CN103273644B - 一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置及方法，它涉及一种板材类软模成形装置及方法，以解决已有的橡胶软模成形过程中无法改变橡胶性能的问题。装置：容框与凹模上、下正对设置，柱塞的头部位于容框的内腔中，磁流变弹性体填充在柱塞的下表面，线圈套装在容框与凹模的外侧壁上。方法：一、将待成形板材置于容框下表面与凹模上表面之间；二、根据待成形板材的形状和成形各阶段需要的磁流变弹性体的弹性模量大小来确定工作区域磁场强度B；三、将线圈与直流电源连接，通过调节电流使磁流变弹性体所在区域的磁场强度发生变化，并使待成形板材在磁流变弹性体的合适弹性模量下成形出所需的形状；四、将成形后的零件取出。本发明用于板材软模成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种板材类软模成形装置及方法，具体涉及一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置及方法。
背景技术
橡胶软模成形（包括聚氨酯橡胶成形）是一种应用较为广泛的软模成形工艺。硅橡胶及聚氨酯橡胶具备一系列优良的物理机械性能，如硬度范围大、弹性优良、强度高等特点，特别适合作为成形软模。采用不同的材料成分及加工方法，可以获得不同性能的橡胶。其中，弹性模量对于冲压成形中板材的成形性能和零件的成形质量有重要的影响。
目前，橡胶软模成形都是根据零件的材料特性和形状特点，采用不同弹性模量的硅橡胶或聚氨酯橡胶，最终成形出合格的零件。然而，板材在成形过程中的变形方式、应力状态会有较大的不同，成形初期一般需要板材能够较为充分地流入型腔，此时需要橡胶的弹性模量较大，即保持较“硬”的状态；成形后期一般需要板材充分贴模，对于局部小半径曲面成形需要较高的压力，要求橡胶流动性好，能更好的填充型腔，通常需要橡胶的弹性模量较小，即保持较“软”的状态。但是，目前在同一成形过程中，橡胶的性能，尤其是弹性模量不能改变，不能使橡胶的性能适应成形过程的变化，这就阻碍了板材的塑性潜力的发挥和成形零件质量的进一步提升。如果在同一成形过程中，能够改变橡胶的性能（包括弹性模量），那么将优化对板坯料变形流动的控制，进一步拓宽橡胶成形的应用范围，提高板材的成形能力和零件的成形质量。
新材料的发展为解决橡胶软模成形中的上述问题提供了可能。磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer)是一种极具发展潜力的新型智能材料，是将微米尺度的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在磁场环境下固化，从而基体内的颗粒具有链或柱状结构，在外加磁场作用下，磁流变弹性体的性能（包括弹性模量）会发生较大的变化。它具有可控性、可逆性、响应迅速、稳定性好等优点。目前，国内外科研工作者正致力于磁流变弹性体在汽车、火车、舰船等运载工具的减振降噪方面的应用。其中，以硅橡胶为基地的磁流变弹性体和以聚氨酯橡胶为基地的磁流变弹性体是两种应用较为广泛的磁流变弹性体。两种磁流变弹性体的弹性模量可随外加磁场强度的变化而变化，因此可以实现改变橡胶软模成形中橡胶性能的目的。
发明内容
本发明的目的是为解决已有的橡胶软模成形过程中，无法改变橡胶性能的问题，而提供一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置及方法。
本发明的是通过以下技术方案来实现的：
装置：所述装置包括柱塞、线圈、容框、磁流变弹性体和凹模，所述凹模的上端面设有凹模腔，容框与凹模上、下正对设置，容框套装在柱塞外部，且柱塞的头部位于容框的内腔中，磁流变弹性体填充在柱塞的下表面与容框内壁组成的内腔中，线圈套装在容框与凹模的外侧壁上。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将待成形板材置于容框的下表面与凹模的上表面之间，且将待成形板材夹紧；
步骤二、根据待成形板材的形状和成形各阶段需要的磁流变弹性体的弹性模量大小来确定工作区域磁场强度B，
B≈μ0nI
式中μ0——真空磁导率，n——单位长度线圈匝数，I——电流，
磁场强度B不能超过磁流变弹性体的磁饱和强度；
步骤三、将线圈与直流电源连接，通过调节电流使磁流变弹性体所在区域的磁场强度发生变化，并使待成形板材在磁流变弹性体的合适弹性模量下成形出所需的形状；
