采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置及工艺方法

摘要

本发明公开了一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置及工艺方法，涉及管材冲压成形技术领域，该装置包括上模具、下模具、左密封盖、右密封盖、冲头、管胚、充液管以及电磁装置；上模具和下模具合模形成两端开口的腔体，管胚嵌入固定在腔体内；左密封盖、右密封盖分别安装在腔体的左端口和右端口；冲头固定在上模具与下模具的合模位置；电磁装置安装在右密封盖上；左密封盖开设有注液通孔，充液管通过注液通孔向管胚注入磁流变脂。在磁场作用下，位于管胚内部的磁流变脂变成类固体，形成软芯膜；然后在软芯膜和冲头压制的作用下制备成形管件，符合精密成形工艺要求，避免管件变形等不良现象。

说明书

技术领域

本发明涉及管材冲压成形技术领域，特别是涉及一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置及工艺方法。

背景技术

在航空航天及汽车制造、摩托车制造等领域，薄壁管材(铝合金管、镁合金管等)的运用已成为实现构件轻量化和保证足够强度的主要途径之一，然而在生产中薄壁管材不同部位需要成形不同形状以满足管材零件的使用要求，传统冲压通常是冲头由外向内的方法加工的，虽然生产效率高，但质量不稳定。

随着生产的发展，近年，采用液压冲压方法增多起来。用液压冲压方法进行管材局部进行成形，不仅能满足管件的使用要求，而且效率提高，模具结构简单，不需特殊设备，在一般压力机上即可冲制，管材无凹模冲压，即是在管材中无凹模支承的状态下，仅靠冲头对管壁局部进行冲压加工。由于冲头在冲制时，管材处于空心状态，冲头对管壁施加的压力超过管壁本身的刚度所能承受的能力时，管材容易被压扁、冲塌，使冲压加工无法完成。所以进行无凹模冲制，首要的条件，是尽可能提高管材刚度，但是这种方法会使加工成本大大增加，同时，加工时间较长，在工艺和模具结构方面，还应采取特殊措施，方能收到较好效果。这种方法多用于管件和其它高刚度工件的冲压成形。因此在保证满足使用要求的情况下，在对薄壁管材局部冲压过程中如何避免整体变形等不良现象的产生显得尤为重要。

近年来随着对机电一体化的需求和材料制备技术的提高，磁流变液的研究得到迅速发展，成为当前智能材料研究领域的一个重要分支，在汽车、建筑、桥梁、密封、振动控制等领域得到广泛应用。但目前磁流变液本身的沉降问题以及磁流变器件的密封问题仍然没有得到很好的解决。

发明内容

为了克服现有技术存在的技术缺陷，本发明提供了一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置及工艺方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置，包括上模具、下模具、左密封盖、右密封盖、冲头、管胚、充液管以及电磁装置；

所述上模具和所述下模具合模形成两端开口的腔体，所述管胚嵌入固定在所述腔体内；所述左密封盖、所述右密封盖分别安装在所述腔体的左端口和右端口；所述冲头固定在所述上模具与所述下模具的合模位置；

