一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形装置及方法

技术领域

本发明属于板材成形技术领域，具体涉及一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形装置及方法。

背景技术

近年来，航空航天及汽车等领域中轻质合金复杂薄壁构件的应用日益广泛，在提升装备轻量化、高可靠性方面起到了重要作用。然而，轻质合金自身的低塑性和复杂构件的变形程度大，局部特征多等特点，变形过程局部应力差异明显，变形程度大，导致常规工艺在成形中非常容易出现破裂、起皱等问题。

研究表明，高速率成形可有效提高板材的成形性。板材冲击液压成形技术即是一种高应变速率成形技术，在加工过程中同时具有动态冲击加载和液体柔性作用两大特性，具有冲击能量大、成形极限高、成形零件质量高等优点。然而，冲击液压成形设备结构复杂，冲击液压成形技术中采用水或液压油等作为传力介质，液体容易泄露；同时根据帕斯卡原理，型腔内液体压力处处相等。而复杂薄壁件成形时不同区域的压力需求是不同，二者之间是矛盾的，因此难以为板材成形过程中不同区域提供合适的应力状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形装置及方法，解决了现有成形方法难以为板材成形过程中不同区域提供合适的应力状态的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形装置，包括电磁脉冲发生单元、驱动板、柱塞、压边圈、介质仓、磁场辅助装置、线圈和凹模；

压边圈设在介质仓上端，凹模设置于介质仓的下端，板材放置在介质仓与凹模之间；

介质仓与板材之间的空腔内填充有磁流变液，线圈套设在介质仓外部；

柱塞放置于介质仓空腔上端，驱动板放置于柱塞上端面，电磁脉冲发生单元位于驱动板上端；

成形初期，磁场辅助装置设置在柱塞底部外围；成形后期，磁场辅助装置设置在柱塞的底部中心处。

进一步，柱塞包括一体连接的下段、中间段和上段，下段的直径与介质仓的内径相同，中间段的直径小于下段和上段；

中间段的长度范围在200mm～300mm。

进一步，凹模上设置有排气孔。

进一步，介质仓与凹模以及柱塞之间设有密封圈。

进一步，柱塞、压边圈、介质仓、凹模的材质为无磁钢，磁场辅助装置为电工纯铁，驱动板的材质为紫铜。

进一步，磁流变液包括甲基硅油、羟基铁粉和稳定剂；其中，羟基铁粉的体积分数为30％～50％。

本发明还公开了一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形方法，包括以下步骤：

S1：根据待成形零件形状，加工相应匹配的凹模；

在柱塞下侧沿环形边缘安装多个磁场辅助装置，将柱塞安装于介质仓内；

S2：对压边圈施加压边力夹紧板材，线圈内通入电流，在磁场辅助装置作用下，在型腔内产生非均匀的磁场分布，使得磁流变液在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数；

S3：电磁脉冲发生单元充电后放电，强脉冲电流通过工作线圈产生强大的瞬时磁场，驱动板产生向下的冲击力并冲击柱塞，柱塞向下运动并挤压磁流变液，促使板材在磁流变液压力下变形进入凹模中，使得板材与凹模部分贴合，完成预成形；

S4：拆卸S1安装的磁场辅助装置，在柱塞的底部中心重新安装磁场辅助装置，调整线圈内通入的电流，在磁场辅助装置作用下，在型腔内产生非均匀的磁场分布，使得磁流变液在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数；

S5：调整电磁脉冲发生单元放电，使得驱动板再次冲击柱塞，柱塞高速下行挤压磁流变液，形成软模，挤压板材，使得板材与凹模完全贴合，达到成形要求。

进一步，S2中，本构关系参数包括强度系数k和应变速率敏感指数m，磁流变液在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数，具体为：

