一种磁流变多孔软模及板材成形装置的制作方法

1.本发明涉及一种磁流变多孔软模及板材成形装置。


背景技术：

2.异形薄壁壳体零件是航空、航天、汽车等对装备轻量化有迫切需求的领域常用的一类板材零件。目前，加工这类零件的常用方法有刚性凸凹模冲压成形、软模成形等。由于软模成形的方法相对于刚性凸凹模冲压成形的方法较为简单，且可以避免刚性凸凹模成形中容易出现破裂缺陷的问题，目前应用较为广泛。
3.授权公告号为cn103273644b的中国发明专利公开了一种基于磁流变弹性体的板材软模成形装置，包括柱塞、线圈、容框、磁流变弹性体和凹模，凹模的上端面设有凹模腔，容框与凹模上下正对设置，容框套装在柱塞外部，柱塞的头部位于容框的内腔中，磁流变弹性体填充在柱塞的下表面与容框内壁组成的内腔中，线圈套装在容框与凹模的外侧壁上。
4.在成形过程中，由于上述磁流变弹性体的弹性模量处处相同，在成形腔体深浅不一的零件时，腔体较浅区域率先贴模成形，使得磁流变弹性体无法为腔体较深区域提供足够的成形力，导致成形不够均匀，同时率先贴模区域限制了材料向型腔继续流动，可能出现局部成形不足或破裂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种磁流变多孔软模，以解决现有技术中磁流变弹性体的弹性模量处处相同，在成形腔体深浅不一的零件时而导致成形不够均匀的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用该磁流变多孔软模的板材成形装置。
6.为实现上述目的，本发明磁流变多孔软模的技术方案是：磁流变多孔软模，包括：弹性基体，具有孔隙；磁性颗粒，一体成型在弹性基体内，磁性颗粒在弹性基体内分散布置且处于孔隙外部；弹性基体包括至少两个成形段；所有的成形段内均具有所述的孔隙，至少一个成形段的孔隙率大于其余各成形段的孔隙率，以使孔隙率大的成形段的弹性模量小于孔隙率小的成形段的弹性模量；或者至少一个成形段内具有所述的孔隙且至少一个成形段内未具有所述的孔隙，以使具有孔隙的成形段的弹性模量小于未具有孔隙的成形段的弹性模量。
7.有益效果是：通过在弹性基体内设置孔隙，并使得至少一个成形段内的孔隙率大于其余各成形段的孔隙率，以使孔隙率大的成形段的弹性模量小于孔隙率小的成形段的弹性模量，进而使得孔隙率大的成形段的刚度小于孔隙率小的成形段的刚度；在成形时，将孔隙率大的成形段对应成形较浅的部分，孔隙率小的成形段对应成形较深的部分，以在坯料与凹模完全接触时，整个坯料的受力较为均匀，避免坯料成形较深的部分时局部成形不足
或破裂。
8.作为进一步的改进，各成形段内的磁性颗粒的体积分数相同。
9.有益效果是：由于磁流变多孔软模是通过3d打印的方式加工的，各成形段内的磁性颗粒的体积分数相同，使得磁性颗粒成形在各成形段内时，无需更换打印头，便于磁流变多孔软模的加工成型。
10.作为进一步的改进，磁性颗粒的体积分数为25
‑
30%。
11.有益效果是：在这个范围内，在外加磁场的作用下，磁流变材料的力学性能可调节幅度大，能够在成形过程中的不同阶段，通过调节外磁场强度来有效控制软模刚度，从而调节软模/坯料界面接触压力，增大或减小材料流入量，提升变形均匀性。
12.作为进一步的改进，在所有的成形段内均设有所述的孔隙时，同一成形段内的各孔隙的尺寸相同。
13.有益效果是：这样设计，有利于各成形段内孔隙均匀变形，提升软模传递压力的稳定性。
14.作为进一步的改进，孔隙率大的成形段的孔隙尺寸大于或等于孔隙率小的成形段的孔隙尺寸。
15.有益效果是：这样设计，便于实现各成形段孔隙率的大幅度调节。
16.作为进一步的改进，所述弹性基体为橡胶基体。
17.有益效果是：橡胶基体弹性好，极限压缩变形量大，且成本低。
18.作为进一步的改进，所述橡胶基体为聚氨酯橡胶基体或硅橡胶基体。
19.有益效果是：聚氨酯橡胶或硅橡胶固化操作时间适中，固化条件低，气泡易抽离。
20.作为进一步的改进，所述磁性颗粒为铁磁性颗粒。
21.有益效果是：便于实现软模力学性能的实时控制。
22.作为进一步的改进，所述铁磁性颗粒的粒径为1
‑
5μm。
23.有益效果是：该粒径范围内，铁磁性颗粒在基体内部悬浮性能好，分布均匀，且磁流变性能佳。
