1.本发明涉及金属加工技术领域，具体为一种铝及铝合金板材的制备装置与方法。
背景技术：
2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.铝及铝合金具有密度低、强度高，塑性好，焊接性、导电性、导热性、抗蚀性优良和无低温脆性的特点，生产过程中会利用剧烈塑性变形法细化晶粒，从而提高材料的强度。而限制模压变形是剧烈塑性变形方法的一种，通过使用一组不对称的凹槽模具和一组平的模具交替挤压，理论上纯的剪切变形会均匀地施加到板材样品中，通过重复该过程，无需改变样品尺寸即可获得超细晶粒结构以增强材料的性能。
4.限制模压可以有效细化板材晶粒、提高强度，但会导致塑性降低的问题。塑性降低不仅影响后续限制模压引入更大变形量的可能性，对变形后板料的进一步加工性能造成影响。
技术实现要素：
5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种铝及铝合金板材的制备装置与方法，针对铝和铝合金板材，在限制模压的变形过程中，同时引入脉冲电流流过整块板材，变形结束抬升压头的同时切断脉冲电流，之后将板材旋转180
°
并重复限制模压的压弯过程和压平过程，完成两次压弯和压平变形后，限制模压一道次完成，根据材料性质，完成多道次变形或交叉方式模压变形过程；通过在模压过程中同步流过的脉冲电，使模压后能细化铝及铝合金板材晶粒组织，提高变形后板材的延伸率和综合力学性能。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种铝及铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：
8.对铝及铝合金板材进行限制模压剧烈塑性变形；
9.在限制模压变形过程的同时，对铝及铝合金板材通入脉冲电流；变形结束同步切断脉冲电流；
10.在限制模压剧烈塑性变形的最后道次处理后得到所需的铝及铝合金板材。
11.铝及铝合金板材的厚度为1～5mm。
12.限制模压剧烈塑性变形过程中，模压模具的压弯模齿宽范围1～5mm，齿高范围1～5mm。
13.电脉冲参数为：脉冲宽度90-100μs、脉冲电压范围50～90、脉冲频率范围200～700hz、有效电流密度范围1～10a/m2。
14.限制模压剧烈塑性变形的过程包括至少一次压弯变形过程和至少一次压平变形过程。
15.每一次压弯变形和压平变形过程均对铝及铝合金板材通入脉冲电流。
16.铝及铝合金板材经两次压弯和压平变形后，限制模压一道次完成。
17.本发明的第二个方面提供实现上述方法的制备装置，位于上、下模具之间的模压板材，模压板材与电极连接，电极与脉冲电源连接，模压板材与测温传感器连接。
18.上、下模具包括压弯上模、压弯下模、压平上模和压平下模。
19.压弯上模和压弯下模表面的斜齿使模压板材剪切变形，压平上模和压平下模使模压板材变形的部分压平。
20.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
21.在限制模压的变形过程中，同时引入脉冲电流流过整块铝和铝合金板材，变形结束抬升压头的同时切断脉冲电流，之后重复限制模压的压弯过程和压平过程，根据材料性质，完成多道次变形或交叉方式模压变形过程；通过在模压过程中同步流过的脉冲电流，使模压后能细化铝及铝合金板材晶粒组织，提高变形后板材的延伸率和综合力学性能。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1(a)是本发明一个或多个实施例提供的板材制备装置采用横向加电时的结构示意图；
24.图1(b)是本发明一个或多个实施例提供的板材制备装置采用纵向加电时的结构示意图；
