專(zhuān)利名稱(chēng)：磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用磁性介質(zhì)提高板材拉深成形極限的加工裝置及方法。屬于充液拉深技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
板材成形是一種金屬空心構(gòu)件加工及制造所廣泛應(yīng)用的技術(shù)手段，也是武器裝備發(fā)展過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，更是衡量國(guó)家軍事科技發(fā)展水平的關(guān)鍵組成部分之一。目前，板材成形技術(shù)在航空航天、汽車(chē)、兵器及造船業(yè)等領(lǐng)域中均占有非常顯著的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，板材零件在航空工業(yè)的用量分別為戰(zhàn)斗機(jī)中超過(guò)I萬(wàn)件/架，轟炸機(jī)達(dá)4萬(wàn)件/架以上，大型運(yùn)輸機(jī)和干線客機(jī)中達(dá)6萬(wàn)件/架之多，占整架飛機(jī)零件總數(shù)量的50%，加工時(shí)間占總耗時(shí)的20%左右，由此可知，板材零件對(duì)飛機(jī)的制造周期及成本均有著重要影響。隨著節(jié)能減排需求的日益突出，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料成為實(shí)現(xiàn)輕量化的首選途徑之一。但鋁合金等輕質(zhì)材料的硬化指數(shù)η值、各向異性指數(shù)r值均較小且室溫成形性能和塑性較差，這一突出矛盾成為其加工成形的技術(shù)瓶頸。板材液壓成形就是順應(yīng)這種需求而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)柔性加工方法，不僅能夠提高板材成形極限、減少成形道次，更易于鋁合金等低塑性、難成形的輕質(zhì)板材零件制造。板材充液拉深主要是依靠液室壓力作用來(lái)增加板材與凸模之間的有益摩擦，并建立起坯料與凹模之間的流體潤(rùn)滑，緩解凸模圓角處坯料徑向拉應(yīng)力來(lái)提高板材的成形極限。而對(duì)于高徑比大、輕質(zhì)低塑性材料的曲面零件而言，過(guò)大的液室壓力會(huì)導(dǎo)致成形初期懸空區(qū)的破裂，因此，單純通過(guò)增大液室壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)此類(lèi)零件的成形仍較為困難。如采用多道次充液拉深成形對(duì)零件質(zhì)量造成累積影響且周期長(zhǎng)、廢品率也較高。進(jìn)入二十世紀(jì)90年代，可控徑向加壓充液拉深、正反加壓充液拉深、充液反拉深、差溫充液拉深、變薄充液拉深等技術(shù)不斷涌現(xiàn)并使零件的成形極限得到有效提高。但上述方法在生產(chǎn)實(shí)踐中鮮有應(yīng)用，原因在于如可控徑向加壓充液拉深和正反加壓充液拉深均是在現(xiàn)有充液拉深技術(shù)基礎(chǔ)上，在法蘭區(qū)部位或板料上側(cè)輔以獨(dú)立可控的徑向壓力或背壓力來(lái)配合凸模的拉深成形，所涉及的多種工藝條件耦合匹配控制的難度要求大且因板厚值相對(duì)較小，可控徑向加壓充液拉深時(shí)徑向壓力的作用面積受到限制；充液反拉深則需增加預(yù)成形工序且壁厚均勻程度難以得到保證；差溫充液拉深的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效率較低；變薄充液拉深的工藝要求較高等，上述工藝技術(shù)對(duì)生產(chǎn)效率不高的板材液壓成形技術(shù)而言，增加了工裝制造的難度及繁瑣的中間處理工序。因此說(shuō)，傳統(tǒng)板材充液拉深成形的傳力介質(zhì)主要為乳化液和水的混合物且為了實(shí)現(xiàn)法蘭區(qū)處的溢流潤(rùn)滑效果常采用無(wú)密封結(jié)構(gòu)形式。但隨著成形過(guò)程的進(jìn)行，溢流壓力逐漸低于液室腔內(nèi)壓力，進(jìn)而使板材在法蘭部位易出現(xiàn)環(huán)向起皺缺陷且法蘭區(qū)處板材易增厚，引起成形后板件不同部位尺寸和性能的差異較大，變形不均勻性也隨之增加，室溫成形極限也較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)板材充液拉深成形中為實(shí)現(xiàn)溢流潤(rùn)滑而不使用密封圈時(shí)導(dǎo)致法蘭區(qū)(壓邊圈與凹模之間間隙)溢流壓力減小而產(chǎn)生起皺及變形均勻性差等技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而提供了磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置及方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是一種磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置，所述裝置包括凸模、凹模、壓邊圈、下柱塞、第一線圈、第二線圈和磁控單元；壓邊圈位于凹模之上，凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔用于容納磁致介質(zhì)，凸模可穿過(guò)壓邊圈帶動(dòng)板坯下行進(jìn)入凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔內(nèi)，第一線圈設(shè)置在凹模與壓邊圈所形成的法蘭區(qū)外側(cè)周?chē)诙€圈設(shè)置在下柱塞的拉桿上，磁控單元用于控制第一線圈、第二線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，進(jìn)而分別控制法蘭區(qū)內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度、液室腔內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度。