CN115582450A - 一种板材成形柔性压边结构及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械工程领域，公开了一种板材成形柔性压边结构及调控方法，涉及的一种板材柔性压边结构，柔性压边机构主要是由半固态金属介质、介质活动腔、温度快速冷－热温度调节系统以及压力反馈机构组成。在板材成形过程中，半固态金属介质作为压边材料与板材接触并提供压边力，半固态金属介质受到板材挤压时，将作用压力传递至活动腔内的压力反馈机构，测得压力值与起皱临界值比较，根据半固态金属介质热力学本构关系确定介质活动腔的加热温度，对固态介质流动行为进行调整，改变板材压边力大小，实现柔性压边的效果，从而提高板材型面精度和成形质量。
Description
技术领域
本发明属于机械工程领域，尤其涉及一种板材成形柔性压边结构及调控方法。
背景技术
目前，板材成形技术广泛用于航空航天、汽车及轨道交通等工程领域，板材成形曲面精度与成形质量在产品的服役时对能源消耗、噪音等因素具有重要影响。传统的板材冲压成形工艺采用刚性压边圈结构，当板材存在较大塑性变形量时，压边圈接触的板料与塑性变形区板料在形状上的差异逐渐增大，使材料流经成形过渡区的夹角减小，从而增加板料流动阻力，使成形件壁厚分布不均匀，降低产品质量。
针对上述情况，在板材成形过程中，为减小材料流动阻力，有效提高材料流动性，可从减小板材压边区板料形状与塑性变形区板料形状曲率，提高形状相似度的这一方面提出有效的解决思路。半固态金属介质是一种熔点较低的合金(一般是指低于300℃)，其物理特性可随温度变化而进行改变，利用这一特性可实现板材压边力的自适应调节。由于半固态金属介质具有良好的流动性及温度与流变性能的对应关系，在成形过程中半固态金属介质随着塑性区板料形状改变而产生相应的变形，使压边区板料产生一定弯曲变形，从而减小板材过渡区两侧的形状曲率，并结合对板材变形的临界起皱应力的理论分析，可根据实时测得的压边力值与临界起皱应力的比较结果做出压边力大小调节判断，进而对板材施加适合的压边力大小。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
传统的板材冲压成形工艺板材在成形过程中，压边区板料形状与塑性变形区板料形状出现差异过大，以及板材成形所需压边力与施加压边力载荷不匹配的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种板材成形柔性压边结构及调控方法。
本发明是这样实现的，一种板材成形柔性压边结构，包括：
端盖、快速冷－热温度调节系统、压力反馈机构、介质活动腔及半固态金属介质。
端盖，用于防止挤出腔内的半固态金属介质溢流到腔体外部，同时为挤出腔提供一定背压，半固态金属介质可采用Sn-Bi低熔点合金；
所述快速冷－热温度调节系统，所述快速冷－热温度调节系统包括冷却管路、加热丝、保温层、温度传感器，用于对所述半固态金属介质进行加热和降温，快速冷－热温度调节系统对半固态金属介质物理性质的改变起到至关重要的作用，通过升温和降温的方式控制柔性压边结构对板材施加压边载荷，节省了复杂的机械结构，且简化了控制系统，提高了柔性压边结构的应用范围。
冷却管路与加热丝交替排布固定在介质活动腔筒壁外侧，保温层包裹在冷却管路和加热丝，保温层起到减少介质活动腔内部热量向外部环境的热量辐射；
所述压力反馈机构固定在背压腔与溢流孔交界凸缘的底部，半固态金属介质汇入到溢流孔处，使压力反馈机构产生挤压力值。
压力反馈机构作为压边载荷调节中载荷信息的接收系统，是快速冷－热温度调节系统控制半固态金属介质温度的依据，为成形提供压边载荷施加处载荷作用的实时信息，压力反馈机构具有结构简单、准确性高和成本低廉的优势。
