CN114042798A - 一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法及装置，属于板材成形技术领域。根据所需成形构件的几何特征，通过若干铁芯件和无磁钢件组合成与零件构型匹配的上随型成型组件和下随型成型组件，根据深腔薄壁构件不同位置变形特点划分区域磁场，在不同的几何特征处赋予磁流变液最适合的性能，从而给予板材需求的应力状态和摩擦状态，促进材料流动，实现深腔薄壁构件的成型。本发明解决了目前深腔薄壁零件分区域软模成形中分区域磁场调控程序复杂、难度大的问题，缓解成形过程中壁厚过度减薄，提高深腔薄壁构件成形质量，适合规模化、大批量连续生产，具有良好的应用前景。

Description

一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法及装置
技术领域
本发明属于板材成形技术领域，具体涉及一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法及装置。
背景技术
随着航空、航天、汽车等行业的迅速发展，板材零件向薄壁化、复杂化、深型腔和一体成形的方向发展，材料中铝合金、镁合金、高强钢等低塑性或难变形的材料使用占比逐渐增多。深腔薄壁构件由于具有局部尺寸突变大、壁厚较薄等结构特征，不均匀变形剧烈，材料流动困难，容易造成局部过度减薄而破裂，采用常规成形方法成形难度较大，限制了该类零件的广泛应用。
软模成形方法由于具有填充性好、模具加工成本小、表面质量好等优点在复杂薄壁件成形中展现出一定的优势。近年来，磁流变液被作为软模成形介质，应用于板材成形领域，由于其独特的磁流变效应，在磁场的激励下可实现从液态到半固态甚至固态的瞬间可逆转换，可以在成形的各个阶段进行实时调整，从而更好的满足板材成形各个阶段的需要。
发明专利ZL.201810180705.4“一种分区域软模调控板材精密成形装置及方法”提出了一种基于分区域软模调控的板材精密成形装置及方法，通过在板材上下两侧分别设置线圈以及铁芯组件，下侧铁芯位置固定，通过调整上侧铁芯的高度，调控成形区域磁场分布，进而形成分区域的软模性能分布。但是，该装置较为复杂，需要设置两个柱塞缸，上铁芯组件需要通过控制机构来调整间距，结构较为复杂，液压组件的加入使得密封性要求高；在成形过程中，下铁芯固定，需要调整铁芯组的位置来调控分区域磁场，该方法对于浅腔零件能够很好实现磁场的分区域调节。然而，对于深腔薄壁构件，由于零件截面落差大，铁芯组间距离较远，而磁场随铁芯距离增加衰减较为严重，而此时材料出现形变强化现象，变形进一步困难，而磁流变液性能反而减弱，两者不匹配。需要额外调整电流大小来辅助保证成形过程中分区域磁场的一致性，导致磁场调控程序复杂，调控难度加大，影响零件成形精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法及装置，能够解决目前深腔薄壁零件分区域软模成形中分区域磁场调控程序复杂、难度大的问题，缓解成形过程中壁厚过度减薄，提高深腔薄壁构件成形质量。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，包括以下步骤：
S1：根据待成形的深腔薄壁构件的形状和结构，结合不同位置磁流变液的参数，组装上随型成型组件和下随型成型组件，上随型成型组件和下随型成型组件均由若干铁芯件和若干无磁钢件组成，上随型成型组件和下随型成型组件协同将成形区域分成若干个在线圈通电后具有不同磁场强度的区域；
S2：将上随型成型组件固定装配在凹模上，将下随型成型组件固定装配在柱塞上；将柱塞装入介质仓内，调整下随型成型组件与板材之间的距离，将磁流变液注入到介质仓、柱塞和下随型成型组件之间形成的型腔内；将板材放置在介质仓的上表面，板材下表面与磁流变液表面接触，在板材上表面安装凹模，凹模与介质仓外围放置线圈；
S3：通过凹模对板材施加向下的压边力；线圈通入电流，在上随型成型组件和下随型成型组件的作用下，不同区域内的磁流变液形成具备不同传力特性的软模；
