CN110308048A - 一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置及试验方法，包括直流电源、磁流变液套筒、柱塞、固定座、计算机控制系统；所述柱塞安装在所述磁流变液套筒下端，所述磁流变液套筒内填充有磁流变液，所述柱塞向上运动时可推动所述磁流变液向上移动；本发明利用磁流变液在外加磁场作用下其物态可以从液态、半固态、固态发生瞬时连续的可逆变化，力学性能也发生瞬时连续的改变性质，实现板材胀形试验可以在凸模力学性能连续可调的条件下进行，获得凸模力学性能连续变化可调的条件下板材的成形性能，解决传统板材胀形试验无法实现凸模力学性能连续变化、可调的问题，以及无法获得凸模力学性能连续变化可调的条件下板材的成形性能问题。
Description
技术领域
本发明涉及板材成形技术领域，尤其涉及一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置及试验方法。
背景技术
随着工业技术的发展，金属板材应用范围越来越广泛，非金属板材应用日益拓宽，复合材料层合板也逐渐进入多个工业领域，评价板材的力学性能是其应用的前提。板材塑性变形的潜能受到外在加载条件的影响，加载条件决定了板材变形的应力状态，而应力状态带来板材变形方式和程度的差异，决定了板材的成形极限。为了描述材料在不同应力状态下的成形性能或极限变形能力，通常采用相应的实验方法使材料在某种特定条件下发生变形直至破坏，从而获得这种条件下的极限应变。胀形是板材成形性能的基本实验方法，基于加载条件的改变和发展，目前主要有半球形刚性凸模胀形实验方法(杯突实验)、液压胀形实验方法以及近年来发展起来的粘性介质压力胀形实验方法。通过凸模材料(刚性凸模、液体、粘性介质等)的改变，即加载条件的改变，使板材变形过程的应力状态有利于其塑性变形的潜能的发挥，拓宽了板材的应用范围。
对于刚性凸模实验和液压胀形实验方法，由于刚性凸模和液体凸模的性能是不变的，无法考虑介于刚性材料和液体材料之间的凸模加载条件对板材成形性能的影响，新近发展的粘性介质压力胀形实验方法，通过选择不同分子量的半固态粘性介质实现了半固态材料凸模加载条件对板材成形性能的测试。但是粘性介质的分子量是不连续的，即无法考察介于两个分子量之间粘性介质凸模加载条件对板材成形性能的影响；如果考察凸模材料性能连续变化(即从固态、半固态、液态)对板材成形性能的影响，采用已有的刚性凸模、液压和粘性介质压力三种胀形试验方法是无法实现的。
因此需要一种凸模力学性能连续变化的胀形试验装置及试验方法，实现板材胀形试验中凸模力学性能连续变化且可调，解决传统板材胀形实验无法获得凸模力学性能连续变化可调条件下板材的成形性能问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置及试验方法，利用磁流变液在外加磁场作用下其物态可以从固态、半固态、液态发生瞬时连续的可逆变化，力学性能也发生瞬时连续的改变性质，通过改变磁流变液成分以及外加磁场条调节磁流变液性能，实现板材胀形试验可以在凸模力学性能连续可调的条件下进行，解决板材胀形试验凸模力学性能连续变化、可调问题，测试分析板材在凸模力学性能连续变化可调的条件下的胀形极限高度、几何构形、应变分布，进而计算出应力分布和应力应变关系，获得凸模力学性能连续变化可调的条件下板材的成形性能，拓宽板材的应用范围，解决传统板材胀形试验无法实现凸模力学性能连续变化、可调的问题，以及无法获得凸模力学性能连续变化可调的条件下板材的成形性能问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，包括直流电源、磁流变液套筒、柱塞、固定座、计算机控制系统；
所述磁流变液套筒固定连接在所述固定座上；
所述柱塞安装在所述磁流变液套筒下端，所述磁流变液套筒内填充有磁流变液，所述柱塞向上运动时可推动所述磁流变液向上移动；
所述磁流变液套筒的顶部固定连接有可拆卸的凹模，在所述磁流变液套筒与所述凹模之间夹持有板材坯料；