所述电磁装置安装在所述右密封盖上；所述左密封盖开设有注液通孔，所述充液管通过所述注液通孔向所述管胚注入磁流变脂；所述磁流变脂为传压介质。

可选的，所述磁流变脂为锂基磁流变脂；所述锂基磁流变脂由硅油、12—羰基硬脂酸、饱和氢氧化锂水溶液以及羰基铁粉混合而成；其中，所述羰基铁粉的质量分数为30％。

可选的，所述充液管与外界的增压泵连接；所述增压泵为所述充液管提供压力。

可选的，所述电磁装置与外界的磁控单元连接；所述磁控单元通过控制所述电磁装置的开启与关闭，从而控制所述腔体内磁场的产生。

可选的，所述冲头、所述左密封盖、所述右密封盖均与外界的压力装置连接。

可选的，所述充液管的出液口上安装有溢流阀。

可选的，所述薄壁管材局部冲压装置还包括密封圈，所述密封圈安装在所述左密封盖与所述腔体的左端口之间，防止所述管胚在低压充液过程中渗漏。

可选的，所述密封圈采用石棉填料制备而成。

一种应用于采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置的工艺方法，包括：

上料充液阶段；具体为：

将管胚放入到下模具中，然后将上模具与所述下模具合模，并限定合模位置；之后用左密封盖和右密封盖封住合模后的所述上模具与所述下模具的端口，并通过外界的压力装置提供的轴向压力确保所述左密封盖和所述右密封盖位置固定；再将充有磁流变脂的充液管伸入到注液通孔内；待薄壁管材局部冲压装置安装完毕后，启动外界的增压泵，使所述充液管向所述管胚内部填充磁流变脂，直至充满为止；

压制以及保压阶段；具体为：

充液完毕后，将冲头处于合模位置，开启电磁装置，使所述上模具和所述下模具内产生磁场，进而使所述管坯内的磁流变脂转化为类固体；之后控制所述增压泵使所述充液管向所述管坯内持续通液加压，在所述管胚内形成软芯模；同时控制压力装置根据设定的压力-位移曲线驱动冲头逐步压下；在冲头压制和所述软芯模共同作用下，所述管胚的管壁局部产生塑料变形，并与所述冲头紧密贴合，并当所述冲头加载至设定位置后停止移动，得到成形管件；其中，在所述压制以及保压阶段，保持所述上模具、所述下模具和所述充液管位置不变；所述充液管与溢流阀连接起到保压溢流作用；

卸载退模，具体为：

当所述成形管件制备完毕后，保持所述抗磁充液管和所述冲头不变，关闭所述抗磁充液管上的溢流阀，卸载排液；当所述成形管件内腔的压力释放后，关闭所述电磁装置，使所述类固态重新转化为液体，继续排液，直至排净停止；最后，撤去所述左密封盖和所述右密封盖，控制所述冲头上移回位，控制所述上模具和所述下模具分模，取出所述成形管件。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明通过冲头的外压和管内磁流变脂的内压二者结合的方式来实现对薄壁管材的局部加工成形，使加工部位受力更加均匀，能够避免加工部位出现凹陷的不良现象。

(2)因磁流变脂特殊骨架结构，具有稳定性高，不会发生沉降、板结等优点；磁流变脂稠度高，不需要复杂密封装置和供油系统，磁流变脂用量少；另外，在磁场作用下磁流变脂能够在“液态—类固态”之间连续转变，且这种改变是可逆的，具有方便填充、卸载、排除和回收等优点。

(3)磁流变脂的剪切屈服应力是磁流变液屈服应力的1.5—2倍，可用于大力阻尼抗振系统，同磁流变液相比，具有巨大的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例薄壁管材局部冲压装置的轴向剖面示意图；

图2为本发明实施例薄壁管材局部冲压装置的径向剖面示意图；

图3为本发明实施例在初始管坯上料充液工步阶段冲压装置的轴向过程示意图；

图4为本发明实施例在初始管坯上料充液工步阶段冲压装置的径向过程示意图；

图5为本发明实施例在类固态磁流变脂初始压制过程中的轴向压力分布示意图；

图6为本发明实施例在类固态磁流变脂初始压制过程中的径向压力分布示意图；

图7为本发明实施例在管坯贴膜压制完成保压阶段冲压装置的轴向过程示意图；

图8为本发明实施例在管坯贴膜压制完成保压阶段冲压装置的径向过程示意图；

图9为本发明实施例在卸载排液工步阶段冲压装置的轴向过程示意图；

图10为本发明实施例在卸载排液工步阶段冲压装置的径向过程示意图；

图11为本发明实施例在分模取管件工步阶段冲压装置的轴向过程示意图；

图12为本发明实施例在分模取管件工步阶段冲压装置的径向过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

术语解释：

磁流变脂：磁流变脂由微米级铁磁性粒子、基础油、添加剂、稠化剂及填料组成的具有骨架结构的胶体分散体系。它以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成的悬浮体系。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在外加强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的类固体特性。这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场后又恢复到原来的流体状态。

