一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法

1.本发明涉及金属棒材轧制成形领域，具体为一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法。


背景技术：

2.楔横轧工艺是一种创新的、高效的金属近净成形工艺，经过近几十年来的研究发展，其从初步应用逐渐走向成熟。它的原理是将棒材送入带有楔形凸起的上下模具之间，随着上下模具发生相对运动，楔形模具压入棒材表面并使棒材发生转动，从而使棒材发生径向压缩、轴向延伸的局部变形。由于它具有高效、节材、节能等优点，可以高效地生产加工变截面轴类零件，目前已被广泛应用于汽车轴类零件和工程机械产品的生产中。
3.由于材料成形性能差异以及模具尺寸参数设计等因素影响，楔横轧产品中心易因“曼内斯曼效应”而导致疏松孔洞等缺陷。在轧件尺寸参数确定以及模具尺寸结构经过合理化设计的情况下，材料的楔横轧成形性能差异是轧制过程能否顺利完成，以及所得轧件能否达标的关键因素。
4.材料的塑性通常与其成形性能直接相关，所以目前人们常采用单向拉伸、弯曲、扭转等经典的实验方法，通过屈服强度、延伸率、抗弯强度、剪切屈服极限等指标来评价材料塑性的差异，从而在一定程度上反映材料在某一塑性加工方法的成形性能差异。但这些经典的实验方法由于加载方式比较单一，所以对于加载变形过程复杂的塑性加工方法，往往难以直观准确地评价材料在该加工工艺上的成形性能差异。有鉴于此，对于某一特定形状坯料或者某一塑性加工方法，基于其加工工艺的变形原理和过程来设计评价实验是实现材料成形性能准确评价的前提。例如针对金属薄板成形性能评价，研究人员提出了杯突实验(gb4156-2007)，以杯突深度值作为评价指标，直观评价金属薄板成形性能的差异。针对金属管材液压成形性能评价，研究人员提出了胀形实验(林艳丽.管材力学性能直接测试及fld的建立.哈尔滨工业大学硕士学位论文,2008.)，实验时将管材两端密封并向管材内部充入高压液体，然后将管材端部固定，管坯中间无支撑部分在内压作用下发生自由胀形，通过测量胀形后管材的壁厚和胀形量就可以得到管材的成形性能指标。但对于金属棒材的楔横轧工艺，还没有相关的金属材料楔横轧成形性能评价方法。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法，应用该方法可进行同一材料不同工艺下楔横轧成形性能或者不同材料的楔横轧成形性能评价。
6.本发明的技术方案是：
7.一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法，基于楔横轧变形原理和过程，在板式楔横轧机上采用边缘带有倾斜角度的圆饼状试样和带有斜坡的凹槽状模具进行成形性能评价实验，并建立基于试样心部开裂时的轧制距离或试样未开裂时的心部减薄率为评价指标的成形性能评价体系。
8.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，包括以下步骤：
9.a.在所制定的模具和试样的尺寸参数范围内，选用一组尺寸参数进行模具和试样加工；
10.b.将所加工的模具安装到板式楔横轧机上，调节上模具、下模具距离并设置轧制速度参数，并在下模具侧面放置与下模具等长的刻度尺；
11.c.将不同初始状态的试样分别置于下模具起始位置，启动板式楔横轧机完成整个评价实验过程；
12.d.采用高速相机记录实验过程，若试样在变形过程中开裂则测量其开裂时的轧制距离，若试样在测试后未开裂则测量其心部减薄率；
13.e.建立材料楔横轧成形性能与开裂时轧制距离或未开裂时试样心部减薄率的关系。
14.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，所采用的评价实验模型，其变形原理与楔横轧变形原理相似。
