渐进式温热镦-扭交替强变形方法与流程

本发明属于金属板材加工技术领域，涉及一种渐进式温热镦-扭交替强变形方法。

背景技术：

高压扭转是一种新型制备超细晶材料的塑性加工方法，其制备工艺是薄饼状试样在模具内被施以压力的同时下模转动，通过主动摩擦在试样横截面上施加扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形，积累大量应变从而获得很大的塑性变形，是一种压扭同时复合变形工艺。高压扭转工艺一般为冷强变形工艺，其制备尺寸较小，材料所能扭转的样品的厚度一般不超过2mm，直径在5mm～20mm左右，不适合柱状坯料的大变形，也不适用于较大尺寸的板材制备。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种渐进式温热镦-扭交替强变形方法，在一定加热温度下，通过对柱状坯料进行反复交替温热镦段-扭转，从而使柱状坯料最终形成细晶板坯，而且原始坯料的高径比和所制备板坯的尺寸可大幅度增加。

本发明是这样实现的：

一种渐进式温热镦-扭交替强变形方法，其包括以下步骤：

s1、将镦-扭模具的上压头装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头装配到液压机的下横梁工作台上，所述上压头和下压头对中定心，在上压头和下压头的外侧套上套筒，套筒对所述上压头和下压头进行导向，在套筒的外侧套上加热圈，柱状坯料放置在下压头的中心位置；

s2、启动液压机，上压头以预设速度下行，在所述柱状坯料上方预设距离时，降低下行速度直至上压头贴合所述柱状坯料的上表面，停止下行，加热圈升温至预设温度，并进行保温；

s3、液压机对柱状坯料施加压力或压下量，对柱状坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π～6π弧度后，液压机卸载回程；

s4、液压机再次下行，施加大于步骤s3的压力或压下量，进行再次镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π～6π弧度后，液压机卸载回程；

s5、重复4～5次s3～s4，进行重复镦-扭，每次镦锻的压力或压下量均大于前一次镦锻压力或压下量，下压头扭转2π～6π弧度，将柱状坯料变形为细晶板坯，所述细晶板坯的晶粒细化到预设尺寸。

优选地，所述上压头和下压头的截面尺寸比所述细晶板坯的截面尺寸大10mm以上。

优选地，镦锻过程中，每次施加的压力p的表达式为：

p＝σs(1+δ)a

其中，σs是柱状坯料的屈服应力，a为计算面积，δ为系数。

优选地，计算面积a的表达式为：

其中，v为柱状坯料的体积，h为液压机每次下压镦锻后，坯料变形后的高度。

优选地，所述镦-扭模具的上压头和下压头均为轴对称圆柱形结构，表面均包括中心圆平面、扇形凹面和扇形平面，所述扇形凹面和扇形平面相间的环绕所述中心圆平面。

优选地，步骤s2中，上压头下降到距所述柱状坯料的上表面5mm处，降低下行速度。

优选地，步骤s2中，保温时间为20min。

优选地，所述细晶板坯的晶粒尺寸为0.2～5μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过镦-扭交替变形，镦锻和扭转各进行一次为一个道次，通过多个道次使柱状坯料转变成细晶板坯，而高压扭转是通过镦-扭复合变形使板坯进一步减薄，从而使晶粒得到细化。

2.镦锻变形的力属于冲击载荷，在渐进变形中使镦锻变形力渐进增加，从而可不断提高材料的变形量，适合于高径比较大的柱状坯料变形。

3.镦-扭交替变形两次扭转之间增加镦锻工艺使材料形状改变，可改善变形材料与模具间的摩擦状态，增大摩擦系数，可解决压扭变形时变形材料与模具之间的打滑现象。

4.变形过程中通过对材料进行加热到合适的温度，从而保证材料在实现强变形的条件下不发生破裂现象。

5.扇形凹面和扇形平面相间的模具结构设计，有利于使材料在镦锻阶段形成波浪形状，从而提高镦锻阶段的应变，同时也有利于后续扭转过程中材料实现大变形，从而迅速减薄，同时这种结构设计也能解决传统平面压头摩擦力低造成的打滑问题。