所述介质活动腔具有挤出腔、溢流孔及背压腔等流道结构，半固态金属介质从背压腔流动经过溢流孔，流向挤出腔，溢流孔的直径尺寸小于挤出腔和背压腔的直径尺寸，半固态金属介质流经溢流孔时阻力会增加，使背压腔的腔内压力增加，为板材压边载荷提供充足的背压。介质活动腔结构简单，三段腔室的设计方案有利于半固态金属介质温度场与物理特性的控制，加工方便，便于安装与更换，根据板材尺寸大小，可增加或减少介质活动腔的数量，不仅适用于简单轮廓的板材成形压边，还可以用于复杂轮廓的板材成形压边，具有较好通用性；
所述介质活动腔体内填充半固态金属介质，作为压边力载荷的传递介质，半固态金属介质自身具有温度敏感性，因此省去复杂的控制系统和机械结构，通过温度可实现对板材压边载荷的控制。
进一步，所述加热丝与冷却管路单排或双排的螺旋交替盘绕在所述介质活动腔体的外壁，将热量通过所述介质活动腔体传递给所述半固态金属介质，并调节活动腔内的所述半固态金属介质的温度场。
进一步，所述快速冷－热温度调节系统对所述半固态金属介质进行加热，所述半固态金属介质实时所需加热温度是由柔性压边结构中压力反馈机构测得的压边力值，再经过半固态材料的热－力本构关系计算求得快速冷－热温度调节系统的温度，所述半固态金属的热－力本构关系为
其中
应变速率，Q变形激活能，R理想气体常数，T温度，σ应力，n硬化指数。
本发明的另一目的在于提供一种板材成形柔性压边结构的调控方法，所述板材成形柔性压边结构的调控方法包括：
所述压边力反馈机构测得的压边力载荷，结合半固态金属介质的热力本构模型与临界压边力的理论计算方法，
PLMA临界压边力；RD最大压边范围；r最小压边范围；t板材厚度；μ摩擦系数；σr径向应力；σθ周向应力。将所需温度值发送指令给快速冷－热温度调节系统，调节板材柔性压边结构的温度，控制半固态金属介质的流变状态，从而控制板材压边力。压力反馈机构作为压边载荷调节中载荷信息的接收系统，是快速冷－热温度调节系统控制半固态金属介质温度的依据，为板材成形提供压边载荷施加位置的作用载荷大小的实时信息，压力反馈机构具有结构简单，易安装、成本低廉的优势。
进一步，所述板材柔性压边结构的调节过程具体包括：
步骤一：上、下压边结构将板材固定，根据板材大小及厚度，所述冷却管路和所述加热丝保持工作状态，将上、下压边结构的所有柔性压边结构调整成具有相同温度T0，上、下柔性压边机构通过压力装置提供载荷予板材施加一定的压边力；
步骤二：开始成形时，柔性压边结构内部根据内置的压力反馈机构，将各处的压边力值大小传递应力调节分析系统中，分析系统会根据反馈压力，并结合半固态金属介质的热－力学本构关系计算出柔性压边结构所需温度，通过快速冷－热温度调节系统控制温度场；
步骤三：压边力反馈的计算过程。根据成形板材的物理性能、尺寸、压边范围及板材变形程度计算出临界起皱应力，将压力反馈机构测得的压边力载荷大小与计算得出的临界起皱应力进行比较并做出判断，压边力载荷大小的判断结果会传递至温度快速冷－热温度调节系统中，温度控制根据判断结果对板柔性压边结构的活动腔进行温度调节；
步骤四：利用温度场调整压边载荷的过程。根据板材变形量的大小，半固态金属介质会产生相应的流动变形，若半固态金属介质的流动量增加，板材受到的压边力会降低，因此可根据压力反馈机构的压力反馈值调整板材的压边载荷以保证与板材接触并提供相应的压边载荷，若有位置出现板材变形量过大，则增加所述位置的压边载荷，以防止该位置发生起皱或塑性失稳等现象；若有位置出现板材变形量较小，则减小所述位置的压边载荷，以增强所述位置材料的流动性。
