本發(fā)明涉及磁場作用下的脈沖電流在金屬加工領域的應用，具體涉及一種制備梯度功能材料的軋制裝置及方法。

背景技術：

梯度功能材料是一種材料性能沿某一方向呈連續(xù)的梯度變化的材料，簡稱fgm。梯度功能材料由于本身具有優(yōu)異的性能以及它所體現(xiàn)出的新穎的材料設計思想，一經(jīng)提出，立即引起世界各國材料科學工作者的高度重視并對其展開研究，迄今為止，已探索出一些基本的研究方法并制備出許多體系的梯度功能材料。但是已有的梯度功能材料制備工藝有著操作難度較高、結果難于預測、所得到的梯度性能的連續(xù)性難于控制等缺點。除此之外，這些方法對于合成其他系的梯度材料還有著一定的局限性。

已有研究表明，在變形過程中的金屬通入脈沖電流會使得金屬的變形抗力降低，加工硬化現(xiàn)象得到減小，表面功能函數(shù)得到優(yōu)化，因此脈沖電流在金屬加工中的應用越來越廣泛，已經(jīng)有許多學者將脈沖電流應用于拔絲，沖壓，軋制等工藝之中。并且在已有數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，被加工件中脈沖電流的密度不同，得到的工件的材料性能也不相同。

在電動力學理論中，運動于電磁場的帶電粒子將受到洛倫茲力的作用，將使得粒子的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此若在軋制過程中同時施加一個脈沖電流和一個可控制的磁場，通過磁場影響脈沖電流的分布，可使所得軋件性能呈現(xiàn)梯度分布，以此來完成梯度功能材料的制備。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述存在問題，受到電動力學理論的啟示，由于在金屬電塑性加工過程中的軋件中脈沖電流的電流密度不同，其加工之后所得到材料的性能也不相同，加之運動的帶電粒子在磁場中將受到洛倫茲力的影響，其運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此若在軋制過程中同時施加一個脈沖電流和一個可控制的磁場，使得脈沖電流的密度在軋件寬展方向呈現(xiàn)梯度分布，其所得的軋件的性能在寬展方向也將呈現(xiàn)梯度分布，此外在軋制過程中可以改變控制電流的大小進而改變磁場的大小，使脈沖電流在軋制過程中沿縱向上梯度分布，如此可使軋件的材料性能在縱向上也能以梯度形式分布。

基于上述構思，本發(fā)明目的是在現(xiàn)有軋機基礎上，提供一種制備梯度功能材料的軋制裝置及方法。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種制備梯度功能材料的軋制裝置，包括機架，上、下軋輥，軋輥軸承及軸承座，上、下軋輥通過軋輥軸承及軸承座與機架連接，所述上、下軋輥兩側(cè)軸頭上分別套裝一個電刷滑環(huán)，所述電刷滑環(huán)固定于對應的軸承座上，所述軋輥軸承與軸承座和電刷滑環(huán)與軸承座之間均設有絕緣，所述機架前后兩側(cè)的上、下軋輥夾縫處對稱設有送料套，送料套通過螺栓固定在機架上，所述送料套內(nèi)部嵌有線圈，線圈通過上、下端蓋封裝在送料套內(nèi)，軋制過程中，將脈沖電流分別從上軋輥兩側(cè)軸頭上的電刷滑環(huán)導入軋件，并從下軋輥兩端軸頭上的電刷滑環(huán)導出，同時將兩個送料套內(nèi)的線圈中通入可控電流產(chǎn)生可控磁場，可控磁場使得脈沖電流在軋件塑性變形區(qū)呈現(xiàn)梯度分布，由此使得軋件性能呈梯度分布。

一種實施本發(fā)明裝置的方法，該方法是通過一個可控制的磁場輔助電塑性軋制的過程來實現(xiàn)梯度功能材料的制備，可控制的磁場由送料套內(nèi)部的線圈被通入控制電流來實現(xiàn)?？刂齐娏骱兔}沖電流的工作參數(shù)通過有限元軟件ansys逐步迭代、量化分析得出。具體步驟是根據(jù)裝置和被軋件的幾何參數(shù)、電阻率、磁導率以及工作時的壓下量建立含有空氣的有限元分析模型，對模型施加邊界條件后，通過進行量化求解與修改激勵，直到尋找到合適的激勵參數(shù)，也就是所施加控制電流和脈沖電流的參數(shù)，然后將這兩個參數(shù)設置為軋制過程中的控制電源和脈沖電源的參數(shù)后進行軋制過程。軋制過程中，其一要保證兩個送料套內(nèi)部線圈的電流方向要相同，用以保證兩個線圈產(chǎn)生的磁場方向相同，其二要保證軋件從一個送料套內(nèi)穿過后進入輥縫，再從另一個送料套內(nèi)穿出，用以保證兩個線圈產(chǎn)生的磁場集中從軋件中穿過。

本裝置在現(xiàn)有軋機的基礎上將送料板改造為內(nèi)部嵌有線圈的送料套。脈沖電流通過設置在上軋輥兩側(cè)軸頭的電刷滑環(huán)導入到軋件的塑性變形區(qū)，從下軋輥的兩側(cè)軸頭導出。在送料套內(nèi)的線圈中通入可控電流以調(diào)節(jié)磁感應強度的大小，該磁場可影響軋件塑性變形區(qū)內(nèi)脈沖電流的分布進而制備梯度功能材料。

