一種基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形裝置及方法與流程

本發明涉及一種金屬板材類柔性成形裝置及方法，具體涉及一種基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形裝置及方法。

背景技術：

金屬板材成形工藝在工業領域中占有舉足輕重的地位，隨著現代工業技術的不斷發展以及資源、環境等問題的出現，對傳統的金屬板材成形工藝提出了越來越高的要求和挑戰：一方面，要實現產品輕量化、結構整體化就需要使用壁厚更薄的金屬板材成形出形狀更復雜、尺寸精度更高、壁厚分布更均勻以及表面質量更好的零件；另一方面又要求對傳統的金屬板材成形工藝加以改進以適應高強度、低塑性、難變形材料的成形需求。為了應對這種新的發展趨勢，各種板材成形新方法相繼出現，其中金屬板材熱成形和軟模成形是發展較快的兩類工藝方法，它們分別適合于一定的板材成形范圍，在多個領域得到了較好的應用。金屬板材剛模成形可提供較大成形載荷，軟模成形可成形復雜形狀零件并且成形零件表面質量好，但是現在尚沒有一種成形工藝方法能夠兼有這兩種成形方法的優點，而且這兩種工藝方法都存在成形時金屬板材所受載荷無法適應于板材形狀而可控變化的問題，這在一定程度上限制了金屬板材成形工藝的進一步發展。

新材料的發展為解決金屬板材成形的上述問題提供了可能。剪切增稠液(shearthickeningfluid，stf)是一種將微米或納米級的顆粒分散到牛頓流體中而形成的非均質顆粒懸浮液。不同于常規的具有剪切變稀特性的非牛頓流體，剪切增稠液在剪切條件下的粘度隨著剪切速率的增大而增大。這種懸浮體系在低擾動下表現為流體狀態，當突然施加作用力時變得異常粘稠甚至展現出類固體狀態，當撤去外部力作用時重新恢復到流體狀態。由于剪切增稠液的力學性能高度非線性使其具有優異的能量吸收能力，從而在振動控制、抗沖擊、人體防護等領域具有重要的應用前景。本專利提出的基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形方法即是利用剪切增稠液的剪切增稠特性，針對所需成形零件的結構在不同的成形階段設置相應的加載速度，使板材在合適的傳力介質物態和最優的載荷下成形出所需要的形狀。

技術實現要素：

本發明的目的是為解決已有金屬板材剛模和軟模成形都存在成形時金屬板材所受載荷無法適應于板材形狀而可控變化的問題，而提供一種兼具兩種成形方法優點且施加載荷可控的一種基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形裝置及方法。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

裝置：所述裝置包括可變速柱塞、容框、剪切增稠液和凹模，容框與凹模上下正對設置，可變速柱塞的頭部位于容框的內腔中，剪切增稠液填充在可變速柱塞的下表面與容框內壁組成的內腔中。

方法：所述方法是通過以下步驟實現的：

步驟一、將待成形金屬板材零件置于容框下表面與凹模上表面之間，且將待成形金屬板材零件夾緊；

步驟二、將剪切增稠液填充在待成形金屬板材零件上表面與可變速柱塞下表面之間；

步驟三、根據待成形金屬板材零件的形狀和成形各階段所需載荷的大小確定可變速柱塞的加載速度與時間關系曲線；

步驟四、可變速柱塞按照設定好的加載速度與時間的關系向下運動，帶動剪切增稠液作用于待成形金屬板材零件，使待成形金屬板材零件在合適的載荷條件下成形出所需形狀；

步驟五、將成形后的金屬板材零件取出，即完成一個成形過程。

本發明具有以下有益效果：

一、本發明使用一種新型的剪切增稠材料，它是將微米或納級的顆粒分散到牛頓流體中而形成的非均質顆粒懸浮液，其粘度隨著剪切速率的增大而增大。這種懸浮體系在低擾動下表現為流體狀態，當突然施加作用力時變得異常粘稠甚至展現出類固體狀態，當撤去外部力作用時重新恢復到流體狀態。本專利提出的基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形裝置及方法，就是利用同一剪切增稠材料在不同的加載速度下所表現出的物態和性能可變，即在較高的加載速度下剪切增稠材料呈現出固態特性，與剛模成形類似；在較低的加載速度下又呈現出液態特性，與軟模成形相同這一特點，在成形過程的不同階段針對所需成形零件的結構對相應的加載速度進行實時調整，使金屬板材在合適的傳力介質物態和最優的載荷下成形出所需要的形狀。