磁流变脂是为了克服磁流变液的沉降问题，在此基础上提出的一种新型磁流变材料，它与磁流变液相似，磁流变脂同样是利用在磁场作用下，磁性粒子定向排列从而使脂的流变学特性，特别是它的表观黏度，发生显著改变的原理来工作的。更重要的是，由于磁流变脂具有润滑脂特有的网状骨架结构，而具有比磁流变液更优异的沉降稳定性。两者之间的主要区别在于母液粘度的变化。

磁流变脂不仅解决了沉降问题，而且保持了磁流变液的一些主要优点，比如在外磁场作用下具有快速响应、表观粘度和剪切模量可以发生显著的变化等特点。剪切应力作为衡量磁流变脂性能的重要指标，如何对它正确表征是一个关键。

由于磁流变脂在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的，而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此它是一种用途广泛、性能优良的智能材料。目前，在汽车、建筑、桥梁、密封、振动控制等领域已得到广泛应用。

冲压：利用模具在压力机上将金属板材制成各种板片状零件和壳体、容器类工件，或将管件制成各种管件工件。按照冲压加工温度可分为热冲压和冷冲压，前者适合变形抗力高塑性较差的板料加工；后者则在室温下进行，是薄板常用的冲压方法，这类在冷态下进行的成形工艺方法称为冷冲压，简称冲压。

现有薄壁管材局部冲压成形相关工艺技术存在以下缺点：

(1)在传统的对薄壁管材局部冲压工艺过程中，若使管件局部产生有效变形，需要冲头给管壁很大的压力，此时管壁径向产生压应力，垂向产生拉应力，管壁受力不均匀，管壁会产生一定的减薄率，由于管材内部是中空的，所以在压制过程中，管坯很容易产生大面积变形或者出现凹坑、加工部位管壁破裂等不良现象。

(2)有的采用管壁内腔冲沙作为传压介质，或者是采用散粒体的固体颗粒介质，此办法存在的最大缺陷是颗粒物料堆积的排布方式是随机的，颗粒间存在较大的空隙，作为承载介质受压后，空隙率降低，整体体积减缩率很大，难以对管件局部成形区域提供足够的支撑和包覆效果，官腔内压难以控制，难以适用于精密成形工艺要求。

(3)有管材弯曲工艺采用磁流变液作为填充物的技术研究，磁流变液的悬浮体采用铁磁硬质颗粒，利用其在外磁场作用下的磁流变为类固体为管材弯曲区域提供内压支撑，防止管材弯曲过程中的起皱失稳问题。但是，铁磁硬质颗粒的磁流变效应(对磁场的灵敏度)不好，易产生颗粒沉降现象。因此，填充物的磁流变和力学性能不稳定。

基于以上分析，本发明提出一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置及工艺方法。

采用锂基磁流变脂(由硅油、氢氧化锂、12—羰基硬脂酸、羰基铁粉混合而成)作为传压介质。在压制过程中，充液口关闭保压。由于磁流变脂固化以后体积压缩率很小，随着压制过程的进行，磁流变脂在管腔内压力逐渐升高，同时局部冲压工艺过程也需要内压逐步提高，因此磁流变脂可以提供足够的包覆压力，使管材紧密的贴合在凹模的形面。另外，磁流变脂液固转化作用，也使得管坯两端的密封保压相比液体容易得多。

一方面采用管腔内磁流变脂内压与外部冲头机械压力相结合的方式，另一方面根据“位移—压力”曲线合理的控制冲头的压制速度及管坯内压力的大小能够避免管壁破裂、凹陷等不良现象的产生，整个管坯内都充满磁流变脂，适合长薄壁管材局部成形。磁流变脂本身的稠度较高，故在低压充液过程中普通填料密封即可达到密封要求；冲压过程中内压升高，但磁流变脂受磁场转变为“类固态”，因此端口普通填料密封也可满足密封要求。

