一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置及成形方法

1.本发明属于金属管材智能三维成形制造技术领域，具体是一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置及成形方法。


背景技术：

2.管材在传统弯曲成形的过程中不可避免的会出现起皱、失稳、截面畸变等现象，三维自由弯曲成形装备的出现减轻了管材的表面缺陷，但是当弯曲的管材为薄壁小弯曲半径时，管材成形后的表面还是会出现上述缺陷。
3.随着薄壁管在航空航天领域的应用越来越广泛，在系统管路布置管线过程中，为了贴合装备的舱体外壁和避免与其他部件干涉，不可避免需要使用各种弯曲半径的薄壁管。相对于厚壁管材来说，薄壁管在弯曲成形时极易出现外侧减薄、截面畸变、内壁划伤等缺陷，导致航天装备的服役安全性降低。
4.针对上述问题，现在提供一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置及成形方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置及成形方法，以解决背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置，包括用于对管材进行引导的第一导向机构和第二导向机构，所述第一导向机构和第二导向机构右端设有用于对管材外侧进行夹持的夹持机构，所述夹持机构右端设有与管材右端进行推动的推进机构，所述第一导向机构左端设有用于对管材进行弯曲以实现形变的弯曲模，第一导向机构和第二导向机构以及弯曲模为无磁性材料，弯曲模连接用于带动其转动以实现弯曲的弯曲驱动件，所述弯曲模所在的管材内部填充有磁流变弹性体，所述弯曲模一侧设有用于对磁流变弹性体产生作用的磁场发生单元，磁场发生单元使磁流变弹性体中的磁性粒子相互作用起到对待成形管材内壁的支撑作用。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
9.在一种可选方案中：所述磁场发生单元包括四对电磁铁，电磁铁和电磁铁之间在通电后能产生一定大小的磁场，每一个电磁铁是由线圈、极柱、极头组成，电磁铁为第一电磁铁和第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁、第五电磁铁和第六电磁铁、第七电磁铁和第八电磁铁，在通入直流电源后，通电的线圈可以产生一定大小的磁场，极柱在外部线圈的作用下，极柱内部的铁磁性金属原子重新按照一定顺序规则排列，原子在磁场的作用有序的指向同一方向，极柱在线圈通电后被磁化，增加了磁通量。通过控制通过线圈的电流大小，极头和极头之间的气隙中可以形成可控的高强度磁场。
10.在一种可选方案中：磁流变弹性体为智能材料，磁流变弹性体由加成型硅橡胶、微
米级铁粉及添加剂制成，磁流变弹性体在磁场条件下会产生磁流变效应。
11.在一种可选方案中：推进机构包括与管材端面相对应的抵压环，抵压环连接用于推动其的推动液压杆。
12.在一种可选方案中：所述弯曲模的材料选择为5cr21mn9ni4n无磁性模具钢，第一导向机构和第二导向机构的材料选择陶瓷。