所述磁流变液套筒外壁缠绕有线圈；所述直流电源与所述线圈连接，为所述线圈提供电流，使所述线圈对所述磁流变液施加磁场，所述磁流变液在变化的磁场的作用下发生液态、半固态、固态之间的连续可逆相互转变；
所述柱塞底部依次连接有用于实时测量柱塞的位移和注入磁流变液力的位移传感器与力传感器，在所述力传感器的底部连接有电动缸，所述电动缸可推动所述柱塞向上运动，使所述磁流变液对所述板材坯料进行加载；
所述计算机控制系统用以收集所述位移传感器与力传感器的试验数据并控制所述电动缸的运动；
所述凹模上方设有对所述板材坯料的变形进行测量记录的光学测量系统。
进一步，在所述磁流变液套筒内壁与所述柱塞间设有密封圈。
进一步，所述线圈选用的材料为铜，所述线圈的匝数为1500～3000，所述线圈内径为50-100mm，轴向高度为100-200mm。
进一步，所述磁流变液的成分包括羟基铁粉和甲基硅油，其中羟基铁粉的体积分数为10％～60％；所述羟基铁粉的粒子直径为1.0～10.0μm，平均粒径为3.0～5.0μm；所述甲基硅油常温下的粘度为0.1～2.0Pa·s。
本发明还提供一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，包括如下步骤：
1)将磁流变液注入磁流变液套筒内，将板材坯料置于磁流变液套筒及凹模之间，并将凹模固定在磁流变液套筒上且将板材坯料夹紧，将光学测量系统对准板材坯料；
2)开启直流电源并向线圈内输入电流，线圈向所述磁流变液施加磁场；
3)调整直流电源电流的大小以改变磁场强度，并分别在不同的磁场强度下，驱动电动缸以V1的速度向上推动柱塞，使板材坯料在磁流变液的压力作用下发生胀形直至破裂，并用光学测量系统实时记录板材坯料在不同的磁场强度下板材坯料的极限胀形高度、几何构形、应变分布；
4)关闭直流电源，驱动电动缸以的速度向下推动柱塞，使磁流变液退回到磁流变液腔体中，打开凹模取出胀形件；
5)处理试验数据：对获取的不同的磁场强度下板材坯料磁流变液胀形的极限胀形高度、几何构形、应变分布进行处理，进而计算出应力分布和应力应变关系。
进一步，将驱动电动缸以速度V1向上推动柱塞的行程分为两个阶段，在第一阶段时，分别施加不同的外加磁场，在第二阶段时不施加外加磁场。
进一步，将驱动电动缸以速度V1向上推动柱塞的行程分为两个阶段，在第一阶段时，不施加外加磁场，在第二阶段时分别施加不同的外加磁场。
进一步，所述直流电源的电流调节范围为0～20A。
进一步，所述柱塞的速度V1的范围为0.2mm/s～0.5mm/s，所述柱塞的速度V2的范围为0.1mm/s～0.2mm/s。
进一步，所述柱塞8第一阶段的行程为0～6.0mm，第二阶段的行程为6.0mm～12.0mm。
实施本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用磁流变液在磁场作用下可以实现液态、半固态、固态之间的相互可逆转变，其力学性能和传力特性均发生显著变化的特点，通过选用磁流变液作为软模，实现板材在凸模力学性能连续变化可调的条件下的胀形实验，获得板材胀形极限高度、几何构形、应变分布，进而计算出应力分布和应力应变关系，解决了凸模力学性能连续变化可调条件下的板材成形性能问题。
(2)本发明通过改变磁流变液成分以及外加磁场条调节磁流变液性能，能够实现板材胀形实验磁流变液力学性能连续可调，可以在恒定磁场条件下，测试分析不同性能的磁流变液软模对板材成形性能的影响，解决了板材胀形实验磁流变液加载条件连续变化的问题。
(3)本发明通过外加磁场条调节磁流变液力学性能，利用连续变化的外加磁场可以使磁流变液性能在胀形过程中连续变化，可以在变化磁场条件下，测试分析同一胀形过程中不同阶段软模性能的变化对板材成形性能的影响，解决了在一个胀形过程中加载条件可调的问题。
(4)本发明在磁流变液软模成形工艺下测试材料性能，可为磁流变液软模成形工艺提供材料性能参数，对实际的磁流变液软模成形进行指导。
(5)本发明提供的板材磁流变液软模胀形试验装置模具结构简单，可自由安装在压力机上，拆装方便简单。
附图说明
图1是本发明进行试验初始状态时整体结构示意图；
图2是本发明进行试验时板材坯料胀形过程中的状态示意图；