上述步骤详细地阐明了柔性压边结构的调节过程与工作原理，清楚地说明了柔性压边结构各部分的作用与特点。对上述柔性压边结构调节过程的详细描述，体现了本发明柔性压边结构对压边载荷控制过程中，具有机械结构简单，适用范围广，对提高板材成形质量具有显著效果，对不同尺寸板材以及在成形过程中因板材壁厚变化所导致的压边载荷变化提供了有效的解决思路。
进一步，所述反馈压力计算方法是采用薄膜弯曲的能量计算公式，结合板材弯曲变形塑性理论解析计算方法计算板材的临界起皱应力，所述能量计算公式为：
ΔTP＝ΔUb+ΔUbh
其中，ΔTP表示薄膜力所作的功；ΔUb表示弯曲应变能；ΔUbh表示压边力所作的功。基于上述公式可计算求得板材的临界起皱应力。
进一步，所述降低所述位置材料的压边载荷的具体过程为：
提高介质活动腔温度，所述加热丝温度通过间歇加热保持恒定值T0，通过将实际压边力反馈值与半固态金属介质理论模型计算得到的临界起皱应力值进行比较，结合半固态金属介质的热－力学本构关系反演得出温度值，所述冷却管路基于上述反演得出的温度值降低冷却管路内冷却液的流速至V1，使活动腔内的半固态金属介质保持恒定温度T1，且T1＞T0，从而使半固态金属介质流动性增加，降低板材受到的压边载荷。
进一步，所述增加所述位置的压边载荷的具体过程为：
降低介质活动腔温度，所述加热丝温度通过间歇加热保持恒定值T0，通过将实际压边力反馈值与半固态金属介质理论模型计算得到的临界起皱应力值进行比较，结合半固态金属介质的热－力学本构关系反演得出温度值，所述冷却管路基于上述反演得出的温度值提高冷却管路内冷却液的流速至V2，使活动腔内的半固态金属介质保持恒定温度T2，且T2＜T0，从而使半固态金属介质流动性降低，增加板材受到的压边载荷。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明提供一种了半固态金属介质板材柔性压边机构，板材的柔性压边结构由介质活动腔体、压边力载荷调节系统构成，所述的介质活动腔体内填充半固态金属，将其作为压边力载荷的传递介质，溢流孔的直径尺寸小于挤出腔和背压腔的直径尺寸，由于半固态金属介质流经溢流孔时阻力会增加，使背压腔的腔内压力增加，为成形板材提供稳定的压边载荷。介质活动腔的结构设计简单，三段腔室的设计方案有利于半固态金属介质温度场与物理特性的控制，加工方便，便于安装与更换，根据板材尺寸大小，可增加或减少介质活动腔的数量，不仅适用于简单轮廓的板材成形压边，还可以用于复杂轮廓的板材成形压边，具有较好通用性。所述的压边力载荷调节系统由压边力反馈机构及温度快速冷－热温度调节系统构成，由压边力反馈机构测得的压边力载荷，结合半固态金属介质的热力本构模型与临界压边力的理论计算方法，将所需调整温度值指派给快速冷－热温度调节系统，调节板材柔性压边结构的温度，控制半固态金属的流变状态，从而满足板材成形所需压边力大小的要求。压力反馈机构作为压边载荷调节中载荷信息的接收系统，是快速冷－热温度调节系统控制半固态金属介质温度的依据，为成形提供压边载荷施加处载荷作用的实时信息，压力反馈机构具有结构简单、准确性高和成本低廉的优势。快速冷－热温度调节系统对半固态金属介质物理性质的改变起到至关重要的作用，通过升温和降温的方式控制柔性压边结构对板材施加压边载荷，采用这种压力调节方式节省了复杂的机械结构，且简化了控制系统，提高了柔性压边结构的应用范围。
本发明将半固态金属介质作为压边力载荷的传递介质使用，温度可作为压边力分布调控与大小控制的有效手段。在板材成形过程中，半固态金属介质与板材表面保持接触，将板材弯曲变形时产生反作用力经由半固态金属介质传递至活动腔内的压力传统装置。根据成形板材的物理性能、尺寸、压边范围及板材变形程度计算出临界起皱应力，将压力反馈机构测得的压边力载荷大小与计算得出的临界起皱应力进行比较并做出判断，压边力载荷大小的判断结果会传递至温度快速冷－热温度调节系统中，温度控制根据判断结果对板柔性压边结构的活动腔进行温度调节，其目的在于，利用上述的温度对半固态金属介质的压力传递具有调控的作用，通过控制半固态金属介质的温度，达到控制板材表面压边力载荷的目的。
