一种基于磁流变弹性体的管材变轴线成形装置及成形方法

摘要

本发明公开了一种基于磁流变弹性体的管材变轴线成形装置及成形方法，属于管材成形技术领域。所述成形装置包括模具、冲头、管坯、磁流变弹性体与电磁铁，该方法使用磁流变弹性体替代聚氨酯、金属颗粒以及芯棒等填充物，根据外加磁场可改变磁流变弹性体表面粗糙度以及弹性模量的特点，通过这种具有磁场控制的管材变轴线成形装置，调控管材内部压力，通过改变磁流变弹性体磁性粒子的浓度，调节管材弯曲内外侧与填充物的摩擦力。根据零件的弯曲半径、管坯直径及壁厚等特点，可通过柱塞的进给与外加磁场之间的配合，有效保证零件成形效果。

说明书

技术领域

本发明涉及管材成形技术领域，具体为一种基于磁流变弹性体的管材变轴线成形装置及成形方法。

背景技术

近年来，航空航天、核能工程以及汽车工程等行业快速发展，对高性能轻量化金属管类零件的需求日益增多。管类零件的传统成形技术包括绕弯工艺、压弯工艺、滚弯工艺与拉弯工艺等，然而这些工艺都存在各自的局限性，限制其应用范围。在面对一些具有大口径、相对壁厚小、相对弯曲半径小特征的管类零件时，成形后的弯管可能存在弯曲外侧过度减薄、内侧起皱、横截面畸变等缺陷。

中国发明专利CN 110576089 A公开了一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，采用两侧保压冲头进给来实现内压控制，通过对推头控制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态。但是这种方法所需两冲头不在一个方向上，需增加额外装置达成实验条件，从而增大了生产成本。

发明内容

为了解决现有技术在管材弯曲工艺中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种基于磁流变弹性体的管材变轴线成形装置及成形方法，采用磁流变弹性体作为管材成形过程中的内填充物，通过电磁铁和冲头的配合，改变管材变形过程中的应力状态，实现管类零件的变轴线成形。其中磁流变弹性体可以通过预制，使其局部磁性粒子的浓度不同，进而差异化管坯局部受力，控制材料的局部流动能力。该方法相比于传统绕弯工艺和压弯工艺效率有了提高，而且可以有效提高管材的成形性能，进一步改善成形后零件的厚度分布。对于一些具有大口径、相对壁厚小、相对弯曲半径小特征的弯管类零件，可能需要多道次工序，该方法则能减少工序，并且能够保证零件的表面质量，提高零件刚度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于磁流变弹性体的管材变轴线成形装置，包括模具、冲头、管坯、磁流变弹性体与电磁铁；其中：所述模具包括前模与后模(合模方式为分瓣合模)，前模与后模呈镜面对称结构，合模后内部形成管材弯曲型腔；所述冲头水平放置，进给方向为水平方向；所述磁流变弹性体贴合于待成形管坯内壁放置；所述管坯的一端封合，冲头推动管坯内的磁流变弹性体使其贴合于封合的管坯端，管坯内部压力由磁流变弹性体提供；所述电磁铁为两个，分别设置于型腔与模具的上方和下方。

所述电磁铁尺寸与模具相当，其产生磁场作用范围大于成形装置工作区域；电磁铁所输入电流大小为0-30A，在模具型腔内产生的磁感应强度范围为0-2T。

所述磁流变弹性体的形状与模具型腔相适应，磁流变弹性体中的磁性粒子为羟基铁粉或羰基铁粉等具有铁磁性的微米尺度颗粒；磁流变弹性体中的磁性粒子浓度范围为0％-80％，其浓度分布方式为各部分均一浓度或者是局部变浓度；当磁流变弹性体中磁性粒子为局部变浓度分布时，磁性粒子分布方式为上下分布(上部和下部浓度不同)或左右分布(左部和右部浓度不同)等形式。

所述模具和冲头的材质为高温合金、奥氏体不锈钢或铝合金等无磁性金属材料。

所述冲头为等直径冲头或阶梯式冲头，若为阶梯式冲头则其最大直径小于模具型腔直径。所述阶梯式冲头，其外径大小变化范围为10-300mm，内径小于外径1-8mm。

所述管坯长度L应大于模具型腔弯曲段中轴弧线长度与成形后弯管两端直线段长度之和。

利用所述成型装置进行的基于磁流变弹性体的管材变轴线成形方法，包括如下步骤：

(1)准备待成形管坯：管坯长度应该大于型腔弯曲部分中轴弧线长度与成形后弯管两端直线段长度之和，管坯一端采用焊接的方式进行封合；

(2)根据管材弯曲结构特点以及管材相对弯曲半径，调整磁流变弹性体内部磁性粒子的分布方式与分布浓度；

(3)将步骤(2)中的磁流变弹性体放置于管坯内部，再将管坯放置于模具型腔之中，随后模具合模；

(4)冲头中心对准磁流变弹性体中心，推动管坯移动，与此同时，施加磁场，根据弯管结构特征及变形特点，实时改变磁流变弹性体的性能；通过磁场与冲头进给的配合，使管材在型腔中逐步变形；

(5)退出冲头，打开模具，取出成形后的零件。

本发明设计机理如下：

磁流变弹性体是一种具有磁性粒子添加物的高分子聚合材料，相比于它的基体材料，可通过施加磁场改变磁流变弹性体的性能。就磁流变弹性体表面粗糙度而言，在磁场作用下，磁流变弹性体中的磁性粒子易形成磁偶极子对，并且产生相互作用力，导致磁流变弹性体表面发生微观变化，从而改变表面粗糙度。在管材弯曲变形过程中，使用可调控表面粗糙度的磁流变弹性体作为内填充物，可实现实时调节磁流变弹性体与管材之间的摩擦力的功能，进而改善材料的流动性，避免出现过度减薄的缺陷。同时，在磁场作用下，磁流变弹性体弹性模量发生改变，实现实时调节管材内部压力的功能。