图3是磁流变液中羟基铁粉体积分数为w％时，不同磁场强度对应的应力应变关系曲线；
图4是在磁场强度为0情况下，板材坯料极限胀形高度和几何构形示意图；
图5是在磁场强度为0.07T情况下，板材坯料极限胀形高度和几何构形示意图；
图6是在磁场强度为0.13T情况下，板材坯料极限胀形高度和几何构形示意图；
图7是在磁场强度为0.20T情况下，板材坯料极限胀形高度和几何构形示意图；
图8是第一阶段改变外加磁场的磁场加载方案；
图9是第二阶段改变外加磁场的磁场加载方案；
图10是第一阶段改变外加磁场的磁场加载方案时试件胀形高度和几何构形；
图11是第二阶段改变外加磁场的磁场加载方案时试件极限胀形高度和几何构形。
图中：
1-直流电源；2-线圈；3-凹模；4-板材坯料；5-磁流变液套筒；6-磁流变液；7-密封圈；8-柱塞；9-固定座；10-位移传感器；11-力传感器；12-电动缸；13-光学测量系统；14-电脑控制系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，如图1、图2所示，包括直流电源1、磁流变液套筒5、柱塞8、固定座9、计算机控制系统14。
磁流变液套筒5固定连接在固定座9上；柱塞8安装在磁流变液套筒5下端，磁流变液套筒5内填充有磁流变液6，柱塞8向上运动时可推动所述磁流变液6向上移动。
当然，为避免磁流变液6从柱塞8处流出，在磁流变液套筒5下端内壁固定有密封圈7，柱塞8向上运动时，柱塞8套在所述密封圈7内，提高了柱塞8与磁流变液套筒5之间的密封效果，或在柱塞8上套设密封圈7，使磁流变液6与柱塞8之间形成密封。
磁流变液套筒5的顶部固定连接有可拆卸的凹模3，在磁流变液套筒5与凹模3之间夹持有板材坯料4，且保证板材坯料4将磁流变液套筒5的空腔完全覆盖。
板材坯料4可以选用金属板材，如深冲钢板材、不锈钢板材、铝合金板材、高温合金板材等，非金属板材，如聚碳酸酯板材、热塑性板材、层合板。
凹模3与磁流变液套筒5的固定方式可通过采用卡扣连接、螺纹连接等形成可拆卸的连接方式，当然也可直接在凹模3上施加一定的压力，且施加的压力可使凹模3不会发生移动，在这里不对凹模3与磁流变液套筒5的具体连接方式做进一步限定，只要保证凹模3可拆卸的固定在磁流变液套筒5上即可。
磁流变液套筒5外壁缠绕有线圈2，直流电源1与线圈2连接，为线圈2提供电流，使线圈2对磁流变液6施加磁场，磁流变液6在不同的磁场的作用下发生液态、半固态、固态之间的连续可逆相互转变，实现板材胀形实验磁流变液6性能连续可调，解决了板材胀形实验磁流变液6加载条件连续变化的问题。
柱塞8底部依次连接有用于实时测量柱塞8的位移和实验力的位移传感器10与力传感器11，在力传感器11的底部连接有电动缸12，电动缸12可推动柱塞8向上运动，使磁流变液6对所述板材坯料4进行加载。
计算机控制系统14用以收集位移传感器10与力传感器11的实验数据，并控制电动缸12的运动。
优选的，线圈2的匝数为1500～3000，线圈2内径为50-100mm，轴向高度为100-200mm。
其中，磁流变液6的成分包括羟基铁粉和甲基硅油，其中羟基铁粉的体积分数为10％～60％；羟基铁粉的粒子直径为1.0～10.0μm，平均粒径为3.0～5.0μm；甲基硅油常温下的粘度为0.1～2.0Pa·s。
为保证磁流变液6不同强度的磁场的作用下发生液态、半固态、固态之间的连续可逆相互转变，实现板材胀形实验磁流变液6性能连续可调，在一个实施方式中，磁流变液6成分中羟基铁粉体积分数为10％，甲基硅油的体积分数为90％。
在另一个实施方式中，磁流变液6成分中羟基铁粉体积分数为35％，甲基硅油的体积分数为65％。
在又一个实施方式中，磁流变液6成分中羟基铁粉体积分数为60％，甲基硅油的体积分数为40％。
当然，在其他一些实施方式中，磁流变液6成分中，羟基铁粉的体积分数可以为10％～60％中任一个，余量为甲基硅油，在此不再一一列举，磁流变液中羟基铁粉不同体积分数时，磁场强度与应力的关系曲线如图3所示。
在一个实施方式中，磁流变液6成分中羟基铁粉体积分数为30％，在不同磁场强度下，磁流变液物态可在液态、半固态、固态连续可逆相互之间变化，当磁场强度为0时，磁流变液物态为液态，当磁场强度0.07T时，磁流变液物态为半固态，当磁场强度0.13T时，磁流变液物态为固态。