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：随着材料科学技术的发展，使更多的高强度、高比模等材料广泛应用在航空航天、汽车工业和精密仪器等领域。但这些高强度材料在利用传统工艺成形时，经常会出现开裂、成形性差等问题，而板材的成形质量作为提高产品性能，满足严苛的工作环境需求的重要保障。因此，许多研究人员展开对板材成形新工艺的研究。例如，哈尔滨工业大学刘伟(2017)提出利用带曲面形状的压边结构可显著提高板材的成形极限，使板材壁厚分布更加均匀，但采用的压边装置为刚性结构，随着板材塑性变形量增加时，压边装置的曲率无法调整，使得压边装置作用的板料难以流向塑性变形区，从而降低板材成形极限。吉林大学林坚磊(2019)提出基于多点模具的柔性压边结构，将整体刚性压边结构离散成形为若干个压边结构，在板材成形过程中该柔性压边结构可随压边区板材弯曲变形而进行曲率调整。但压边结构的压边力需要在板材成形前设定，在板材变形过程中，压边力大小无法改变，随着板材弯曲变形，板材的壁厚也会随之产生变化，导致变形后的板材压边力分布不均匀，无法满足板材成形对压边力的需求。
本发明的技术方案不仅解决了上述板材压边结构的缺陷，同时也填补了国内外业内技术。采用半固态金属介质作为板材压边的压边结构，在板材成形过程中，不仅可以随板材弯曲变形而产生相应曲率，同时也可以根据不同板材弯曲壁厚变化，调整对板材施加的压边载荷，满足板材对压边力的需求，从而提高板材流动性和成形质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性压边结构的装配图，成形前将待成形板料放入柔性压边结构中间；
图2是本发明实施例提供的单独的柔性压边结构的结构图，半固态金属介质受到板材的挤压作用时，经过溢流孔流入挤出腔内，此时加热丝和冷却管路保持工作状态；
图3是本发明实施例提供的单独的柔性压边结构，所表示的工作状态为提高半固态金属介质温度的工作状态，通过降低冷却管路内冷却液的流速，使加热温度升高；
图4是本发明实施例提供的单独的柔性压边结构，所表示的工作状态为降低半固态金属介质温度的工作状态，通过提高冷却管路内冷却液的流速，使加热温度降低；
图5是本发明实施例提供的柔性压边结构工作过程中的等轴视图，在图中，柔性压边结构随板材压边区弯曲变形产生流动变形；
图6是柔性压边结构的主视图和半固态金属介质局部剖视图，在图中，为防止板材起皱柔性压边结构中的半固态金属介质随板材弯曲变形而产生相应流动来改善板材压边力载荷；
图7是本发明实施例提供的柔性板材在成形过程中的等轴视图，板材在变形过程中变形区与压边区的曲率变化。
图8是本发明实施例提供的半固态金属介质的加热拉伸试验图。
图9是本发明实施例提供的半固态介质的热力学性能图。
图中：1、柔性压边单元机构；2、柔性压边单元机构的固定架；3、板材坯料；4、变形的板材；11、端盖；12、冷却管路；13、加热丝；14、保温层；15、温度传感器；16、压力反馈机构；17、介质活动腔；18、半固态金属介质。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
本实施例提供一种板材成形的柔性压边方法，通过柔性压边机构实现，所述的板材柔性压边机构主要通过半固态金属介质18对温度的敏感性来控制板材表面3施加压边载荷。