一種利用上述成形裝置的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形方法，所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態(tài)的磁致介質(zhì)，并控制其固相率占50 % 80 %;步驟二、控制下柱塞工作端面的初始位置下柱塞的工作端面距離凹模上端面的距離為凹?？偵疃菻的三分之一；步驟三、向凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔內(nèi)注滿上述磁致介質(zhì)；步驟四、將板坯放置于凹模上端面上；步驟五、將壓邊圈下移至板坯上；步驟六、利用磁控單元控制下柱塞處的第二線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使液室腔內(nèi)磁致介質(zhì)分布狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而改變液室腔內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使磁致介質(zhì)起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元控制壓邊圈處第一線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使法蘭區(qū)內(nèi)磁致介質(zhì)也發(fā)生變化進(jìn)而改變法蘭區(qū)內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使法蘭區(qū)內(nèi)溢流壓力保持在與液室腔內(nèi)壓力一致，(避免了該部位因不用密封圈而使溢流壓力降低)；步驟八、凸模(沖頭)下移帶動(dòng)板料做充液拉深變形；步驟九、完成充液拉深成形后，下柱塞與凸模同步做后退運(yùn)動(dòng)；步驟十、移除凸模，通過(guò)磁控單元卸去不同部位的磁場(chǎng)；移去壓邊圈，取出充液拉深成形工件。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用磁性介質(zhì)代替乳化液和水的混合物在板材零件充液拉深成形過(guò)程中進(jìn)行傳力，解決了傳統(tǒng)板材液壓成形中為實(shí)現(xiàn)溢流潤(rùn)滑而不使用密封圈時(shí)導(dǎo)致法蘭區(qū)溢流壓力減小而產(chǎn)生起皺及變形均勻性差等技術(shù)瓶頸。首先將液室腔內(nèi)倒入一定量的磁性介質(zhì)，放上板坯后下移壓邊圈，此時(shí)通過(guò)磁場(chǎng)分別調(diào)控法蘭處(法蘭區(qū))和液室腔內(nèi)磁性介質(zhì)粘度及壓力值，將沖頭下移，直至板件成形。從方法原理看，本發(fā)明與傳統(tǒng)充液拉深成形、乃至粘性介質(zhì)的板材脹形都有很大區(qū)別傳統(tǒng)充液拉深成形所用的介質(zhì)是一種流固耦合介質(zhì)，充液拉深是液壓油；粘性介質(zhì)的板材脹形所用的粘性介質(zhì)是高分子聚合物。但磁性介質(zhì)作為充液拉深(等板材液壓成形方法)的傳力介質(zhì)，至今尚未有報(bào)道。從本發(fā)明所記載的技術(shù)方案和本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)本身來(lái)看，本發(fā)明所述及的磁致介質(zhì)是與剛性凸模配合使用的，磁致介質(zhì)起到柔性背壓作用，可以說(shuō)磁致介質(zhì)是起到了凹模的作用。而且法蘭區(qū)的磁致介質(zhì)還避免了該部位因不用密封圈而使溢流壓力降低產(chǎn)生起皺的缺陷。本發(fā)明適于板材的充液拉深成形。該方法所述優(yōu)點(diǎn)如下一、與乳化液和水的混合物相比，磁性介質(zhì)更易于密封；
4二、在磁場(chǎng)作用下磁性介質(zhì)分布狀態(tài)能夠發(fā)生改變，通過(guò)磁控單元可以有效調(diào)節(jié)液室腔內(nèi)磁性介質(zhì)的粘性，粘附力可促進(jìn)板材室溫成形極限的提高；三、磁場(chǎng)調(diào)控與下活塞運(yùn)動(dòng)相配合，以獲得成形所需的液室壓力，起到柔性變加載模式的背壓作用，隨著成形過(guò)程的進(jìn)行，通過(guò)磁控單元調(diào)節(jié)其大小，促進(jìn)板件室溫成形極限的提高(同比條件下，本發(fā)明較傳統(tǒng)的板材充液拉深成形方法的成形極限提高了 20 50% )，且與傳統(tǒng)板材液壓成形相比，卸后板件的回彈量較小(同比條件下，本發(fā)明較傳統(tǒng)的板材充液拉深成形方法的板材成形后的回彈量降低10 20% )，定型性較好；四、在可控磁場(chǎng)作用下與法蘭部位的溢流方向呈垂直排布，提高成形時(shí)法蘭區(qū)的溢流壓力，避免了法蘭部位板料因局部增厚而引起變形均勻性差等缺陷。