S4：柱塞向上运动，同时带动下随型成型组件一起运动，上随型成型组件和下随型成型组件之间的距离减小，铁芯件之间对应区域的磁场强度逐渐增大，无磁钢件之间对应区域的磁场强度不变；磁流变液受压挤压板材使板材变形至与凹模贴合；
S5：达到所需形状后线圈断电，柱塞下行至起始位置，移除凹模，取出加工完成的深腔薄壁件。
优选地，S2中，调整下随型成型组件与板材之间的距离为5～20mm。
优选地，S2中，磁流变液注入到介质仓、柱塞和下随型成型组件之间形成的型腔内，使磁流变液得液面与介质仓的上表面齐平。
优选地，S3中，成形区域内磁场的强度为0～0.6T。
优选地，S4中，柱塞向上运动的速度为0.1～0.5mm/s。
本发明公开的实现上述深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，包括凹模、上随型成型组件、下随型成型组件、介质仓、柱塞和线圈；凹模固定在板材上方，凹模内部设有成型隔板，成型隔板的形状与板材最终形状匹配，成型隔板将凹模内部分隔为上腔和下腔，上随型成型组件固定装配在上腔内，下腔为板材提供变形空间；介质仓固定在板材下方，柱塞放置在介质仓内，柱塞能够在外部动力源的作用下沿竖直方向在介质仓中进行直线运动；下随型成型组件固定在柱塞上表面；上随型成型组件和下随型成型组件均由若干铁芯件和若干无磁钢件组成，上随型成型组件中的铁芯件与下随型成型组件中的铁芯件相对设置，上随型成型组件中的无磁钢件与下随型成型组件中的无磁钢件相对设置；介质仓、柱塞和下随型成型组件之间形成用于灌注磁流变液的型腔；线圈套设在凹模和介质仓外围。
优选地，铁芯件和无磁钢件的边缘均为圆滑曲面。
优选地，柱塞外侧设有密封圈。
优选地，线圈包括在竖直方向上设置的多个独立线圈。
优选地，上随型成型组件和下随型成型组件中相邻铁芯件或无磁钢件之间通过底部的斜面配合，斜面的角度为3°～5°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，根据所需成形构件的几何特征，通过若干铁芯件和无磁钢件组合成与零件构型匹配的上随型成型组件和下随型成型组件，下随型成型组件处于磁流变液中，并随着柱塞向上移动而移动，不需要额外的调节结构，调控结构简单，方式更为高效。同时，上随型成型组件装配在凹模上，随着柱塞移动，上随型成型组件与下随型成型组件之间的距离逐渐减小，分区域磁场强度逐渐增大，同一区域磁场的均匀程度越高。根据深腔薄壁构件不同位置变形特点划分区域磁场，在不同的几何特征处赋予磁流变液最适合的性能，从而给予板材需求的应力状态和摩擦状态，促进材料流动，实现更为精准的调控。另外，随着板材变形，出现形变强化现象，即随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加。本方法中，上随型成型组件和下随型成型组件之间的距离是逐渐增加的，磁流变液的传力特性也逐渐加强，两者之间是匹配的，可以实现材料更好的变形。本发明解决了目前深腔薄壁零件分区域软模成形中分区域磁场调控程序复杂、难度大的问题，缓解成形过程中壁厚过度减薄，提高深腔薄壁构件成形质量，适合规模化、大批量连续生产，具有良好的应用前景。
进一步地，根据成型构件的形状，调整下随型成型组件与板材之间的距离为5～20mm，既能保证成形区域更宽的磁场强度可调范围，同时，随型组件又不会直接与板材接触。
进一步地，磁流变液注入到介质仓、柱塞和下随型成型组件之间形成的型腔内，使磁流变液得液面与介质仓的上表面齐平，避免板材与磁流变液未完全充分接触，从而磁流变液的传力不充分，影响零件的成形质量。
进一步地，成形区域内磁场的强度为0～0.6T，这一磁场强度范围内磁流变液可以实现从液态到半固态直至近似固态的转变，性能有充足的调整空间。而磁场强度达到一定强度后，磁场对磁流变液的性能影响较小。
进一步地，柱塞向上运动的速度为0.1mm/s～0.5mm/s，速度过小，成形时间过长，线圈发热严重；速度过大，成形中磁场调控时间不充分，影响成形过程的精确磁场调控。