中心区域强度系数k1的范围为0.02～0.15，中心区域应变速率敏感指数m1的范围为0.55～0.65；

边缘区域强度系数k2的范围为0.20～0.30，边缘区域应变速率敏感指数m2的范围为0.45～0.55；

其中，强度系数k与磁场强度B的关系为K＝0.033+1.569·B-2.101·B

应变速率敏感指数m与磁场强度B的关系为m＝0.644-1.362·B+3.423·B

进一步，S4中，本构关系参数包括强度系数k和应变速率敏感指数m，磁流变液在型腔中心和边缘具有不同的本构关系参数，具体为：

中心区域强度系数k1的范围为0.20～0.30，中心区域应变速率敏感指数m1的范围为0.45～0.55；

边缘区域强度系数k2的范围为0.02～0.15，边缘区域应变速率敏感指数m2的范围为0.55～0.65；

其中，强度系数k与磁场强度B的关系为K＝0.033+1.569·B-2.101·B

应变速率敏感指数m与磁场强度B的关系为m＝0.644-1.362·B+3.423·B

进一步，S5中，当成形零件存在一个或多个局部特征区域时，根据成形零件的几何特征增加冲击次数，电磁脉冲发生单元的放电能量范围为2～15kJ。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形装置，包括电磁脉冲发生单元、柱塞、介质仓、磁场辅助装置、线圈和凹模；介质仓与板材之间的空腔内填充有磁流变液，线圈套设在介质仓外部。在线圈和磁场辅助装置的作用下，可以在成形区域获得非均匀的阶梯型变化磁场，进而实现软模性能的可控调节，使得磁流变液在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数；磁场辅助装置位于软模内部，磁场调控作用更强，非均匀磁场调控范围更广。该装置能实现磁场、力场、脉冲电流的耦合加载，并避免相互装置之间的干涉。本装置采用电磁脉冲力作为能量来源，能源利用率高，电磁脉冲发生单元用于产生强脉冲电流，促使柱塞挤压磁流变液，完成预变形；磁场辅助装置位置可调，根据需要移动磁场辅助装置，二次成形。

进一步地，磁流变液包括甲基硅油、羟基铁粉和稳定剂；其中，羟基铁粉的体积分数为30％～50％，该体积分数的磁流变液具有良好的力学性能调控区间，是一种良好的力学传递介质，合适的体积分数具有有益的力学传递特性和调控范围。羟基铁粉的体积分数太小，力学性能调控范围小；羟基铁粉的体积分数过大，过度饱和，出现粒子团聚、混合不均现象。

进一步地，柱塞的传力段应该有足够的长度，其范围应该在200mm～300mm，其目的主要是为了防止电磁脉冲发生单元和线圈之间发生磁场干扰。

进一步地，凹模下端设置有排气孔，该排气孔可以根据零件的小特征区域进行增减和排列，其目的是为了防止凹模内空气产生反作用力进而破坏板材应力状态。

进一步地，介质仓与凹模以及柱塞之间分别设有密封圈，其目的是为了提高设备密封性能，阻止磁流变液溢出。

进一步地，柱塞、压边圈、介质仓、凹模的材质为无磁钢，保证线圈产生的磁场能够通过磁流变液，进而改变其流变性能；磁场辅助装置为电工纯铁，保证磁场可以灵活地局部集中；驱动板的材质为紫铜，保证电磁脉冲发生单元能够将电磁力转换为柱塞的冲击力。

本发明公开了一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形方法，可以根据成形构件局部小特征的形貌，通过一次或者多次电磁冲击加载，电磁冲击加载间隙通过调整线圈与磁场辅助装置进而改变局部磁流变液力学性能，控制磁流变液产生不同力学性能的软模，让具有小特征的零件成形分阶段且精密成形。本发明可以实现高应变速率与可控软模耦合作用下板材的精密成形，从材料内部利用高应变速率下材料的塑性提升，从外部为板材变形不同区域提供合适的软模应力状态，调控其变形，内外结合实现零件的精密成形。分区域的软模性能调控可以有效的缓解高速冲击所带来的局部应力集中，成形零件壁厚分布更均匀，减小冲击后板材小特征区的回弹。

进一步地，S2中，磁流变液在型腔中心和边缘具有不同的本构关系参数，其中，中心区域强度系数k的范围为0.02～0.15，应变速率敏感指数m的范围为0.55～0.65，边缘区域强度系数k的范围为0.20～0.30，应变速率敏感指数m的范围为0.45～0.55，在该阶段，线圈提供磁流变液转换力学性能的磁场，磁场辅助装置控制磁流变液中心及边缘本构关系，实现磁流变液的局部力学性能调控。

进一步地，S4中，磁流变液在型腔中心和边缘具有不同的本构关系参数，其中，中心区域强度系数k的范围为0.20～0.30，应变速率敏感指数m的范围为0.45～0.55，边缘区域强度系数k的范围为0.02～0.15，应变速率敏感指数m的范围为0.55～0.65，在该阶段，线圈提供磁流变液转换力学性能的磁场，磁场辅助装置控制磁流变液中心及边缘本构关系，实现磁流变液的局部力学性能调控。