所述压力反馈机构固定在背压腔与溢流孔交界凸缘的底部，半固态金属汇入到溢流孔处，使压力反馈机构产生挤压力值；所述介质活动腔具有挤出腔、溢流孔及背压腔等流道结构，半固态金属介质从背压腔流动经过溢流孔，流向挤出腔，介质活动腔体，所述介质活动腔体内填充半固态金属介质，作为压边力载荷的传递介质。
板材柔性压边机构1由端盖11、快速冷－热温度调节系统(包括冷却管路12、加热丝13、保温层14和温度传感器15)、压力反馈机构16及介质活动腔体17所构成；
所述端盖11，用于防止挤出腔内的半固态金属介质18溢流到腔体外部，同时为挤出腔提供一定背压；
所述快速冷－热温度调节系统由冷却管路12、加热丝13、保温层14和温度传感器15构成，冷却管路12与加热丝13单排或双排的螺旋交替盘绕在介质活动腔的外壁，将热量通过介质活动腔17传递给半固态金属介质18，并调节活动腔17内的半固态金属介质18的温度场。保温层14包裹在冷却管路和加热丝，保温层起到减少介质活动腔内部热量向外部环境的热量辐射，而介质活动腔体17内部位通过温度传感器15反馈实际温度测量值。
由于半固态金属介质18的物理特性及流变力学特性随着温度变化而显著变化，同时，半固态金属介质18的压力传递效率与其流动行为紧密相关，半固态金属介质的流动性提高时，其压力传递效率降低，当相同载荷作用在半固态金属介质18表面时，经过介质18内部传递出的载荷会减小。反之，半固态金属介质18的流动性降低时，其压力传递效率提高，当相同载荷作用在半固态金属介质表面时，经过介质18内部传递出的载荷会增大。因此，将半固态金属介质18作为压边力载荷的传递介质使用，温度可作为压边力分布调控与大小控制的有效手段。其目的在于，利用上述的温度对半固态金属介质18的压力传递具有调控的作用，通过控制半固态金属介质18的温度，达到控制板材表面压边力载荷的目的。
所述加热丝13对活动腔17内的半固态金属介质18进行加热，半固态金属介质18实时所需加热温度是由柔性压边结构中压力反馈机构测得的压边力值，结合半固态金属介质18对板材压边施加载荷的解析计算结果，并利用半固态材料的热－力本构关系计算求得快速冷－热温度调节系统需要调节的温度。
其中，介质活动腔体17内填充半固态金属介质18，将其作为压边力载荷的传递介质，半固态金属介质18受到板材的挤压时，在介质活动腔17内向载荷作用的反作用力方向流动，在半固态金属介质18流动时，先流过压力反馈机构16，再通过介质活动腔17内的溢流孔，直至挤出腔被充满，压边力载荷调节系统由压边力反馈机构16及温度快速冷－热温度调节系统构成，由压边力反馈机构16测得的压边力载荷，结合半固态金属介质18的热力本构模型与临界压边力的理论计算方法，将所需调整温度值指派给快速冷－热温度调节系统，调节板材柔性压边结构单元1的温度，控制半固态金属18的流变状态，从而满足板材成形所需压边力大小的要求，如图2-4所示。
图3内容表示为冷却水路12内的冷却液流速降低至V1，其目的在于升高介质活动腔内的半固态金属介质的温度，增强其流动性，从而降低柔性压边结构对板材施加压边载荷。半固态金属介质18受到板材压边载荷的反作用力时，压力反馈机构16会将压边载荷反作用力大小信息与当前压边板材位置的理论临界起皱压力进行比较，比较结果为柔性压边结构对板材施加的压边载荷大于临界起压力，于是降低冷却水路12内的冷却液流速(如图3所示)，加热丝13加热状态保持不变，因此，介质活动腔17内的半固态金属介质18的温度升高，从而改柔性压边结构对板材压边载荷。
基于本发明实施条例的板材成形柔性压边结构，在成形过程中，板材压边结构压边力载荷的调控方法如下：
