CN112547897B - 一种板材磁流变软模差压成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种板材磁流变软模差压成形装置及方法,属于板材成形领域。该装置包括容框(4)、线圈(5)和介质仓(9),容框(4)和介质仓(9)上、下对应设置,容框(4)和介质仓(9)外侧布置有线圈(5),介质仓(9)底部设置有溢流口,溢流口连接有容积可变的溢流腔;介质仓(9)的内腔填充有Ⅰ型磁流变粘塑性材料,容框(4)的内腔填充有磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料,Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料。该装置能在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,有效避免局部壁厚过度减薄或破裂。
Description
技术领域
本发明涉及一种板材磁流变软模差压成形装置及方法,属于板材成形技术领域。
背景技术
复杂形状薄壁壳体零件具有薄壁、局部小曲率半径等结构特征,该类零件可以实现特殊的零件功能、提高装备轻量化水平、提升装备性能,在航空、航天、汽车制造领域有着广泛应用。但是,在成形局部小曲率半径型面时,板材局部变形抗力大幅度增加,产生应力集中,容易造成局部过度减薄或破裂,严重影响此类零件的使用性能。
软模成形方法可以成形复杂形状,并能够在板材表面形成均匀分布的压力,有利于提高薄壁壳体零件的成形能力。同时,在板材成形过程中施加反向压力,即“背压”,可以改变板材的应力状态,抑制壁厚局部减薄的发展和扩大,从而提升薄壁壳体零件的成形能力和壁厚均匀性,背压越大,则板材受到的内部拉应力越小,越有利于缓解局部壁厚减薄。
然而,普通的软模成形方法,如橡胶成形、液压成形、液力拉深、热态气压成形等,通常只在单侧布置软模材料,且软模材料力学性能不可调节,无法针对板材变形不同阶段的应力状态,施加不同的成形压力和背压,难以适应此类薄壁、局部小曲率半径零件的成形。
磁流变材料的力学性能在外加磁场下实时可控,且响应迅速,使用磁流变材料作为传力介质和背压介质,则板材受到的成形压力和背压可以自由调控,例如授权公告号为CN102615164B的发明专利中公开的一种双侧加载磁流变液的板材软模成形方法,通过调节电流使磁流变液所在区域的磁场强度发生变化,使磁流变液的物态随板材成形过程而变化,进而使板材成形出所需形状,但是该方法在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,会出现局部壁厚过度减薄或破裂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种板材磁流变软模差压成形装置及方法,用以解决现有软模成形方法在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,易出现局部壁厚过度减薄或破裂的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种板材磁流变软模差压成形装置,包括容框(4)、线圈(5)和介质仓(9),容框(4)和介质仓(9)上、下对应设置,容框(4)和介质仓(9)外侧布置有线圈(5),介质仓(9)底部设置有溢流口,溢流口连接有容积可变的溢流腔;介质仓(9)的内腔填充有Ⅰ型磁流变粘塑性材料,容框(4)的内腔填充有磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料,所述Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料。