圖I是本發(fā)明所述的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置的主視圖(板坯9成形前)，圖2是另一幅本發(fā)明所述的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置的主視圖(板坯9成形后);圖3是現(xiàn)有技術(shù)中充液拉深時(shí)無(wú)密封圈的拉深裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中充液拉深時(shí)有密封圈的拉深裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3和圖4體現(xiàn)了充液拉深的流體潤(rùn)滑(缺點(diǎn)是無(wú)法精確控制充液室壓力)與無(wú)流體潤(rùn)滑狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖I 2所示，本實(shí)施方式所述的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置包括凸模I、凹模2、壓邊圈3、下柱塞4、第一線圈6、第二線圈7和磁控單元8 ；壓邊圈3位于凹模2之上，凹模2與下柱塞4所形成的封閉的液室腔5用于容納磁致介質(zhì)，凸模I可穿過(guò)壓邊圈3帶動(dòng)板坯9下行進(jìn)入凹模2與下柱塞4所形成的封閉的液室腔5內(nèi)，第一線圈6設(shè)置在凹模2與壓邊圈3所形成的法蘭區(qū)10外側(cè)周?chē)?，第二線圈7設(shè)置在下柱塞4的拉桿上，磁控單元8用于控制第一線圈6、第二線圈7所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，進(jìn)而分別控制法蘭區(qū)10內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度、液室腔5內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度。
具體實(shí)施方式
二 如圖I 2所示，本實(shí)施方式為利用具體實(shí)施方式
一所述成形裝置的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形方法，所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態(tài)的磁致介質(zhì)，并控制其固相率占50 % 80 %;步驟二、控制下柱塞4工作端面的初始位置下柱塞4的工作端面距離凹模2上端面的距離為凹?？偵疃菻的三分之一；步驟三、向凹模2與下柱塞4所形成的封閉的液室腔5內(nèi)注滿上述磁致介質(zhì)；步驟四、將板坯9放置于凹模2上端面上；步驟五、將壓邊圈3下移至板坯9上；步驟六、利用磁控單元8控制下柱塞4處的第二線圈7所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使液室腔5內(nèi)磁致介質(zhì)分布狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而改變液室腔5內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使磁致介質(zhì)起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元8控制壓邊圈3處第一線圈6所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使法蘭區(qū)10內(nèi)磁致介質(zhì)也發(fā)生變化進(jìn)而改變法蘭區(qū)10內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使法蘭區(qū)10內(nèi)溢流壓力保持在與液室腔5內(nèi)壓力一致，(避免了該部位因不用密封圈而使溢流壓力降低)；步驟八、凸模1(沖頭)下移帶動(dòng)板料9做充液拉深變形；步驟九、完成充液拉深成形后，下柱塞4與凸模I同步做后退運(yùn)動(dòng)；步驟十、移除凸模1，通過(guò)磁控單元8卸去不
5同部位的磁場(chǎng)；移去壓邊圈3，取出充液拉深成形工件。在步驟六中、液室腔5內(nèi)磁致介質(zhì)分布狀態(tài)發(fā)生變化過(guò)程為充液拉深成形初期粘度先增大，末期逐漸減?。怀湟豪畛尚纬跗谑拐扯仍龃?，易于板材與凸模能夠緊密貼合，利于板材的拉深成形，成形末期粘度減小是為了避免了凸模圓角處的開(kāi)裂)；在步驟七中、使法蘭區(qū)10內(nèi)磁致介質(zhì)也發(fā)生變化過(guò)程為充液拉深成形初在較高粘度時(shí)保壓一段時(shí)間，成形末期則逐漸減小；充液拉深成形初期在較高粘度條件下保壓一段時(shí)間較利于防止溢流潤(rùn)滑壓力的減小，且即使無(wú)密封圈也能起到溢流潤(rùn)滑的作用，成形末期板材基本都隨凸模拉深進(jìn)凹模之中，使粘度減小是為了更易于板料的拉伸成形。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式在步驟一中所述磁致介質(zhì)按質(zhì)量份數(shù)比由7份羰基鐵粉、2份合成油或乙二醇、I份表面活性劑組成。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。這樣組分的磁致介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下的分布狀態(tài)所引起的粘稠程度更利于調(diào)控，如固相率(羰基鐵粉含量)過(guò)高，則在板材充液拉深成形中起不到“柔性”背壓的作用；而固相率(羰基鐵粉)過(guò)低，則難以實(shí)現(xiàn)提高壓邊圈處的溢流壓力的效果。上述組分的磁致介質(zhì)使其“柔性”背壓的作用和壓邊圈處的溢流壓力效果達(dá)到最佳。