24.为实现上述目的，本发明板材成形装置的技术方案是：板材成形装置，包括凹模、线圈、磁流变多孔软模、容框和柱塞，凹模与容框正对设置，磁流变多孔软模和柱塞的头部位于容框的内腔中，线圈套装在容框与凹模的外侧壁上，磁流变多孔软模包括：弹性基体，具有孔隙；磁性颗粒，一体成型在弹性基体内，磁性颗粒在弹性基体内分散布置且处于孔隙外部；弹性基体包括至少两个成形段；所有的成形段内均具有所述的孔隙，至少一个成形段的孔隙率大于其余各成形段的孔隙率，以使孔隙率大的成形段的弹性模量小于孔隙率小的成形段的弹性模量；或者至少一个成形段内具有所述的孔隙且至少一个成形段内未具有所述的孔隙，以使具有孔隙的成形段的弹性模量小于未具有孔隙的成形段的弹性模量。
25.有益效果是：通过在弹性基体内设置孔隙，并使得至少一个成形段内的孔隙率大于其余各成形段的孔隙率，以使孔隙率大的成形段的弹性模量小于孔隙率小的成形段的弹
性模量，进而使得孔隙率大的成形段的刚度小于孔隙率小的成形段的刚度；在成形时，将孔隙率大的成形段对应成形较浅的部分，孔隙率小的成形段对应成形较深的部分，以在坯料与凹模完全接触时，整个坯料的受力较为均匀，避免坯料成形较深的部分时局部成形不足或破裂。
26.作为进一步的改进，各成形段内的磁性颗粒的体积分数相同。
27.有益效果是：由于磁流变多孔软模是通过3d打印的方式加工的，各成形段内的磁性颗粒的体积分数相同，使得磁性颗粒成形在各成形段内时，无需更换打印头，便于磁流变多孔软模的加工成型。
28.作为进一步的改进，磁性颗粒的体积分数为25
‑
30%。
29.有益效果是：在这个范围内，在外加磁场的作用下，磁流变材料的力学性能可调节幅度大，能够在成形过程中的不同阶段，通过调节外磁场强度来有效控制软模刚度，从而调节软模/坯料界面接触压力，增大或减小材料流入量，提升变形均匀性。
30.作为进一步的改进，在所有的成形段内均设有所述的孔隙时，同一成形段内的各孔隙的尺寸相同。
31.有益效果是：这样设计，有利于各成形段内孔隙均匀变形，提升软模传递压力的稳定性。
32.作为进一步的改进，孔隙率大的成形段的孔隙尺寸大于或等于孔隙率小的成形段的孔隙尺寸。
33.有益效果是：这样设计，便于实现各成形段孔隙率的大幅度调节。
34.作为进一步的改进，所述弹性基体为橡胶基体。
35.有益效果是：橡胶基体弹性好，极限压缩变形量大，且成本低。
36.作为进一步的改进，所述橡胶基体为聚氨酯橡胶基体或硅橡胶基体。
37.有益效果是：聚氨酯橡胶或硅橡胶固化操作时间适中，固化条件低，气泡易抽离。
38.作为进一步的改进，所述磁性颗粒为铁磁性颗粒。
39.有益效果是：便于实现软模力学性能的实时控制。
40.作为进一步的改进，所述铁磁性颗粒的粒径为1
‑
5μm。
41.有益效果是：该粒径范围内，铁磁性颗粒在基体内部悬浮性能好，分布均匀，且磁流变性能佳。
附图说明
42.图1为本发明板材成形装置的实施例1在t0时刻的结构示意图；图2为本发明板材成形装置的实施例1在t1时刻的结构示意图；图3为本发明板材成形装置的实施例1在t2时刻的结构示意图；图4为本发明板材成形装置的实施例1在t3时刻的结构示意图；图5为本发明板材成形装置的实施例2在t0时刻的结构示意图；图中：1、电流调节器；2、直流电源；3、凹模；4、线圈；5、板坯料；6、磁流变多孔软模；7、容框；8、柱塞；9、磁感线；10、磁性颗粒；11、孔隙。
具体实施方式
43.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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
44.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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。
45.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，术语“上”、“下”是基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示所指的装置或部件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