板材磁流变软模差压成形装置的有益效果是:现有技术中的软模成形方法采用同一种磁流变粘塑性材料作为成形介质和背压介质进行板材成形,由于在外加磁场下,板坯受到的成形压力和背压相同,无法产生可调控的压力差,导致该方法在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,局部壁厚过度减薄或破裂的问题无法有效避免,而本发明装置使用磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料作为成形介质,使用Ⅰ型磁流变粘塑性材料作为背压介质,且满足在外加磁场下成形介质的流动应力提升幅度小于背压介质的流动应力提升幅度,那么在外加磁场下,本发明装置中板坯受到的成形压力和背压不同,能够形成可调控的压力差,则与成形介质和背压介质均是同一种磁流变粘塑性材料的情况相比,当外加磁场的磁感应强度相同时,本发明装置中背压的提升幅度更大,板坯贴模阶段受到的内部拉应力更小,从而能在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,有效避免局部壁厚过度减薄或破裂;并且,随着外加磁场磁感应强度的增大,本发明装置中板坯受到的成形压力增加幅度有限、背压压力会大幅度增加,则板坯上下两侧的压力差会越来越小,因此通过施加不同磁感应强度的外加磁场,对成形压力和背压进行调控,能满足板坯成形不同阶段对板坯两侧不同压力差的需求,使得在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,不易出现局部壁厚过度减薄或破裂。
为了实现Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料,进一步地,所述Ⅰ型磁流变粘塑性材料和Ⅱ型磁流变粘塑性材料的非磁性基液、非磁性基液的粘度、非磁性基液中铁磁性颗粒的体积分数、大小和种类至少有一个不同,使Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料。
为了防止Ⅰ型磁流变粘塑性材料从介质仓的上端溢出,进一步地,所述介质仓(9)与板坯(7)的接触部分设有密封圈。
为了形成容积可变的溢流腔,进一步地,所述溢流腔包括外壳和弹性隔板,弹性隔板与外壳内壁密封配合,所述弹性隔板包括隔板(11)和弹性体(12)。
为了实现弹性隔板与外壳内壁的密封配合,进一步地,所述隔板(11)与外壳内壁通过密封圈密封配合。
进一步地,所述弹性体(12)为弹簧。
本发明还提供了一种板材磁流变软模差压成形方法,该方法包括以下步骤:
步骤1、先将Ⅰ型磁流变粘塑性材料填充到介质仓(9)的内腔中,再将板坯(7)置于介质仓(9)的上表面,在板坯(7)上安装容框(4),然后将磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料填充到容框(4)的内腔中;所述Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料;
步骤2、在成形区域施加外加磁场,压缩容框(4)内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料产生压力并传力于板坯(7),促使板坯(7)成形。
板材磁流变软模差压成形方法的有益效果是:现有技术中的软模成形方法采用同一种磁流变粘塑性材料作为成形介质和背压介质进行板材成形,由于在外加磁场下,板坯受到的成形压力和背压相同,无法产生可调控的压力差,导致该方法在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,局部壁厚过度减薄或破裂的问题无法有效避免,而本发明方法使用磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料作为成形介质,使用Ⅰ型磁流变粘塑性材料作为背压介质,且满足在外加磁场下成形介质的流动应力提升幅度小于背压介质的流动应力提升幅度,那么在外加磁场下,本发明方法中板坯受到的成形压力和背压不同,能够形成可调控的压力差,则与成形介质和背压介质均是同一种磁流变粘塑性材料的情况相比,当外加磁场的磁感应强度相同时,本发明方法中背压的提升幅度更大,板坯贴模阶段受到的内部拉应力更小,从而能在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,有效避免局部壁厚过度减薄或破裂。