本发明公开的实现上述利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，结构简单，设计合理，安装便捷，与常规设备兼容性好，适合大批量生产。
进一步地，铁芯件和无磁钢件的边缘均为圆滑曲面，使磁流变液的流动顺畅，有利于成型。
进一步地，柱塞外侧设有密封圈，提高密封性能，避免磁流变液外流。
进一步地，线圈包括在竖直方向上设置的多个独立线圈，能够分段控制成型区域的磁场，使控制精度更加精细，满足不同零件结构的成型要求。
进一步地，上随型成型组件和下随型成型组件中相邻铁芯件或无磁钢件之间通过底部的斜面配合，斜面的角度为3°～5°，不需要太多的连接件，装配简单。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图示意图；
图2为实施例1的阶梯型深腔薄壁构件成形初始装置主视图；
图3为实施例1的阶梯型深腔薄壁构件成形到一定程度装置主视图；
图4为实施例1的阶梯型深腔薄壁构件成形完成装置主视图；
图5为实施例2的驼峰型深腔薄壁构件成形初始装置主视图；
图6为实施例2的驼峰型深腔薄壁构件成形到一定程度装置主视图；
图7为实施例2的驼峰型深腔薄壁构件成形完成装置主视图。
图中：1为凹模，2为板材，3为磁流变液，4为第一铁芯件，5为第一无磁钢件，6为第二铁芯件，7为第二无磁钢件，8为螺丝钉，9为密封圈，10为介质仓，11为柱塞，12为线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，为实现本发明的一套具体装置，以此为例对本发明的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法进行具体解释，不构成对本发明的限定，本发明的方法能够利用任何能够实现其分步功能的现有装置来实现。
该装置包括凹模1、上随型成型组件、下随型成型组件、介质仓9、柱塞11和线圈12；凹模1固定在板材2上方，凹模1内部设有成型隔板，成型隔板的形状与板材2最终形状匹配，成型隔板将凹模1内部分隔为上腔和下腔，上随型成型组件通过螺丝钉8固定装配在上腔内，下腔为板材2提供变形空间；介质仓10固定在板材2下方，柱塞11放置在介质仓10内，柱塞11能够在外部动力源的作用下沿竖直方向在介质仓10中进行直线运动；下随型成型组件通过螺丝钉8固定在柱塞11上表面；上随型成型组件和下随型成型组件均由若干铁芯件和若干无磁钢件组成，上随型成型组件中的铁芯件与下随型成型组件中的铁芯件相对设置，上随型成型组件中的无磁钢件与下随型成型组件中的无磁钢件相对设置；介质仓10、柱塞11和下随型成型组件之间形成用于灌注磁流变液3的型腔；线圈12套设在凹模1和介质仓10外围。
在本发明的一个较优的实施例中，铁芯件和无磁钢件的边缘均为圆滑曲面。
在本发明的一个较优的实施例中，柱塞11外侧设有密封圈9，密封圈9可以采用O型密封圈，材质为橡胶或高分子材料。
在本发明的一个较优的实施例中，线圈12包括在竖直方向上设置的多个独立线圈，每个独立线圈分别接电流控制器，生成独立的电磁场，使成型区域内部磁场的控制更加精细。
在本发明的一个较优的实施例中，上随型成型组件和下随型成型组件中相邻铁芯件或无磁钢件之间通过底部的斜面配合，斜面的角度为3°～5°。
下面以2个不同形状板材构件的加工过程来对本发明进行进一步的解释说明：
实施例1
如图2、3和4，本实施例中需要加工一种阶梯型深腔薄壁复杂零件，该零件存在多个小半径的圆角，圆角位置由于变形程度大、受力较大，易发生壁厚减薄甚至破裂，是该零件成形过程的中的难成形结构。针对该零件的几何形状，在圆角区域使用较小的磁场强度，使得这部分的材料受力小，板/液摩擦系数小便于材料流动；根据已有的研究表明，随着磁场强度的增大板材的成形极限会先增大后减小，在平行区域选择较大的磁场强度，控制磁场强度以提高成形极限。如上所述，在平行区域使用铁芯组件，增强平行区域的磁场强度；在圆角区域使用无磁钢，减小圆角区域的磁场强度。
具体加工步骤为：