步骤四、将柱塞和容框从凹模上部移开，将成形后的零件取出，即完成一个成形过程。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明使用一种新型的磁流变弹性体，它是包含铁磁性粒子并经过磁场预处理的以硅橡胶或聚氨酯橡胶等为基的高分子聚合物。不同的外磁场强度下，磁流变弹性体的弹性模量发生改变，即磁流变弹性体的“软硬”程度发生改变。针对板材成形性及成形零件形状及结构的不同，改变通过线圈的电流值，使工作区域的磁场保持一定范围，使成形过程中磁流变弹性体的弹性模量保持合适的数值，即使磁流变弹性体保持合适的“软硬”程度，实现针对不同板材的成形。本专利提出的基于磁流变弹性体的板材软模成形装置及方法，即是利用磁流变弹性体在外加磁场作用下弹性模量发生变化的特性，针对零件的材料、形状及结构的不同，调节磁流变弹性体的弹性模量，使板材在弹性体合适的弹性模量下成形出所需要的形状。
二、本发明针对板材成形过程不同阶段的需要，以一定规律改变工作区域磁场强度大小，使磁流变弹性体的弹性模量适应成形过程而变化，较大限度的发挥材料本身的塑性变形能力，有效提高板材的成形极限，并提高零件的成形质量。
三、采用磁流变弹性体作为板材成形的软模，可优化对板坯料变形流动的控制，为复杂形状薄壁板材零件等的精密成形以及智能控制提供了新的途径。
附图说明
图1是利用本发明基于磁流变弹性体的板材软模成形方法对板材进行拉深成形的初始状态时整体结构主剖视图，图2是拉深成形处于中期阶段时本发明的整体结构主剖视图，图3是拉深成形处于后期时本发明的整体结构主剖视图，图4是拉深成形完成时本发明的整体结构主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括柱塞1、线圈2、容框3、磁流变弹性体4和凹模5，所述凹模5的上端面设有凹模腔5-1，容框3与凹模5上、下正对设置，容框3套装在柱塞1外部，且柱塞1的头部位于容框3的内腔中，磁流变弹性体4填充在柱塞1的下表面与容框3内壁组成的内腔中，线圈2套装在容框3与凹模5的外侧壁上。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的柱塞1、容框3和凹模5均由无磁钢或奥氏体不锈钢制作。无磁钢和奥氏体不锈钢制作均能够使磁力线充分的穿过磁流变弹性体，使工作区域的磁场分布更为均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、将待成形板材6置于容框3的下表面与凹模5的上表面之间，且将待成形板材6夹紧；可通过如锁或液压机的方法将待成形板材6夹紧；
步骤二、根据待成形板材6的形状和成形各阶段需要的磁流变弹性体4的弹性模量大小来确定工作区域磁场强度B，
B≈μ0nI
式中μ0——真空磁导率，n——单位长度线圈匝数，I——电流，
磁场强度B不能超过磁流变弹性体的磁饱和强度；
步骤三、将线圈2与直流电源连接，通过调节电流使磁流变弹性体4所在区域的磁场强度发生变化，并使待成形板材6在磁流变弹性体4的弹性模量下成形出所需的形状；电流的调节范围为0～20A；
步骤四、将柱塞1和容框3从凹模5上部移开，将成形后的零件7取出，即完成一个成形过程。
具体实施方式四：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为步骤二中磁场强度B的变化范围为0～0.6T。在该范围内，磁流变弹性体能够充分的改变包含弹性模量在内的材料性能。其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为步骤二中磁流变弹性体4为硅橡胶基磁流变弹性体或聚氨酯基磁流变弹性体。硅橡胶基磁流变弹性体为使用硅橡胶为原材料，添加磁性粒子及固化剂等制成的磁流变弹性体；聚氨酯基磁流变弹性体为使用硅橡胶为原材料，添加磁性粒子及固化剂等制成的磁流变弹性体。采用上述两种材料，弹性模量改变范围不同，从而适用于不同强度板材及不同结构形状零件的成形。其他步骤与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为0.3MPa～2.6MPa。此范围适合于如铝等强度较小的材料，或结构简单零件的成形。其他步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为1.0MPa～2.0MPa。这个范围更加适合于如铝等强度较小的材料，或结构简单零件的成形。其他步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为3.4MPa～4.4MPa。此范围适合于如不锈钢等强度较大的材料，或结构较为复杂零件的成形。其他步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为3.5MPa～4.0MPa。这个范围更加适合于如不锈钢等强度较大的材料，或结构较为复杂零件的成形。