25.图2是本发明一个或多个实施例提供的板材制备装置中绝缘模压冲头的结构示意图；
26.图3是本发明一个或多个实施例提供的板材制备装置中压弯模具和压平模具的结构示意图；
27.图4是本发明一个或多个实施例提供的常规平行限制模压加工板材的流程示意图；
28.图5是本发明一个或多个实施例提供的180
°
交叉限制模压加工板材的流程示意图；
29.图6是本发明一个或多个实施例提供的90
°
交叉限制模压加工板材的流程示意图；
30.图7(a)是本发明一个或多个实施例提供的1060纯铝经退火形成板材后的应力-应变曲线示意图；
31.图7(b)是本发明一个或多个实施例提供的1060纯铝经电脉冲辅助限制模压后得到的板材应力-应变曲线示意图；
32.图8(a)是本发明一个或多个实施例提供的1060纯铝不同条件下各道次板材截面显微硬度示意图；
33.图8(b)是本发明一个或多个实施例提供的1060纯铝不同条件下各道次板材截面硬度分布统计分析示意图；
34.图9(a)是本发明一个或多个实施例提供的6061铝经退火形成板材后的应力-应变曲线示意图；
35.图9(b)是本发明一个或多个实施例提供的6061铝经电脉冲辅助限制模压后得到
的板材应力-应变曲线示意图；
36.图10(a)是本发明一个或多个实施例提供的6061铝不同条件下各道次板材截面显微硬度示意图；
37.图10(b)是本发明一个或多个实施例提供的6061铝不同条件下各道次板材截面硬度分布统计分析示意图；
38.图11是本发明一个或多个实施例提供的不同限制模压条件下板材晶粒大小范围占比统计示意图；
39.图1(a)中：1、承压钢板，2、绝缘云母，3、第一导电铜极，4、模具，5、测温点，6、导向装置，7、模压板材，8、板材固定装置，9、绝缘层；
40.图1(b)中：21、peek绝缘板，31、挡板，61、第二导电铜极，81、u型限制槽；
41.图2中：10、模压冲头，11、尼龙螺栓，12、电木。
具体实施方式
42.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
43.正如背景技术中所描述的，限制模压可以有效细化板材晶粒、提高强度，但会导致塑性降低的问题。塑性降低不仅影响后续限制模压引入更大变形量的可能性，对变形后板料的进一步加工性能造成影响。
44.金属材料加工过程中引入的高能脉冲电流，是一个快速非平衡过程，电能、热能、应变能瞬间对金属材料的微观结构和宏观性能产生影响。作为高能量外场加工在塑性成形中的应用，高能电脉冲辅助成形能够显著降低材料变形抗力、提高塑性、改善制品组织性能、降低制品残余应力，可取消退火或减少中间退火，减少孔隙或愈合裂纹。有关研究表明，电脉冲辅助成形能够改善工件表面质量，板材的极限抗拉强度得到了显著提升，促进合金的动态再结晶，细化晶粒。电脉冲作用的效果研究主要集中在促进原子扩散(电致迁移)、提高材料塑性(电致塑性)或使材料获得超塑性(电致超塑性)等作用从而提高延伸率。
45.因此，以下实施例给出了一种铝及铝合金板材的制备装置与方法，针对铝和铝合金板材，在限制模压的变形过程中，同时引入脉冲电流流过整块板材，变形结束抬升压头的同时切断脉冲电流，之后将板材旋转180
°
并重复限制模压的压弯过程和压平过程，完成两次压弯和压平变形后，限制模压一道次完成，根据材料性质，完成多道次变形或交叉方式模压变形过程；通过在模压过程中同步流过的脉冲电，使模压后能细化铝及铝合金板材晶粒组织，提高变形后板材的延伸率和综合力学性能。
46.实施例一：
47.如图1-11所示，一种铝及铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：
48.对铝及铝合金板材进行限制模压剧烈塑性变形；
