正弦轧制成形及其模拟与实验研究*

卢振华

(天水师范学院 机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741001)

0 引 言

在提高金属板料力学性能及成形性能方面，细化晶粒和改善组织及织构被认为是提高金属性能的有效途径。轧制方式不同，板材上所受的力不同，得到的组织也有差异。选择合适的轧制方式，可以有效地细化晶粒和降低织构强度，提高板材的成型性和后续加工性能[1]。同步轧制上下轧辊直径相当、转速相同，转向相反，板材中线上下变形量相当。异步轧制两工作辊圆周线速度不同，在轧制条件相同的情况下，对镁合金常规轧制与异步轧制研究表明，异步轧制板材动态再结晶比较完全，晶粒较细小，且晶粒大小更为均匀[2-4]。等径角轧制是在普通双辊轧机上安装等径角挤压模具，板材首先通过轧辊产生一定的轧制变形，然后利用两轧辊与板材表面的摩擦力来提供足够的挤压力使板材通过等径角模具转角的轧制方法。等径角轧制可以细化晶粒，提高材料力学性能，但轧制板材轧制方向塑性性能明显优于横向，各向异性明显[5-6]。交叉轧制在轧制过程中改变轧制方向 (旋转90°)，可以每道次间都改变一次，也可以在一个方向上进行多道次轧制后再改变。交叉轧制能够显著减轻材料的各向异性，板材退火组织具有比单向轧制更好的均匀性和等轴性，但轧制工艺较繁琐。为改善组织，提高性能和简化工艺许多板料成形的新方法得到广泛关注。王忠堂等[7]研究了镁合金板料的压痕-压平复合形变；Yang与Ghosh 研究了波浪模具压制镁合金板材的工艺及性能[8-9]。提出了一种新型板料正弦轧制成形方法并通过模拟和实验，研究了正弦轧制板料上应力和应变的分布，微观组织、力学各向同性性能、板型及裂纹情况，为制备高性能各向同性轧制板材，简化轧制工艺提供新思路和新方法。

1 正弦轧制原理及其轧制工艺

正弦轧制是采用正弦轧辊进行轧制，使板料产生正弦波型弯曲的同时被轧薄成形的工艺方法。正弦轧辊是以正弦函数曲线为母线沿一定的中心线旋转，形成的正弦曲面回转体，该正弦母线函数称为正弦轧制变形函数，其周期为T，振幅为A；Dmin和Dmax为形成的轧辊最小直径和最大直径，Dm为平均直径如图1所示。为保证上下两正弦轧辊之间各处间隙均匀，要求上下两辊的正弦母线正好相差半个周期，使两辊正弦曲面的波峰和波谷能够恰好相互啮合。轧制时两轧辊转向相反，板料在推力、轧辊摩擦力的作用下被咬入轧辊间隙，板料被正弦弯曲变形的同时在轧制力的作用下厚度减小，此后板料可以只在摩擦力的作用下完成轧制，如图2所示。

图1 正弦轧辊 图2 正弦轧制原理

首次正弦轧制后板料沿垂直轧制方向(TD方向)截面变形为一定正弦波形，如图3所示。此后可以用常规辊轧平波形，也可以经过多道次正弦轧制后再利用常规辊轧平，加工出一定尺寸的平板材。这种变形工艺过程定义为正弦轧制工艺，如图4所示。

图3 正弦辊轧制变形板 图4 正弦轧制工艺

2 应力与应变数值模拟

正弦轧制时板料上的应力与应变的研究通过数值模拟进行。首先用三维设计软件建立2个平均直径相同的正弦轧辊模型、1个轧制板料模型和1个推板的三维模型，然后导入deform3D软件并对轧辊、坯料及推板相互位置进行了调整，如图5(a)所示。模拟轧制板料材质选择铝板，并对其进行划分网格，设置两辊具有相同的轧制角速度等相关模拟参数。模拟后得到轧制板料上的应力与应变，见图5(b)、(c)、(d)所示。由图可知，板料沿轧制RD方向存在明显的前滑区、轧制区和后滑区；同一轧制表面上波峰谷处压应力和压应变均大于波峰处且各处大小不同；上下表面上轧制区应力和应变沿中心层两侧分布及大小明显不对称。沿垂直轧制TD方向应力和应变各处大小不同且都呈周期型分布如图5(c)、(d)。由此可见正弦轧制法作用在板料上的力极其复杂，应力和应变呈周期分布，各处大小不同且有规律变化；轧制过程中整个板料的轧制呈异步挫轧成形；正弦轧制是沿RD方向的正弦异步变形和沿TD方向的正弦弯曲变形的复合变形，会对板料的微观组织产生较大的影响。

图5 正弦轧制模拟

3 实验结果

实验截取厚度为1 mm，长宽为100×40 mm的铝合金板，分别在室温下进行常规异步轧制和正弦轧制，观察轧制板料的显微组织及测试沿TD方向和RD方向力学性能。图6为变形量为40%时两种轧制方法下金相显微组织。

图6 铝合金轧制显微组织

由图6可知，正弦轧制板料微观组织与普通异步轧制微观组织相差较大，普通轧制变形后晶粒被拉长且沿轧制方向呈明显的轧制流线型组织如图6(a)所示，而正弦轧制后常规异步轧制流线型取向组织明显被弱化，大量拉长的晶粒被破碎细化，如图6(b)。根据上文模拟结果，正弦轧制整个板料各点都处于异步变形，认为在异步变形过程中产生的附加剪切应力和正弦弯曲的拉压应力共同作用使晶粒破碎的同时改变了晶粒取向，弱化了轧制织构且晶粒大小均匀。力学性能实验也表明，正弦轧制板料制沿TD方向和RD方向试样的断裂峰值仅相差7 N具有比普通异步轧制更好的各向同性。此外由于铝的塑性较好，在轧制过程中未观察到轧制裂纹，而产用AZ91镁板进行轧制时，则产生了明显的裂纹，如图7所示。普通异步轧制时产生边裂现象，裂纹垂直于RD方向，且板型较差；而正弦轧制，裂纹首先会沿压应力相对较小的波峰所在的上表面产生且裂纹与轧制方向平行，但板型相对较好。

图7 AZ91镁合金轧制板型及裂纹

4 结 论

(1) 正弦轧制是异步轧制，变形过程中不但板料同表面上存在按规律变化的异步变形，而且板料上下表面的变形上也是异步变形，且沿垂直轧制方向存在正弦弯曲的复合变形。

(2) 正弦轧制板料上应力和应变呈周期分布，处于上表面的波峰上的应力小于处于下表面的波谷内的应力，变形受力较普通异步轧制更为复杂。

(3) 正弦轧制能够细化和弱化铝合金常规异步轧制的流线型微观组织，晶粒大小均匀，力学各向同性性能较好，且沿着轧制方向板型弯曲较少；室温下相同变形量铝合金轧制未发现裂纹，而对塑性较差的AZ91镁合金轧制，未发现边裂但裂纹首先出现在平行轧制方向的波峰上表面。

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