正弦軋制成形及其模擬與實(shí)驗(yàn)研究*

盧振華

(天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

在提高金屬板料力學(xué)性能及成形性能方面，細(xì)化晶粒和改善組織及織構(gòu)被認(rèn)為是提高金屬性能的有效途徑。軋制方式不同，板材上所受的力不同，得到的組織也有差異。選擇合適的軋制方式，可以有效地細(xì)化晶粒和降低織構(gòu)強(qiáng)度，提高板材的成型性和后續(xù)加工性能[1]。同步軋制上下軋輥直徑相當(dāng)、轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反，板材中線上下變形量相當(dāng)。異步軋制兩工作輥圓周線速度不同，在軋制條件相同的情況下，對(duì)鎂合金常規(guī)軋制與異步軋制研究表明，異步軋制板材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶比較完全，晶粒較細(xì)小，且晶粒大小更為均勻[2-4]。等徑角軋制是在普通雙輥軋機(jī)上安裝等徑角擠壓模具，板材首先通過軋輥產(chǎn)生一定的軋制變形，然后利用兩軋輥與板材表面的摩擦力來提供足夠的擠壓力使板材通過等徑角模具轉(zhuǎn)角的軋制方法。等徑角軋制可以細(xì)化晶粒，提高材料力學(xué)性能，但軋制板材軋制方向塑性性能明顯優(yōu)于橫向，各向異性明顯[5-6]。交叉軋制在軋制過程中改變軋制方向 (旋轉(zhuǎn)90°)，可以每道次間都改變一次，也可以在一個(gè)方向上進(jìn)行多道次軋制后再改變。交叉軋制能夠顯著減輕材料的各向異性，板材退火組織具有比單向軋制更好的均勻性和等軸性，但軋制工藝較繁瑣。為改善組織，提高性能和簡化工藝許多板料成形的新方法得到廣泛關(guān)注。王忠堂等[7]研究了鎂合金板料的壓痕-壓平復(fù)合形變；Yang與Ghosh 研究了波浪模具壓制鎂合金板材的工藝及性能[8-9]。提出了一種新型板料正弦軋制成形方法并通過模擬和實(shí)驗(yàn)，研究了正弦軋制板料上應(yīng)力和應(yīng)變的分布，微觀組織、力學(xué)各向同性性能、板型及裂紋情況，為制備高性能各向同性軋制板材，簡化軋制工藝提供新思路和新方法。

1 正弦軋制原理及其軋制工藝

正弦軋制是采用正弦軋輥進(jìn)行軋制，使板料產(chǎn)生正弦波型彎曲的同時(shí)被軋薄成形的工藝方法。正弦軋輥是以正弦函數(shù)曲線為母線沿一定的中心線旋轉(zhuǎn)，形成的正弦曲面回轉(zhuǎn)體，該正弦母線函數(shù)稱為正弦軋制變形函數(shù)，其周期為T，振幅為A；Dmin和Dmax為形成的軋輥?zhàn)钚≈睆胶妥畲笾睆剑珼m為平均直徑如圖1所示。為保證上下兩正弦軋輥之間各處間隙均勻，要求上下兩輥的正弦母線正好相差半個(gè)周期，使兩輥正弦曲面的波峰和波谷能夠恰好相互嚙合。軋制時(shí)兩軋輥轉(zhuǎn)向相反，板料在推力、軋輥摩擦力的作用下被咬入軋輥間隙，板料被正弦彎曲變形的同時(shí)在軋制力的作用下厚度減小，此后板料可以只在摩擦力的作用下完成軋制，如圖2所示。

圖1 正弦軋輥 圖2 正弦軋制原理

首次正弦軋制后板料沿垂直軋制方向(TD方向)截面變形為一定正弦波形，如圖3所示。此后可以用常規(guī)輥軋平波形，也可以經(jīng)過多道次正弦軋制后再利用常規(guī)輥軋平，加工出一定尺寸的平板材。這種變形工藝過程定義為正弦軋制工藝，如圖4所示。

