CN105665510B - 一种基于电流变液的板材拉深成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电流变液的板材拉深成形装置及方法，装置：凹模与电极板形成敞口半封闭型腔，凸模端子与电源控制单元的正极电性连接，电极板与电源控制单元的负极电性连接，柱塞与柱塞控制单元相连接。方法：一、制备所需比例组分的电流变液；二、设定电极板工作端面的初始位置；三、向型腔内注入步骤一中制备好的电流变液；四、将板材放置于凹模上端面上；五、将压边圈下移至板材上；六、电源控制单元控制电场强度，柱塞控制单元使电极板对电流变液产生恒定的作用力；七、凸模端子下移带动板材拉深成形；八、柱塞、电极板、凸模端子及凸模座同步后退撤出；九、移除凸模座及凸模端子，通过电源控制单元卸去工作区域的电场。本发明用于板件拉深成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种板材拉深成形装置及方法，具体涉及一种基于电流变液的板材拉深成形装置及方法，属于板材柔性介质成形技术领域。
背景技术
板材柔性介质成形就是指利用如液态的水或油、粘性介质及固态颗粒等作为传力介质对板材加工成形。随着航空航天、汽车制造等领域的迅速发展，对零部件在轻量化、高精度、低消耗等方面的要求也随之提高，板材柔性介质成形正是顺应这种需求而逐渐发展起来的一种先进制造技术。但由于工艺自身特点所限，密封困难、需要清理或传力效果差等瓶颈制约了传统介质成形技术的推广及应用。
根据传力介质的差异，板材介质加压成形主要包括液压成形、粘性介质成形和固态颗粒成形等加载方式。板材液压成形又可分为板材液压胀形和充液拉深两种。与前者相比，板材液压成形中因具有摩擦保持效应及流体润滑效果，使成形构件的厚度分布相对于传统方法而言更加均匀，因此，获得了更广泛地应用。
粘性介质是一种半固态、可流动的粘弹塑性材料，对板材成形性能的影响有别于刚模及液压成形。除了可对被加工板材施加压力外，还因自身具有粘附性对板材具有的切向变形产生作用，促使壁厚分布均匀及板材成形性的改善。
固体颗粒介质成形是采用固态的钢球或沙子等代替刚性模具(或弹性体、液体)对板(管)材进行加工成形。与前两者相对比，更易于密封。此外，德国学者Merklein提出使用耐高温的陶瓷颗粒代替流体作为传力介质，并对陶瓷颗粒自身行为特征和板材与颗粒之间的接触情况展开了深入研究。
随着大量冷成形性能差的新材料及结构复杂的薄壁钣金构件在航空航天和汽车制造领域的广泛应用，板材柔性介质成形技术的研究需要不断的推陈出新。因此，将电流变液作为传力介质对板材施加压力是柔性成形领域中一个潜在的可能取得重要突破的研究方向。
发明内容
本发明的目的是为解决现有板材柔性介质加压成形过程中因工艺自身特点所限，不可避免地存在密封困难、传力效果差或需增加后续清理工序的问题，而提供一种基于电流变液的板材拉深成形装置及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
装置：所述装置包括凸模座、凸模端子、压边圈、凹模、柱塞、绝缘层、电极板、电源控制单元和柱塞控制单元，压边圈与凹模上下正对设置，凸模端子和凸模座由下至上设置在压边圈的内孔中，柱塞和电极板由下至上设置在凹模的内孔中，凹模与电极板形成敞口半封闭型腔用于容纳电流变液，凹模的上端入口处设有法兰，法兰的直径小于柱塞的直径，绝缘层套装在整个模具装置的外侧，凸模端子与电源控制单元的正极电性连接，电极板与电源控制单元的负极电性连接，柱塞与柱塞控制单元相连接。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备所需比例组分的电流变液：电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占10％～50％，分散剂占50％～80％，添加剂占0～10％；分散相为金属氧化物、无机材料或有机和聚合物材料，分散剂为绝缘性矿物油、植物油、硅油、煤油或烃类化合物；添加剂为甘油、油酸盐、二乙胺、磷酸盐或聚二甲基硅氧烷类表面活性剂；
步骤二、设定电极板工作端面的初始位置：电极板的工作端面距离凸模端子下端面的距离h为凹模总深度H的二分之一；
步骤三、向型腔内注入步骤一中制备好的电流变液；
步骤四、将板材放置于凹模上端面上；
步骤五、将压边圈下移至板材上；
步骤六、利用电源控制单元控制电场强度使之发生改变，使型腔内电流变液的分布状态发生变化进而改变电流变液的粘度，与此同时通过柱塞控制单元使电极板对电流变液产生一恒定的作用力；
步骤七、在凸模座的作用下，凸模端子下移带动板材拉深成形；
步骤八、完成拉深成形后，柱塞、电极板、凸模端子及凸模座同步后退撤出；
步骤九、移除凸模座及凸模端子，通过电源控制单元卸去工作区域的电场；
步骤十、移去压边圈，取出成形工件。
本发明方法与现有技术相比具体以下有益效果：
一、本发明装置是通过电流变液与模具配合使用实现对板材进行成形，电流变液起到柔性背压加载即代替凹模的作用。通过电流大小调控电流变液的粘度，改变其对板材的加载压力及分布状态，且法兰区域处电流变液在电场作用下可起到密封作用，避免了成形过程中因液室压力较大而导致法兰部位易产生溢流的难题。
二、本发明采用组分比例适宜的电流变液代替现有的液态、半固态及固态等传力介质对板材进行加压成形，解决了板材液压成形中存在的密封困难、易产生溢流且不能针对板件各部位形状特征进行可控调节相应加载压力的技术难题，同时也解决了介质加压成形增加后续清理工序和固态颗粒加压成形时传力效果差等不足之处。