附图说明

图1为镦-扭模具和坯料装配图俯视图；

图2为镦-扭模具和坯料装配的a-a视图；

图3为镦-扭交替强变形过程中坯料形状的截面示意图；

图4为镦-扭模具的三维示意图；

图5为镦-扭模具的正视图；以及

图6为镦-扭模具的俯视图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明是这样实现的：

一种渐进式温热镦-扭交替强变形方法，其包括以下步骤：

s1、将镦-扭模具的上压头1装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头3装配到液压机的下横梁工作台上，上压头1和下压头3对中定心，在上压头1和下压头3的外侧套上套筒4，套筒4对上压头1和下压头3进行导向，在套筒4的外侧套上加热圈5，柱状坯料2放置在下压头的中心位置；

s2、启动液压机，上压头1以预设速度下行，上压头1下降到距柱状坯料2的上表面5mm处，降低下行速度直至上压头1贴合柱状坯料2的上表面，停止下行，加热圈5升温至预设温度，并进行保温20min；

s3、液压机对柱状坯料2施加压力或压下量，对柱状坯料2进行镦锻，液压机保压，上压头1保持不动，下压头3扭转2π～6π弧度后，液压机卸载回程，在下压头3进行扭转时，坯料随下压头3进行旋转；

s4、液压机再次下行，施加大于步骤s3的压力或压下量，进行再次镦锻，液压机保压，上压头1保持不动，下压头3扭转2π～6π弧度后，液压机卸载回程；

s5、重复4～5次s3～s4，进行重复镦-扭，每次镦锻的压力或压下量均大于前一次镦锻压力或压下量，下压头3扭转2π～6π弧度，将柱状坯料2变形为细晶板坯，细晶板坯的晶粒细化到预设尺寸。

优选地，套筒4、加热圈5、上压头1和下压头3的尺寸根据柱状坯料2的尺寸和制得的细晶板坯的尺寸选取，上压头1和下压头3的截面尺寸比细晶板坯的截面尺寸大10mm以上，套筒4套设在上压头1和下压头3的外部，所以套筒4的内径略大于上压头1和下压头3的外径尺寸。

镦锻过程中，每次施加的压力p的表达式为：

p＝σs(1+δ)a

其中，σs是柱状坯料的屈服应力，a为计算面积，δ为系数，柱状坯料的材料为5a06铝合金的δ取值范围为0.2～1.6；柱状坯料的材料为7a04铝合金的δ取值范围为-0.8～0；柱状坯料的材料为az91b镁合金的δ取值范围为-0.98～2。

由于坯料在镦-扭交替强变形过程中，坯料会产生鼓肚，使得计算面积a大于坯料与上压头或下压头的实际接触面积，所以，计算面积a的表达式为：

其中，v为柱状坯料的体积，h为液压机每次下压镦锻后，坯料变形后的高度h的表达式为：

h＝h0-h′

其中，h0为柱状坯料的原始高度，h′为坯料的压缩总高度，即h′＝h1+h2+…+hn，h1为第一次的压下量，h2～hn为每次的压下量较上次增加的量。

优选地，加热圈的加热温度根据材料的不同进行设定。

优选地，制得的细晶板坯的晶粒尺为0.2～5μm。

如图1、2和4～5所示，上压头、下压头均为轴对称圆柱形结构，表面均包括中心圆平面、扇形凹面和扇形平面，扇形凹面和扇形平面相间的环绕中心圆平面。柱状坯料为圆柱形坯料，最终制得的细晶板坯为圆形板坯。本发明的镦-扭包括镦锻和扭转，镦锻和扭转各进行一次为一个道次，镦-扭交替强变形中的坯料的变形过程如图3所示，图3中(a)为原始圆柱形坯料截面示意图，(b)为坯料一次镦锻成形后的形状截面示意图，(c)为坯料一次扭转成形后的形状截面示意图，(d)为镦-扭交替强变形最终制备的细晶板坯的形状截面示意图。

如图4～6所示，本发明加工中模具上压头、下压头均为扇形凹面与扇形平面相间模具，加工时上压头扇形凹面与下压头扇形平面相对应。上压头和下压头表面的扇形凹面和扇形平面区域角度随着凹面高度和扇形凹面半径改变而改变，即扇形凹面半径越小，凹面高度越高，扇形凹面区域角度越小，可根据需要减小扇形凹面区域角度，增加扇形凹面区域个数。扇形凹面和平面间采用等半径圆角倒角，与扇形平面等高的中心圆平面与扇形凹面也采用等半径倒角。扇形凹面与中心圆平面交线圆弧高度和扇形凹面与模具圆柱面交线圆弧高度成线性关系，即由模具中心向外扇形凹面圆弧线性降低。

