本發(fā)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(shù)：

金屬板材成形工藝在工業(yè)領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展以及資源、環(huán)境等問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)的金屬板材成形工藝提出了越來(lái)越高的要求和挑戰(zhàn)：一方面，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化、結(jié)構(gòu)整體化就需要使用壁厚更薄的金屬板材成形出形狀更復(fù)雜、尺寸精度更高、壁厚分布更均勻以及表面質(zhì)量更好的零件；另一方面又要求對(duì)傳統(tǒng)的金屬板材成形工藝加以改進(jìn)以適應(yīng)高強(qiáng)度、低塑性、難變形材料的成形需求。為了應(yīng)對(duì)這種新的發(fā)展趨勢(shì)，各種板材成形新方法相繼出現(xiàn)，其中金屬板材熱成形和軟模成形是發(fā)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(gè)領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)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(fù)雜形狀零件并且成形零件表面質(zhì)量好，但是現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，而且這兩種工藝方法都存在成形時(shí)金屬板材所受載荷無(wú)法適應(yīng)于板材形狀而可控變化的問(wèn)題，這在一定程度上限制了金屬板材成形工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

新材料的發(fā)展為解決金屬板材成形的上述問(wèn)題提供了可能。剪切增稠液(shearthickeningfluid，stf)是一種將微米或納米級(jí)的顆粒分散到牛頓流體中而形成的非均質(zhì)顆粒懸浮液。不同于常規(guī)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(dòng)下表現(xiàn)為流體狀態(tài)，當(dāng)突然施加作用力時(shí)變得異常粘稠甚至展現(xiàn)出類固體狀態(tài)，當(dāng)撤去外部力作用時(shí)重新恢復(fù)到流體狀態(tài)。由于剪切增稠液的力學(xué)性能高度非線性使其具有優(yōu)異的能量吸收能力，從而在振動(dòng)控制、抗沖擊、人體防護(hù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(duì)所需成形零件的結(jié)構(gòu)在不同的成形階段設(shè)置相應(yīng)的加載速度，使板材在合適的傳力介質(zhì)物態(tài)和最優(yōu)的載荷下成形出所需要的形狀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(shí)金屬板材所受載荷無(wú)法適應(yīng)于板材形狀而可控變化的問(wèn)題，而提供一種兼具兩種成形方法優(yōu)點(diǎn)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(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)設(shè)置，可變速柱塞的頭部位于容框的內(nèi)腔中，剪切增稠液填充在可變速柱塞的下表面與容框內(nèi)壁組成的內(nèi)腔中。

方法：所述方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)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(jù)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(shí)間關(guān)系曲線；

步驟四、可變速柱塞按照設(shè)定好的加載速度與時(shí)間的關(guān)系向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)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(gè)成形過(guò)程。

本發(fā)明具有以下有益效果：

一、本發(fā)明使用一種新型的剪切增稠材料，它是將微米或納級(jí)的顆粒分散到牛頓流體中而形成的非均質(zhì)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(dòng)下表現(xiàn)為流體狀態(tài)，當(dāng)突然施加作用力時(shí)變得異常粘稠甚至展現(xiàn)出類固體狀態(tài)，當(dāng)撤去外部力作用時(shí)重新恢復(fù)到流體狀態(tài)。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(xiàn)出的物態(tài)和性能可變，即在較高的加載速度下剪切增稠材料呈現(xiàn)出固態(tài)特性，與剛模成形類似；在較低的加載速度下又呈現(xiàn)出液態(tài)特性，與軟模成形相同這一特點(diǎn)，在成形過(guò)程的不同階段針對(duì)所需成形零件的結(jié)構(gòu)對(duì)相應(yīng)的加載速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使金屬板材在合適的傳力介質(zhì)物態(tài)和最優(yōu)的載荷下成形出所需要的形狀。

二、本發(fā)明針對(duì)金屬板材零件成形過(guò)程不同結(jié)構(gòu)的需要，通過(guò)以一定規(guī)律改變加載速度從而使得剪切增稠材料的性能適應(yīng)不同成形位置發(fā)生可逆的變化，充分發(fā)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(zhì)量。

三、本發(fā)明解決已有的金屬板材剛?；蜍浤３尚胃骶邇?yōu)點(diǎn)，但都存在成形時(shí)金屬板材所受載荷無(wú)法適應(yīng)于板材結(jié)構(gòu)而可控變化的問(wèn)題，而提供一種兼具金屬板材剛模和軟模成形的優(yōu)點(diǎn)、且傳力介質(zhì)的物態(tài)和性能實(shí)時(shí)可調(diào)的金屬板材柔性成形裝置及方法。

四、采用物態(tài)特性和性能可實(shí)時(shí)調(diào)控的剪切增稠材料作為板材成形的軟模，可優(yōu)化對(duì)板坯料變形流動(dòng)的控制，為復(fù)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(jìn)一步促進(jìn)金屬板材成形工藝的發(fā)展。

附圖說(shuō)明

圖1是利用本發(fā)明基于剪切增稠液的金屬板材變速率成形方法進(jìn)行板材拉深成形的初始狀態(tài)時(shí)整體結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖2是拉深成形處于中期階段時(shí)本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖3是拉深成形完成時(shí)本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖4是成形過(guò)程中所采用的加載速度與時(shí)間關(guān)系曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)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(duì)設(shè)置，可變速柱塞1的頭部位于容框2的內(nèi)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(nèi)壁組成的內(nèi)腔中。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖1~圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)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(jù)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(shí)間關(guān)系曲線；

步驟四、可變速柱塞1按照設(shè)定好的加載速度與時(shí)間的關(guān)系向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)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(gè)成形過(guò)程。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖1~圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)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(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖1~圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)范圍為0.5-0.7。在此范圍內(nèi)，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(shí)施方式二或三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1~圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟三中變速柱塞1的加載速度與時(shí)間關(guān)系曲線和步驟四中成形過(guò)程：利用剪切增稠液的剪切增稠效應(yīng)，在成形過(guò)程中可變速柱塞1的加載速度與時(shí)間關(guān)系曲線根據(jù)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(dòng)性，相對(duì)應(yīng)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(xì)結(jié)構(gòu)的成形需要剪切增稠液具有良好的流動(dòng)性，其所對(duì)應(yīng)的可變速柱塞加載速度較小，使板材零件4更容易的流動(dòng)，至板材零件4完全貼模。針對(duì)板材成形過(guò)程不同部位的需要，使非均質(zhì)金屬橡膠的彈性模量適應(yīng)成形零件的形狀結(jié)構(gòu)而不同，最大限度的發(fā)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(zhì)量。其他步驟與具體實(shí)施方式二相同。