实施例1

本发明采用锂基磁流变脂作为传压介质，其中锂基磁流变脂的主要成分为：硅油、12—羰基硬脂酸、饱和氢氧化锂水溶液、羰基铁粉(质量分数为30％)。所用装置由冲头1，左密封盖3，右密封盖9，上模具2，下模具7，电磁装置10，密封圈5组成。左密封盖3、右密封盖9的轴向压力N₀由压力装置调节控制，充液压力p₀(初始充液状态)、p₁(压制过程及保压阶段)，排液压力p₂(压制完成)均由增压泵调节控制，冲头1压力F₀、F₁、F₂由压力装置根据管坯6的压力与位移曲线来调节，电磁装置10与磁控单元联接，通过磁控单元控制电磁装置10的开启与关闭。具体如图1和2所示。

本发明实施例提供的一种采用磁流变脂辅助的薄壁管材局部冲压装置，包括冲头1、上模具2、左密封盖3、注液通孔4、密封圈5、管胚6、下模具7、充液管、充液管内的磁流变脂8、右密封盖9以及电磁装置10。

上模具2和下模具7合模形成两端开口的腔体，管胚6嵌入固定在腔体内；左密封盖3、右密封盖9分别安装在腔体的左端口和右端口；冲头1固定在模具2与下模具7的合模位置。

电磁装置10安装在右密封盖9上；左密封盖3开设有注液通孔4，充液管通过注液通孔4向管胚6注入磁流变脂4。密封圈5安装在左密封盖3与腔体的左端口之间，防止管胚6在低压充液过程中渗漏。

磁流变脂4为传压介质。优选的，磁流变脂4为锂基磁流变脂；锂基磁流变脂由硅油、12—羰基硬脂酸、饱和氢氧化锂水溶液以及羰基铁粉混合而成；其中，羰基铁粉的质量分数为30％。

充液管与外界的增压泵连接；增压泵为充液管提供压力。电磁装置10与外界的磁控单元连接；磁控单元通过控制电磁装置的开启与关闭，从而控制腔体内磁场的产生。冲头1、左密封盖3、右密封盖9均与外界的压力装置连接。

优选的，充液管的出液口上安装有溢流阀，起到保压溢流的作用。

优选的，密封圈5采用石棉填料制备而成。

实施例2

本实施例提供了一种应用于实施例1所述装置的工艺方法，包括以下阶段。

上料充液阶段；具体为：

将管胚放入到下模具中，然后将上模具与下模具合模，并限定合模位置；之后用左密封盖和右密封盖封住合模后的上模具与下模具的端口，并通过外界的压力装置提供的轴向压力确保左密封盖和右密封盖位置固定；再将充有磁流变脂的充液管伸入到注液通孔内；待薄壁管材局部冲压装置安装完毕后，启动外界的增压泵，使充液管向管胚内部填充磁流变脂，直至充满为止。

压制以及保压阶段；具体为：

充液完毕后，将冲头处于合模位置，开启电磁装置，使上模具和下模具内产生磁场，进而使管坯内的磁流变脂转化为类固体；之后控制增压泵使充液管向管坯内持续通液加压，在管胚内形成软芯模；同时控制压力装置根据设定的压力-位移曲线驱动冲头逐步压下；在冲头压制和软芯模共同作用下，管胚的管壁局部产生塑料变形，并与冲头紧密贴合，并当冲头加载至设定位置后停止移动，得到成形管件；其中，在压制以及保压阶段，保持上模具、下模具和充液管位置不变；充液管与溢流阀连接起到保压溢流作用。

卸载退模，具体为：

当成形管件制备完毕后，保持抗磁充液管和冲头不变，关闭抗磁充液管上的溢流阀，卸载排液；当成形管件内腔的压力释放后，关闭电磁装置，使类固态重新转化为液体，继续排液，直至排净停止；最后，撤去左密封盖和右密封盖，控制冲头上移回位，控制上模具和下模具分模，取出成形管件。