46.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
47.本发明板材成形装置的实施例1：如图1所示，板材成形装置包括凹模3、线圈4、磁流变多孔软模6、容框7和柱塞8，凹模3处于容框7的上方，且凹模3与容框7正对设置，以使凹模3的模腔与容框7的内腔正对布置，成型时，板坯料5定位安装在凹模3和容框7之间；磁流变多孔软模6和柱塞8的头部位于容框7的内腔中，线圈4套装在容框7与凹模3的外侧壁上，线圈4通过电流调节器1连接直流电源2。其中，容框7为环形结构，线圈4为紫铜线圈。
48.本实施例中，磁流变多孔软模6包括弹性基体和磁性颗粒10，弹性基体具有孔隙11，孔隙11在弹性基体内分散布置；磁性颗粒10一体固化成型在弹性基体内，磁性颗粒10在弹性基体内分散布置并处于孔隙11外部。
49.本实施例中，弹性基体为橡胶基体，该橡胶基体可以为硅橡胶基体或者聚氨酯橡胶基体等。
50.本实施例中，磁性颗粒10为铁磁性颗粒，优选的，铁磁性颗粒为羟基铁粉。在其他实施例中，磁性颗粒可以为钴粉或镍粉。
51.如图1所述，弹性基体包括两个成形段，分别为左成形段和右成形段，左成形段对应板坯料5成形深度较浅的部分，右成形段对应板坯料5成形较深的部分；两个成形段沿左右方向布置，两个成形段内均具有孔隙11，左成形段的孔隙率大于右成形段的孔隙率，以使左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量，进而在成形过程中使弹性基体左侧提供的成形力小于和其右侧提供的成形力，以提高板坯料5的成形精度。其中，孔隙率是指同一成形段内所有孔隙的体积与该成形段的体积的比值。
52.本实施例中，左成形段内的各孔隙11的尺寸相同，右成形段内的各孔隙11的尺寸相同；左成形段内的孔隙11的数量小于右成形段内的孔隙11的数量，且左成形段内的孔隙
11的尺寸大于右成形段内的孔隙11的尺寸。
53.本实施例中，孔隙11主要由空气填充，孔隙11在未受挤压的状态下近似于球形。在外加磁场的作用下，弹性基体内分布的微米级尺寸的磁性颗粒10迅速沿着磁感线9的方向聚集成柱状或链状，使得磁流变多孔软模6沿磁感线方向的弹性模量和刚度增大，由于磁场的响应速度极快，磁流变多孔软模6的刚度实时可控。由于弹性基体具有两个成形段，且两个成形段的弹性模量不同，使得磁流变多孔软模6在一次成形过程中能将板坯料5成形不同的深度；且成形过程易于控制，稳定性好，磁流变多孔软模6能够与板材成形部分充分接触，有效解决了板材成形过程中局部过度变形的问题。
54.本实施例中，左、右成形段中的磁性颗粒10的体积分数相同，这样，在外加磁场作用下，磁流变多孔软模6的刚度实时可控；而且，磁流变多孔软模6是通过3d打印的方式加工的，因此，将左、右成形段中的磁性颗粒的体积分数设计的相同，便于磁流变多孔软模6的加工成型。
55.本实施例中，在成形之前，孔隙11为规则结构，左、右成形段中的磁性颗粒10的体积分数相均为30%，左成形段的孔隙率大于右成形段的孔隙率，左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量，磁性颗粒10的粒径范围为3
±
0.5μm。在其他实施例中，体积分数可以取其他数值，最佳方式是使铁磁性颗粒的体积分数在25
‑
30%。
56.在成形之后，孔隙11为非规则结构，左、右成形段中的磁性颗粒10的体积分数仍相等，且为25
‑
30%，左成形段的孔隙率大于右成形段的孔隙率，左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量，磁性颗粒10的粒径范围为2
±
0.5μm，略小于孔隙为规则结构的情况。
57.本实施例中，磁流变多孔软模6与板坯料5接触的界面能够产生有益的切向摩擦力，这种切向摩擦力可以促进板坯料向变形区流动，提高板坯料向变形区的填充能力，可填充的圆角半径达到板材厚度的0.3倍，提高板坯料的成形性和成形精度。
58.使用上述板材成形装置的具体成形方法如下：（1）如图1所示，将磁流变多孔软模6放入容框7中，将板坯料5和凹模3放置在容框7的上表面。其中，板坯料5定位安装在凹模3和容框7之间，线圈4通过电流调节器1连接直流电源2。其中，板坯料5选用厚度为0.5mm的非铁磁性金属板材，如铝合金板材、不锈钢板材、钛合金板材等。在其他实施例中，板坯料的厚度也可以选择其他数值，一般厚度不超过0.1