实施例二
本实施例提供了一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，该方法可以但不限于采用前述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，具体地，该方法包括如下步骤：
(1)将磁流变液6注入磁流变液套筒5内，将板材坯料4置于磁流变液套筒5及凹模3之间，并将凹模3固定在磁流变液套筒5上且将板材坯料4夹紧，将光学测量系统13对准板材坯料；
(2)开启直流电源1并向线圈2内输入电流，线圈2向磁流变液6施加磁场；
(3)调整直流电源1电流的大小以改变磁场强度，分别在0、0.07T、0.13T、0.20T的磁场强度下，驱动电动缸12以V1的速度向上推动柱塞8，使板材坯料4在磁流变液6的压力作用下发生胀形直至破裂，并用光学测量系统13实时记录板材坯料4的变形量，可得到如图4、图5、图6、图7所示的在不同的磁场强度下板材坯料4的极限胀形高度h1和相应的几何构形；V1的速度控制在0.2mm/s～0.5mm/s范围内，此速度可以使板材坯料4的变形速度保持在较好的范围内；
(4)驱动电动缸12以V2的速度向下推动柱塞8，使磁流变液6退回到磁流变液腔体5中，打开凹模3取出胀形件，保证V1的速度在0.1mm/s～0.2mm/s范围内，在此范围内，磁流变液6的卸载速度可以避免成形的板材坯料4发生二次变形；
(5)处理实验数据，对获取的不同的磁场强度下板材坯料4磁流变液胀形的极限胀形高度、几何构形、应变分布，进而计算出应力分布和应力应变关系。
在一个优选的实施方式中，柱塞8第一阶段的行程为0～6.0mm，第二阶段的行程为6.0mm～12.0mm。
在一个优选的实施方式中，直流电源1的电流调节范围为0～20A，直流电源1电流的改变可使线圈2所产生的磁场强度范围可调，不同的磁场强度也可使磁流变液6的状态发生改变。
实施例三
本实施例提供的一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其步骤与实施例二中的试验方法步骤基本相同，不同之处在于，将驱动电动缸12以速度V1向上推动柱塞8的行程分为两个阶段，在第一阶段时，分别施加不同的外加磁场，如图8所示，不同的外加磁场具体可以为0.07T、0.13T和0.20T，在第二阶段时不施加外加磁场。
如图10所示，该试验方法可测试出板材坯料4在此种情况下的极限胀形高度h1和相应的几何构形是否发生变化。
实施例四
本实施例提供的一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，本其步骤与实施例二中的试验方法步骤基本相同，不同之处在于，将驱动电动缸12以速度V1向上推动柱塞8的行程分为两个阶段，在第一阶段时，不施加外力磁场，在第二阶段时分别施加不同的外加磁场，如图9所示，不同的外加磁场具体可以为0.07T、0.13T和0.20T。
如图11所示，该试验方法可测试出板材坯料4在此种情况下的极限胀形高度h1和相应的几何构形是否发生变化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，其特征在于：包括直流电源(1)、磁流变液套筒(5)、柱塞(8)、固定座(9)、计算机控制系统(14)；
所述磁流变液套筒(5)固定连接在所述固定座(9)上；
所述柱塞(8)安装在所述磁流变液套筒(5)下端，所述磁流变液套筒(5)内填充有磁流变液(6)，所述柱塞(8)向上运动时可推动所述磁流变液(6)向上移动；
所述磁流变液套筒(5)的顶部固定连接有可拆卸的凹模(3)，在所述磁流变液套筒(5)与所述凹模(3)间夹持有板材坯料(4)；
所述磁流变液套筒(5)外壁缠绕有线圈(2)；所述直流电源(1)与所述线圈(2)连接，为所述线圈(2)提供电流，使所述线圈(2)对所述磁流变液(6)施加磁场，所述磁流变液(6)在变化的磁场的作用下发生液态、半固态、固态之间的连续可逆相互转变；
