專利名稱：磁致介質加壓的板材充液拉深成形裝置及方法
技術領域：
本發明涉及利用磁性介質提高板材拉深成形極限的加工裝置及方法。屬于充液拉深技術領域。
背景技術：
板材成形是一種金屬空心構件加工及制造所廣泛應用的技術手段，也是武器裝備發展過程中的重要環節，更是衡量國家軍事科技發展水平的關鍵組成部分之一。目前，板材成形技術在航空航天、汽車、兵器及造船業等領域中均占有非常顯著的地位。據不完全統計，板材零件在航空工業的用量分別為戰斗機中超過I萬件/架，轟炸機達4萬件/架以上，大型運輸機和干線客機中達6萬件/架之多，占整架飛機零件總數量的50%，加工時間占總耗時的20%左右，由此可知，板材零件對飛機的制造周期及成本均有著重要影響。隨著節能減排需求的日益突出，采用鋁合金、鎂合金等輕質結構材料成為實現輕量化的首選途徑之一。但鋁合金等輕質材料的硬化指數η值、各向異性指數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瓶頸。板材液壓成形就是順應這種需求而發展起來的一種先進柔性加工方法，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、難成形的輕質板材零件制造。板材充液拉深主要是依靠液室壓力作用來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滑，緩解凸模圓角處坯料徑向拉應力來提高板材的成形極限。而對于高徑比大、輕質低塑性材料的曲面零件而言，過大的液室壓力會導致成形初期懸空區的破裂，因此，單純通過增大液室壓力來實現此類零件的成形仍較為困難。如采用多道次充液拉深成形對零件質量造成累積影響且周期長、廢品率也較高。進入二十世紀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不斷涌現并使零件的成形極限得到有效提高。但上述方法在生產實踐中鮮有應用，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有充液拉深技術基礎上，在法蘭區部位或板料上側輔以獨立可控的徑向壓力或背壓力來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較小，可控徑向加壓充液拉深時徑向壓力的作用面積受到限制；充液反拉深則需增加預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構復雜且效率較低；變薄充液拉深的工藝要求較高等，上述工藝技術對生產效率不高的板材液壓成形技術而言，增加了工裝制造的難度及繁瑣的中間處理工序。因此說，傳統板材充液拉深成形的傳力介質主要為乳化液和水的混合物且為了實現法蘭區處的溢流潤滑效果常采用無密封結構形式。但隨著成形過程的進行，溢流壓力逐漸低于液室腔內壓力，進而使板材在法蘭部位易出現環向起皺缺陷且法蘭區處板材易增厚，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。
發明內容
本發明為了解決傳統板材充液拉深成形中為實現溢流潤滑而不使用密封圈時導致法蘭區(壓邊圈與凹模之間間隙)溢流壓力減小而產生起皺及變形均勻性差等技術問題，進而提供了磁致介質加壓的板材充液拉深成形裝置及方法。本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是一種磁致介質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，凸模可穿過壓邊圈帶動板坯下行進入凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔內，第一線圈設置在凹模與壓邊圈所形成的法蘭區外側周圍，第二線圈設置在下柱塞的拉桿上，磁控單元用于控制第一線圈、第二線圈所產生的磁場大小，進而分別控制法蘭區內磁致介質的粘度、液室腔內磁致介質的粘度。一種利用上述成形裝置的磁致介質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現的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態的磁致介質，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模總深度H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注滿上述磁致介質；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生的磁場強度發生改變，使液室腔內磁致介質分布狀態發生變化進而改變液室腔內磁致介質的粘度；使磁致介質起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元控制壓邊圈處第一線圈所產生的磁場強度發生改變，使法蘭區內磁致介質也發生變化進而改變法蘭區內磁致介質的粘度；使法蘭區內溢流壓力保持在與液室腔內壓力一致，(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動；步驟十、移除凸模，通過磁控單元卸去不同部位的磁場；移去壓邊圈，取出充液拉深成形工件。本發明的有益效果是本發明采用磁性介質代替乳化液和水的混合物在板材零件充液拉深成形過程中進行傳力，解決了傳統板材液壓成形中為實現溢流潤滑而不使用密封圈時導致法蘭區溢流壓力減小而產生起皺及變形均勻性差等技術瓶頸。首先將液室腔內倒入一定量的磁性介質，放上板坯后下移壓邊圈，此時通過磁場分別調控法蘭處(法蘭區)和液室腔內磁性介質粘度及壓力值，將沖頭下移，直至板件成形。從方法原理看，本發明與傳統充液拉深成形、乃至粘性介質的板材脹形都有很大區別傳統充液拉深成形所用的介質是一種流固耦合介質，充液拉深是液壓油；粘性介質的板材脹形所用的粘性介質是高分子聚合物。但磁性介質作為充液拉深(等板材液壓成形方法)的傳力介質，至今尚未有報道。從本發明所記載的技術方案和本發明所述裝置的結構本身來看，本發明所述及的磁致介質是與剛性凸模配合使用的，磁致介質起到柔性背壓作用，可以說磁致介質是起到了凹模的作用。而且法蘭區的磁致介質還避免了該部位因不用密封圈而使溢流壓力降低產生起皺的缺陷。本發明適于板材的充液拉深成形。該方法所述優點如下一、與乳化液和水的混合物相比，磁性介質更易于密封；