13.在一种可选方案中：还包括用于插入管材内部的弹性套管，所述弹性套管内部中间位置穿设有一个弹性钢丝柱，所述弹性钢丝柱右端连接用于牵引其伸缩的收料液压推杆，所述收料液压推杆设置在弹性套管右端，所述弹性钢丝柱左端设有一个封堵头，所述封堵头与管材内壁滑动配合，所述弹性套管左端设有一个填充腔，所述填充腔中滑动配合有一个活塞块，所述活塞块与填充腔内壁之间通过复位弹簧连接固定，在将磁流变弹性体送入管材内部时，磁流变弹性体先存储在填充腔内部，此时封堵头与弹性套管左端抵压接触，然后将弹性套管左端插入管材内部，达到目标位置时，通过收料液压推杆带动弹性钢丝柱向左移动，使得封堵头与弹性套管左端分开，此时填充腔中的磁流变弹性体会流出，填充弯曲模所在位置，弯折的过程中，在磁场装置的作用下，磁流变弹性体的支撑性能会发生变化，随着管材的推动，弹性套管位置不动，这样封堵头会带动磁流变弹性体在管材内部滑动，这样就无需将管材内部全部填充磁流变弹性体，降低资源的浪费，并且成型完毕后，通过收料液压推杆带动封堵头向右移动，从而将磁流变弹性体压入填充腔内部，从而实现磁流变弹性体填充腔循环使用，在失去磁场的作用时，磁流变弹性体可以切换成流体状态。
14.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
15.本发明中利用了磁流变弹性体在磁场下产生磁流变效应对管材内部起到支撑的作用，磁流变效应是指磁流变弹性体在磁场的作用下剪切模量突然增大的特性，当施加的磁场撤去后弹性体的剪切模量恢复到原本的状态。利用磁流变弹性体的这一特性，在三维自由弯曲成形装备中加入磁场发生单元可以有效解决管材在弯曲成形时出现的起皱、截面畸变以及壁厚减薄等缺陷；
16.本发明通过在管材弯曲成形的过程中添加磁流变弹性体智能材料，有效解决了管材成形表面质量差、缺陷严重等问题；
17.本发明的装置简单，操作简单，有效解决了三维自由弯曲设备成形管材表面出现缺陷的问题，对于提高成形工件的质量有着重要意义。
附图说明
18.图1为本发明实施例1的结构示意图。
19.图2为本发明极柱的结构示意图。
20.图3为本发明的磁场发生单元结构示意图。
21.图4为本发明的实施例2结构示意图。
22.图5为本发明的实施例2中a结构示意图。
23.附图标记注释：弯曲模1、第一电磁铁2、第二电磁铁3、磁场发生单元4、第三电磁铁10、第五电磁铁11、第七电磁铁12、第四电磁铁13、第六电磁铁14、第八电磁铁15、外部线圈16、极柱17、极头18、磁流变弹性体19；
24.收料液压推杆31、弹性钢丝柱32、弹性套管33、填充腔34、复位弹簧35、活塞块36、
封堵头37。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
26.在实施例1中，如图1-图3所示，一种磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置，包括用于对管材7进行引导的第一导向机构5和第二导向机构6，所述第一导向机构5和第二导向机构6右端设有用于对管材7外侧进行夹持的夹持机构8，所述夹持机构8右端设有与管材7右端进行推动的推进机构9，所述第一导向机构5左端设有用于对管材7进行弯曲以实现形变的弯曲模1，第一导向机构5和第二导向机构6以及弯曲模1为无磁性材料，弯曲模1连接用于带动其转动以实现弯曲的弯曲驱动件，所述弯曲模1所在的管材7内部填充有磁流变弹性体19，所述弯曲模1一侧设有用于对磁流变弹性体19产生作用的磁场发生单元4，磁场发生单元4使磁流变弹性体19中的磁性粒子相互作用起到对待成形管材内壁的支撑作用；
27.所述磁场发生单元4包括四对电磁铁，电磁铁和电磁铁之间在通电后能产生一定大小的磁场，每一个电磁铁是由线圈16、极柱17、极头18组成，电磁铁为第一电磁铁2和第二电磁铁3、第三电磁铁10和第四电磁铁13、第五电磁铁11和第六电磁铁14、第七电磁铁12和第八电磁铁15，在通入直流电源后，通电的线圈16可以产生一定大小的磁场，极柱17在外部线圈16的作用下，极柱17内部的铁磁性金属原子重新按照一定顺序规则排列，原子在磁场的作用有序的指向同一方向，极柱17在线圈16通电后被磁化，增加了磁通量。通过控制通过线圈的电流大小，极头和极头之间的气隙中可以形成可控的高强度磁场；