进一步地,所述步骤2包括:
首先在成形区域施加磁感应强度为B1的外加磁场,提升容框(4)内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料的流动应力,以保持较大的成形压力;
然后调节磁场的磁感应强度为B2,B1<B2,使介质仓(9)内腔中的Ⅰ型磁流变粘塑性材料的流动应力增加,以提升成形背压。
由于随着外加磁场磁感应强度的增大,本发明方法中板坯受到的成形压力增加幅度有限、背压压力会大幅度增加。因此,在板坯成形初期,给予较小的磁感应强度,保持较大的成形压力以及较小的背压压力,能使板坯充分流入变形区;在板坯成形中后期,板坯逐渐向小曲面半径区域填充,此时给予较大的磁感应强度,产生较大的背压压力,以缓解板坯内部过大的拉应力,能够进一步有效抑制局部厚度过度减薄或破裂。
进一步地,通过压力机带动柱塞(3)以2mm/s的速度移动以压缩容框(4)内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料。
进一步地,该方法还包括撤去磁场,开启模具,取出成形零件的步骤。
附图说明
图1是本发明0时刻板材磁流变软模差压成形装置的剖视图;
图2是本发明t1时刻板材磁流变软模差压成形装置的剖视图;
图3是本发明t2时刻板材磁流变软模差压成形装置的剖视图;
图4是本发明成形终了时刻板材磁流变软模差压成形装置的剖视图;
图5是图2中M区局部放大图;
图6是成形零件剖视图;
图中,1是电流调节器,2是直流电源,3是柱塞,4是容框,5是线圈,6是磁流变弹性材料,7是板坯,8是密封圈,9是介质仓,10是Ⅰ型磁流变粘塑性材料,11是隔板,12是弹性体,13是底座,14是弹性基体,15是铁磁性颗粒,16是非磁性基液,17是成形零件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
装置实施例:
如图1所示,本实施例提供了一种板材磁流变软模差压成形装置,该装置包括柱塞3、容框4、线圈5(例如紫铜线圈)、密封圈8(例如橡胶密封圈)、介质仓9、隔板11、弹性体12(例如弹簧或活塞)和底座13;容框4和介质仓9上、下对应设置,容框4和介质仓9外侧布置有线圈5,介质仓9底部设置有溢流口,溢流口连接有容积可变的溢流腔;其中,介质仓9的内腔填充有Ⅰ型磁流变粘塑性材料10,容框4的内腔填充有磁流变弹性材料6。
本实施例中,容积可变的溢流腔由隔板11、弹性体12和底座13共同形成,具体地,弹性体12位于底座13的内腔中,其下端固定在底座13的内腔底部,上端与隔板11固定连接,隔板11将底座13的内腔隔成上、下两部分,上部为容积可变的溢流腔;其中,隔板11与底座13的内腔通过密封圈8密封配合,以防止Ⅰ型磁流变粘塑性材料10从溢流腔中溢出。当然,容积可变的溢流腔的实现形式不局限与本实施例中所给出的形式,只要溢流腔包括外壳和弹性隔板,弹性隔板与外壳内壁密封配合,弹性隔板包括隔板11和弹性体12即可。
本实施例中,介质仓9与板坯7的接触部分设有密封圈8,以防止Ⅰ型磁流变粘塑性材料10从介质仓9的上端溢出;柱塞3的下端位于容框4的内腔中,以在板坯7成形过程中压缩容框4内腔中的磁流变弹性材料6产生压力并传力于板坯7;当然,防止Ⅰ型磁流变粘塑性材料10从介质仓9的上端溢出,以及压缩容框4内腔中的磁流变弹性材料6均可以采用现有技术中的其他方式,例如授权公告号为CN102615164B的发明专利中公开的方式。