流程图说明：

步骤一：初始状态模具处于开启状态，电磁装置10处于关闭状态，将初始矩形截面得管坯6放入下模具7中，上模具2与下模具7合模，并限定合模位置。然后，左右两端用左密封盖3和右密封盖9封住端口，通过压力装置给定轴向压力N₀确保封口端位置固定。通过左端密封盖3的注液通孔4，注入磁流变脂(液态)8，通过增压泵控制充液压力p₀，满足注入需求即可，一般不高于0.3MPa，如图3-4所示。其中，P:合模压力；p₀:充液压力；N₀:轴向压力。

步骤二：充液完毕后，使冲头1处于合模位置，如图5和6所示。此时，开启电磁装置10在模具内生成磁场，在磁场的作用下磁流变脂迅速向“类固态”转变。通过调整电磁装置10的电流大小来改变磁流变脂的“类固态”转化的程度，转化程度可根据成形管件材质、局部成形特征等要求确定。一般情况下，充液口设置为保压溢流，也可以根据工艺需求实时控制充液(或排液)压力，从而适应局部冲压的“软芯模”需求。通过压力装置控制冲头1逐步压下，在冲头1和“软芯模”的共同作用下，管壁局部产生塑性变形，并与冲头1紧密贴合，如图7-8所示。其中，图中，11为磁流变脂的类固态；F₀、F₁:冲头压力；p₁:充液压力。

步骤三：冲压完成后，冲头1压下位置保持不变，充液口卸载，关闭电磁装置10使“类固态”介质转变为液态，使排液通常，随即冲头1上移回位到如图9-10所示位置。排液完成后，撤去左右密封盖，分模，并取下已成形管件，如图11-10所示。至此，所有工序全部完成。其中，图中，F₂：冲头压力；p₂：排液压力。

本发明采用磁流变脂进行局部冲压关键创新点如下：

(1)由于磁流变脂在磁场条件下由液态转化成类固态形成“软芯模”，故在对薄壁管材进行局部冲压过程中实际上起到了支撑作用，能够避免加工部位和附近区域出现凹陷、开裂、贴模不紧等成形缺陷。磁流变脂性能稳定，液固连续转化性能好，易于充液和卸载，压力建立方便。

(2)局部成形过程中，冲头和磁流变脂形成的“软芯模”始终包覆于管壁的外内表面，在“软芯模”的垂直压力作用下变形管料逐步变形贴模，这种成形方式和受力状态，能够有效的抑制变形区回弹的产生。

与现有技术相比，具有以下优点：

1.对薄壁管材或空心截面构件进行表面局部冲压时，在冲压型面附近易产生凹陷、在复杂转角部位不易贴模或产生裂纹等，这些成形缺陷主要是因为制件局部冲压时内部无法支撑而造成的，本发明采用磁流变脂在不同磁场强度下状态不同的这种特性流体作支撑，即实现了“软芯模”的作用，又可以避免上述成形时效情况的发生。同时，由于磁流变脂“软芯模”的紧密包覆压力作用，可以有效地抑制成形区域的回弹，从而提高成形精度。

2.当前在对薄壁管材进行加工时由于管壁较薄，刚度较差，所以管材在模具中的加持固定方法显得尤为重要。本发明采用上下模的结合以及管内磁流变脂的内部压力与冲头的外部压力的结合使模具更加简单且易于操作。

综上，本发明利用磁流变脂在磁场作用下的液固可逆转换特性，将磁流变脂充满管件内腔，在压力和磁场固化的共同作用下形成“软芯模”，为管件局部冲压成形提供支撑作用。以此，克服空心管件局部冲压成形中，基体刚度不足，容易产生凹陷等变形缺陷的问题。同时，磁流变脂是以液态存在的，作为管腔内的填充压力介质，方便填充、卸载和回收，环保又可重复使用。通过施加磁场可以将磁流变脂转化为固态，作为支撑凹模在局部冲压成形时受压而产生内压力，一方面为局部成形区域提供“包覆”压力，使得成形精确，成形区域周边不易产生凹陷变形；另一方面，被固化的磁流变脂承压，在简易的管端密封处不易产生渗漏现象，内压方便建立。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。