圖3 正弦輥軋制變形板 圖4 正弦軋制工藝

2 應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)值模擬

正弦軋制時(shí)板料上的應(yīng)力與應(yīng)變的研究通過數(shù)值模擬進(jìn)行。首先用三維設(shè)計(jì)軟件建立2個(gè)平均直徑相同的正弦軋輥模型、1個(gè)軋制板料模型和1個(gè)推板的三維模型，然后導(dǎo)入deform3D軟件并對(duì)軋輥、坯料及推板相互位置進(jìn)行了調(diào)整，如圖5(a)所示。模擬軋制板料材質(zhì)選擇鋁板，并對(duì)其進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)置兩輥具有相同的軋制角速度等相關(guān)模擬參數(shù)。模擬后得到軋制板料上的應(yīng)力與應(yīng)變，見圖5(b)、(c)、(d)所示。由圖可知，板料沿軋制RD方向存在明顯的前滑區(qū)、軋制區(qū)和后滑區(qū)；同一軋制表面上波峰谷處壓應(yīng)力和壓應(yīng)變均大于波峰處且各處大小不同；上下表面上軋制區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變沿中心層兩側(cè)分布及大小明顯不對(duì)稱。沿垂直軋制TD方向應(yīng)力和應(yīng)變各處大小不同且都呈周期型分布如圖5(c)、(d)。由此可見正弦軋制法作用在板料上的力極其復(fù)雜，應(yīng)力和應(yīng)變呈周期分布，各處大小不同且有規(guī)律變化；軋制過程中整個(gè)板料的軋制呈異步挫軋成形；正弦軋制是沿RD方向的正弦異步變形和沿TD方向的正弦彎曲變形的復(fù)合變形，會(huì)對(duì)板料的微觀組織產(chǎn)生較大的影響。

圖5 正弦軋制模擬

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)截取厚度為1 mm，長寬為100×40 mm的鋁合金板，分別在室溫下進(jìn)行常規(guī)異步軋制和正弦軋制，觀察軋制板料的顯微組織及測(cè)試沿TD方向和RD方向力學(xué)性能。圖6為變形量為40%時(shí)兩種軋制方法下金相顯微組織。

圖6 鋁合金軋制顯微組織

由圖6可知，正弦軋制板料微觀組織與普通異步軋制微觀組織相差較大，普通軋制變形后晶粒被拉長且沿軋制方向呈明顯的軋制流線型組織如圖6(a)所示，而正弦軋制后常規(guī)異步軋制流線型取向組織明顯被弱化，大量拉長的晶粒被破碎細(xì)化，如圖6(b)。根據(jù)上文模擬結(jié)果，正弦軋制整個(gè)板料各點(diǎn)都處于異步變形，認(rèn)為在異步變形過程中產(chǎn)生的附加剪切應(yīng)力和正弦彎曲的拉壓應(yīng)力共同作用使晶粒破碎的同時(shí)改變了晶粒取向，弱化了軋制織構(gòu)且晶粒大小均勻。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)也表明，正弦軋制板料制沿TD方向和RD方向試樣的斷裂峰值僅相差7 N具有比普通異步軋制更好的各向同性。此外由于鋁的塑性較好，在軋制過程中未觀察到軋制裂紋，而產(chǎn)用AZ91鎂板進(jìn)行軋制時(shí)，則產(chǎn)生了明顯的裂紋，如圖7所示。普通異步軋制時(shí)產(chǎn)生邊裂現(xiàn)象，裂紋垂直于RD方向，且板型較差；而正弦軋制，裂紋首先會(huì)沿壓應(yīng)力相對(duì)較小的波峰所在的上表面產(chǎn)生且裂紋與軋制方向平行，但板型相對(duì)較好。

圖7 AZ91鎂合金軋制板型及裂紋

4 結(jié) 論

(1) 正弦軋制是異步軋制，變形過程中不但板料同表面上存在按規(guī)律變化的異步變形，而且板料上下表面的變形上也是異步變形，且沿垂直軋制方向存在正弦彎曲的復(fù)合變形。

(2) 正弦軋制板料上應(yīng)力和應(yīng)變呈周期分布，處于上表面的波峰上的應(yīng)力小于處于下表面的波谷內(nèi)的應(yīng)力，變形受力較普通異步軋制更為復(fù)雜。

(3) 正弦軋制能夠細(xì)化和弱化鋁合金常規(guī)異步軋制的流線型微觀組織，晶粒大小均勻，力學(xué)各向同性性能較好，且沿著軋制方向板型彎曲較少；室溫下相同變形量鋁合金軋制未發(fā)現(xiàn)裂紋，而對(duì)塑性較差的AZ91鎂合金軋制，未發(fā)現(xiàn)邊裂但裂紋首先出現(xiàn)在平行軋制方向的波峰上表面。

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