一种制备梯度功能材料的轧制装置及方法与流程

本发明涉及磁场作用下的脉冲电流在金属加工领域的应用，具体涉及一种制备梯度功能材料的轧制装置及方法。

背景技术：

梯度功能材料是一种材料性能沿某一方向呈连续的梯度变化的材料，简称fgm。梯度功能材料由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视并对其展开研究，迄今为止，已探索出一些基本的研究方法并制备出许多体系的梯度功能材料。但是已有的梯度功能材料制备工艺有着操作难度较高、结果难于预测、所得到的梯度性能的连续性难于控制等缺点。除此之外，这些方法对于合成其他系的梯度材料还有着一定的局限性。

已有研究表明，在变形过程中的金属通入脉冲电流会使得金属的变形抗力降低，加工硬化现象得到减小，表面功能函数得到优化，因此脉冲电流在金属加工中的应用越来越广泛，已经有许多学者将脉冲电流应用于拔丝，冲压，轧制等工艺之中。并且在已有数据中可以发现，被加工件中脉冲电流的密度不同，得到的工件的材料性能也不相同。

在电动力学理论中，运动于电磁场的带电粒子将受到洛伦兹力的作用，将使得粒子的运动轨迹发生偏转。因此若在轧制过程中同时施加一个脉冲电流和一个可控制的磁场，通过磁场影响脉冲电流的分布，可使所得轧件性能呈现梯度分布，以此来完成梯度功能材料的制备。

技术实现要素：

针对上述存在问题，受到电动力学理论的启示，由于在金属电塑性加工过程中的轧件中脉冲电流的电流密度不同，其加工之后所得到材料的性能也不相同，加之运动的带电粒子在磁场中将受到洛伦兹力的影响，其运动轨迹将发生偏转，因此若在轧制过程中同时施加一个脉冲电流和一个可控制的磁场，使得脉冲电流的密度在轧件宽展方向呈现梯度分布，其所得的轧件的性能在宽展方向也将呈现梯度分布，此外在轧制过程中可以改变控制电流的大小进而改变磁场的大小，使脉冲电流在轧制过程中沿纵向上梯度分布，如此可使轧件的材料性能在纵向上也能以梯度形式分布。

基于上述构思，本发明目的是在现有轧机基础上，提供一种制备梯度功能材料的轧制装置及方法。

为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：

一种制备梯度功能材料的轧制装置，包括机架，上、下轧辊，轧辊轴承及轴承座，上、下轧辊通过轧辊轴承及轴承座与机架连接，所述上、下轧辊两侧轴头上分别套装一个电刷滑环，所述电刷滑环固定于对应的轴承座上，所述轧辊轴承与轴承座和电刷滑环与轴承座之间均设有绝缘，所述机架前后两侧的上、下轧辊夹缝处对称设有送料套，送料套通过螺栓固定在机架上，所述送料套内部嵌有线圈，线圈通过上、下端盖封装在送料套内，轧制过程中，将脉冲电流分别从上轧辊两侧轴头上的电刷滑环导入轧件，并从下轧辊两端轴头上的电刷滑环导出，同时将两个送料套内的线圈中通入可控电流产生可控磁场，可控磁场使得脉冲电流在轧件塑性变形区呈现梯度分布，由此使得轧件性能呈梯度分布。

一种实施本发明装置的方法，该方法是通过一个可控制的磁场辅助电塑性轧制的过程来实现梯度功能材料的制备，可控制的磁场由送料套内部的线圈被通入控制电流来实现。控制电流和脉冲电流的工作参数通过有限元软件ansys逐步迭代、量化分析得出。具体步骤是根据装置和被轧件的几何参数、电阻率、磁导率以及工作时的压下量建立含有空气的有限元分析模型，对模型施加边界条件后，通过进行量化求解与修改激励，直到寻找到合适的激励参数，也就是所施加控制电流和脉冲电流的参数，然后将这两个参数设置为轧制过程中的控制电源和脉冲电源的参数后进行轧制过程。轧制过程中，其一要保证两个送料套内部线圈的电流方向要相同，用以保证两个线圈产生的磁场方向相同，其二要保证轧件从一个送料套内穿过后进入辊缝，再从另一个送料套内穿出，用以保证两个线圈产生的磁场集中从轧件中穿过。