步骤一，根据零件形状，设计第一铁芯件4、第二铁芯件6、第一无磁钢件5和第二无磁钢件7的位置以及形状，改变磁场分布情况；
步骤二，将加工好的第一铁芯件4、第二铁芯件6、第一无磁钢件5和第二无磁钢件7按照设计好的方案组合成上随型成型组件和下随型成型组件，并分别装配在凹模1和柱塞11上；
步骤三，柱塞11装入介质仓10内，调整下随型成型组件最高点到板材2下表面的距离l，将磁流变液3注入介质仓10、柱塞11和下随型成型组件所形成的型腔内使得液面与介质仓10上表面齐平；
步骤四，板材2放置在介质仓10上表面，板材2下表面与磁流变液3液面接触；在板材2上表面放置凹模1，凹模1与介质仓10外围放置线圈12；
步骤五，凹模1向下对板材2进行压边操作，线圈12通入电流，由于上随型成型组件和下随型成型组件的影响，均匀磁场变为非均匀磁场，磁场强度变为B1、B2、B3、B4，其中B1≥B3＞B2＞B4，对应区域磁流变液性能发生改变，满足不同几何特征所需要的软模性能要求；
步骤六，柱塞11上行挤压磁流变液3，板材2开始变形并贴模；
步骤七，待构件成形完毕后，线圈12断电，柱塞11下行到起始位置，打开凹模1，取出深腔薄壁构件。
实施例2
如图5、6和7，本实施例中需要加工一种驼峰型深腔薄壁复杂零件，该零件存在两个小半径的圆角和一个大半径圆角。针对该零件的几何形状，在圆角区域使用较小的磁场强度，使得这部分的材料受力小，板/液摩擦系数小便于材料流动；在驼峰区域选择较大的磁场强度，控制磁场强度以提高成形极限。如上所述，在驼峰区域使用铁芯组件，增强平行区域的磁场强度；在圆角区域使用无磁钢，减弱圆角区域的磁场强度。
具体加工步骤为：
步骤一，根据零件形状，设计第一铁芯件4、第一无磁钢件5和第二无磁钢件7的位置以及形状，改变磁场分布情况；
步骤二，将加工好的第一铁芯件4、第一无磁钢件5和第二无磁钢件7按照设计好的方案组合成上随型成型组件和下随型成型组件，并分别装配在凹模1和柱塞11上；
步骤三，柱塞11装入介质仓10内，调整下随型成型组件最高点到板材2下表面的距离l，将磁流变液3注入介质仓10、柱塞11和下随型成型组件所形成的型腔内使得液面与介质仓10上表面齐平；
步骤四，板材2放置在介质仓10上表面，板材2下表面与磁流变液3液面接触；在板材2上表面放置凹模1，凹模1与介质仓10外围放置线圈12，磁流变液3工作区域位于均匀磁场范围内。
步骤五，凹模1向下对板材2进行压边操作，线圈12通入电流，由于随型铁芯影响，均匀磁场变为非均匀磁场，磁场强度变为B1、B2、B3，其中B2大于B1、B3，对应区域磁流变液性能发生改变，满足不同几何特征所需要的软模性能要求；
步骤六，柱塞11上行挤压磁流变液3，板材2开始变形并贴模；
步骤七，待构件成形完毕后，线圈12断电，柱塞11下行到起始位置，打开凹模1，取出深腔薄壁构件。
需要注意的是，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据待成形的深腔薄壁构件的形状和结构，结合不同位置磁流变液的参数，组装上随型成型组件和下随型成型组件，上随型成型组件和下随型成型组件均由若干铁芯件和若干无磁钢件组成，上随型成型组件和下随型成型组件协同将成形区域分成若干个在线圈(12)通电后具有不同磁场强度的区域；
S2：将上随型成型组件固定装配在凹模(1)上，将下随型成型组件固定装配在柱塞(11)上；将柱塞(11)装入介质仓(10)内，调整下随型成型组件与板材(2)之间的距离，将磁流变液(3)注入到介质仓(10)、柱塞(11)和下随型成型组件之间形成的型腔内；将板材(2)放置在介质仓(10)的上表面，板材(2)下表面与磁流变液(3)表面接触，在板材(2)上表面安装凹模(1)，凹模(1)与介质仓(10)外围放置线圈(12)；
S3：通过凹模(1)对板材(2)施加向下的压边力；线圈(12)通入电流，在上随型成型组件和下随型成型组件的作用下，不同区域内的磁流变液(3)形成具备不同传力特性的软模；
