证环波模具的环波覆盖环形板材。环波尺寸设计：利用有限元模拟软件，反复模拟，保证每次拉延变形尤其是第一次变形后，板材所积累的最大应变量不超过板材在单向拉伸塑性失稳时的应变值，且每次变形后，各波峰与波谷处累积应变最大且相近。此外，对拉延过程中，板材各部分进行分区，分析各部分应力、应变，并根据合适的屈服准则，校核板材各区受力情况，确保板材在不破坏的前提下累积足够大的应变。
又在图1、图2和图3中，环波模具A环波外的端边上设开口槽，上下模的开口槽相对构成周壁开口的环形凹槽，在该环形凹槽的位置上设4个均布的定位机构，其与环波下模周壁相连的连接件A6通过内六角螺钉A5与环波下模周壁相连，连接件与环波下模周壁平行的部分设有通孔，置于该通孔上的定位螺杆A3外部设螺母A4，而朝向中心的内端与定位挡块A1的内螺孔螺纹连接，在定位螺杆外套有置于定位挡块和连接件之间的弹簧A2。另在环波模具A与环形凹槽对应的位置，设有与环波模具轴线平行且以该轴线为对称的两组通孔，其设在上下模的通孔为一组，每组内各设一根导柱A8，导柱与环波上模之间设导套A10。
在图6、图7和图8所示的板材环波反复拉延强变形模具B的示意简图中，环波模具B由环波上模B19和环波下模B17组成，其均为轴对称的圆柱形结构，其相对的上、下表面由若干圈数的凸凹连续交替可吻合的环波构成，并且轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加；具体由图9～10所示，环波下模B表面均由3圈凸凹连续交替的环波构成，参考附图11，环波下模的环波与环波上模的环波相吻合，在力学计算和仿真模拟的基础上确定各环波尺寸参数为：l1＝12.5mm,l2＝22mm,l3＝32.5mm,l4＝42.5mm,l5＝52.5mm,l6＝61mm,r1＝11.5mm,r2＝4.8mm,r3＝4.3mm,r4＝3.5mm,r5＝3.6mm,r6＝2.7mm,r7＝2mm,h1＝0.8mm,h2＝1.9mm,h3＝0.4mm,h4＝2.0mm,h5＝0.25mm,h6＝2.36mm。环波模具B的环波数目与环波模具A相同，各环波高度与环波模具A基本相同，波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处相对应。
又在图6、图7和图8中，环波模具B环波外的端边上设开口槽，上下模的开口槽相对构成周壁开口的环形凹槽，在该环形凹槽的位置上设4个均布的定位机构，其与环波下模周壁相连的连接件B16通过内六角螺钉B15与环波下模周壁相连，连接件与环波下模周壁平行的部分设有通孔，置于该通孔上的定位螺杆B13外部设螺母B14，而朝向中心的内端与定位挡块B11的内螺孔螺纹连接，在定位螺杆外套有置于定位挡块和连接件之间的弹簧B12。另在环波模具B与环形凹槽对应的位置，设有与环波模具轴线平行且以该轴线为对称的两组通孔，其设在上下模的通孔为一组，每组内各设一根导柱B18，导柱与环波上模之间设导套B20。
所述环波模具B中心波的几何中心与环波模具A中心波重合，都为轴中心。除中心波外，环波模具B波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处对应；所述环波模具A、B所包含的环波上模A、环波上模B分别与液压机的活动横梁相连接，所述环波模具A、B所包含的环波下模A、环波下模B分别通过液压机的下横梁固定在工作台面上，环波上模为动模，环波下模为定模。每次拉延变形尤其是第一次变形后，板材所积累的最大应变量不超过板材在单向拉伸塑性失稳时的应变值，且每次变形后，各波峰与波谷处累积应变最大且相近。环波的圈数以环波模具的环波完全覆盖环形板材或者略小于环波板材、适当留有法兰为依据。环波模具A和环波模具B的对应关系：环波模具B波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处相对应，以保证反复拉延后板材的均匀性。
实施例
对直径为88mm、厚为0.63mm的5083Al合金圆形板材(原始板材，以下简称板材)，进行环波反复拉延强变形，包括如下道次：
道次1：将板材放置在环波下模A7中心位置如图14(a)所示，调节定位螺杆A3，校准板材与环波下模A7中心准确对齐。
道次2：启动液压机，先使环波上模A9开始快速下行至与板材相距约0.5mm，再使环波上模A9下行速度降为0.05mm/min缓慢下行，将板材拉延变形至与环波上模A9和环波下模A7贴合后，保压1min。
经过道次2拉延后的变形板材截面如图14(b)所示,拉延后的变形板材外圆直径85mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.621mm，平均等效应变为0.25，平均晶粒尺寸由原始的30μm变为18μm。
道次3：环波上模A9回程，将变形板材翻转180°放置于环波下模B17中心位置，使变形板材的波峰和波谷分别与环波上模B、环波下模B的波谷与波峰连接处相对，再次调节定位螺杆B13，使变形板材与环波下模B17中心准确定位后，启动液压机，先使环波上模B19开始快速下行至与板材相距约0.5mm，再使环波上模B19下行速度降为0.05mm/min缓慢下行，将板材拉延变形至与环波上模B19和环波下模B17贴合后，保压1min。
经过道次3拉延后的变形板材截面如图14(c)所示,拉延后的变形板材外圆直径85.1mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.62mm，平均等效应变为0.45，平均晶粒尺寸由道次2变形后的18μm变为10μm。
道次4：环波上模B19回程，将变形板材翻转180°放置于环波下模A7中心位置，使变形板材的波峰和波谷分别与环波上模A、环波下模A的波谷与波峰连接处相对，调节定位螺杆A3，使变形板材与环波下模A7中心准确定位后，启动液压机，先使环波上模A9开始快速下行至与板材相距约0.5mm，再使环波上模A9下行速度降为0.05mm/min缓慢下行，将板材拉延变形至与环波上模A9和环波下模A7贴合后，保压1min。