三、本发明的方法与传统板材液压成形、粘性介质成形及固态颗粒成形等工艺存在的本质区别在于：所用传力介质为电流变液，它属于复杂液体。在外加电场作用下，可通过固体颗粒的极化实现“液态”与“固态”之间相互转换，对电流变液的分布状态进行调控，起到正向加载和粘切的双重作用，达到不同的传力及施载效果，该方面研究至今尚无相关报道。
四、与水、液压油、乳化液、粘性介质、钢球等常规传力介质相比，电流变液的性能差异很大。它是一种智能材料，在可控电场作用下电流变液内部固态颗粒的分布状态会随之发生改变，即呈一定的方向性紧密排列，进而达到对板材不同程度的传力及施载作用效果。
五、在电场作用下电流变液的分布状态能够随之发生改变，实现不同的加载要求。如在一次成形过程中，成型初期通过调大电流促使电流变液接近固态，利于法兰处的密封，减少溢流。成形中后期调节电流适中，使电流变液粘度适宜，利于板材充分贴模，提高零件的成形精度，促进板材成形质量的提高。
六、电场调控与凸模运动相配合，以获得成形所需的液室压力，起到柔性变加载模式的背向加压作用，随着成形过程的进行，通过调控电流改变加载力的大小，促进板件成形极限的提高与传统板材液压成形相比，卸后板件的回弹量较小，定型性较好。
七、成形完成构件以后，电流变液在断电后又变为液态，可直接完全回收并能重复使用，简单方便且可靠易行。
附图说明
图1是本发明装置的主视剖图(板坯9成形前)；
图2是本发明装置的主视剖图(板坯9成形后)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括凸模座1、凸模端子2、压边圈3、凹模4、柱塞5、绝缘层7、电极板8、电源控制单元10和柱塞控制单元11，压边圈3与凹模4上下正对设置，凸模端子2和凸模座1由下至上设置在压边圈3的内孔中，柱塞5和电极板8由下至上设置在凹模4的内孔中，凹模4与电极板8形成敞口半封闭型腔6用于容纳电流变液，凸模端子2可穿过压边圈3带动板料9下行进入型腔6内，凹模4的上端入口处设有法兰4-1，法兰4-1的直径小于柱塞5的直径，绝缘层7套装在整个模具装置的外侧，起到绝缘、保障实验人员安全的目的，凸模端子2与电源控制单元10的正极电性连接，电极板8与电源控制单元10的负极电性连接，柱塞5与柱塞控制单元11相连接。通过调节电源控制单元10改变型腔6内电流变液的粘度，通过柱塞控制单元11使电极板8对电流变液产生一恒定的作用力。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的凸模座1、压边圈3、凹模4和绝缘层7的材质为绝缘材料，绝缘材料为聚四氟乙烯、陶瓷、有机玻璃或环氧树脂；要求绝缘耐高压、强度硬度高、不易变形等。其它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说明本实施方式，本实施方式的凸模端子2和电极板8的材质为金属、氧化物、导电聚合物或孔炭材料；要求导电、强度硬度高、不易变形等。其它连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2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、制备所需比例组分的电流变液：电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占10％～50％，分散剂占50％～80％，添加剂占0～10％；分散相为金属氧化物、无机材料或有机和聚合物材料，如二氧化钛、三氧化二铝、沸石型、钙钛型化合物、聚苯胺及其衍生物等；分散剂为绝缘性矿物油、植物油、硅油、煤油或烃类化合物；添加剂为甘油、油酸盐、二乙胺、磷酸盐或聚二甲基硅氧烷类表面活性剂；
步骤二、设定电极板8工作端面的初始位置：电极板8的工作端面距离凸模端子2下端面的距离h为凹模总深度H的二分之一，即h＝(1/2)H；
步骤三、向型腔6内注入步骤一中制备好的电流变液；
步骤四、将板材9放置于凹模4上端面上；
步骤五、将压边圈3下移至板材9上；
步骤六、利用电源控制单元10控制电场强度使之发生改变，使型腔6内电流变液的分布状态发生变化进而改变电流变液的粘度，与此同时通过柱塞控制单元11使电极板8对电流变液产生一恒定的作用力，对板材起到柔性背压的作用；
步骤七、在凸模座1的作用下，凸模端子2下移带动板材9拉深成形；
步骤八、完成拉深成形后，柱塞5、电极板8、凸模端子2及凸模座1同步后退撤出；
步骤九、移除凸模座1及凸模端子2，通过电源控制单元10卸去工作区域的电场；