为了提供磁感应强度可变的外加磁场,本实施例的板材磁流变软模差压成形装置还包括电流调节器1和直流电源2,将电流调节器1和直流电源2与线圈5连接后,能通过电流调节器1调节线圈5中的电流大小,在成形区域(即Ⅰ型磁流变粘塑性材料10和磁流变弹性材料6所在区域)产生磁感应强度可变的磁场。
结合图5,磁流变弹性材料6为硅橡胶基磁流变弹性体或聚氨酯基磁流变弹性体。这两种类型的磁流变弹性体均由铁磁性颗粒15弥散分布在弹性基体14中得到,弹性基体14对应为硅橡胶基弹性基体或聚氨酯基弹性基体。在外加磁场下,铁磁性颗粒15由弥散随机分布转变为沿磁场方向链状分布,使得其压缩刚度和流动应力提高。弹性基体14的类型决定了磁流变弹性材料6的基础刚度和基础流动应力,选择不同类型的磁流变弹性材料6可以使板坯受到不同的成形压力。
磁流变粘塑性材料为磁流变液、磁流变胶或磁流变塑性体。这三种类型的磁流变粘塑性材料均由铁磁性颗粒15弥散分布在非磁性基液16中得到。在外加磁场下,铁磁性颗粒15由弥散随机分布转变为沿磁场方向链状分布,使得其屈服强度和流动应力提高。非磁性基液16的粘度决定了磁流变粘塑性材料的基础屈服强度和基础流动应力,选择不同类型的磁流变粘塑性材料可以使板坯受到不同的局部成形压力。
其中,铁磁性颗粒的体积分数决定了磁流变弹性材料6及磁流变粘塑性材料的力学性能调节幅度,从而决定了局部圆角位置板坯两侧产生的压力差的大小。本实施例中,Ⅰ型磁流变粘塑性材料10及磁流变弹性材料6的基体中铁磁性颗粒15的体积分数分别为40%和10%。作为其他实施方式,Ⅰ型磁流变粘塑性材料10及磁流变弹性材料6的基体中铁磁性颗粒15的体积分数还可以根据实际需要设置为其他数值,只要满足Ⅰ型磁流变粘塑性材料10及磁流变弹性材料6的基体中铁磁性颗粒15的体积分数分别小于等于80%和50%即可。
本实施例中,铁磁性颗粒15的粒径为3±0.5μm;作为其他实施方式,铁磁性颗粒15的粒径还可以根据实际需要设置为其他数值,只要满足铁磁性颗粒15的粒径在1μm~5μm之间即可。
由于磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于磁流变弹性材料,本实施例中,为了在板坯7两侧形成压力差,在容框4的内腔填充有磁流变弹性材料6;作为其他实施方式,容框4的内腔还可以填充有Ⅱ型磁流变粘塑性材料,此时需通过使Ⅰ型磁流变粘塑性材料和Ⅱ型磁流变粘塑性材料的非磁性基液、非磁性基液的粘度、非磁性基液中铁磁性颗粒的体积分数、大小和种类至少有一个不同,实现Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料,以在板坯7两侧形成压力差;同时,需在容框4与板坯7的接触部分相应增加密封圈8,以防止Ⅱ型磁流变粘塑性材料从容框4的下端溢出。
本实施例的板材磁流变软模差压成形装置,采用磁流变弹性材料作为成形介质,采用磁流变粘塑性材料作为背压介质,由于磁流变弹性材料的基体为橡胶,基础流动应力较大,但其中的铁磁性颗粒无法自由移动,在外加磁场下,其流动应力提升幅度有限,即板坯受到的成形压力的提升幅度有限;而磁流变粘塑性材料的基体为矿物油,基础流动应力较小,但其中的铁磁性颗粒可以自由移动,在外加磁场下,其流动应力可以显著提高,即板坯受到的背压压力能显著增大。那么在外加磁场下,该装置中板坯受到的成形压力和背压不同,能够形成可调控的压力差,则与成形介质和背压介质均是同一种磁流变粘塑性材料的情况相比,当外加磁场的磁感应强度相同时,该装置中背压的提升幅度更大,板坯贴模阶段受到的内部拉应力更小,从而能在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,有效避免局部壁厚过度减薄或破裂;并且,随着外加磁场磁感应强度的增大,该装置中板坯受到的成形压力增加幅度有限、背压压力会大幅度增加,则板坯上下两侧的压力差会越来越小,因此通过施加不同磁感应强度的外加磁场,对成形压力和背压进行调控,能满足板坯成形不同阶段对板坯两侧不同压力差的需求,有利于局部小曲面半径结构特征的充分填充,避免成形缺陷。