15.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，模具为凹槽状结构，其上沿长度方向开设凹槽，凹槽的两侧向外倾斜，凹槽的一端底部为带有向下倾斜斜坡的变形区域；试样为圆饼状结构，其相对的两个表面中心区域向边缘倾斜过渡，试样的边缘区域与模具的凹槽相对应。
16.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，材料楔横轧成形性能评价实验装置包括：上模具、试样、下模具、固定件、试样夹持器，具体结构如下：上模具、下模具为沿水平方向上下错开设置，试样沿竖向安装于试样夹持器上，下模具的一端设置固定件，试样夹持器安装于固定件上，试样的下部边缘与下模具的上表面凹槽一端相对应匹配，试样的上部边缘与上模具的下表面凹槽一端相对应匹配。
17.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，在评价材料楔横轧成形性能时，先进行试样在不同初始状态下的评价实验，然后测量试样开裂时的轧制距离或未开裂时的心部减薄率；在模具和试样尺寸参数一致的情况下，楔横轧成形性能的评价准则如下：如测试后试样开裂，则开裂时轧制距离长的成形性能优于开裂时轧制距离短的；如测试后试样未开裂，则试样心部减薄率小的成形性能优于试样心部减薄率大的。
18.所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，该方法适用于常温～1200℃下的轧制，以及板式或辊式楔横轧方式的成形性能评价。
19.本发明的设计思想是：
20.楔横轧件的主要缺陷是容易在心部区域出现疏松孔洞甚至开裂破坏，这与材料在楔横轧加工条件下的成形性能密切相关。本发明基于楔横轧工艺的变形原理和缺陷产生的主要形式，采用圆饼状试样和前端带着斜坡的凹槽状模具进行金属材料楔横轧成形性能评价实验，将试样心部开裂时的轧制距离或者未开裂时的心部减薄率作为指标进行评价和轧制工艺设计优化。
21.本发明的优点及有益效果是：
22.本发明基于楔横轧变形原理和过程，在板式楔横轧机上采用圆饼状试样和前端带着斜坡的凹槽状模具进行成形性能评价实验，制定了以试样开裂时的轧制距离或试样未开裂时的心部减薄率为评价指标的楔横轧成形性能评价方法。以试样开裂(开裂时试样轧制
距离大小)/试样未开裂(中心减薄率大小)作为评价指标，评价同一材料在不同工艺参数(轧制温度、轧制速度)下的楔横轧成形性能高低，或进行不同材料楔横轧成形性能的评价。同时，本发明也可以用于楔横轧工艺的设计和优化。
附图说明
23.图1为材料楔横轧成形性能评价实验用模具与试样的结构和尺寸参数示意图。其中，(a)为模具主视图，(b)为(a)的b-b剖视图，(c)为(a)的c处放大图，(d)为试样的主视图，(e)为(d)的a-a剖视图。
24.图2为材料楔横轧成形性能评价实验装置示意图。其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)局部放大视图。
25.图3为不同温度下45钢楔横轧成形性能评价图。
26.图4为室温下45钢与tc4钛合金轧制距离对比的楔横轧成形性能评价图。
27.图5为室温下45钢与tc4钛合金心部减薄率对比的楔横轧成形性能评价图。
28.图中，1上模具，2试样，3下模具，4固定件，5试样夹持器。
具体实施方式
29.在具体实施过程中，本发明基于楔横轧工艺的变形原理和过程，采用圆饼状试样和前端带着斜坡的凹槽状模具在板式楔横轧机上进行评价实验，(测试后试样开裂)观察记录试样心部开裂时的轧制距离，(测试后试样未开裂)测量记录试样心部厚度的减薄率，以试样开裂时的轧制距离或试样未开裂时的心部减薄率作为成形性能评价指标。选用45钢和tc4钛合金为实验材料进行楔横轧成形性能评价。
30.下面，结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
31.实施例1
32.1、确定模具和试样尺寸
