CN102921790A - 磁致介质加压的板材充液拉深成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

磁致介质加压的板材充液拉深成形装置及方法。属于充液拉深技术领域。为了解决传统板材液压成形中为实现溢流润滑而不使用密封圈时导致法兰区溢流压力减小而产生起皱及变形均匀性差等技术问题。凹模与下柱塞所形成的封闭的液室腔用于容纳磁致介质，凸模可穿过压边圈带动板坯下行进入凹模与下柱塞所形成的封闭的液室腔内，第一线圈设置在凹模与压边圈所形成的法兰区外侧周围，第二线圈设置在下柱塞的拉杆上，磁控单元用于控制第一线圈、第二线圈所产生的磁场大小。首先将液室腔内倒入一定量的磁性介质，放上板坯后下移压边圈，此时通过磁场分别调控法兰处和液室腔内磁性介质粘度及压力值，将冲头下移，直至板件成形。本发明适于板材的充液拉深成形。

Description

磁致介质加压的板材充液拉深成形装置及方法
技术领域
本发明涉及利用磁性介质提高板材拉深成形极限的加工装置及方法。属于充液拉深技术领域。
背景技术
板材成形是一种金属空心构件加工及制造所广泛应用的技术手段，也是武器装备发展过程中的重要环节，更是衡量国家军事科技发展水平的关键组成部分之一。目前，板材成形技术在航空航天、汽车、兵器及造船业等领域中均占有非常显著的地位。据不完全统计，板材零件在航空工业的用量分别为战斗机中超过1万件/架，轰炸机达4万件/架以上，大型运输机和干线客机中达6万件/架之多，占整架飞机零件总数量的50％，加工时间占总耗时的20％左右，由此可知，板材零件对飞机的制造周期及成本均有着重要影响。
随着节能减排需求的日益突出，采用铝合金、镁合金等轻质结构材料成为实现轻量化的首选途径之一。但铝合金等轻质材料的硬化指数n值、各向异性指数r值均较小且室温成形性能和塑性较差，这一突出矛盾成为其加工成形的技术瓶颈。板材液压成形就是顺应这种需求而发展起来的一种先进柔性加工方法，不仅能够提高板材成形极限、减少成形道次，更易于铝合金等低塑性、难成形的轻质板材零件制造。
板材充液拉深主要是依靠液室压力作用来增加板材与凸模之间的有益摩擦，并建立起坯料与凹模之间的流体润滑，缓解凸模圆角处坯料径向拉应力来提高板材的成形极限。而对于高径比大、轻质低塑性材料的曲面零件而言，过大的液室压力会导致成形初期悬空区的破裂，因此，单纯通过增大液室压力来实现此类零件的成形仍较为困难。如采用多道次充液拉深成形对零件质量造成累积影响且周期长、废品率也较高。进入二十世纪90年代，可控径向加压充液拉深、正反加压充液拉深、充液反拉深、差温充液拉深、变薄充液拉深等技术不断涌现并使零件的成形极限得到有效提高。但上述方法在生产实践中鲜有应用，原因在于：如可控径向加压充液拉深和正反加压充液拉深均是在现有充液拉深技术基础上，在法兰区部位或板料上侧辅以独立可控的径向压力或背压力来配合凸模的拉深成形，所涉及的多种工艺条件耦合匹配控制的难度要求大且因板厚值相对较小，可控径向加压充液拉深时径向压力的作用面积受到限制；充液反拉深则需增加预成形工序且壁厚均匀程度难以得到保证；差温充液拉深的装置结构复杂且效率较低；变薄充液拉深的工艺要求较高等，上述工艺技术对生产效率不高的板材液压成形技术而言，增加了工装制造的难度及繁琐的中间处理工序。