步骤一：板材成形前的预压边力设置。上、下压边结构将板材固定，根据板材3大小及厚度，通过冷却管路12和加热丝13保持工作状态，其中冷却管路12中的冷却液的流速为V0，将柔性压边结构调整成具有相同温度T0，使介质活动腔17内的半固态金属介质18保持一定温度。上、下柔性压边机构通过压力装置提供载荷予板材施加一定的压边力，如图1所示；
步骤二：开始成形时，半固态金属介质18与板材表面3保持接触，将板材弯曲变形时产生反作用力经由半固态金属介质18传递至活动腔17内的压力反馈机构。柔性压边结构内部根据内置的压力传反馈机构，将各处的压边力值大小传递应力调节分析系统中，分析系统会根据反馈压力计算出柔性压边结构所需温度，通过快速冷－热温度调节系统控制温度场；
步骤三：压边力反馈的计算过程。板材在成形过程中，压边区板料的形状曲率会随着板材变形区的变形量的增加而增大，依靠柔性压边结构中的半固态金属介质流动，增加压边区板料的形状曲率，从而提高成形板料的流动性。根据成形板材的物理性能、尺寸、压边范围及板材变形程度计算出临界起皱应力，将压力反馈机构测得的压边力载荷大小与计算得出的临界起皱应力进行比较并做出判断，压边力载荷大小的判断结果会传递至温度快速冷－热温度调节系统中，温度控制根据判断结果对板柔性压边结构的活动腔17进行温度调节，如图3和4所示；
步骤四：温度场调整压力过程。在板材成形过程中，根据板材变形量的大小，半固态金属介质18会产生相应的流动变形，通过压力反馈机构16的压力反馈值调整板材的压边载荷以保证与板材接触并提供相应的压边载荷；若有位置出现板材变形量过大，则增加对应位置的压边载荷，以防止该位置发生起皱或塑性失稳等现象；若有位置出现板材变形量较小，则减小对应位置的压边载荷，以增强所述位置材料的流动性，如图5和6所示。
进一步，所述压边力载荷调节系统中反馈压力计算方法采用薄膜弯曲的能量计算公式，结合板材弯曲变形塑性理论解析方法计算板材的临界起皱应力，所述能量计算公式为ΔTP＝ΔUb+ΔUbh，ΔTP表示薄膜力所做的功，ΔUb表示弯曲应变能，ΔUbh表示压边力所做的功。基于上述公式可计算求得板材的临界起皱应力示。
进一步，所述降低对应位置的压边载荷的具体过程为：
需升高活动腔17内半固态金属介质18的温度，此时，加热丝13温度通过间歇加热保持恒定值T1，而冷却管路12根据反馈温度值降低冷却管路内冷却液的流速V1，且V1＜V0，使活动腔17内的半固态金属介质18保持恒定温度T1，且T1＞T0，从而使半固态金属介质流动性增加，降低板材受到的压边力，如图3所示。
进一步，所述增加对应位置的压边载荷的具体过程为：
需降低活动腔17内半固态金属介质18的温度，此时，加热丝13温度通过间歇加热保持恒定值T1，而冷却管路12根据反馈温度值提高冷却管路内冷却液的流速V2，且V2＞V0，使活动腔17内的半固态金属介质18保持恒定温度T2，且T2＜T0，从而使半固态金属介质流动性降低，增加板材受到的压边力，如图4所示。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明提供一种板材柔性压边结构及压边力控制方法，本发明的技术方案的创造性和技术价值在于利用半固态金属介质的温度场与压边力载荷的内在本构关系，改变其流动强度，进而控制板材压边载荷。采用的半固态金属介质的热力本构关系为
其中
应变速率，Q变形激活能，R理想气体常数，T温度，σ应力，n硬化指数。从上述公式中可知半固态金属材料的应变速率是加热温度和应力的函数，因此，利用半固态金属介质应变速率随温度和应力变化的特性，使半固态金属介质在不同加热温度条件下可控制其流动特性。在发明专利号为“2018113040388”中提供一种使用低熔点合金的薄板无余量防皱成形方法，该方法是利用低熔点合金介质作为板材成形压力传递介质，根据低熔点合金的热敏感性，通过温度控制低熔点合金的流变强度，进而控制压力传递效率。因此，表明通过外载条件(如温度)控制半固态金属介质对成形板材施加的压边载荷是可行的。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