33.如图1所示，材料楔横轧成形性能评价实验用模具与试样，其中：模具(上模具或下模具)为凹槽状结构，其上沿长度方向开设凹槽，凹槽的两侧向外倾斜，凹槽的一端底部为带有向下倾斜斜坡的变形区域，该变形区域的作用是：使试样在该斜坡上产生一定的压下变形量。试样为圆饼状结构，其相对的两个表面中心区域向边缘倾斜过渡，试样的边缘区域与模具的凹槽相对应。
34.模具和试样尺寸参数范围如表1所示，其中：n≥w0，α≤β；本实施例中，选用的模具和试样尺寸如表2所示。
35.表1评价实验模具和试样尺寸参数表
[0036][0037]
表2选用的模具和试样尺寸参数表
[0038][0039]
如图2所示，材料楔横轧成形性能评价实验装置，主要包括：上模具1、试样2、下模具3、固定件4、试样夹持器5等，具体结构如下：上模具1、下模具3为沿水平方向上下错开设置，试样2沿竖向安装于试样夹持器5上，下模具3的一端设置固定件4，试样夹持器5安装于固定件4上，试样2的下部边缘与下模具3的上表面凹槽一端相对应匹配，试样2的上部边缘与上模具1的下表面凹槽一端相对应匹配。
[0040]
2、将上模具1、下模具3安装在板式楔横轧机上，调整上模具1、下模具3间隙以及轧机的轧制速度v。本实施例中，上模具1、下模具3间距为30mm，并设置轧机的轧制速度v为300mm/s，轧制方向为：水平向左，并在下模具侧面放置与下模具等长的刻度尺，刻度尺的作用是：测量试样在轧制方向上运动的距离。
[0041]
3、在常温～1200℃范围内，将试样2加热到待测温度后，迅速将45钢试样放入下模具3前端的试样夹持器5。
[0042]
4、启动板式楔横轧机完成实验过程，即上模具运动距离达到800mm，试样轧制距离达到400mm，同时采用高速摄影相机记录试样变形过程。
[0043]
5、在实验温度范围内，45钢在测试过程中均发生开裂，记录试样开裂时的轧制距离，并以轧制距离大小评价其在不同变形温度下楔横轧成形性能差异。
[0044]
6、如图3所示，从不同温度下45钢楔横轧成形性能评价图可以看出，45钢在室温到600℃范围内楔横轧成形性能较差，而在高温下的成形性能较好。其中，在900℃～1100℃范围内楔横轧成形性能最佳。
[0045]
实施例2
[0046]
1、选用的模具和试样尺寸如表2所示。
[0047]
2、如图2所示，将上模具1、下模具3安装在板式楔横轧机上，调整上模具1、下模具3间隙以及轧机的轧制速度v。本实施例中，上模具1、下模具3间距为30mm，，并设置轧机的轧制速度v为300mm/s，轧制方向为：水平向左，并在下模具侧面放置与下模具等长的刻度尺。
[0048]
3、在常温条件下，迅速将tc4钛合金试样放入下模具3前端的试样夹持器5。
[0049]
4、启动板式楔横轧机完成实验过程，即上模具运动距离达到800mm，试样轧制距离达到400mm，同时采用高速摄影相机记录试样变形过程。
[0050]
5、tc4钛合金试样在测试过程中未发生开裂。如图4所示，通过与45钢试样室温下的实验结果进行对比可知，室温下tc4钛合金的楔横轧成形性能优于45钢。
[0051]
实施例3
[0052]
1、选用的模具和试样尺寸如表2所示。
[0053]
2、如图2所示，将上模具1、下模具3安装在板式楔横轧机上，调整上模具1、下模具3间隙以及轧机的轧制速度v。本实施例中，上模具1、下模具3间距为30mm，并设置轧机的轧制速度v为300mm/s，轧制方向为：水平向左，并在下模具侧面放置与下模具等长的刻度尺。
[0054]
3、在1000℃条件下，迅速将45钢试样放入下模具3前端的试样夹持器5。启动板式楔横轧机完成实验过程，即上模具运动距离达到400mm，试样轧制距离达到200mm，同时采用高速摄影相机记录试样变形过程。
[0055]
4、在1000℃条件下，迅速将tc4钛合金试样放入下模具前端的夹持器。启动板式楔横轧机完成实验过程，即上模具运动距离达到400mm，试样轧制距离达到200mm，同时采用高速摄影相机记录试样变形过程。
[0056]
5、45钢和tc4钛合金试样在测试过程中均未发生开裂。如图5所示，测量两种试样的心部减薄率可知，在1000℃条件下tc4钛合金的楔横轧成形性能优于45钢。