49.在限制模压变形过程的同时，对铝及铝合金板材通入脉冲电流；变形结束同步切断脉冲电流；
50.在限制模压剧烈塑性变形的最后道次处理后得到所需的铝及铝合金板材。
51.具体的：
52.制备装置如图1所示，本实施例提供两种电脉冲辅助限制模压装置，分别为横向电脉冲辅助限制模压装置，如图1(a)所示；纵向电脉冲辅助限制模压装置，如图1(b)所示；
53.实验过程中需要对板材通入脉冲电流，并且交替使用压弯、压平模具进行限制模压成形。在这一过程中要保证电流不经过万能试验机，因此要对冲头部分和模具夹持部分均做绝缘处理，并且要防止整套模具被压坏，需对一些部位绝缘和抗压设计。
54.绝缘处理设计，目的其一是对模具各部位进行绝缘，保证成形过程中脉冲电流形成回路。其二是对模具整体和万能试验机进行绝缘，以保证试验机挤压过程的正常运行和人身财产安全。利用多个云母片或peek板对上下模具和板材夹持部位进行绝缘，以保证实验安全。在模具主体放置位置的下部采用电木进行绝缘。
55.绝缘设计可以保证脉冲电流流经通过板材。如图1所示，在横向加电模具中，脉冲电流接入两侧导电铜极，导电铜极通过固定柱与模压板材相连，并使用云母板在与上、下模具部分绝缘，使脉冲电流实现单向流通，只经过板材而不经过模具其他组件；在纵向加电模具中，脉冲电流正负极直接与上下模具相连，在上下模具和模压板材四周使用peek板绝缘，从而实现脉冲电流全部经过模压板材，而不经过模具其他组件。通过此绝缘设计，可以使脉冲电流最高效的辅助限制模压过程，降低能量损失，起到最优效果。
56.抗压设计，电木上部和下部均采用45钢加工的承压钢板分担较小面积施加的压强，以保证模具使用的可靠性。
57.模压冲头，如图2所示，挤压冲头承压下部和与拉伸机连接部位之间采用电木连接，并且用尼龙材质的螺栓连接这三部分，可以有效起到绝缘作用，且抗压强度可以得到保证。
58.导向装置，横向模具为在上模具连接合适大小的凹形块，下模具连接合适大小的凸形块，两块体相配合起到模具的定位作用，以保证材料下压过程中齿形不发生错位和偏移；纵向模具中利用u形槽和前后限制挡板在四个方向对上下模具进行限制，只允许其上下移动，从而起到导向定位作用。
59.两套装置的上下模具通用，上下模具示意图如图3所示，分为一对压弯模具和一对压平模具，采用非对称式结构，选用cr12mov模具钢材料，并对其热处理，达到刚性要求，其板材固定方式、绝缘方式和连接方式不同。
60.限制模压过程中润滑剂选用速干石墨润滑剂，原因是石墨导电性良好，在通入电脉冲过程中可以避免发生接触不良，回路间放电发生危险。
61.由于挤压头与模具底座均由电木材料构成，而电木在承受大载荷时刚性不足，因此考虑采用力控制的方式在室温下用压力机对金属板材进行限制模压。
62.本实施例中，限制模压工艺参数为模压模具的压弯模选择齿宽为2mm，齿高为2mm，板材厚度为2mm，模压速度为1mm/min，实验采用力控制方式，根据不同材料选择模压停止条件。实验1停止载荷选取100kn，实验2停止载荷选取200kn，到达设定载荷后试验机下行停止。
63.本实施例中，辅助电脉冲参数为：脉冲宽度90-100μs、脉冲电压70v、脉冲频率300hz、有效电流密度1.59a/mm2。
64.实验过程中温度由如图1所标识的测温点处连接热电偶，使用多路测温仪进行温度监测；具体的，测温热电偶焊接在模压板材上，使用多路测温仪进行温度监测。
65.上述方法能够增加模压板材的强度、塑性和变形均匀性。与普通平行限制模压相比，加入电脉冲辅助成形，使之具有更高的强度、延伸率和更好的变形均匀性。
66.本实施例中采用的纯铝板和铝合金板材为市售产品。
67.本实施例中采用的脉冲电流供给装置由电致塑性加工处理设备(黑龙江虹桥金属制品有限公司，thdm-1)和数字存储示波器(tektronix科技有限公司，tds-1002c-edu)组成。