S4：柱塞(11)向上运动，同时带动下随型成型组件一起运动，上随型成型组件和下随型成型组件之间的距离减小，铁芯件之间对应区域的磁场强度逐渐增大，无磁钢件之间对应区域的磁场强度不变；磁流变液(3)受压挤压板材(2)使板材(2)变形至与凹模(1)贴合；
S5：达到所需形状后线圈(12)断电，柱塞(11)下行至起始位置，移除凹模(1)，取出加工完成的深腔薄壁件。
2.根据权利要求1所述的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，其特征在于，S2中，调整下随型成型组件与板材(2)之间的距离为5～20mm。
3.根据权利要求1所述的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，其特征在于，S2中，磁流变液(3)注入到介质仓(10)、柱塞(11)和下随型成型组件之间形成的型腔内，使磁流变液(3)得液面与介质仓(10)的上表面齐平。
4.根据权利要求1所述的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，其特征在于，S3中，成形区域内磁场的强度为0～0.6T。
5.根据权利要求1所述的深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法，其特征在于，S4中，柱塞(11)向上运动的速度为0.1～0.5mm/s。
6.一种实现权利要求1～5任意一项所述深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，其特征在于，包括凹模(1)、上随型成型组件、下随型成型组件、介质仓(10)、柱塞(11)和线圈(12)；凹模(1)固定在板材(2)上方，凹模(1)内部设有成型隔板，成型隔板的形状与板材(2)最终形状匹配，成型隔板将凹模(1)内部分隔为上腔和下腔，上随型成型组件固定装配在上腔内，下腔为板材(2)提供变形空间；介质仓(10)固定在板材(2)下方，柱塞(11)放置在介质仓(10)内，柱塞(11)能够在外部动力源的作用下沿竖直方向在介质仓(10)中进行直线运动；下随型成型组件固定在柱塞(11)上表面；上随型成型组件和下随型成型组件均由若干铁芯件和若干无磁钢件组成，上随型成型组件中的铁芯件与下随型成型组件中的铁芯件相对设置，上随型成型组件中的无磁钢件与下随型成型组件中的无磁钢件相对设置；介质仓(10)、柱塞(11)和下随型成型组件之间形成用于灌注磁流变液(3)的型腔；线圈(12)套设在凹模(1)和介质仓(10)外围。
7.根据权利要求6所述的实现深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，其特征在于，铁芯件和无磁钢件的边缘均为圆滑曲面。
8.根据权利要求6所述的实现深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，其特征在于，柱塞(11)外侧设有密封圈(9)。
9.根据权利要求6所述的实现深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，其特征在于，线圈(12)包括在竖直方向上设置的多个独立线圈。
10.根据权利要求6所述的实现深腔薄壁构件磁流变液软模成形方法的装置，其特征在于，上随型成型组件和下随型成型组件中相邻铁芯件或无磁钢件之间通过底部的斜面配合，斜面的角度为3°～5°。
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CN115532929A (zh) * 2022-11-25 2022-12-30 哈尔滨工业大学 一种包覆磁流变弹性体层的刚性模及板材零件成形方法
CN115532929B (zh) * 2022-11-25 2023-03-10 哈尔滨工业大学 一种包覆磁流变弹性体层的刚性模及板材零件成形方法

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