‑
1mm。
59.（2）如图1所示，在t0时刻，将板材成形装置整体放置在压力机的工作台面上，启动压力机，压力机提供压边力f。柱塞8以v=1.5mm/s的速度上升，磁流变多孔软模6作为传力介质，使板坯料5产生变形。在成形开始前，线圈4中不存在电流，即电流i=0，所以，磁感应强度b=0。
60.（3）如图2所示，在成形开始的t1时刻，接通直流电源2，通过电流调节器1能够调节线圈4中电流的大小，使电流i=i1，磁感应强度为b=b1，磁感线9的方向为图中虚线箭头所示的方向，此时柱塞8开始挤压板坯料5。
61.（4）如图3所示，在成形过程中的t2时刻，通过电流调节器1增加电流的大小，使电流i=i2，磁感应强度b=b2，磁流变多孔软模6的刚度也显著提高，在柱塞8的挤压下，凹模3的左侧开始与板坯料5贴合。
62.（5）如图4所示，在成形过程中的t3时刻，在柱塞8的继续挤压下，凹模3的右侧与板
坯料5贴合。
63.（6）关闭直流电源2，压力机横梁上行，打开凹模3，得到由板坯料5成形的最终板材。
64.其中，在上述的步骤(3)和步骤(4)中，磁感应强度b1=0.2t，b2=1.0t，磁感应强度的大小能够决定磁流变多孔软模6的刚度大小。在成形初期，板坯料5的成形深度较小，所需的成形力较小，只需要较小的磁场大小就能使板坯料5获得足够的填充能力，而随着时间的增加，板坯料5的成形深度也逐渐增加，磁场也必须随时间变化，使磁流变多孔软模6的刚度增加，提高板坯料的贴模精度。
65.应当说明的是，在t3时刻，板坯料5的左侧已基本成形，在柱塞8的继续挤压下，由于左成形段的孔隙率大于右成形段的孔隙率，使得左成形段的刚度小于右成形段的刚度，因此右成形段继续成形板坯料5的右侧，而左成形段对板坯料5的左侧施加的作用力较小，有利于提高板坯料受力的均匀性，避免板坯料5的左侧约束力过大，造成板坯料5的右侧因伸长变形过大而破裂。
66.本发明板材成形装置的实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，左成形段内的各孔隙11的尺寸相同，右成形段内的各孔隙11的尺寸相同，且左成形段内的孔隙率大于右成形段内的孔隙率。本实施例中，如图5所示，左成形段内的各孔隙的尺寸不完全相同，且右成形段内的各孔隙的尺寸不完全相同，只要保证左成形段内的孔隙率大于右成形段内的孔隙率即可。
67.本发明板材成形装置的实施例3：本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，左成形段和右成形段内均设有孔隙11，且左成形段内的孔隙率大于右成形段内的孔隙率，以使左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量。本实施例中，左成形段内具有孔隙，且右成形段内未设置孔隙，以使左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量。
68.本发明板材成形装置的实施例4：本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，左成形段和右成形段内的磁性颗粒10的体积分数相同。本实施例中，左成形段内的磁性颗粒的体积分数大于或小于右成形段内的磁性颗粒的体积分数，只要保证左成形段的弹性模量小于右成形段的弹性模量。
69.本发明板材成形装置的实施例5：本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，左成形段内的孔隙11的数量小于右成形段内的孔隙11的数量，且左成形段内的孔隙11的尺寸大于右成形段内的孔隙11的尺寸。本实施例中，左成形段内的孔隙的尺寸等于右成形段内的孔隙的尺寸，且左成形段内的孔隙的数量大于右成形段内的孔隙的数量。
70.本发明磁流变多孔软模的实施例，该磁流变多孔软模与上述板材成形装置的实施例1至5中任一个所述的磁流变多孔软模的结构相同，在此不再赘述。
71.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。