因此说，传统板材充液拉深成形的传力介质主要为乳化液和水的混合物且为了实现法兰区处的溢流润滑效果常采用无密封结构形式。但随着成形过程的进行，溢流压力逐渐低于液室腔内压力，进而使板材在法兰部位易出现环向起皱缺陷且法兰区处板材易增厚，引起成形后板件不同部位尺寸和性能的差异较大，变形不均匀性也随之增加，室温成形极限也较低。
发明内容
本发明为了解决传统板材充液拉深成形中为实现溢流润滑而不使用密封圈时导致法兰区(压边圈与凹模之间间隙)溢流压力减小而产生起皱及变形均匀性差等技术问题，进而提供了磁致介质加压的板材充液拉深成形装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种磁致介质加压的板材充液拉深成形装置，所述装置包括凸模、凹模、压边圈、下柱塞、第一线圈、第二线圈和磁控单元；压边圈位于凹模之上，凹模与下柱塞所形成的封闭的液室腔用于容纳磁致介质，凸模可穿过压边圈带动板坯下行进入凹模与下柱塞所形成的封闭的液室腔内，第一线圈设置在凹模与压边圈所形成的法兰区外侧周围，第二线圈设置在下柱塞的拉杆上，磁控单元用于控制第一线圈、第二线圈所产生的磁场大小，进而分别控制法兰区内磁致介质的粘度、液室腔内磁致介质的粘度。
一种利用上述成形装置的磁致介质加压的板材充液拉深成形方法，所述方法是按照以下步骤实现的；
步骤一、制备所需的流固耦合状态的磁致介质，并控制其固相率占50％～80％；步骤二、控制下柱塞工作端面的初始位置：下柱塞的工作端面距离凹模上端面的距离为凹模总深度H的三分之一；步骤三、向凹模与下柱塞所形成的封闭的液室腔内注满上述磁致介质；步骤四、将板坯放置于凹模上端面上；步骤五、将压边圈下移至板坯上；步骤六、利用磁控单元控制下柱塞处的第二线圈所产生的磁场强度发生改变，使液室腔内磁致介质分布状态发生变化进而改变液室腔内磁致介质的粘度；使磁致介质起到柔性背压作用；步骤七、利用磁控单元控制压边圈处第一线圈所产生的磁场强度发生改变，使法兰区内磁致介质也发生变化进而改变法兰区内磁致介质的粘度；使法兰区内溢流压力保持在与液室腔内压力一致，(避免了该部位因不用密封圈而使溢流压力降低)；步骤八、凸模(冲头)下移带动板料做充液拉深变形；步骤九、完成充液拉深成形后，下柱塞与凸模同步做后退运动；步骤十、移除凸模，通过磁控单元卸去不同部位的磁场；移去压边圈，取出充液拉深成形工件。
本发明的有益效果是：
本发明采用磁性介质代替乳化液和水的混合物在板材零件充液拉深成形过程中进行传力，解决了传统板材液压成形中为实现溢流润滑而不使用密封圈时导致法兰区溢流压力减小而产生起皱及变形均匀性差等技术瓶颈。首先将液室腔内倒入一定量的磁性介质，放上板坯后下移压边圈，此时通过磁场分别调控法兰处(法兰区)和液室腔内磁性介质粘度及压力值，将冲头下移，直至板件成形。
从方法原理看，本发明与传统充液拉深成形、乃至粘性介质的板材胀形都有很大区别：传统充液拉深成形所用的介质是一种流固耦合介质，充液拉深是液压油；粘性介质的板材胀形所用的粘性介质是高分子聚合物。但磁性介质作为充液拉深(等板材液压成形方法)的传力介质，至今尚未有报道。
从本发明所记载的技术方案和本发明所述装置的结构本身来看，本发明所述及的磁致介质是与刚性凸模配合使用的，磁致介质起到柔性背压作用，可以说磁致介质是起到了凹模的作用。而且法兰区的磁致介质还避免了该部位因不用密封圈而使溢流压力降低产生起皱的缺陷。本发明适于板材的充液拉深成形。