进一步地，S4中，一次成形过程中可以进行多次冲击，当零件底部存在一个或者多个小特征区域时时，可以进行增加冲击次数来使得板材成形；该类存在小特征区域零件，零件整体应力状态不均衡，存在一个或多个危险应力点和面，多次冲击可以有效控制板件成形的回弹现象，并使得板材完全成形；电磁脉冲发生单元的放电能量范围为2～15kJ，该放电能量范围既能够提供板材成形所需的适当成形力，又可以提供相应的成形速率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施实例1的壳形凸底零件成形装置装配完成时主视图；

图3为实施实例1的壳形凸底零件成形装置中间状态主视图；

图4为实施实例1的壳形凸底零件中间过程受力关系图；

图5为实施实例1的壳形凸底零件成形完成时刻装置主视图；

图6为实施实例1的壳形凸底零件成形完毕时刻受力关系图。

图中：1、电磁脉冲发生单元；2、驱动板；3、柱塞；4、压边圈；5、密封圈；6、介质仓；7、磁场辅助装置；8、磁流变液；9、线圈；10、板材；11、凹模。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例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为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，为实现本发明的一套具体装置，以此为例对本发明的板材高应变速率-可控软模耦合精密成形方法进行具体解释，不构成对本发明的限定，本发明的方法能够利用任何能够实现其分步功能的现有装置来实现。

该装置包括电磁脉冲发生单元1、驱动板2、柱塞3、压边圈4、介质仓6、磁场辅助装置7、线圈9和凹模11；压边圈4设在介质仓6上端，凹模11放置于介质仓6的下端，介质仓6与板材10之间的空腔内填充磁流变液8，线圈9套设在介质仓6外部；柱塞3放置于介质仓6空腔上端，柱塞3下侧安装磁场辅助装置7，驱动板2放置于柱塞3上端面，电磁脉冲发生单元1位于驱动板2上端。

凹模11下端设置有排气孔，排气孔的直径范围为0.5mm～3mm，该排气孔可以根据零件的小特征区域进行增减和排列，其目的是为了防止凹模11内空气产生反作用力进而破坏板材应力状态。

介质仓6与凹模11以及柱塞3之间设有密封圈5。密封圈5可以采用O型密封圈。

具体地，柱塞3、压边圈4、介质仓6、凹模11的材质为无磁钢，磁场辅助装置7的材质为电工纯铁，驱动板2的材质为紫铜。

如图1所示，柱塞3包括一体连接的下段、中间段和上段，下段的直径与介质仓6的内径相同，中间段的直径小于下段和上段；柱塞3的中间段为传力段，应该有足够的长度，其范围应该在200mm～300mm，其目的主要是为了防止电磁脉冲发生单元1和线圈9之间发生磁场干扰。

本发明还公开了一种板材高应变速率-可控软模耦合精密成形方法，包括以下步骤：

S1：根据待成形零件形状，加工相应匹配的凹模11；

在柱塞3下侧沿环形边缘安装多个磁场辅助装置7，将柱塞3安装于介质仓6内；

S2：对压边圈4施加压边力夹紧板材10，线圈9内通入电流，在磁场辅助装置7作用下，在型腔内产生非均匀的磁场分布，使得磁流变液8在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数；

S3：电磁脉冲发生单元1充电后放电，强脉冲电流通过工作线圈产生强大的瞬时磁场，驱动板2产生向下的冲击力并冲击柱塞3，柱塞3向下运动并挤压磁流变液8，促使板材10在磁流变液压力下变形进入凹模11中，使得板材10与凹模11部分贴合，完成预成形；

S4：拆卸S1安装的磁场辅助装置7，在柱塞3的底部中心重新安装磁场辅助装置7，调整线圈9内通入的电流，在磁场辅助装置7作用下，在型腔内产生非均匀的磁场分布，使得磁流变液8在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数；

S5：调整电磁脉冲发生单元1放电，使得驱动板2再次冲击柱塞3，柱塞3高速下行挤压磁流变液8，形成软模，挤压板材10，使得板材10与凹模11完全贴合，达到成形要求。