优选地，如图5和6所示，扇形凹面与模具圆柱面交线处圆弧半径r2＝505mm，圆弧高度h2＝0.5mm；扇形凹面与中心圆平面交线处圆弧半径r1＝15.5mm，圆弧高度h1＝0.2mm；扇形凹面与扇形平面间圆角半径为30mm，模具高度h＝50mm，模具直径90mm。

实施例1

对直径14mm，高13.2mm的圆柱形az91b镁合金坯料，在温度200℃进行3道次渐进式镦-扭交替强变形，具体操作如下：

s1、如图1和2所示，将镦-扭模具的上压头装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头装配到液压机的下横梁工作台上，上压头和下压头对中定心，在上压头和下压头的外侧套上套筒，套筒对上压头和下压头进行导向，在套筒的外侧套上加热圈，将如图3中(a)所示的圆柱形坯料放置在下压头的中心位置，关闭液压机；

s2、启动液压机，上压头快速下行，在距离圆柱形坯料上表面5mm处，降低上压头的下行速度至0.5mm/min，上压头与圆柱形坯料上表面贴合后，启动加热圈控温箱，将温度设定到预设温度200℃，对模具和圆柱形坯料进行加热，到达200℃后，保温20min，保证模具和坯料温度均匀稳定；

s3、启动液压机控制上压头的压下量，第一次上压头下行h1＝2mm，对坯料进行镦锻，圆柱形坯料变形为如图3中(b)所示的形状，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时坯料变成如图3中(c)所示的鼓形，平均晶粒尺寸由22μm细化到14μm；

s4、上压头继续下行，较上次的压下量增加h2＝2.5mm对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时，平均晶粒尺寸由第1道次的14μm细化到6μm；

s5、最后一道次镦-扭工艺，此次上压头的压下量较上次增加h3＝3.5mm，随着镦锻次数增加，镦锻吨位达到10t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转4π弧度，液压机卸载回程，最终制备结果如图3中(d)所示的板坯，板坯厚度为5.2mm，直径为22.3mm，平均晶粒尺寸由第2道次的6μm细化到第3道次的3μm，得到细晶板坯。

实施例2

对直径14mm，高13.2mm的圆柱形5a06铝合金坯料，在温度250℃进行5道次渐进式镦-扭交替强变形，具体操作如下：

s1、将镦-扭模具的上压头装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头装配到液压机的下横梁工作台上，上压头和下压头对中定心，在上压头和下压头的外侧套上套筒，套筒对上压头和下压头进行导向，在套筒的外侧套上加热圈，将如图3中(a)所示的圆柱形坯料放置在下压头的中心位置，关闭液压机；

s2、启动液压机，上压头快速下行，在距离圆柱形坯料上表面5mm处，降低上压头的下行速度至0.5mm/min，上压头与圆柱形坯料上表面贴合后，启动加热圈控温箱，将温度设定到预设温度250℃，对模具和圆柱形坯料进行加热，到达200℃后，保温20min，保证模具和坯料温度均匀稳定；

s3、启动液压机控制上压头下压量，第一次上压头的压下量h1＝2mm，对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时坯料变成如图3中(c)所示的鼓形，平均晶粒尺寸由坯料铝合金原始晶粒20μm细化到11μm；

s4、上压头继续下行，较上次的压下量增加h2＝2mm对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第1道次的11μm细化到5μm；

s5、上压头继续下行，增大液压机压力，此次上压头的压下量较上次增加h3＝3mm，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，平均晶粒尺寸由第2道次的5μm细化到2μm；

s6、上压头的压下量较上次增加h4＝2.2mm，液压机镦锻吨位显示为17t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第3道次的2μm细化到1μm。

s7、最后一道次镦-扭工艺，此次上压头的压下量较上次增加h5＝2mm，随着镦锻次数增加，镦锻吨位达到23t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转4π弧度，液压机卸载回程，最终制备如图3中(d)的板坯，板坯厚度为2mm，直径为35.96mm，平均晶粒尺寸由第4道次的1μm细化到第5道次的0.5μm，得到细晶板坯。