本發(fā)明既可制備橫向梯度材料也可制備縱向梯度材料，且預測性和可控性強，操作高效簡單，適合實際工業(yè)生產(chǎn)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本裝置不局限于單一的梯度功能材料的制備，對于一般可軋制的具有電塑性效應的材料均可加工為梯度功能材料，通用性較強。

2、本裝置中將線圈鑲嵌于送料套內(nèi)部，通過對線圈通入不同大小的電流可以產(chǎn)生不同大小的磁場，使得本裝置中所得磁場具有可調(diào)節(jié)性。此外軋制過程中，軋件穿過線圈時，軋件就相當于線圈內(nèi)的鐵芯，使得線圈內(nèi)的磁場集中于軋件中，減少磁漏及能源損耗。

3、本裝置使用四個電刷滑環(huán)將脈沖電流穩(wěn)定的通入旋轉(zhuǎn)的軋輥軸頭上，并且采用對稱式的加電方式保證了電流的穩(wěn)定性及有效性。

4、本裝置可以借助有限元軟件ansys求得所需要脈沖電流和控制電流的工作參數(shù)，同時也可以對結果進行一定的預測，可以減少產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的軸測視圖。

圖2是本發(fā)明中送料套及內(nèi)部構造示意圖。

圖中：1-機架；2-上軋輥；3-軋輥軸承及軸承座；4-電刷滑環(huán)；5-下軋輥；6-送料套；7-送料套上端蓋；8-線圈；9-送料套下端蓋。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明：

如圖1、圖2所示，本發(fā)明裝置主要包括主機架1、上軋輥2、下軋輥5、電刷滑環(huán)4、軋輥軸承及軸承座3、內(nèi)部含有線圈8的送料套6,上軋輥2和下軋輥5通過軋輥軸承及軸承座3與機架1連接，電刷滑環(huán)4有四個，分別套在上軋輥2和下軋輥5的兩側(cè)軸頭上并且固定于對應的軸承座上，其中軋輥軸承與軸承座和電刷滑環(huán)與軸承座之間都要做絕緣處理。送料套6有兩個對稱安置于機架1前后兩側(cè)，并且送料套6要平行正對上軋輥2和下軋輥5的夾縫。脈沖電流的施加方式是：上軋輥2兩側(cè)電刷滑環(huán)4與脈沖電源的正極相連，下軋輥兩側(cè)電刷滑環(huán)4與脈沖電源的負極相連。脈沖電流將從上軋輥2的兩端軸上的電刷滑環(huán)4引入軋件，從下軋輥5的兩端軸上的電刷滑環(huán)4引出。

如圖2所示，本發(fā)明裝置中送料套6的內(nèi)部嵌有線圈8，控制電流的施加方式是，直流電源接入送料套6內(nèi)部的線圈8中，并且要保證前后兩個線圈8中的控制電流方向相同。本發(fā)明在機架1前后設置了對稱的送料套6，在軋制過程中軋件將依次穿過這兩個送料套。

實施本發(fā)明軋制裝置的方法，具體步驟如下：

步驟一，根據(jù)裝置和軋件的幾何參數(shù)、電阻率、磁導率以及工作時軋件的壓下量，建立一個含有空氣在內(nèi)的ansys有限元分析模型；

步驟二，根據(jù)脈沖電流輔助金屬塑性成型時對軋件材料性能的影響，結合所要得到的軋件材料的性能推導出軋制時脈沖電流在軋件內(nèi)的分布即脈沖電流分布的預期結果；

步驟三，根據(jù)脈沖電流分布的預期結果，在步驟一所得有限元模型上初步設置邊界條件和激勵，通過求解初步得到計算結果；

步驟四，將所得到的計算結果與脈沖電流分布的預期結果進行對比，根據(jù)對比的結果和差別調(diào)節(jié)和優(yōu)化激勵的大小，重新計算并得到一個優(yōu)化結果；

步驟五，用所得到的優(yōu)化結果重復做步驟四，以使脈沖電流在軋件內(nèi)的分布接近步驟二所得到的預期結果，直到得到一個最佳邊界條件和最優(yōu)激勵，所得到的最佳激勵就是本次軋制所需要設定的脈沖電流參數(shù)和控制電流參數(shù)；

步驟六，對裝置施加設定的脈沖電流參數(shù)和控制電流參數(shù)，脈沖電流的施加方式是，上軋輥2兩側(cè)電刷滑環(huán)4與脈沖電源的正極相連，下軋輥5兩側(cè)電刷滑環(huán)4與脈沖電源的負極相連，脈沖電流將從上軋輥2的兩端軸上的電刷滑環(huán)4引入軋件，從下軋輥5的兩端軸上的電刷滑環(huán)4引出，控制電流的施加方式是，直流電源接入前后兩個送料套6內(nèi)部的線圈8中，使兩個線圈8中的控制電流方向相同，之后進行軋制過程，軋制過程中軋件從兩個送料套6中穿過。

以上實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明權利要求書確定的保護范圍內(nèi)。