在前期的半固态金属介质热力学性能研究中，通过加热拉伸试验，获取了半固态金属介质的热力学性能，如图8所示。拉伸试验结果表明半固态金属介质的延伸性和流变强度随温度变化，半固态金属介质温度增加时，其延伸性增加，流变强度随之降低。这也就是说明了，温度升高能够增加半固态金属介质的流动性，根据能量守恒原则，半固态金属介质的流变能增加，其压力载荷传递效率就会下降，因此，降低半固态金属介质对板材施加压边载荷。
图9为半固态金属介质在加热状态下其延伸率和物理强度对温度变化曲线，从图中能够观察到，半固态金属介质的物理强度随温度的升高而降低，当在相同载荷加载条件下，温度越低，半固态金属介质的流动变形越大，使得其压力传递效率降低，即温度越低，半固态金属介质作用在板材上的压边载荷越小。因此，这表明半固态金属介质具备利用温度改变其对板材压边载荷控制的作用。
此外，利用数值模拟方法研究了半固态金属介质加热温度对板材壁厚分布的影响，当半固态金属介质温度升高时，板材壁厚分布均匀，减薄量减小；当半固态金属介质温度降低时，板材减薄量较大，甚至会出现破裂的情况。上述研究结果表明了通过适当调节半固态金属介质的加热温度，使半固态金属介质对板材施加适合的压边力载荷，从而有利于板材成形性和成形质量的提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种板材成形柔性压边结构，其特征在于，所述板材成形柔性压边结构包括：
端盖，用于防止挤出腔内的半固态金属介质溢流到腔体外部，同时为挤出腔提供一定背压；
快速冷－热温度调节系统，包括冷却管路、加热丝、保温层、温度传感器，用于对所述半固态金属介质进行加热；冷却管路与加热丝交替排布固定在介质活动腔筒壁外侧，保温层包裹在冷却管路和加热丝，保温层起到减少介质活动腔内部热量向外部环境的热量辐射；
压力反馈机构固定在背压腔与溢流孔交界凸缘的底部，半固态金属汇入到溢流孔处，使压力反馈机构产生挤压力值；
介质活动腔，具有挤出腔、溢流孔及背压腔，半固态金属介质从背压腔流动经过溢流孔，流向挤出腔；介质活动腔体内填充半固态金属介质，作为压边力载荷的传递介质。
2.如权利要求1所述板材成形柔性压边结构，其特征在于，所述加热丝与冷却管路单排或双排的螺旋交替盘绕在所述介质活动腔体的外壁，将热量通过所述介质活动腔体传递给所述半固态金属介质，并调节活动腔内的所述半固态金属介质的温度场。
3.如权利要求1所述板材成形柔性压边结构，其特征在于，快速冷－热温度调节系统装置对所述半固态金属介质进行加热，所述半固态金属介质实时所需加热温度是由柔性压边结构中压力反馈机构测得的压边力值，再经过半固态材料的热－力本构关系计算求得快速冷－热温度调节系统的温度，
所述半固态金属的热－力本构关系为
其中
应变速率，Q变形激活能，R理想气体常数，T温度，σ应力，n硬化指数。
4.一种实施如权利要求1-3任意一项所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，所述板材成形柔性压边结构的调控方法包括：
所述压边力反馈机构测得的压边力载荷，结合半固态金属介质的热力本构模型与临界压边力的理论计算方法，
PLMA临界压边力；RD最大压边范围；r最小压边范围；t板材厚度；μ摩擦系数；σr径向应力；σθ周向应力。将所需温度值发送指令给快速冷－热温度调节系统，调节板材柔性压边结构的温度，控制半固态金属的流变状态，从而控制板材压边力。