68.采用高能脉冲电流辅助热挤压成形时，电能、热能及应变能的瞬间引入会对金属板材的微观结构和宏观性能产生影响，能够显著提高金属板材塑性、提高成形性能，改善其应变均匀性。
69.脉冲电源正、负极与导电铜极相连，并将正极电源线缆通入霍尔传感器，利用示波器采集脉冲电流参数信息。数字存储示波器带宽和最大采样率分别为100mhz和1gs/s，可以准确捕捉信号。在电脉冲辅助限制模压实验过程中，可在数字存储示波器上准确读取脉冲电流的频率、频宽、峰值电压和有效电压等数据。将热电偶丝焊在板材中间位置，利用多路测温仪监测成形过程中板材温度变化。
70.在试验机上设置好试验参数，包括下压速度、模压终止条件等，之后启动脉冲电流发生装置，同时开始模压。在模压冲头的作用下，金属板材在上下压弯模具的作用下发生剪切变形。整个变形过程中，脉冲电流通过电极流过整块板材，变形结束后立即关闭脉冲电流发生装置并手动抬起冲压头，之后换压平模具重复此步骤。之后将板材旋转180
°
并重复压弯过程和压平过程，完成两次压弯和压平变形后，限制模压一道次完成，后续根据材料性质，可以完成多道次变形或交叉方式模压变形过程。
71.为方便讨论，普通平行限制模压简称cgp，电脉冲辅助限制模压简称ecgp，传统多道次限制模压标记为-1、-2，交叉限制模压根据路径不同标记为-90或-180。图4-6是铝和铝合金板材在电脉冲辅助限制模压下不同应变路径的示意图，其中图4表示普通平行限制模压，图5表示180
°
交叉限制模压，图6表示90
°
交叉限制模压。
72.实验1：
73.图7所示为工业纯铝1060经电脉冲辅助限制模压(横向)板材得到的应力应变曲线。室温条件下普通cgp变形1道次和2道次，屈服强度分别增加了66.69mpa(229％)、73.67mpa(252％)；抗拉强度分别增加了29.6mpa(41.2％)、35.6mpa(49.5％)，与普通平行限制模压相比，ecgp对强度提升作用更为显著；电脉冲辅助条件下1、2道次延伸率都高于室温模压，电脉冲辅助模压1道次后延伸率为11.6％，而室温下模压一道次延伸率为8.15％,提高了41.3％，同样地，模压2道次后，电脉冲辅助下延伸率为14.8％，室温下为9.1％，提升了62.6％，与普通平行限制模压工艺相比，电脉冲辅助限制模压在相同变形道次下可以提升变形后板材的延伸率。
74.图8给出了1060纯铝不同条件下板材截面显微硬度分布和分析，可以发现随着应变的积累，其硬度分布更加均匀，且随着电脉冲的加入，其硬度分布相比无电脉冲辅助模压板材均匀性更好，从而说明电脉冲辅助方式限制模压有效改善了其应变均匀性。根据有关研究表明，电脉冲可以降低位错缠结，获得更好的应变均匀性，可以避免变形后局部内应力过高导致的塑性下降，从而提高了其延展性能。
75.实验2：
76.图9所示为铝合金6061经电脉冲辅助限制模压(纵向)，得到的应力应变曲线。原始态退货板材屈服强度为55.63mpa，经过平行模压一道次cgp/ecgp变形后提升到了
158.15mpa和166.28mpa，经过180℃gp/ecgp交叉模压后，分别提升为171.32mpa、173.05mpa；经过90℃gp/ecgp交叉模压后屈服强度分别为142.12mpa和181.11mpa，从中可见电脉冲可提升板材强度，尤其是在复杂变形过程后对金属板提升更为明显。同样地，极限抗拉强度由原始态的128.2mpa，经过cgp/ecgp平行模压、180
°
和90
°
交叉模压后，分别提升为170.3mpa、180.5mpa、184.9、185.8mpa、149.9mpa、192.3mpa。这里需要注意的是，在经过室温90
°