4二、在磁場作用下磁性介質分布狀態能夠發生改變，通過磁控單元可以有效調節液室腔內磁性介質的粘性，粘附力可促進板材室溫成形極限的提高；三、磁場調控與下活塞運動相配合，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，隨著成形過程的進行，通過磁控單元調節其大小，促進板件室溫成形極限的提高(同比條件下，本發明較傳統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，本發明較傳統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、在可控磁場作用下與法蘭部位的溢流方向呈垂直排布，提高成形時法蘭區的溢流壓力，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是本發明所述的磁致介質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是另一幅本發明所述的磁致介質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是現有技術中充液拉深時無密封圈的拉深裝置結構示意圖；圖4是現有技術中充液拉深時有密封圈的拉深裝置結構示意圖；圖3和圖4體現了充液拉深的流體潤滑(缺點是無法精確控制充液室壓力)與無流體潤滑狀態。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I 2所示，本實施方式所述的磁致介質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，凸模I可穿過壓邊圈3帶動板坯9下行進入凹模2與下柱塞4所形成的封閉的液室腔5內，第一線圈6設置在凹模2與壓邊圈3所形成的法蘭區10外側周圍，第二線圈7設置在下柱塞4的拉桿上，磁控單元8用于控制第一線圈6、第二線圈7所產生的磁場大小，進而分別控制法蘭區10內磁致介質的粘度、液室腔5內磁致介質的粘度。
具體實施方式
二 如圖I 2所示，本實施方式為利用具體實施方式
一所述成形裝置的磁致介質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現的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態的磁致介質，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內注滿上述磁致介質；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所產生的磁場強度發生改變，使液室腔5內磁致介質分布狀態發生變化進而改變液室腔5內磁致介質的粘度；使磁致介質起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元8控制壓邊圈3處第一線圈6所產生的磁場強度發生改變，使法蘭區10內磁致介質也發生變化進而改變法蘭區10內磁致介質的粘度；使法蘭區10內溢流壓力保持在與液室腔5內壓力一致，(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同步做后退運動；步驟十、移除凸模1，通過磁控單元8卸去不
5同部位的磁場；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內磁致介質分布狀態發生變化過程為充液拉深成形初期粘度先增大，末期逐漸減小；充液拉深成形初期使粘度增大，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裂)；在步驟七中、使法蘭區10內磁致介質也發生變化過程為充液拉深成形初在較高粘度時保壓一段時間，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間較利于防止溢流潤滑壓力的減小，且即使無密封圈也能起到溢流潤滑的作用，成形末期板材基本都隨凸模拉深進凹模之中，使粘度減小是為了更易于板料的拉伸成形。
具體實施方式
三本實施方式在步驟一中所述磁致介質按質量份數比由7份羰基鐵粉、2份合成油或乙二醇、I份表面活性劑組成。其它步驟與具體實施方式
二相同。這樣組分的磁致介質在磁場作用下的分布狀態所引起的粘稠程度更利于調控，如固相率(羰基鐵粉含量)過高，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)過低，則難以實現提高壓邊圈處的溢流壓力的效果。上述組分的磁致介質使其“柔性”背壓的作用和壓邊圈處的溢流壓力效果達到最佳。
權利要求
1.一種磁致介質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， 凸模(I)可穿過壓邊圈(3)帶動板坯(9)下行進入凹模(2)與下柱塞(4)所形成的封閉的液室腔(5)內，第一線圈(6)設置在凹模(2)與壓邊圈(3)所形成的法蘭區(10)外側周圍， 第二線圈(7)設置在下柱塞(4)的拉桿上，磁控單元(8)用于控制第一線圈(6)、第二線圈(7)所產生的磁場大小，進而分別控制法蘭區(10)內磁致介質的粘度、液室腔(5)內磁致介質的粘度。
2.一種利用權利要求I所述成形裝置的磁致介質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現的；步驟一、制備所需的流固耦合狀態的磁致介質，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)內注滿上述磁致介質；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)所產生的磁場強度發生改變，使液室腔(5)內磁致介質分布狀態發生變化進而改變液室腔(5) 內磁致介質的粘度；使磁致介質起到柔性背壓作用；步驟七、利用磁控單元(8)控制壓邊圈(3)處第一線圈(6)所產生的磁場強度發生改變，使法蘭區(10)內磁致介質也發生變化進而改變法蘭區(10)內磁致介質的粘度；使法蘭區(10)內溢流壓力保持在互液室腔(5)內壓力一致；步驟八、凸模(I)下移帶動板料(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)同步做后退運動；步驟十、移除凸模(I)，通過磁控單元(8)卸去不同部位的磁場；移去壓邊圈(3)，取出充液拉深成形工件。
3.根據權利要求2所述的磁致介質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按質量份數比由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
磁致介質加壓的板材充液拉深成形裝置及方法。屬于充液拉深技術領域。為了解決傳統板材液壓成形中為實現溢流潤滑而不使用密封圈時導致法蘭區溢流壓力減小而產生起皺及變形均勻性差等技術問題。凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔用于容納磁致介質，凸模可穿過壓邊圈帶動板坯下行進入凹模與下柱塞所形成的封閉的液室腔內，第一線圈設置在凹模與壓邊圈所形成的法蘭區外側周圍，第二線圈設置在下柱塞的拉桿上，磁控單元用于控制第一線圈、第二線圈所產生的磁場大小。首先將液室腔內倒入一定量的磁性介質，放上板坯后下移壓邊圈，此時通過磁場分別調控法蘭處和液室腔內磁性介質粘度及壓力值，將沖頭下移，直至板件成形。本發明適于板材的充液拉深成形。
文檔編號B21D26/021GK102921790SQ20121048654
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者李峰, 苑世劍, 張鑫龍, 隋小沖 申請人:哈爾濱理工大學