權(quán)利要求
1.一種磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置，其特征在于所述裝置包括凸模(I)、 凹模⑵、壓邊圈(3)、下柱塞(4)、第一線圈(6)、第二線圈(7)和磁控單元⑶；壓邊圈(3) 位于凹模(2)之上，凹模(2)與下柱塞(4)所形成的封閉的液室腔(5)用于容納磁致介質(zhì)， 凸模(I)可穿過(guò)壓邊圈(3)帶動(dòng)板坯(9)下行進(jìn)入凹模(2)與下柱塞(4)所形成的封閉的液室腔(5)內(nèi)，第一線圈(6)設(shè)置在凹模(2)與壓邊圈(3)所形成的法蘭區(qū)(10)外側(cè)周?chē)?第二線圈(7)設(shè)置在下柱塞(4)的拉桿上，磁控單元(8)用于控制第一線圈(6)、第二線圈(7)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，進(jìn)而分別控制法蘭區(qū)(10)內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度、液室腔(5)內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度。
2.一種利用權(quán)利要求I所述成形裝置的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形方法，其特征在于所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態(tài)的磁致介質(zhì)，并控制其固相率占50% 80% ;步驟二、控制下柱塞(4)工作端面的初始位置下柱塞(4)的工作端面距離凹模(2)上端面的距離為凹模總深度H的三分之一；步驟三、向凹模(2)與下柱塞(4)所形成的封閉的液室腔(5)內(nèi)注滿上述磁致介質(zhì)；步驟四、將板坯(9)放置于凹模(2)上端面上；步驟五、將壓邊圈 (3)下移至板坯(9)上；步驟六、利用磁控單元(8)控制下柱塞(4)處的第二線圈(7)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使液室腔(5)內(nèi)磁致介質(zhì)分布狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而改變液室腔(5) 內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使磁致介質(zhì)起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元(8)控制壓邊圈(3)處第一線圈(6)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，使法蘭區(qū)(10)內(nèi)磁致介質(zhì)也發(fā)生變化進(jìn)而改變法蘭區(qū)(10)內(nèi)磁致介質(zhì)的粘度；使法蘭區(qū)(10)內(nèi)溢流壓力保持在互液室腔(5)內(nèi)壓力一致；步驟八、凸模(I)下移帶動(dòng)板料(9)做充液拉深變形；步驟九、完成充液拉深成形后，下柱塞(4)與凸模(I)同步做后退運(yùn)動(dòng)；步驟十、移除凸模(I)，通過(guò)磁控單元(8)卸去不同部位的磁場(chǎng)；移去壓邊圈(3)，取出充液拉深成形工件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形方法，其特征在于步驟一中所述磁致介質(zhì)按質(zhì)量份數(shù)比由7份羰基鐵粉、2份合成油或乙二醇、I份表面活性劑組成。
全文摘要
磁致介質(zhì)加壓的板材充液拉深成形裝置及方法。屬于充液拉深技術(shù)領(lǐng)域。為了解決傳統(tǒng)板材液壓成形中為實(shí)現(xiàn)溢流潤(rùn)滑而不使用密封圈時(shí)導(dǎo)致法蘭區(qū)溢流壓力減小而產(chǎn)生起皺及變形均勻性差等技術(shù)問(wèn)題。凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔用于容納磁致介質(zhì)，凸?？纱┻^(guò)壓邊圈帶動(dòng)板坯下行進(jìn)入凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔內(nèi)，第一線圈設(shè)置在凹模與壓邊圈所形成的法蘭區(qū)外側(cè)周?chē)?，第二線圈設(shè)置在下柱塞的拉桿上，磁控單元用于控制第一線圈、第二線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小。首先將液室腔內(nèi)倒入一定量的磁性介質(zhì)，放上板坯后下移壓邊圈，此時(shí)通過(guò)磁場(chǎng)分別調(diào)控法蘭處和液室腔內(nèi)磁性介質(zhì)粘度及壓力值，將沖頭下移，直至板件成形。本發(fā)明適于板材的充液拉深成形。
文檔編號(hào)B21D26/021GK102921790SQ20121048654
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者李峰, 苑世劍, 張?chǎng)锡? 隋小沖 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)