例如:在板坯成形初期,给予较小的磁感应强度,保持较大的成形压力以及较小的背压压力,能使板坯充分流入变形区;在板坯成形中后期,板坯逐渐向小曲面半径区域填充,此时给予较大的磁感应强度,产生较大的背压压力,以缓解板坯内部过大的拉应力,能够进一步有效抑制局部厚度过度减薄或破裂;同时,磁流变粘塑性材料被挤压后从溢流孔排出,产生不断增大的溢流压力,也能抑制板坯向小曲面半径区域填充时的破裂趋势。
此外,磁流变弹性材料可以在其与板坯接触界面产生有益切向摩擦力,这种切向摩擦力可以促进材料向变形区的流动,延迟局部颈缩,提高板坯成形性。
方法实施例:
基于装置实施例中的板材磁流变软模差压成形装置,本实施例提供了一种板材磁流变软模差压成形方法,包括以下步骤:
步骤1、先将Ⅰ型磁流变粘塑性材料10填充到介质仓9的内腔中,再将板坯7置于介质仓9的上表面,在板坯7上安装容框4,然后将磁流变弹性材料6填充到容框4的内腔中;
步骤2、通过压力机带动柱塞3以2mm/s的速度移动,压缩容框4内腔中的磁流变弹性材料6产生压力并传力于板坯7;
步骤3、在t1时刻(如图2所示),将线圈5与直流电源2和电流调节器1连接,使线圈5内通入电流,在成形区域施加磁感应强度为B1的外加磁场,提升容框4内腔中的磁流变弹性材料6的流动应力,以保持较大的成形压力,板坯7被压入介质仓9,Ⅰ型磁流变粘塑性材料10受压后从溢流口流入溢流腔,形成背压;
步骤4、在t2时刻(如图3所示),提高线圈5内的电流强度,调节磁场的磁感应强度为B2,B1<B2,使介质仓9内腔中的Ⅰ型磁流变粘塑性材料10的流动应力增加,以提升成形背压,避免板坯7向介质仓9圆角处填充时过度减薄或破裂;
步骤5、在成形终了时刻(如图4所示),通过切断线圈5内的电流撤去磁场,开启模具,取出成形零件17,成形零件17的剖视图如图6所示。
当容框4的内腔填充的是Ⅱ型磁流变粘塑性材料时,对应的板材磁流变软模差压成形方法与此类似,不再赘述。
本实施例中,磁感应强度B1=0.2T,B2=1T,磁感应强度的大小决定了磁流变粘塑性材料及磁流变弹性材料的流动应力大小。作为其他实施方式,外加磁场的磁感应强度还可以设置为其他数值,只要满足0≤B1≤B2≤2T即可。作为其他实施方式,在能实现抑制板坯局部厚度过度减薄或破裂的情况下,板坯7成形过程中还可以保持外加磁场的磁感应强度不变。
本实施例中,板坯7为非铁磁性金属材料,如铝合金、钛合金、镍基高温合金或奥氏体不锈钢等。其中,铝合金牌号为:1060、2A12或5A06等,钛合金牌号为:TA7、TA9或TC4等,镍基高温合金牌号为:GH3044或GH4169等,奥氏体不锈钢牌号为:201、304或316等。
本实施例中,板坯7的厚度为0.7mm。作为其他实施方式,板坯7的厚度还可以根据实际需要选择,只要满足厚度在0.2mm~2mm之间即可。
本实施例的板材磁流变软模差压成形方法,使用磁流变弹性材料作为成形介质,使用Ⅰ型磁流变粘塑性材料作为背压介质,在外加磁场下,该方法中板坯受到的成形压力和背压不同,能够形成可调控的压力差,则与成形介质和背压介质均是同一种磁流变粘塑性材料的情况相比,当外加磁场的磁感应强度相同时,该方法中背压的提升幅度更大,板坯贴模阶段受到的内部拉应力更小,从而能在成形薄壁、局部小曲率半径零件时,有效避免局部壁厚过度减薄或破裂;由于随着外加磁场磁感应强度的增大,该方法中板坯受到的成形压力增加幅度有限、背压压力会大幅度增加。因此,在板坯成形初期(t1时刻),给予较小的磁感应强度,保持较大的成形压力以及较小的背压压力,能使板坯充分流入变形区;在板坯成形中后期(t2时刻),板坯逐渐向小曲面半径区域填充,此时给予较大的磁感应强度,产生较大的背压压力,以缓解板坯内部过大的拉应力,能够进一步有效抑制局部厚度过度减薄或破裂。因此,该方法既可以保证材料向变形区有充分的流动,又可以调节成形不同阶段板坯受到的背压压力,实现了薄壁、局部小曲面半径板材零件成形过程的精确控制,避免了壁厚过度减薄及破裂缺陷,提高了零件形状尺寸精度,其最小可填充圆角半径达到板厚的0.3倍。