本发明有益效果如下：

1、相比于传统的内填充物管材弯曲成形工艺，本发明采用磁流变弹性体作为内填充物，可实现实时控制内填充物弹性模量以及表面摩擦度的功能。根据弯曲管材的壁厚、直径和相对弯曲半径等参数，通过改变外加磁场大小，实时改变管材在弯曲过程中的应力状态，从而精确控制管材弯曲变形。

2、本发明装置简单，磁场调控内填充物反应迅速，有效地降低了生产成本，缩短了工艺流程，成形效率高，且成形后的板类零件表面质量好，成形精度高。

3、本发明可根据管材结构制订相应的局部不均匀磁性粒子浓度的磁流变弹性体填充物，从而改变局部范围磁流变弹性体的摩擦系数及弹性模量，使得材料更易向变形量大、减薄明显的位置流动，有效防止零件厚度过度减薄，增加成形后零件的强度和刚度。

附图说明

图1为本发明的变轴线成形装置示意图，此时型腔与模具合模，管材未发生变形。

图2为本发明的变轴线成形过程示意图，此时管材在模具型腔弯曲部位变形。

图3为本发明的变轴线成形过程示意图，此时管材完全进入模具型腔弯曲。

图中：1-模具；2-冲头；3-管坯；4-高密度磁流变弹性体；5-低密度磁流变弹性体；6-电磁铁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。但是本发明并不限于下述一种零件的变轴线成形，对于具有同种类型不同结构特征和尺寸的管类零件同样适用。

本发明基于管材推弯成形工艺进行改进，采用磁流变弹性体作为内填充物，并在模具外部增加电磁铁，通过磁场与冲头的配合作用，完成零件的变轴线成形工作。本发明提的管材变轴线成形装置结构如图1所示，该成形装置包括模具1、冲头2、管坯3、磁流变弹性体与电磁铁6；其中：所述模具包括前模与后模(合模方式为分瓣合模)，前模与后模呈镜面对称结构，合模后内部形成管材弯曲型腔；所述冲头水平放置，进给方向为水平方向；所述磁流变弹性体贴合于待成形管坯内壁放置；所述管坯的一端封合，冲头推动管坯内的磁流变弹性体使其贴合于封合的管坯端，管坯内部压力由磁流变弹性体提供；所述电磁铁为两个，分别设置于型腔与模具的上方和下方。

所述电磁铁尺寸与模具相当，其产生磁场作用范围大于成形装置工作区域；电磁铁所输入电流大小为0-30A，在模具型腔内产生的磁感应强度范围为0-2T。

所述磁流变弹性体的形状与模具型腔相适应，磁流变弹性体中的磁性粒子为羟基铁粉或羰基铁粉等具有铁磁性的微米尺度颗粒；磁流变弹性体中的磁性粒子浓度范围为0％-80％，其浓度分布方式为各部分均一浓度或者是局部变浓度；当磁流变弹性体中磁性粒子为局部变浓度分布时，磁性粒子局部浓度分布方式为上下不同分布方式，如图1所示，管坯上半部为高密度磁流变弹性体(即磁性粒子浓度偏高)4，管坯下半部为低密度磁流变弹性体(即磁性粒子浓度偏低)5；或者，磁性粒子分布方式为左部和右部浓度不同等形式。

所述模具和冲头的材质为高温合金、奥氏体不锈钢或铝合金等无磁性金属材料。

所述冲头为等直径冲头或阶梯式冲头，若为阶梯式冲头则其最大直径小于模具型腔直径。所述阶梯式冲头，其外径大小变化范围为10-300mm，内径小于外径1-8mm。

所述管坯长度L应大于模具型腔弯曲段中轴弧线长度与成形后弯管两端直线段长度之和。

实施例1

本实施例为利用图1中的成形装置进行管材弯曲成形方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：对管坯3进行下料，管坯长度应该大于型腔弯曲中轴弧线长度与成形后弯管两端直线段长度之和，管坯一端可以采用焊接的方式进行封合。由于管材外侧在弯曲过程中受拉减薄，为避免过度减薄发生破裂，可适当增加管材外侧材料。

步骤2：根据管材成形特点以及管材相对弯曲半径设计磁流变弹性体内部磁性粒子的分布方式与分布浓度。例如可以将磁流变弹性体设计成内密外疏的类型，这样低密度磁流变弹性体5在磁场下的表面粗糙度高于高密度磁流变弹性体4，从而有助于管材外侧材料的流动，避免管材减薄。

步骤3：将进行步骤(2)所得到的磁流变弹性体放置于管坯内部，再将管坯放置于模具型腔之中，随后模具1合模。

步骤4：冲头2直径等于管材内径，冲头2中心对准磁流变弹性体中心，推动管坯3向右移动，与此同时，电磁铁6施加磁场，根据弯管结构特征及变形特点，改变外加磁场大小，控制磁流变弹性体的弹性模量及泊松比。由于冲头最大直径与管坯接触后，磁流变弹性体会保持固定的应变，所以改变其弹性体模量可控制其应力大小，进而实时调节管材内部压力大小。通过这种磁场与冲头进给的配合，使管材在型腔中逐步变形。

步骤5：退出冲头2，打开模具1，取出成形后的零件。

本实施例成形出的零件内表面光滑，相较于颗粒填充推弯管材，本方法不会对管材内表面造成损伤。另外，通过合理调控磁场大小，成形出的管材弯曲内侧增厚率下降(内侧增厚率小于30％)，弯曲外侧减薄率下降(外侧减薄率小于30％)，壁厚分布均匀，且无起皱现象。