实施例3

对直径14mm，高13.2mm的圆柱形7a04铝合金坯料，在温度300℃进行5道次渐进式镦-扭交替强变形，具体操作如下：

s1、将镦-扭模具的上压头装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头装配到液压机的下横梁工作台上，上压头和下压头对中定心，在上压头和下压头的外侧套上套筒，套筒对上压头和下压头进行导向，在套筒的外侧套上加热圈，将如图3中(a)所示的圆柱形坯料放置在下压头的中心位置，关闭液压机；

s2、启动液压机，上压头快速下行，在距离圆柱形坯料上表面5mm处，降低上压头的下行速度至0.5mm/min，上压头与圆柱形坯料上表面贴合后，启动加热圈控温箱，将温度设定到预设温度250℃，对模具和圆柱形坯料进行加热，到达200℃后，保温20min，保证模具和坯料温度均匀稳定；

s3、启动液压机控制上压头下压量，第一次上压头的压下量h1＝1.5mm，对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时坯料变成如图3中(c)所示的鼓形，平均晶粒尺寸由坯料铝合金原始晶粒21μm细化到13μm；

s4、上压头继续下行，较上次的压下量增加h2＝2mm对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第1道次的13μm细化到7μm；

s5、上压头继续下行，增大液压机压力，此次上压头的压下量较上次增加h3＝2.2mm，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，平均晶粒尺寸由第2道次的7μm细化到4μm；

s6、上压头的压下量较上次增加h4＝2.5mm，液压机镦锻吨位显示为12t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第3道次的4μm细化到2μm；

s7、最后一道次镦-扭工艺，此次上压头的压下量较上次增加h5＝3mm，随着镦锻次数增加，镦锻吨位达到20t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转4π弧度，液压机卸载回程，最终制备如图3中(d)的细晶板坯，板坯厚度为2mm，直径为35.96mm，平均晶粒尺寸由第4道次的2μm细化到第5道次的1μm，得到目标细晶板坯。

实施例4

对直径14mm，高13.2mm的圆柱形7a04铝合金坯料，在温度200℃进行7道次渐进式镦-扭交替强变形，具体操作如下：

s1、将镦-扭模具的上压头装配到液压机的活动横梁工作台上，将下压头装配到液压机的下横梁工作台上，上压头和下压头对中定心，在上压头和下压头的外侧套上套筒，套筒对上压头和下压头进行导向，在套筒的外侧套上加热圈，将如图3中(a)所示的圆柱形坯料放置在下压头的中心位置，关闭液压机；

s2、启动液压机，上压头快速下行，在距离圆柱形坯料上表面5mm处，降低上压头的下行速度至0.5mm/min，上压头与圆柱形坯料上表面贴合后，启动加热圈控温箱，将温度设定到预设温度250℃，对模具和圆柱形坯料进行加热，到达200℃后，保温20min，保证模具和坯料温度均匀稳定；

s3、启动液压机控制上压头下压量，第一次上压头的压下量h1＝1.5mm，对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时坯料变成如图3中(c)所示的鼓形，平均晶粒尺寸由坯料铝合金原始晶粒21μm细化到15μm；

s4、上压头继续下行，较上次的压下量增加h2＝2mm对坯料进行镦锻，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第1道次的15μm细化到7μm；

s5、上压头继续下行，增大液压机压力，此次上压头的压下量较上次增加h3＝2mm，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，平均晶粒尺寸由第2道次的7μm细化到4μm；

s6、上压头的压下量较上次增加h4＝2.7mm，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第3道次的4μm细化到2μm；

s7、上压头继续下行，增大液压机压力，此次上压头的压下量较上次增加h5＝1mm，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，平均晶粒尺寸由第4道次的2μm细化到1μm；

s8、上压头的压下量较上次增加h6＝1mm，镦锻吨位达到35t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转2π弧度，液压机卸载回程，此时平均晶粒尺寸由第5道次的1μm细化到0.5μm；

s9、最后一道次镦-扭工艺，此次上压头的压下量较上次增加h7＝2mm，随着镦锻次数增加，镦锻吨位达到54t，液压机保压，上压头保持不动，下压头扭转4π弧度，液压机卸载回程，最终制备如图3中(d)的细晶板坯，板坯厚度为1mm，直径50.85mm，平均晶粒尺寸由第6道次的0.5μm细化到第7道次的0.2μm，得到目标细晶板坯。

采用本发明的渐进式温热镦-扭交替强变形方法制得的细晶板坯最小的晶粒尺寸可达到0.2μm。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。