其他步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为步骤三中成形过程的成形初期：调节电流，使磁场强度较小，磁流变弹性体4保持在较“软”的状态，使待成形板材6在与磁流变弹性体4完全接触下变形，至待成形板材6变形为圆弧形；成形中期：为了提供更大的力，将电流加大，增大磁场强度，使磁流变弹性体4的弹性模量增加，使圆弧形板材更容易的变形，至圆弧形板材底部与型腔贴模；成形后期：为了在凹模圆角处板材能够贴模，将电流调小，减小磁场强度，使磁流变弹性体的弹性模量减小，更易于流动，至板材6完全贴模。针对板材成形过程不同阶段的需要，改变工作区域磁场强度大小，使磁流变弹性体的弹性模量适应成形过程而变化，较大限度的发挥材料本身的塑性变形能力，有效提高板材的成形极限，并提高零件的成形质量。其他步骤与具体实施方式三、六或八相同。
Claims (10)
1.一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置，其特征在于：所述装置包括柱塞（1）、线圈（2）、容框（3）、磁流变弹性体（4）和凹模（5），所述凹模（5）的上端面设有凹模腔（5-1），容框（3）与凹模（5）上、下正对设置，容框（3）套装在柱塞（1）外部，且柱塞（1）的头部位于容框（3）的内腔中，磁流变弹性体（4）填充在柱塞（1）的下表面与容框（3）内壁组成的内腔中，线圈（2）套装在容框（3）与凹模（5）的外侧壁上。
2.根据权利要求1所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置，其特征在于：所述柱塞（1）、容框（3）和凹模（5）均由无磁钢或奥氏体不锈钢制作。
3.一种利用权利要求1所述装置进行基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将待成形板材（6）置于容框（3）的下表面与凹模（5）的上表面之间，且将待成形板材（6）夹紧；
步骤二、根据待成形板材（6）的形状和成形各阶段需要的磁流变弹性体（4）的弹性模量大小来确定工作区域磁场强度B，
B≈μ0nI
式中μ0——真空磁导率，n——单位长度线圈匝数，I——电流，
磁场强度B不能超过磁流变弹性体的磁饱和强度；
步骤三、将线圈（2）与直流电源连接，通过调节电流使磁流变弹性体（4）所在区域的磁场强度发生变化，并使待成形板材（6）在磁流变弹性体（4）的弹性模量下成形出所需的形状；
步骤四、将柱塞（1）和容框（3）从凹模（5）上部移开，将成形后的零件（7）取出，即完成一个成形过程。
4.根据权利要求3所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述步骤二中磁场强度B的变化范围为0～0.6T。
5.根据权利要求3或4所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述步骤二中磁流变弹性体（4）为硅橡胶基磁流变弹性体或聚氨酯基磁流变弹性体。
6.根据权利要求5所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为0.3MPa～2.6MPa。
7.根据权利要求6所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，硅橡胶基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为1.0MPa～2.0MPa。
8.根据权利要求5所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为3.4MPa～4.4MPa。
9.根据权利要求8所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量随磁场强度B的增大而增加，聚氨酯基磁流变弹性体的弹性模量的变化范围为3.5MPa～4.0MPa。
10.根据权利要求3、6或8所述一种基于磁流变弹性体的板材软模成形方法，其特征在于：所述步骤三中成形过程的成形初期：调节电流，使磁场强度较小，磁流变弹性体（4）保持在较“软”的状态，使待成形板材（6）在与磁流变弹性体（4）完全接触下变形，至待成形板材（6）变形为圆弧形；成形中期：将电流加大，增大磁场强度，使磁流变弹性体（4）的弹性模量增加，使圆弧形板材更容易的变形，至圆弧形板材底部与型腔贴模；成形后期：将电流调小，减小磁场强度，使磁流变弹性体的弹性模量减小，至板材（6）完全贴模。
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