交叉模压后，其强度和延伸率相比其他变形方式，都有明显的下降，这可能是由于此变形状态应变积累量较复杂，更易使板材内部产生应力集中和微裂纹等缺陷，因此其强度和延伸率变化下降明显，但电脉冲辅助ecgp 90
°
交叉模压后，对其延伸率和强度的降低起到了极为明显的改善作用。相比室温模压板材，其延展性提高的同时强度也得到了大幅提升。电脉冲辅助ecgp工艺相比室温cgp工艺对板材延伸率的提升明显，由cgp平行模压1道次变形后的5.75％，在ecgp变形后提升为6.6％，由cgp 180
°
交叉模压变形后的53.96％，在ecgp变形后提升为5.26％，由cgp 90
°
交叉模压变形后的1.78％，在ecgp变形后提升为2.64％，提升了高达48.3％，证明了电脉冲辅助对变形后板材延伸率提升的显著作用。
77.图10给出了6061铝合金不同条件下板材截面显微硬度分布和统计分析，可以发现随着应变的积累，其硬度分布更加均匀，且随着电脉冲的加入，其硬度分布相比无电脉冲辅助模压板材均匀性更好，从而说明电脉冲辅助方式限制模压有效改善了其应变均匀性。其结论和原理同上，电脉冲可以降低位错缠结，获得更好的应变均匀性，可以避免变形后局部内应力过高导致的塑性下降，从而提高了其延展性能。
78.图11给出了不同限制模压条件下板材晶粒大小范围占比统计，可以看出，随着模压道次的增加和应变的积累，《5微米晶粒占比增多，且随着电脉冲的加入，《5微米晶粒占比进一步提高，说明电脉冲辅助可以在相同塑性变形下，进一步细化晶粒，这与前人研究得到的结论保持一致。根据hall-petch关系，晶粒组织的进一步细化从微观角度解释了ecgp板材力学性能，尤其是延展性提升的原因。
79.实施例二：
80.实现上述制备方法的装置，包括位于上、下模具之间的模压板材，模压板材与电极连接，上、下模具外表面设有绝缘层，模压板材连接测温传感器，电极与脉冲电源连接。
81.制备装置如图1所示，本实施例提供两种电脉冲辅助限制模压装置；
82.如图1(a)所示，横向电脉冲辅助限制模压装置包括，位于承压钢板1上部空间的模具4，承压钢板1上表面设有绝缘层9，模具4包括相配合的上模具和下模具(上、下模具)，模压板材7位于上模具和下模具之间且被板材固定装置8固定，上、下模具通过导向装置6引导运动，上、下模具外表面设有绝缘云母2，第一导电铜极3与模压板材7连接。
83.在横向加电模具中，脉冲电流接入两侧的第一导电铜极3，第一导电铜极3通过固定柱与模压板材7相连，并使用绝缘云母2在与模具4(上下模具)部分绝缘，使脉冲电流实现单向流通，只经过板材而不经过模具其他组件；
84.如图1(b)所示，纵向电脉冲辅助限制模压装置，位于承压钢板1上部空间的模具4，承压钢板1上表面设有绝缘层9，模具4包括相配合的上模具和下模具(上、下模具)，模压板材7位于上模具和下模具之间，上、下模具上设有测温点5，测温传感器(热电偶)焊接在模压板材上经测温点5与多路测温仪连接实现测温，上、下模具外侧设有u型限制槽81和挡板31，上、下模具外表面设有peek绝缘板，第二导电铜极31与模压板材7连接。利用u型限制槽81和
前后限制的挡板31在四个方向对上、下模具进行限制，只允许其上下移动，从而起到导向定位作用。
85.在纵向加电模具中，脉冲电流正负极直接与模具4(上下模具)相连，在上下模具和模压板材7四周使用peek板21绝缘，从而实现脉冲电流全部经过模压板材7，而不经过模具其他组件。
86.通过此绝缘设计，可以使脉冲电流最高效的辅助限制模压过程，降低能量损失，起到最优效果。
87.模压冲头，如图2所示，模压冲头10承压下部和与拉伸机连接部位之间采用电木12连接，并且用尼龙螺栓11连接这三部分，可以有效起到绝缘作用，且抗压强度可以得到保证。
88.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。