步骤十、移去压边圈3，取出成形工件。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占20％，分散剂占75％，添加剂占5％。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占30％，分散剂占64％，添加剂占6％。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占40％，分散剂占55％，添加剂占5％。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占25％，分散剂占67％，添加剂占8％。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤六中的型腔6内电流变液分布状态发生变化的过程为：成形初期粘度先增大，再适当调整粘度，最后逐渐减小。成形初期使粘度增大，易于板材9与凸模端子2能够紧密贴合，适当调整起到背压作用，利于板材9拉深成形的实施，成形末期除去电场作用，电流变液粘度急剧下降，直至成形后取出工件。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤六中的成形初期调大电流促使电流变液接近固态，利于法兰4-1处的密封，减少溢流，成形中期将电流变液调控为半固态，有利于板材变形更加充分，成形末期，使电流变液接近液态，容易使板材贴膜充分，提高零件成形精度，可见适当粘附力的变化可促进板材成形质量的提高；通过调控电流大小可有效改变电流变液的粘度。步骤六中法兰4-1区域内的电流变液也在发生变化：成形初在较高粘度时保压一段时间，成形末期则逐渐减小；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深成形。其它步骤与具体实施方式九相同。
Claims (10)
1.一种基于电流变液的板材拉深成形装置，其特征在于：所述装置包括凸模座(1)、凸模端子(2)、压边圈(3)、凹模(4)、柱塞(5)、绝缘层(7)、电极板(8)、电源控制单元(10)和柱塞控制单元(11)，压边圈(3)与凹模(4)上下正对设置，凸模端子(2)和凸模座(1)由下至上设置在压边圈(3)的内孔中，柱塞(5)和电极板(8)由下至上设置在凹模(4)的内孔中，凹模(4)与电极板(8)形成敞口半封闭型腔(6)用于容纳电流变液，凹模(4)的上端入口处设有法兰(4-1)，法兰(4-1)的直径小于柱塞(5)的直径，绝缘层(7)套装整个模具装置的外侧，凸模端子(2)与电源控制单元(10)的正极电性连接，电极板(8)与电源控制单元(10)的负极电性连接，柱塞(5)与柱塞控制单元(11)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流变液的板材拉深成形装置，其特征在于：所述凸模座(1)、压边圈(3)、凹模(4)和绝缘层(7)的材质为绝缘材料，绝缘材料为聚四氟乙烯、陶瓷、有机玻璃或环氧树脂。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电流变液的板材拉深成形装置，其特征在于：所述凸模端子(2)和电极板(8)的材质为金属、氧化物、导电聚合物或孔炭材料。
4.一种利用权利要求1所述装置实现基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备所需比例组分的电流变液：电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占10％～50％，分散剂占50％～80％，添加剂占0～10％；分散相为金属氧化物、无机材料或有机和聚合物材料，分散剂为绝缘性矿物油、植物油、硅油、煤油或烃类化合物；添加剂为甘油、油酸盐、二乙胺、磷酸盐或聚二甲基硅氧烷类表面活性剂；
步骤二、设定电极板(8)工作端面的初始位置：电极板(8)的工作端面距离凸模端子(2)下端面的距离h为凹模总深度H的二分之一；
步骤三、向型腔(6)内注入步骤一中制备好的电流变液；
步骤四、将板材(9)放置于凹模(4)上端面上；
步骤五、将压边圈(3)下移至板材(9)上；
步骤六、利用电源控制单元(10)控制电场强度使之发生改变，使型腔(6)内电流变液的分布状态发生变化进而改变电流变液的粘度，与此同时通过柱塞控制单元(11)使电极板(8)对电流变液产生一恒定的作用力；
步骤七、在凸模座(1)的作用下，凸模端子(2)下移带动板材(9)拉深成形；
步骤八、完成拉深成形后，柱塞(5)、电极板(8)、凸模端子(2)及凸模座(1)同步后退撤出；
步骤九、移除凸模座(1)及凸模端子(2)，通过电源控制单元(10)卸去工作区域的电场；
步骤十、移去压边圈(3)，取出成形工件。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占20％，分散剂占75％，添加剂占5％。
6.根据权利要求4所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占30％，分散剂占64％，添加剂占6％。
7.根据权利要求4所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占40％，分散剂占55％，添加剂占5％。
8.根据权利要求4所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤一中的电流变液由分散相、分散剂和添加剂按一定体积分数配置而成，其中分散相占25％，分散剂占67％，添加剂占8％。
9.根据权利要求4所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤六中的型腔(6)内电流变液分布状态发生变化的过程为：成形初期粘度先增大，再适当调整粘度，最后逐渐减小。
10.根据权利要求9所述的一种基于电流变液的板材拉深成形方法，其特征在于：所述步骤六中的成形初期调大电流促使电流变液接近固态，成形中期将电流变液调控为半固态，成形末期，使电流变液接近液态。
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