一種基于電流變液的板材拉深成形裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種板材拉深成形裝置及方法，具體涉及一種基于電流變液的板材拉深成形裝置及方法，屬于板材柔性介質(zhì)成形技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]板材柔性介質(zhì)成形就是指利用如液態(tài)的水或油、粘性介質(zhì)及固態(tài)顆粒等作為傳力介質(zhì)對(duì)板材加工成形。隨著航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)零部件在輕量化、高精度、低消耗等方面的要求也隨之提高，板材柔性介質(zhì)成形正是順應(yīng)這種需求而逐漸發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)。但由于工藝自身特點(diǎn)所限，密封困難、需要清理或傳力效果差等瓶頸制約了傳統(tǒng)介質(zhì)成形技術(shù)的推廣及應(yīng)用。
[0003]根據(jù)傳力介質(zhì)的差異，板材介質(zhì)加壓成形主要包括液壓成形、粘性介質(zhì)成形和固態(tài)顆粒成形等加載方式。板材液壓成形又可分為板材液壓脹形和充液拉深兩種。與前者相比，板材液壓成形中因具有摩擦保持效應(yīng)及流體潤(rùn)滑效果，使成形構(gòu)件的厚度分布相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言更加均勻，因此，獲得了更廣泛地應(yīng)用。
[0004]粘性介質(zhì)是一種半固態(tài)、可流動(dòng)的粘彈塑性材料，對(duì)板材成形性能的影響有別于剛模及液壓成形。除了可對(duì)被加工板材施加壓力外，還因自身具有粘附性對(duì)板材具有的切向變形產(chǎn)生作用，促使壁厚分布均勻及板材成形性的改善。
[0005]固體顆粒介質(zhì)成形是采用固態(tài)的鋼球或沙子等代替剛性模具(或彈性體、液體)對(duì)板(管)材進(jìn)行加工成形。與前兩者相對(duì)比，更易于密封。此外，德國(guó)學(xué)者M(jìn)erklein提出使用耐高溫的陶瓷顆粒代替流體作為傳力介質(zhì)，并對(duì)陶瓷顆粒自身行為特征和板材與顆粒之間的接觸情況展開了深入研究。
[0006]隨著大量冷成形性能差的新材料及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁鈑金構(gòu)件在航空航天和汽車制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，板材柔性介質(zhì)成形技術(shù)的研究需要不斷的推陳出新。因此，將電流變液作為傳力介質(zhì)對(duì)板材施加壓力是柔性成形領(lǐng)域中一個(gè)潛在的可能取得重要突破的研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有板材柔性介質(zhì)加壓成形過程中因工藝自身特點(diǎn)所限，不可避免地存在密封困難、傳力效果差或需增加后續(xù)清理工序的問題，而提供一種基于電流變液的板材拉深成形裝置及方法。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0009]裝置:所述裝置包括凸模座、凸模端子、壓邊圈、凹模、柱塞、絕緣層、電極板、電源控制單元和柱塞控制單元，壓邊圈與凹模上下正對(duì)設(shè)置，凸模端子和凸模座由下至上設(shè)置在壓邊圈的內(nèi)孔中，柱塞和電極板由下至上設(shè)置在凹模的內(nèi)孔中，凹模與電極板形成封閉的液室型腔用于容納電流變液，凹模的上端入口處設(shè)有法蘭，法蘭的直徑小于柱塞的直徑，絕緣層套裝在整個(gè)模具裝置的外側(cè)，凸模端子與電源控制單元的正極電性連接，電極板與電源控制單元的負(fù)極電性連接，柱塞與柱塞控制單元相連接。
[0010]方法:所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0011 ]步驟一、制備所需比例組分的電流變液:電流變液由分散相、分散劑和添加劑按一定體積分?jǐn)?shù)配置而成，其中分散相占10 %?50 %，分散劑占50 %?80 %，添加劑占O?10 % ;分散相為金屬氧化物、無機(jī)材料或有機(jī)和聚合物材料，分散劑為絕緣性礦物油、植物油、硅油、煤油或烴類化合物;添加劑為甘油、油酸鹽、二乙胺、磷酸鹽或聚二甲基硅氧烷類表面活性劑；
[0012]步驟二、設(shè)定電極板工作端面的初始位置:電極板的工作端面距離凸模端子下端面的距離h為凹模總深度H的二分之一；
[0013]步驟三、向液室型腔內(nèi)注入步驟一中制備好的電流變液；
[0014]步驟四、將板材放置于凹模上端面上；
[0015]步驟五、將壓邊圈下移至板材上；
[0016]步驟六、利用電源控制單元控制電場(chǎng)強(qiáng)度使之發(fā)生改變，使液室型腔內(nèi)電流變液的分布狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而改變電流變液的粘度，與此同時(shí)通過柱塞控制單元使電極板對(duì)電流變液產(chǎn)生一恒定的作用力；
[0017]步驟七、在凸模座的作用下，凸模端子下移帶動(dòng)板材拉深成形；
[0018]步驟八、完成拉深成形后，柱塞、電極板、凸模端子及凸模座同步后退撤出；
[0019]步驟九、移除凸模座及凸模端子，通過電源控制單元卸去工作區(qū)域的電場(chǎng)；
[0020]步驟十、移去壓邊圈，取出成形工件。
[0021]本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具體以下有益效果:
[0022]—、本發(fā)明裝置是通過電流變液與模具配合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)板材進(jìn)行成形，電流變液起到柔性背壓加載即代替凹模的作用。通過電流大小調(diào)控電流變液的粘度，改變其對(duì)板材的加載壓力及分布狀態(tài)，且法蘭區(qū)域處電流變液在電場(chǎng)作用下可起到密封作用，避免了成形過程中因液室壓力較大而導(dǎo)致法蘭部位易產(chǎn)生溢流的難題。
[0023]二、本發(fā)明采用組分比例適宜的電流變液代替現(xiàn)有的液態(tài)、半固態(tài)及固態(tài)等傳力介質(zhì)對(duì)板材進(jìn)行加壓成形，解決了板材液壓成形中存在的密封困難、易產(chǎn)生溢流且不能針對(duì)板件各部位形狀特征進(jìn)行可控調(diào)節(jié)相應(yīng)加載壓力的技術(shù)難題，同時(shí)也解決了介質(zhì)加壓成形增加后續(xù)清理工序和固態(tài)顆粒加壓成形時(shí)傳力效果差等不足之處。
[0024]三、本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)板材液壓成形、粘性介質(zhì)成形及固態(tài)顆粒成形等工藝存在的本質(zhì)區(qū)別在于:所用傳力介質(zhì)為電流變液，它屬于復(fù)雜液體。在外加電場(chǎng)作用下，可通過固體顆粒的極化實(shí)現(xiàn)“液態(tài)”與“固態(tài)”之間相互轉(zhuǎn)換，對(duì)電流變液的分布狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，起到正向加載和粘切的雙重作用，達(dá)到不同的傳力及施載效果，該方面研究至今尚無相關(guān)報(bào)道。
[0025]四、與水、液壓油、乳化液、粘性介質(zhì)、鋼球等常規(guī)傳力介質(zhì)相比，電流變液的性能差異很大。它是一種智能材料，在可控電場(chǎng)作用下電流變液內(nèi)部固態(tài)顆粒的分布狀態(tài)會(huì)隨之發(fā)生改變，即呈一定的方向性緊密排列，進(jìn)而達(dá)到對(duì)板材不同程度的傳力及施載作用效果O
[0026]五、在電場(chǎng)作用下電流變液的分布狀態(tài)能夠隨之發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)不同的加載要求。如在一次成形過程中，成型初期通過調(diào)大電流促使電流變液接近固態(tài)，利于法蘭處的密封，減少溢流。成形中后期調(diào)節(jié)電流適中，使電流變液粘度適宜，利于板材充分貼模，提高零件的成形精度，促進(jìn)板材成形質(zhì)量的提高。
[0027]六、電場(chǎng)調(diào)控與凸模運(yùn)動(dòng)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向加壓作用，隨著成形過程的進(jìn)行，通過調(diào)控電流改變加載力的大小，促進(jìn)板件成形極限的提高與傳統(tǒng)板材液壓成形相比，卸后板件的回彈量較小，定型性較好。
[0028]七、成形完成構(gòu)件以后，電流變液在斷電后又變?yōu)橐簯B(tài)，可直接完全回收并能重復(fù)使用，簡(jiǎn)單方便且可靠易行。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明裝置的主視剖圖(板坯9成形前)；
[0030]圖2是本發(fā)明裝置的主視剖圖(板坯9成形后)。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括凸模座1、凸模端子2、壓邊圈3、凹模4、柱塞5、絕緣層7、電極板8、電源控制單元10和柱塞控制單元11，壓邊圈3與凹模4上下正對(duì)設(shè)置，凸模端子2和凸模座I由下至上設(shè)置在壓邊圈3的內(nèi)孔中，柱塞5和電極板8由下至上設(shè)置在凹模4的內(nèi)孔中，凹模4與電極板8形成封閉的液室型腔6用于容納電流變液，凸模端子2可穿過壓邊圈3帶動(dòng)板料9下行進(jìn)入液室型腔6內(nèi)，凹模4的上端入口處設(shè)有法蘭4-1，法蘭4-1的直徑小于柱塞5的直徑，絕緣層7套裝在整個(gè)模具裝置的外側(cè)，起到絕緣、保障實(shí)驗(yàn)人員安全的目的，凸模端子2與電源控制單元10的正極電性連接，電極板8與電源控制單元10的負(fù)極電性連接，柱塞5與柱塞控制單元11相連接。通過調(diào)節(jié)電源控制單元10改變液室型腔6內(nèi)電流變液的粘度，通過柱塞控制單元11使電極板8對(duì)電流變液產(chǎn)生一恒定的作用力。
[0032]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凸模座1、壓邊圈3、凹模4和絕緣層7的材質(zhì)為絕緣材料，絕緣材料為聚四氟乙烯、陶瓷、有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂;要求絕緣耐高壓、強(qiáng)度硬度高、不易變形等。其它連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凸模端子2和電極板8的材質(zhì)為金屬、氧化物、導(dǎo)電聚合物或孔炭材料;要求導(dǎo)電、強(qiáng)度硬度高、不易變形等。其它連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0035]步驟一、制備所需比例組分的電流變液:電流變液由分散相、分散劑和添加劑按一定體積分?jǐn)?shù)配置而成，其中分散相占10 %?50 %，分散劑占50 %?80 %，添加劑占O?10 % ;分散相為金屬氧化物、無機(jī)材料或有機(jī)和聚合物材料，如二氧化鈦、三氧化二鋁、沸石型、鈣鈦型化合物、聚苯胺及其衍生物等;分散劑為絕