本發(fā)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?shù)牟粩喟l(fā)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(huán)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(xù)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)厚板的變薄剪切擠壓。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)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(jù)不同的材料實現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(fā)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(jié)墊塊、底板、螺栓；能夠實現(xiàn)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jù)實際需要，把坯料加工成塊狀，表面平整拋光；

（2）根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)需要選擇合適厚度的底板墊塊、板厚調節(jié)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(jié)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(xiàn)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(yōu)異的板材。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)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(fā)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(yōu)異的高性能金屬板材，能夠較好應用于工業(yè)化生產；

3、本發(fā)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(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繙y溫裝置上進行檢測，采集數(shù)據(jù)傳到外接電腦系統(tǒng)上進行溫度控制。

5、本發(fā)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(xiàn)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(jié)墊塊的厚度來實現(xiàn)厚板的變薄剪切擠壓。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的等厚反復剪切成形裝置的結構示意圖。

圖2為本發(fā)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(jié)墊塊。

圖3為本發(fā)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(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(jié)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(jié)墊塊10的厚度實現(xiàn)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(jù)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(jù)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(xiàn)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(jié)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(jié)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(xiàn)變薄剪切擠壓，板材厚度變?yōu)?mm；

（8）軋制成形：將變薄剪切成形的板材進行冷軋?zhí)幚?，軋制后板材厚度?mm，得到表面質量、成形性能優(yōu)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(tài)板材的極圖如圖4和圖6所示，#1及#2軋制態(tài)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(tài)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(tài)的力學性能，從表1可看出，經本發(fā)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。