所述柱塞(8)底部依次连接有用于实时测量柱塞(8)的位移和实验力的位移传感器(10)与力传感器(11)，在所述力传感器(11)的底部连接有电动缸(12)，所述电动缸(12)可推动所述柱塞(8)向上运动，使所述磁流变液(6)对所述板材坯料(4)进行加载；
所述计算机控制系统(14)用以收集所述位移传感器(10)与力传感器(11)的实验数据并控制所述电动缸(12)的运动；
所述凹模(3)上方设有对所述板材坯料(4)的变形进行测量记录的光学测量系统(13)。
2.根据权利要求1所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，其特征在于：在所述磁流变液套筒(5)内壁与所述柱塞(8)间设有密封圈(7)。
3.根据权利要求1所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，其特征在于：所述线圈(2)选用的材料为铜，所述线圈2的匝数为1500～3000，所述线圈(2)内径为50-100mm，轴向高度为100-200mm。
4.根据权利要求1所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置，其特征在于：所述磁流变液(6)的成分包括羟基铁粉和甲基硅油，其中羟基铁粉的体积分数为10％～60％；所述羟基铁粉的粒子直径为1.0～10.0μm，平均粒径为3.0～5.0μm；所述甲基硅油常温下的粘度为0.1～2.0Pa·s。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将磁流变液(6)注入磁流变液套筒(5)内，将板材坯料(4)置于磁流变液套筒(5)及凹模(3)间，并将凹模(3)固定在磁流变液套筒(5)上且将板材坯料(4)夹紧，将光学测量系统(13)对准板材坯料；
2)开启直流电源(1)并向线圈(2)内输入电流，线圈(2)向所述磁流变液(6)施加磁场；
3)调整直流电源(1)电流的大小以改变磁场强度，并分别在不同的磁场强度下，驱动电动缸(12)以V1的速度向上推动柱塞(8)，使板材坯料(4)在磁流变液(6)的压力作用下发生胀形直至破裂，并用光学测量系统(13)实时记录板材坯料(4)在不同的磁场强度下板材坯料(4)的极限胀形高度、几何构形、应变分布；
4)关闭直流电源(1)，驱动电动缸(12)以V2的速度向下推动柱塞(8)，使磁流变液(6)退回到磁流变液腔体(5)中，打开凹模(3)取出胀形件；
5)处理实验数据：对获取的不同的磁场强度下板材坯料(4)磁流变液胀形的极限胀形高度、几何构形、应变分布进行处理，进而计算出应力分布和应力应变关系。
6.根据权利要求5所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于：将驱动电动缸(12)以速度V1向上推动柱塞(8)的行程分为两个阶段，在第一阶段时，分别施加不同的外加磁场，在第二阶段时不施加外加磁场。
7.根据权利要求5所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于：将驱动电动缸(12)以速度V1向上推动柱塞(8)的行程分为两个阶段，在第一阶段时，不施加外加磁场，在第二阶段时分别施加不同的外加磁场。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于：所述直流电源(1)的电流调节范围为0～20A。
9.根据权利要求5-7任意一项所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于：所述柱塞(8)的速度V1的范围为0.2mm/s～0.5mm/s，所述柱塞(8)的速度V2的范围为0.1mm/s～0.2mm/s。
10.根据权利要求6或7所述的板材成形性能的磁流变液胀形试验装置的试验方法，其特征在于：所述柱塞(8)第一阶段的行程为0～6.0mm，第二阶段的行程为6.0mm～12.0mm。
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