28.磁流变弹性体19为智能材料，磁流变弹性体由加成型硅橡胶、微米级铁粉及添加剂制成，磁流变弹性体在磁场条件下会产生磁流变效应；
29.推进机构9包括与管材7端面相对应的抵压环，抵压环连接用于推动其的推动液压杆；
30.所述弯曲模1的材料选择为5cr21mn9ni4n无磁性模具钢，第一导向机构5和第二导向机构6的材料选择陶瓷；
31.实际使用时，用硅胶模具、加成型硅橡胶、添加剂、超细铁粉制备磁流变弹性体材料，根据待弯曲管材的材料不同，制备磁流变弹性体时添加的最佳磁粉含量也有所区别。弯曲304不锈钢管材时按磁粉含量60％，加成型硅橡胶活塞块36％，添加剂4％的含量装备磁流变弹性体。将制备好的弹性体式样进行压缩试验，利用万能试验机对磁流变弹性体的样品进行压缩实验得到应力σ和应变ε的关系，利用mooney-rivlin金属橡胶本构方程：对测试结果进行耦合，最后确定材料常数c10和c01。同时将材料参数输入abaqus仿真模拟软件中超弹性体材料模块，采用仿真对管材的成形过程进行模拟。根据仿真结果预测管材在偏心距为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm
……
时的成形质量，建立磁场强度t、管材偏心距u和弯曲半径r之间的关系，根据待成形管材的弯曲半径调整合适的磁场强度；
32.再根据建立的u-r-t关系解析出当u＝12时不锈钢管的弯曲半径，根据之前的仿真模拟结果得到此时弯曲所需的最佳磁场强度；
33.将解析得到的程序输入三维自由弯曲程序系统，调整输出电流为10安培，此时利用高斯计测得弯曲模中心磁场强度为2.3特斯拉；
34.将流体状态下的磁流变液倒入管材内部进行固化，待磁流变液固化成磁流变弹性体后，将待成形管材通过弯曲模前端的模具口插入三维自由成形装置中，当管材通过导向机构和弯曲模连接处时，磁流变弹性体中的磁性颗粒会受到磁场发生器产生的磁场作用，弹性体中的磁性颗粒在磁场的作用下会对管材内部起到支撑作用；通过弯曲模的偏移对管材进行弯曲，在弯曲模运动的同时，磁场发生器跟随弯曲模同步运动，管材成形出预定形状；
35.实施例2
36.如图4-图5所示，磁流变弹性体辅助成形的三维柔性弯曲装置还包括用于插入管材7内部的弹性套管33，所述弹性套管33内部中间位置穿设有一个弹性钢丝柱32，所述弹性钢丝柱32右端连接用于牵引其伸缩的收料液压推杆31，所述收料液压推杆31设置在弹性套管33右端，所述弹性钢丝柱32左端设有一个封堵头37，所述封堵头37与管材7内壁滑动配合，所述弹性套管33左端设有一个填充腔34，所述填充腔34中滑动配合有一个活塞块36，所述活塞块36与填充腔34内壁之间通过复位弹簧35连接固定，在将磁流变弹性体19送入管材7内部时，磁流变弹性体19先存储在填充腔34内部，此时封堵头37与弹性套管33左端抵压接触，然后将弹性套管33左端插入管材7内部，达到目标位置时，通过收料液压推杆31带动弹性钢丝柱32向左移动，使得封堵头37与弹性套管33左端分开，此时填充腔34中的磁流变弹性体19会流出，填充弯曲模1所在位置，弯折的过程中，在磁场装置的作用下，磁流变弹性体19的支撑性能会发生变化，随着管材7的推动，弹性套管33位置不动，这样封堵头37会带动磁流变弹性体19在管材7内部滑动，这样就无需将管材7内部全部填充磁流变弹性体，降低资源的浪费，并且成型完毕后，通过收料液压推杆31带动封堵头37向右移动，从而将磁流变弹性体压入填充腔34内部，从而实现磁流变弹性体填充腔34循环使用，在失去磁场的作用时，磁流变弹性体可以切换成流体状态。
37.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。