该方法所述优点如下：一、与乳化液和水的混合物相比，磁性介质更易于密封；二、在磁场作用下磁性介质分布状态能够发生改变，通过磁控单元可以有效调节液室腔内磁性介质的粘性，粘附力可促进板材室温成形极限的提高；三、磁场调控与下活塞运动相配合，以获得成形所需的液室压力，起到柔性变加载模式的背压作用，随着成形过程的进行，通过磁控单元调节其大小，促进板件室温成形极限的提高(同比条件下，本发明较传统的板材充液拉深成形方法的成形极限提高了20～50％)，且与传统板材液压成形相比，卸后板件的回弹量较小(同比条件下，本发明较传统的板材充液拉深成形方法的板材成形后的回弹量降低10～20％)，定型性较好；四、在可控磁场作用下与法兰部位的溢流方向呈垂直排布，提高成形时法兰区的溢流压力，避免了法兰部位板料因局部增厚而引起变形均匀性差等缺陷。
附图说明
图1是本发明所述的磁致介质加压的板材充液拉深成形装置的主视图(板坯9成形前)，图2是另一幅本发明所述的磁致介质加压的板材充液拉深成形装置的主视图(板坯9成形后)；
图3是现有技术中充液拉深时无密封圈的拉深装置结构示意图；图4是现有技术中充液拉深时有密封圈的拉深装置结构示意图；图3和图4体现了充液拉深的流体润滑(缺点是无法精确控制充液室压力)与无流体润滑状态。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～2所示，本实施方式所述的磁致介质加压的板材充液拉深成形装置包括凸模1、凹模2、压边圈3、下柱塞4、第一线圈6、第二线圈7和磁控单元8；压边圈3位于凹模2之上，凹模2与下柱塞4所形成的封闭的液室腔5用于容纳磁致介质，凸模1可穿过压边圈3带动板坯9下行进入凹模2与下柱塞4所形成的封闭的液室腔5内，第一线圈6设置在凹模2与压边圈3所形成的法兰区10外侧周围，第二线圈7设置在下柱塞4的拉杆上，磁控单元8用于控制第一线圈6、第二线圈7所产生的磁场大小，进而分别控制法兰区10内磁致介质的粘度、液室腔5内磁致介质的粘度。
具体实施方式二：如图1～2所示，本实施方式为利用具体实施方式一所述成形装置的磁致介质加压的板材充液拉深成形方法，所述方法是按照以下步骤实现的；
步骤一、制备所需的流固耦合状态的磁致介质，并控制其固相率占50％～80％；步骤二、控制下柱塞4工作端面的初始位置：下柱塞4的工作端面距离凹模2上端面的距离为凹模总深度H的三分之一；步骤三、向凹模2与下柱塞4所形成的封闭的液室腔5内注满上述磁致介质；步骤四、将板坯9放置于凹模2上端面上；步骤五、将压边圈3下移至板坯9上；步骤六、利用磁控单元8控制下柱塞4处的第二线圈7所产生的磁场强度发生改变，使液室腔5内磁致介质分布状态发生变化进而改变液室腔5内磁致介质的粘度；使磁致介质起到柔性背压作用；步骤七、利用磁控单元8控制压边圈3处第一线圈6所产生的磁场强度发生改变，使法兰区10内磁致介质也发生变化进而改变法兰区10内磁致介质的粘度；使法兰区10内溢流压力保持在与液室腔5内压力一致，(避免了该部位因不用密封圈而使溢流压力降低)；步骤八、凸模1(冲头)下移带动板料9做充液拉深变形；步骤九、完成充液拉深成形后，下柱塞4与凸模1同步做后退运动；步骤十、移除凸模1，通过磁控单元8卸去不同部位的磁场；移去压边圈3，取出充液拉深成形工件。