[0057]
实施例结果表明，本发明所提出的评价方法既可用于同一材料不同成形工艺条件下楔横轧成形性能的评价，也可用于不同材料楔横轧成形性能评价，还可以用于常温～1200℃下的轧制以及板式和辊式楔横轧方式的成形性能评价。

技术特征：
1.一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，基于楔横轧变形原理和过程，在板式楔横轧机上采用边缘带有倾斜角度的圆饼状试样和带有斜坡的凹槽状模具进行成形性能评价实验，并建立基于试样心部开裂时的轧制距离或试样未开裂时的心部减薄率为评价指标的成形性能评价体系。2.按照权利要求1所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在所制定的模具和试样的尺寸参数范围内，选用一组尺寸参数进行模具和试样加工；b.将所加工的模具安装到板式楔横轧机上，调节上模具、下模具距离并设置轧制速度参数，并在下模具侧面放置与下模具等长的刻度尺；c.将不同初始状态的试样分别置于下模具起始位置，启动板式楔横轧机完成整个评价实验过程；d.采用高速相机记录实验过程，若试样在变形过程中开裂则测量其开裂时的轧制距离，若试样在测试后未开裂则测量其心部减薄率；e.建立材料楔横轧成形性能与开裂时轧制距离或未开裂时试样心部减薄率的关系。3.按照权利要求1所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，所采用的评价实验模型，其变形原理与楔横轧变形原理相似。4.按照权利要求1所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，模具为凹槽状结构，其上沿长度方向开设凹槽，凹槽的两侧向外倾斜，凹槽的一端底部为带有向下倾斜斜坡的变形区域；试样为圆饼状结构，其相对的两个表面中心区域向边缘倾斜过渡，试样的边缘区域与模具的凹槽相对应。5.按照权利要求1或4所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，材料楔横轧成形性能评价实验装置包括：上模具、试样、下模具、固定件、试样夹持器，具体结构如下：上模具、下模具为沿水平方向上下错开设置，试样沿竖向安装于试样夹持器上，下模具的一端设置固定件，试样夹持器安装于固定件上，试样的下部边缘与下模具的上表面凹槽一端相对应匹配，试样的上部边缘与上模具的下表面凹槽一端相对应匹配。6.按照权利要求1所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，在评价材料楔横轧成形性能时，先进行试样在不同初始状态下的评价实验，然后测量试样开裂时的轧制距离或未开裂时的心部减薄率；在模具和试样尺寸参数一致的情况下，楔横轧成形性能的评价准则如下：如测试后试样开裂，则开裂时轧制距离长的成形性能优于开裂时轧制距离短的；如测试后试样未开裂，则试样心部减薄率小的成形性能优于试样心部减薄率大的。7.按照权利要求1所述的金属材料楔横轧成形性能的评价方法，其特征在于，该方法适用于常温～1200℃下的轧制，以及板式或辊式楔横轧方式的成形性能评价。

技术总结
本发明涉及金属棒材轧制成形领域，具体为一种金属材料楔横轧成形性能的评价方法。该方法包括以下步骤：采用圆饼状试样和前端带着斜坡的凹槽状模具在板式楔横轧机上进行成形性能评价实验；(测试后试样开裂)观察记录试样心部开裂时的轧制距离；(测试后试样未开裂)测量记录试样心部厚度的减薄率；以试样开裂(开裂时试样轧制距离大小)/试样未开裂(中心减薄率大小)作为评价指标，评价同一材料在不同工艺参数(轧制温度、轧制速度)下的楔横轧成形性能高低，或进行不同材料楔横轧成形性能的评价。本方法也适用于常温轧制和辊式楔横轧方式的成形性能评价。成形性能评价。


技术研发人员：程明 师明杰 张士宏 弗拉基米尔彼得连科
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25