一种板材环波反复拉延强变形模具及工艺的制作方法

本发明属于材料加工工程领域，涉及一种板材强变形模具及工艺，特别涉及一种板材环波反复拉延强变形模具及工艺。

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。

技术实现要素：

针对上述存在问题，本发明旨在提供一种板材环波反复拉延强变形模具及工艺，通过环波模具，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，极大的改善板材的物理、化学、力学等方面的综合性能。

本发明所采用的技术方案是：

一种板材环波反复拉延强变形模具，包括环波上模、环波下模，所述环波上模、环波下模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，从轴中心向外的环波弧度和长度逐圈减小；所述环波上模与液压机的活动横梁相连接，所述环波下模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；在环波上模和环波下模之间设有轴向对称布置的导柱，与环波上模配合的导柱处设有导套；在环波下模上端设有两组径向对称布置的定位机构，可实现板材定位；所述环波上模、环波下模通过导柱、导套导向，直接参与板材的成形，通过合模将板材拉延至设定的环波形，在拉延过程中，通过定位机构使板材进一步定位，实现板材反复拉延。

所述环波弧度、长度及圈数取决于板材的成形性能和板材的半径和厚度。

所述的定位机构由定位弹簧、定位螺杆、定位挡块、螺母、挡块构成，挡块与环波下模连接，定位螺杆穿过挡块与定位挡块相连，定位弹簧套在定位螺杆上并置于挡块和定位挡块之间，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。

一种板材环波反复拉延强变形工艺，包括如下道次：

(1)将圆形板材放置在环波下模中心位置，调节定位螺杆，校准圆形板材与环波下模中心准确对齐。

(2)启动液压机，环波上模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和环波下模贴合后，保压一定时间。

(3)环波上模回程，将变形圆形板材翻转180°，使变形圆形板材的波峰和波谷分别与环波上、下模的波谷和波峰相对，再次调节定位螺杆，使变形圆形板材与环波下模中心准确定位后，重复道次(2)；

(4)重复道次(3)2～4次，将变形圆形板材拉延至预定形变，晶粒细化至预定尺寸；

(5)将经过道次(4)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。

本发明工艺在上述道次(2)中所述的环波上模按照预定速度开始下行，具体为先使环波上模开始快速下行至与圆形板材相距约0.5mm，再使环波上模下行速度降为0.5～1.0mm/min缓慢下行。

本发明工艺在上述道次(2)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，且模具具有定位系统，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)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，使板材获得均匀组织、稳定性能；

(5)不受成形制件尺寸限制，可加工大尺寸的板材。

附图说明

图1为板材环波反复拉延强变形模具俯视图(去除环波上模)。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为板材环波反复拉延强变形模具左视图。

图4为环波下模的环波结构示意图。

图5为压平模具俯视图(去除上模)。

图6为图5的B-B剖视图。

图7为板材环波反复拉延强变形工艺各道次板材外形示意图。

图中：1-定位挡块，2-定位弹簧，3-定位螺杆，4-螺母，5-内六角螺钉，6-挡块，7-环波下模，8-导柱，9-环波上模，10-导套，11-导柱，12-下模，13-上模，14-导套；S₁～S₆-各环波定位尺寸，R₁～R₆-各环波半径；(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4a拉延后板材，(e)-道次4b拉延后板材，(f)-道次5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：

本发明实施例的板材环波反复拉延强变形模具为轴对称的圆柱形结构，如图1～3所示，由环波上模9、环波下模7、导柱8、导套10及定位挡块1、定位弹簧2、定位螺杆3、螺母4，内六角螺钉5、挡块6等构件组成。其中环波上模9、环波下模7通过导柱8和导套10导向，直接参与板材的成形，将板材拉延至设定波形。环波上模9固定在液压机的活动横梁上、环波下模7通过液压机的下横梁固定在工作台面上，环波上模9为动模，环波下模7为定模。定位弹簧2、定位螺杆3、定位挡块1、螺母4、挡块6、内六角螺钉5构成模具的定位机构，是板材拉延精度的保证。挡块6用内六角螺钉5与环波下模7连接，定位螺杆3穿过挡块6与定位挡块1相连，定位弹簧2套在定位螺杆3上并置于挡块6和定位挡块1之间，定位弹簧2处于预紧状态，放置板料后，定位挡块1被板料顶开，通过调节定位螺杆3使圆形板料准确与模具中心对齐，实现定位。在拉延过程中，随着板材大径减小，定位挡块顶着板材实现进一步定位，实现反复拉延。

如图4所示，环波下模表面由3圈凸凹连续交替的环波构成，环波下模的环波与环波上模的环波相吻合，环波弧度、长度及圈数取决于板材的成形性能和板材的半径和厚度。在力学计算和仿真模拟的基础上确定各环波尺寸参数为：S1＝17.1mm，S2＝26.4mm,S3＝34.8mm,S4＝42.6mm,S5＝50mm,R1＝13.5mm,R₂＝3.6mm,R₃＝2.3mm,R₄＝2.7mm，R₅＝1.8mm，R₆＝2.3mm。所设计的环波模具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。

本发明实施例的一种板材环波反复拉延强变形工艺，对直径为68mm、厚为0.7mm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(如图7(a)所示)放置在环波下模7中心位置，调节定位螺杆3，校准板材与环波下模7中心准确对齐。

道次2：启动液压机，先使环波上模9开始快速下行至与板材相距约0.5mm，再使环波上模9下行速度降为0.5mm/min缓慢下行，将板材拉延变形至与环波上模9和环波下模7贴合后，保压1min。

经过道次2拉延后的变形板材如图7(b)所示,拉延后的变形板材外圆直径64.6mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.675mm，平均等效应变为0.25，平均晶粒尺寸由原始的30μm变为10μm。

道次3：环波上模9回程，将变形板材翻转180°，使变形板材的波峰和波谷分别与环波上、下模的波谷和波峰相对，再次调节定位螺杆3，使变形板材与环波下模7中心准确定位后，重复道次2。

经过道次3拉延后的变形板材如图7(c)所示,拉延后的变形板材外圆直径67.2mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.628mm，平均等效应变为0.45，平均晶粒尺寸由道次2变形后的10μm变为5μm。

道次4a：重复道次3，将变形板材进行拉延，拉延后的变形板材如图7(d)所示，变形板材外圆直径69.8mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.598mm，平均等效应变为0.75，平均晶粒尺寸由道次3变形后的5μm变为3μm。

道次4b：重复道次3，将变形板材再次进行拉延，此次变形后的板材如图7(e)所示，拉延后的变形板材外圆直径71.8mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.569mm，平均等效应变为1.15，平均晶粒尺寸由道次(4a)变形后的3μm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5：将经过道次4b的变形板材用图5、图6所示的压平模具缓慢压平，获得晶粒尺寸细化后的平整板材。压平后的平整板材如图7(f)所示,压平后的平整板材外圆直径72.5mm，变形区板材平均壁厚减薄至0.6mm，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。