本装置在现有轧机的基础上将送料板改造为内部嵌有线圈的送料套。脉冲电流通过设置在上轧辊两侧轴头的电刷滑环导入到轧件的塑性变形区，从下轧辊的两侧轴头导出。在送料套内的线圈中通入可控电流以调节磁感应强度的大小，该磁场可影响轧件塑性变形区内脉冲电流的分布进而制备梯度功能材料。

本发明既可制备横向梯度材料也可制备纵向梯度材料，且预测性和可控性强，操作高效简单，适合实际工业生产。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本装置不局限于单一的梯度功能材料的制备，对于一般可轧制的具有电塑性效应的材料均可加工为梯度功能材料，通用性较强。

2、本装置中将线圈镶嵌于送料套内部，通过对线圈通入不同大小的电流可以产生不同大小的磁场，使得本装置中所得磁场具有可调节性。此外轧制过程中，轧件穿过线圈时，轧件就相当于线圈内的铁芯，使得线圈内的磁场集中于轧件中，减少磁漏及能源损耗。

3、本装置使用四个电刷滑环将脉冲电流稳定的通入旋转的轧辊轴头上，并且采用对称式的加电方式保证了电流的稳定性及有效性。

4、本装置可以借助有限元软件ansys求得所需要脉冲电流和控制电流的工作参数，同时也可以对结果进行一定的预测，可以减少产品研发周期、降低研发成本。

附图说明

图1是本发明装置的轴测视图。

图2是本发明中送料套及内部构造示意图。

图中：1-机架；2-上轧辊；3-轧辊轴承及轴承座；4-电刷滑环；5-下轧辊；6-送料套；7-送料套上端盖；8-线圈；9-送料套下端盖。

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：

如图1、图2所示，本发明装置主要包括主机架1、上轧辊2、下轧辊5、电刷滑环4、轧辊轴承及轴承座3、内部含有线圈8的送料套6,上轧辊2和下轧辊5通过轧辊轴承及轴承座3与机架1连接，电刷滑环4有四个，分别套在上轧辊2和下轧辊5的两侧轴头上并且固定于对应的轴承座上，其中轧辊轴承与轴承座和电刷滑环与轴承座之间都要做绝缘处理。送料套6有两个对称安置于机架1前后两侧，并且送料套6要平行正对上轧辊2和下轧辊5的夹缝。脉冲电流的施加方式是：上轧辊2两侧电刷滑环4与脉冲电源的正极相连，下轧辊两侧电刷滑环4与脉冲电源的负极相连。脉冲电流将从上轧辊2的两端轴上的电刷滑环4引入轧件，从下轧辊5的两端轴上的电刷滑环4引出。

如图2所示，本发明装置中送料套6的内部嵌有线圈8，控制电流的施加方式是，直流电源接入送料套6内部的线圈8中，并且要保证前后两个线圈8中的控制电流方向相同。本发明在机架1前后设置了对称的送料套6，在轧制过程中轧件将依次穿过这两个送料套。

实施本发明轧制装置的方法，具体步骤如下：

步骤一，根据装置和轧件的几何参数、电阻率、磁导率以及工作时轧件的压下量，建立一个含有空气在内的ansys有限元分析模型；

步骤二，根据脉冲电流辅助金属塑性成型时对轧件材料性能的影响，结合所要得到的轧件材料的性能推导出轧制时脉冲电流在轧件内的分布即脉冲电流分布的预期结果；

步骤三，根据脉冲电流分布的预期结果，在步骤一所得有限元模型上初步设置边界条件和激励，通过求解初步得到计算结果；

步骤四，将所得到的计算结果与脉冲电流分布的预期结果进行对比，根据对比的结果和差别调节和优化激励的大小，重新计算并得到一个优化结果；

步骤五，用所得到的优化结果重复做步骤四，以使脉冲电流在轧件内的分布接近步骤二所得到的预期结果，直到得到一个最佳边界条件和最优激励，所得到的最佳激励就是本次轧制所需要设定的脉冲电流参数和控制电流参数；

步骤六，对装置施加设定的脉冲电流参数和控制电流参数，脉冲电流的施加方式是，上轧辊2两侧电刷滑环4与脉冲电源的正极相连，下轧辊5两侧电刷滑环4与脉冲电源的负极相连，脉冲电流将从上轧辊2的两端轴上的电刷滑环4引入轧件，从下轧辊5的两端轴上的电刷滑环4引出，控制电流的施加方式是，直流电源接入前后两个送料套6内部的线圈8中，使两个线圈8中的控制电流方向相同，之后进行轧制过程，轧制过程中轧件从两个送料套6中穿过。

以上实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。