5.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，所述板材柔性压边结构的调节过程具体包括：
步骤一：上、下压边结构将板材固定，根据板材大小及厚度，所述冷却管路和所述加热丝保持工作状态，将上、下压边结构的所有柔性压边结构调整成具有相同温度T0，上、下柔性压边机构通过压力装置提供载荷予板材施加一定的压边力；
步骤二：开始成形时，柔性压边结构内部根据内置的压力反馈机构，将各处的压边力值大小传递应力调节分析系统中，分析系统会根据反馈压力计算出柔性压边结构所需温度，通过快速冷－热温度调节系统控制温度场；
步骤三：压边力反馈的计算过程；
步骤四：利用温度场调整压边载荷的过程。
6.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，所述反馈压力计算方法采用薄膜弯曲的能量计算公式，结合板材弯曲变形塑性理论解析计算方法计算板材的临界起皱应力，所述能量计算公式为：
ΔTP＝ΔUb+ΔUbh
其中，ΔTP表示薄膜力所做的功；ΔUb表示弯曲应变能；ΔUbh表示压边力所做的功，基于上述公式可计算求得板材的临界起皱应力。
7.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，所述降低所述位置材料的压边载荷的具体过程为：
提高介质活动腔温度，所述加热丝温度通过间歇加热保持恒定值T0，通过将实际压边力反馈值与半固态金属介质理论模型计算得到的临界起皱应力值进行比较，结合半固态金属介质的热－力学本构关系反演得出温度值，所述冷却管路基于上述反演得出的温度值将冷却管路内冷却液的流速降低至V1，使活动腔内的半固态金属介质保持恒定温度T1，且T1＞T0，从而使半固态金属介质流动性增加，降低板材受到的压边载荷。
8.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，所述增加所述位置的压边载荷的具体过程为：
降低介质活动腔温度，所述加热丝温度通过间歇加热保持恒定值T0，通过将实际压边力反馈值与半固态金属介质理论模型计算得到的临界起皱应力值进行比较，结合半固态金属介质的热－力学本构关系反演得出温度值，所述冷却管路基于上述反演得出的温度值将冷却管路内冷却液的流速提高至V2，使活动腔内的半固态金属介质保持恒定温度T2，且T2＜T0，从而使半固态金属介质流动性降低，增加板材受到的压边载荷。
压边结构所需温度，通过快速冷－热温度调节系统控制温度场；
9.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，步骤三中，根据成形板材的物理性能、尺寸、压边范围及板材变形程度计算出临界起皱应力，将压力反馈机构测得的压边力载荷大小与计算得出的临界起皱应力进行比较并做出判断，压边力载荷大小的判断结果会传递至温度快速冷－热温度调节系统中，温度控制根据判断结果对板柔性压边结构的活动腔进行温度调节。
10.如权利要求4所述板材成形柔性压边结构的调控方法，其特征在于，步骤四中，根据板材变形量的大小，半固态金属介质会产生相应的流动变形，若半固态金属介质的流动量增加，板材受到的压边力会降低，可根据压力反馈机构的压力测算值调整板材的压边载荷以保证与板材接触并提供相应的压边载荷，若有位置出现板材变形量过大，则增加所述位置的压边载荷；
若有位置出现板材变形量较小，则减小所述位置的压边载荷，以增强所述位置材料的流动性。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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