本构关系参数包括强度系数k和应变速率敏感指数m，磁流变液8在型腔中具有中心和边缘具有不同的本构关系参数，S2中具体为：

中心区域强度系数k1的范围为0.02～0.15，中心区域应变速率敏感指数m1的范围为0.55～0.65；

边缘区域强度系数k2的范围为0.20～0.30，边缘区域应变速率敏感指数m2的范围为0.45～0.55；

其中，强度系数k与磁场强度B的关系为K＝0.033+1.569·B-2.101·B

应变速率敏感指数m与磁场强度B的关系为m＝0.644-1.362·B+3.423·B

S4中具体为：

中心区域强度系数k1的范围为0.20～0.30，中心区域应变速率敏感指数m1的范围为0.45～0.55；

边缘区域强度系数k2的范围为0.02～0.15，边缘区域应变速率敏感指数m2的范围为0.55～0.65；

其中，强度系数k与磁场强度B的关系为K＝0.033+1.569·B-2.101·B

应变速率敏感指数m与磁场强度B的关系为m＝0.644-1.362·B+3.423·B

下面以一个板材构件的加工过程来对本发明进行进一步的解释说明：

如图2-图4，本实施例中需要加工一种壳形凸底零件，该零件成形的难点在于其底部截面存在凸起的小特征区域，当材料凸起达到一定程度时，应力集中点减薄严重。针对壳形凸底零件，使得成形过程共分两个阶段进行冲击，两个冲击过程采用不同的磁场辅助装置7，第一阶段使得板材10初步变形并在磁场的影响下聚料，第二阶段让板材10完全贴合凹模11，并且保持一段时间的压力，以减少板材10的回弹。

具体加工步骤为：

S1：根据壳形凸底零件的形状特征，设计匹配的凹模11底面结构；

S2：如图1所示，将板材10放置于所加工凹模11上端面，将介质仓6放置于板材10上平面，将磁流变液8注入介质仓6内，在凹模11与介质仓6外侧放置线圈9，在柱塞3下侧沿环形边缘安装多个磁场辅助装置7，将柱塞3安装于介质仓6内，再放置压边圈4于介质仓6之上，柱塞3上侧放置有驱动板2，驱动板2上表面放置电磁脉冲发生单元1；

S3：如图2所示，施加压边力F，夹紧板材10，线圈9中通入电流，使得磁流变液8成为具备特定力学性能的软模，此时磁流变液8中心区域强度系数k为0.03，中心区域应变速率敏感系数m为0.65，边缘区域强度系数k为0.26，边缘区域应变速率敏感系数m为0.51；电磁脉冲发生单元1充电后放电，放电能量为15kJ，此时由于驱动板2的阻尼作用带动柱塞3高速冲击磁流变液8，磁流变液8挤压板材10，如图3所示，板材10受力并变形并形成W形底面，完成聚料预成形；零件压力分布如图4所示，P1＞P2，P3＞P2，呈现中间区域压力小，边缘区域压力大的情形，边缘部分为主变形区。

S4：如图5所示，在柱塞3的底部中心重新安装磁场辅助装置7，调节线圈9中输入的电流，使得磁流变液8成为具备特定力学性能的软模，此时磁流变液8中心区域强度系数k为0.26，中心区域应变速率敏感系数m为0.51，边缘区域强度系数k为0.03，边缘区域应变速率敏感系数m为0.65；

S5：电磁脉冲发生单元1再次充电并放电，此时由驱动板2带动柱塞3挤压磁流变液8，进而挤压板材10，使得板材10与凹模11完全贴合；零件压力分布如图6所示，P2＞P1，P2＞P3，呈现中间区域压力大，边缘区域压力小的情形，中间区域为主变形区。

S6：达到成形件的形状要求后线圈9断电，将柱塞3退回至起始位置，移除压边圈4，打开设备，取出成形好的零件。

强度系数k和应变速率敏感系数m的调整为：通过控制线圈9输入电流，如需要还可调整磁场辅助装置7的位置，进而调整磁流变液8所处位置的磁场分布，改变其性能参数。

更优地，S5中，一次成形过程中可以进行多次冲击，当零件底部存在一个或者多个小特征区域时时，可以进行增加冲击次数来使得板材10成形；该类存在小特征区域零件，零件整体应力状态不均衡，存在一个或多个危险应力点和面，多次冲击可以有效控制材料的塑性流动，并抑制零件的回弹现象，并使得板材10完全成形。

电磁脉冲发生单元1的放电能量范围为2～15kJ，该放电能量范围既能够提供板材10成形所需的适当成形力，又可以提供相应的成形速率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。