二、本發明針對金屬板材零件成形過程不同結構的需要，通過以一定規律改變加載速度從而使得剪切增稠材料的性能適應不同成形位置發生可逆的變化，充分發揮材料本身的塑性變形能力，最大限度的提高板材的成形極限，并提高零件的成形質量。

三、本發明解決已有的金屬板材剛模或軟模成形各具優點，但都存在成形時金屬板材所受載荷無法適應于板材結構而可控變化的問題，而提供一種兼具金屬板材剛模和軟模成形的優點、且傳力介質的物態和性能實時可調的金屬板材柔性成形裝置及方法。

四、采用物態特性和性能可實時調控的剪切增稠材料作為板材成形的軟模，可優化對板坯料變形流動的控制，為復雜形狀薄壁難變形金屬板材零件的精密成形提供了一種新的途徑，課進一步促進金屬板材成形工藝的發展。

附圖說明

圖1是利用本發明基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形方法進行板材拉深成形的初始狀態時整體結構主剖視圖，圖2是拉深成形處于中期階段時本發明的整體結構主剖視圖，圖3是拉深成形完成時本發明的整體結構主剖視圖，圖4是成形過程中所采用的加載速度與時間關系曲線示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括可變速柱塞1、容框2、剪切增稠液3和凹模5，容框2與凹模5上下正對設置，可變速柱塞1的頭部位于容框2的內腔中，剪切增稠液3填充在可變速柱塞1的下表面與容框2內壁組成的內腔中。

具體實施方式二：結合圖1~圖4說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的：

步驟一、將待成形金屬板材零件4置于容框2下表面與凹模5上表面之間，且將待成形金屬板材零件4夾緊；

步驟二、將剪切增稠液3填充在待成形金屬板材零件4上表面與可變速柱塞1下表面之間；

步驟三、根據待成形金屬板材零件4的形狀和成形各階段所需載荷的大小確定可變速柱塞1的加載速度與時間關系曲線；

步驟四、可變速柱塞1按照設定好的加載速度與時間的關系向下運動，帶動剪切增稠液3作用于待成形金屬板材零件4，使待成形金屬板材零件4在合適的載荷條件下成形出所需形狀；

步驟五、將成形后的金屬板材零件4取出，即完成一個成形過程。

具體實施方式三：結合圖1~圖4說明本實施方式，本實施方式為步驟二中剪切增稠液為玉米淀粉-水懸浮液或sio2膠體納米顆粒-乙二醇溶液。其他步驟與具體實施方式二相同。

具體實施方式四：結合圖1~圖4說明本實施方式，本實施方式為步驟二中玉米淀粉-水懸浮液中玉米淀粉顆粒平均粒徑為40μm，質量分數范圍為0.3-0.6；sio2納米顆粒-乙二醇溶液中sio2顆粒平均粒徑為250nm，體積分數范圍為0.5-0.7。在此范圍內，剪切增稠液在不同的加載速度下能夠充分改變其性能。其他步驟與具體實施方式二或三相同。

具體實施方式五：結合圖1~圖4說明本實施方式，本實施方式為步驟三中變速柱塞1的加載速度與時間關系曲線和步驟四中成形過程：利用剪切增稠液的剪切增稠效應，在成形過程中可變速柱塞1的加載速度與時間關系曲線根據待成形金屬板材零件4的形狀和成形各階段所需載荷的大小確定，在成形初期所需載荷較大且不希望剪切增稠液具有的流動性，相對應的可變速柱塞的加載速度較大，可以提供更大的成形力；在成形中后期所需載荷較小而局部精細結構的成形需要剪切增稠液具有良好的流動性，其所對應的可變速柱塞加載速度較小，使板材零件4更容易的流動，至板材零件4完全貼模。針對板材成形過程不同部位的需要，使非均質金屬橡膠的彈性模量適應成形零件的形狀結構而不同，最大限度的發揮材料本身的塑性變形能力，有效提高板材的成形極限，并提高零件的成形質量。其他步驟與具體實施方式二相同。