Claims (8)
1.一种板材磁流变软模差压成形装置,包括柱塞、压力机、电流调节器、容框(4)、线圈(5)和介质仓(9),电流调节器与线圈连接,容框(4)和介质仓(9)上、下对应设置,容框(4)和介质仓(9)外侧布置有线圈(5),容框(4)的下表面和介质仓(9)上表面之间用于设置板坯(7),介质仓(9)底部设置有溢流口,溢流口连接有容积可变的溢流腔;其特征在于,介质仓(9)的内腔填充有Ⅰ型磁流变粘塑性材料,容框(4)的内腔填充有磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料,所述Ⅰ型磁流变粘塑性材料和Ⅱ型磁流变粘塑性材料由铁磁性颗粒弥散分布在非磁性基液中得到,所述磁流变弹性材料由铁磁性颗粒弥散在弹性基体中得到,其中的非磁性基液、非磁性基液的粘度、非磁性基液中铁磁性颗粒的体积分数、大小和种类至少有一个不同,使Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料;
压力机用于带动柱塞以2mm/s的速度移动,以压缩容框内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料产生压力并传力于板坯(7);
电流调节器用于调节线圈中的电流大小,以在板坯成形初期产生磁感应强度较小的磁场,在板坯成形中后期产生磁感应强度较大的磁场。
2.根据权利要求1所述的板材磁流变软模差压成形装置,其特征在于,所述介质仓(9)与板坯(7)的接触部分设有密封圈。
3.根据权利要求1所述的板材磁流变软模差压成形装置,其特征在于,所述溢流腔包括外壳和弹性隔板,弹性隔板与外壳内壁密封配合,所述弹性隔板包括隔板(11)和弹性体(12)。
4.根据权利要求3所述的板材磁流变软模差压成形装置,其特征在于,所述隔板(11)与外壳内壁通过密封圈密封配合。
5.根据权利要求3或4所述的板材磁流变软模差压成形装置,其特征在于,所述弹性体(12)为弹簧。
6.一种应用于权利要求1所述的板材磁流变软模差压成形装置的板材磁流变软模差压成形方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1、先将Ⅰ型磁流变粘塑性材料填充到介质仓(9)的内腔中,再将板坯(7)置于介质仓(9)的上表面,在板坯(7)上安装容框(4),然后将磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料填充到容框(4)的内腔中;所述Ⅰ型磁流变粘塑性材料在外加磁场下的流动应力提升幅度大于Ⅱ型磁流变粘塑性材料;
步骤2、在成形区域施加外加磁场,压缩容框(4)内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料产生压力并传力于板坯(7),促使板坯(7)成形。
7.根据权利要求6所述的板材磁流变软模差压成形方法,其特征在于,所述步骤2包括:
首先在成形区域施加磁感应强度为B 1的外加磁场,提升容框(4)内腔中的磁流变弹性材料或Ⅱ型磁流变粘塑性材料的流动应力,以保持较大的成形压力;
然后调节磁场的磁感应强度为B 2,B 1<B 2,使介质仓(9)内腔中的Ⅰ型磁流变粘塑性材料的流动应力增加,以提升成形背压。
8.根据权利要求6所述的板材磁流变软模差压成形方法,其特征在于,该方法还包括撤去磁场,开启模具,取出成形零件的步骤。
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