在步骤六中、液室腔5内磁致介质分布状态发生变化过程为：充液拉深成形初期粘度先增大，末期逐渐减小；充液拉深成形初期使粘度增大，易于板材与凸模能够紧密贴合，利于板材的拉深成形，成形末期粘度减小是为了避免了凸模圆角处的开裂)；在步骤七中、使法兰区10内磁致介质也发生变化过程为：充液拉深成形初在较高粘度时保压一段时间，成形末期则逐渐减小；充液拉深成形初期在较高粘度条件下保压一段时间较利于防止溢流润滑压力的减小，且即使无密封圈也能起到溢流润滑的作用，成形末期板材基本都随凸模拉深进凹模之中，使粘度减小是为了更易于板料的拉伸成形。
具体实施方式三：本实施方式在步骤一中所述磁致介质按质量份数比由7份羰基铁粉、2份合成油或乙二醇、1份表面活性剂组成。其它步骤与具体实施方式二相同。这样组分的磁致介质在磁场作用下的分布状态所引起的粘稠程度更利于调控，如固相率(羰基铁粉含量)过高，则在板材充液拉深成形中起不到“柔性”背压的作用；而固相率(羰基铁粉)过低，则难以实现提高压边圈处的溢流压力的效果。上述组分的磁致介质使其“柔性”背压的作用和压边圈处的溢流压力效果达到最佳。

Claims (3)

1.一种磁致介质加压的板材充液拉深成形装置，其特征在于：所述装置包括凸模(1)、凹模(2)、压边圈(3)、下柱塞(4)、第一线圈(6)、第二线圈(7)和磁控单元(8)；压边圈(3)位于凹模(2)之上，凹模(2)与下柱塞(4)所形成的封闭的液室腔(5)用于容纳磁致介质，凸模(1)可穿过压边圈(3)带动板坯(9)下行进入凹模(2)与下柱塞(4)所形成的封闭的液室腔(5)内，第一线圈(6)设置在凹模(2)与压边圈(3)所形成的法兰区(10)外侧周围，第二线圈(7)设置在下柱塞(4)的拉杆上，磁控单元(8)用于控制第一线圈(6)、第二线圈(7)所产生的磁场大小，进而分别控制法兰区(10)内磁致介质的粘度、液室腔(5)内磁致介质的粘度。
2.一种利用权利要求1所述成形装置的磁致介质加压的板材充液拉深成形方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的；
步骤一、制备所需的流固耦合状态的磁致介质，并控制其固相率占50％～80％；步骤二、控制下柱塞(4)工作端面的初始位置：下柱塞(4)的工作端面距离凹模(2)上端面的距离为凹模总深度H的三分之一；步骤三、向凹模(2)与下柱塞(4)所形成的封闭的液室腔(5)内注满上述磁致介质；步骤四、将板坯(9)放置于凹模(2)上端面上；步骤五、将压边圈(3)下移至板坯(9)上；步骤六、利用磁控单元(8)控制下柱塞(4)处的第二线圈(7)所产生的磁场强度发生改变，使液室腔(5)内磁致介质分布状态发生变化进而改变液室腔(5)内磁致介质的粘度；使磁致介质起到柔性背压作用；步骤七、利用磁控单元(8)控制压边圈(3)处第一线圈(6)所产生的磁场强度发生改变，使法兰区(10)内磁致介质也发生变化进而改变法兰区(10)内磁致介质的粘度；使法兰区(10)内溢流压力保持在与液室腔(5)内压力一致；步骤八、凸模(1)下移带动板料(9)做充液拉深变形；步骤九、完成充液拉深成形后，下柱塞(4)与凸模(1)同步做后退运动；步骤十、移除凸模(1)，通过磁控单元(8)卸去不同部位的磁场；移去压边圈(3)，取出充液拉深成形工件。
3.根据权利要求2所述的磁致介质加压的板材充液拉深成形方法，其特征在于：步骤一中所述磁致介质按质量份数比由7份羰基铁粉、2份合成油或乙二醇、1份表面活性剂组成。
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