经过道次4拉延后的变形板材截面如图14(d)所示,拉延后的变形板材外圆直径85.15mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.62mm，平均等效应变为0.7，平均晶粒尺寸由道次2变形后的10μm变为6μm
道次5a：重复道次3，将变形板材进行拉延，拉延后的变形板材截面如图14(e)所示，变形板材外圆直径85.15mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.62mm，平均等效应变为0.9，平均晶粒尺寸由道次3变形后的6μm变为4μm。
道次5b：重复道次4，将变形板材进行拉延，此次变形后的板材截面如图14(f)所示，拉延后的变形板材外圆直径85.18mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.618mm，平均等效应变为1.05，平均晶粒尺寸由道次(5a)变形后的4μm变为2μm。
道次5c：重复道次3，将变形板材再次进行拉延，此次变形后的板材截面如图14(g)所示，拉延后的变形板材外圆直径85.18mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.618mm，平均等效应变为1.15，平均晶粒尺寸由道次(5a)变形后的2μm变为1.2μm。此时，已将变形板材拉延至预定形变，晶粒细化至预定尺寸。
道次6：将经过道次5c的变形板材用图12、图13所示的结构与环波模具相似的压平模具缓慢压平，获得晶粒尺寸细化后的平整板材。该压平模具由压平上模23、压平下模22、压平导柱21和压平导套24组成，但是上下模相对的面均为平面。压平后的平整板材截面如图14(h)所示,压平后的平整板材外圆直径88.1mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.62mm，平均等效应变为1.25，最终压平后板材的平均晶粒尺寸由道次4b拉延后的1.2μm变为1μm。

Claims (4)

1.一种板材环波反复拉延强变形模具，其特征在于：模具为两套环波模具即环波模具A、环波模具B，所述环波模具A、环波模具B均由环波上模具和环波下模具组成，即环波上模具A、环波下模具A、环波上模具B以及环波下模具B，环波上模具A、环波下模具A、环波上模具B和环波下模具B均为轴对称的圆柱形结构，其相对的上、下表面由若干圈数的凸凹连续交替可吻合的环波构成，并且轴中心的环波弧度和长度较大，波高较小，从轴中心向外，环波弧度和长度逐圈减小，波高逐圈增加；所述环波模具B中心波的几何中心与环波模具A中心波重合，都为轴中心，除中心波外，环波模具B波峰、波谷处分别与环波模具A的波峰与波谷连接处对应，所述环波模具A、B所包含的环波上模A、环波上模B分别与液压机的活动横梁相连接，所述环波模具A、B所包含的环波下模A、环波下模B分别通过液压机的下横梁固定在工作台面上，环波上模为动模，环波下模为定模。
2.根据权利要求1所述的板材环波反复拉延强变形模具，其特征在于：环波模具A、B环波外的端边上设开口槽，上下模的开口槽相对构成周壁开口的环形凹槽，在该环形凹槽的位置上设4个均布的定位机构，该定位机构中，与环波下模周壁相连的连接件，其与环波下模周壁平行的部分设有通孔，置于该通孔上的定位螺杆外部设螺母，而朝向中心的内端与定位挡块的内螺孔螺纹连接，在定位螺杆外套有置于定位挡块和连接件之间的定位弹簧。
3.根据权利要求2所述的板材环波反复拉延强变形模具，其特征在于：在环波模具靠近周边的位置，设有与环波模具轴线平行且以该轴线为对称的两组通孔，其设在上下模的通孔为一组，每组内各设一根导柱，导柱与环波上模之间设导套。
4.权利要求1所述的一种板材环波反复拉延强变形加工方法，其特征在于：
(1)将圆形板材放置在环波下模A中心位置，调节定位螺杆，校准圆形板材与环波下模A中心准确对齐；
(2)启动液压机，环波上模A按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模A和环波下模A贴合后，保压一定时间；
(3)环波上模A回程，将变形圆形板材翻转180°，放置于环波下模B中心位置，使变形圆形板材的波峰和波谷分别与环波下模B的波峰与波谷连接处相对，再次调节定位螺杆，使变形圆形板材与环波下模B中心准确定位后，启动液压机，环波上模B按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模B和环波下模B贴合后，保压一定时间；
(4)环波上模B回程，将变形圆形板材翻转180°，放置于环波下模A中心位置，使变形圆形板材的波峰和波谷分别与环波下模A的波峰与波谷连接处相对，调节定位螺杆，使变形圆形板材与环波下模A中心准确定位后，启动液压机，环波上模A按照预定速度开始下行，将圆形板材拉延变形至与环波上模A和环波下模A贴合后，保压一定时间；
(5)重复步骤(3)～(4)2～3次，将变形圆形板材拉延至预定形变，晶粒细化至预定尺寸；
(6)将经过步骤(5)的变形圆形板材用压平模具缓慢压平，获得晶粒尺寸细化后的平整圆形板材；
其中，步骤(3)～(4)中所述的环波上模A、环波上模B按照预定速度开始下行，具体为先使环波上模A、环波上模B开始快速下行至与圆形板材相距约0.5mm，再使环波上模A、环波上模B下行速度降为0.05～0.10mm/min缓慢下行，步骤(3)～(4)中所述的保压一定时间为保压1～2min。
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