[发明专利]一种基于剪切增稠液的金属板材变速率成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属板材类柔性成形装置及方法，具体涉及一种基于剪切增稠液的金属板材变速率成形装置及方法。

背景技术

金属板材成形工艺在工业领域中占有举足轻重的地位，随着现代工业技术的不断发展以及资源、环境等问题的出现，对传统的金属板材成形工艺提出了越来越高的要求和挑战：一方面，要实现产品轻量化、结构整体化就需要使用壁厚更薄的金属板材成形出形状更复杂、尺寸精度更高、壁厚分布更均匀以及表面质量更好的零件；另一方面又要求对传统的金属板材成形工艺加以改进以适应高强度、低塑性、难变形材料的成形需求。为了应对这种新的发展趋势，各种板材成形新方法相继出现，其中金属板材热成形和软模成形是发展较快的两类工艺方法，它们分别适合于一定的板材成形范围，在多个领域得到了较好的应用。金属板材刚模成形可提供较大成形载荷，软模成形可成形复杂形状零件并且成形零件表面质量好，但是现在尚没有一种成形工艺方法能够兼有这两种成形方法的优点，而且这两种工艺方法都存在成形时金属板材所受载荷无法适应于板材形状而可控变化的问题，这在一定程度上限制了金属板材成形工艺的进一步发展。

新材料的发展为解决金属板材成形的上述问题提供了可能。剪切增稠液(Shear Thickening Fluid，STF)是一种将微米或纳米级的颗粒分散到牛顿流体中而形成的非均质颗粒悬浮液。不同于常规的具有剪切变稀特性的非牛顿流体，剪切增稠液在剪切条件下的粘度随着剪切速率的增大而增大。这种悬浮体系在低扰动下表现为流体状态，当突然施加作用力时变得异常粘稠甚至展现出类固体状态，当撤去外部力作用时重新恢复到流体状态。由于剪切增稠液的力学性能高度非线性使其具有优异的能量吸收能力，从而在振动控制、抗冲击、人体防护等领域具有重要的应用前景。本专利提出的基于剪切增稠液的金属板材变速率成形方法即是利用剪切增稠液的剪切增稠特性，针对所需成形零件的结构在不同的成形阶段设置相应的加载速度，使板材在合适的传力介质物态和最优的载荷下成形出所需要的形状。

发明内容

本发明的目的是为解决已有金属板材刚模和软模成形都存在成形时金属板材所受载荷无法适应于板材形状而可控变化的问题，而提供一种兼具两种成形方法优点且施加载荷可控的一种基于剪切增稠液的金属板材变速率成形装置及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

装置：所述装置包括可变速柱塞、容框、剪切增稠液和凹模，容框与凹模上下正对设置，可变速柱塞的头部位于容框的内腔中，剪切增稠液填充在可变速柱塞的下表面与容框内壁组成的内腔中。

方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、将待成形金属板材零件置于容框下表面与凹模上表面之间，且将待成形金属板材零件夹紧；

步骤二、将剪切增稠液填充在待成形金属板材零件上表面与可变速柱塞下表面之间；

步骤三、根据待成形金属板材零件的形状和成形各阶段所需载荷的大小确定可变速柱塞的加载速度与时间关系曲线；

步骤四、可变速柱塞按照设定好的加载速度与时间的关系向下运动，带动剪切增稠液作用于待成形金属板材零件，使待成形金属板材零件在合适的载荷条件下成形出所需形状；

步骤五、将成形后的金属板材零件取出，即完成一个成形过程。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明使用一种新型的剪切增稠材料，它是将微米或纳级的颗粒分散到牛顿流体中而形成的非均质颗粒悬浮液，其粘度随着剪切速率的增大而增大。这种悬浮体系在低扰动下表现为流体状态，当突然施加作用力时变得异常粘稠甚至展现出类固体状态，当撤去外部力作用时重新恢复到流体状态。本专利提出的基于剪切增稠液的金属板材变速率成形装置及方法，就是利用同一剪切增稠材料在不同的加载速度下所表现出的物态和性能可变，即在较高的加载速度下剪切增稠材料呈现出固态特性，与刚模成形类似；在较低的加载速度下又呈现出液态特性，与软模成形相同这一特点，在成形过程的不同阶段针对所需成形零件的结构对相应的加载速度进行实时调整，使金属板材在合适的传力介质物态和最优的载荷下成形出所需要的形状。

二、本发明针对金属板材零件成形过程不同结构的需要，通过以一定规律改变加载速度从而使得剪切增稠材料的性能适应不同成形位置发生可逆的变化，充分发挥材料本身的塑性变形能力，最大限度的提高板材的成形极限，并提高零件的成形质量。