基于磁流变弹性体的复杂曲面构件成形装置及方法与流程

本发明属于金属复杂曲面构件先进制造技术领域，特别涉及一种磁流变弹性体和高压液体联合作用的高温合金复杂曲面构件成形装置及方法。

背景技术：

高温合金具有足够高的耐热强度，良好的塑性，抗高温氧化和燃气腐蚀的能力以及长期组织稳定性，广泛应用于发动机轴、涡轮进气导管以及喷管等各种高温部件，对保障航空航天发动机的整体性能和工作稳定性具有重要意义。然而由于镍基高温合金复杂曲面构件通常具有大变径比、大截面变化比等特征，传统方法成形过程中容易出现胀破、起皱及壁厚分布不均匀等缺陷，严重影响构件的几何精度和服役性能。因此开展高温合金复杂曲面构件精密成形技术的研究对未来我国航空航天的进一步发展具有重大意义。

目前，新材料的发展为解决传统方法成形复杂曲面构件中存在的上述问题提供了可能。磁流变弹性体是一种新兴的智能材料，将微米尺度的磁性粒子加入到高分子聚合物基体中混合，在磁场环境下固化，使基体中的铁磁性粒子具有链状或柱状结构。在外加磁场作用下，磁流变弹性体的性能会发生较大的变化，所以磁流变弹性体具有快速响应，可控可逆等特性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于磁流变弹性体的复杂曲面构件成形装置及方法，用以解决大变径比、大截面变化比复杂曲面构件成形控制困难、壁厚分布差异较大和尺寸精度低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于磁流变弹性体的复杂曲面构件成形装置，包括磁场发生装置极头1、成形模具2、压头3、磁流变弹性体4、管坯6、高压液体输入输入通道8；磁流变弹性体4的轴向和径向上均设置通孔7，该磁流变弹性体4置于管坯6内部，磁流变弹性体4与管坯6内壁贴合，所述管坯6置于成形模具2内，两个压头3压紧磁流变弹性体4两端，两个压头3上设置有高压液体输入输入通道8，两个高压液体输入输入通道8与磁流变弹性体4的轴向的通孔7对齐并连通。

所述的复杂曲面构件成形装置，两个磁场发生装置极头1之间形成圆柱形空间，整个成形模具2放在该圆柱形空间内部

所述的复杂曲面构件成形装置，成形模具2的内部轮廓与拟成形零件的外部轮廓相同，管坯6变形量较大处所对应的磁流变弹性体4中磁性粒子含量较高；管坯6变形量较大处所对应的磁流变弹性体4的径向的通孔7数量较多。

所述的复杂曲面构件成形装置，成形后零件5是一个复杂的分段式变径，两端平直，右端直径较大，左端直径较小，中部带若干个局部凸起的复杂曲面构件，磁流变弹性体4在局部凸起处磁性粒子含量高于两端处磁性粒子含量，并且右端磁性粒子含量高于左端，使得管材右端的变形量大于左端，局部凸起处对应的磁流变弹性体4上的径向的通孔7数量也较多。

所述的复杂曲面构件成形装置，成形后零件5是连续缩口的圆台形筒状曲面构件，磁流变弹性体4的磁性粒子含量在轴向上呈现梯度分布，变形量最大处磁性粒子含量最高，同时，变形量逐渐增大过程中，磁流变弹性体4上的径向的通孔7之间的轴向距离逐渐缩小。

所述的复杂曲面构件成形装置，成形后零件5是一个波纹管状曲面构件，磁流变弹性体4在每个膨胀节处磁性粒子含量高于平段处，磁流变弹性体4在每个膨胀节处开设径向的通孔7，平段处不开设径向的通孔；

根据任一所述复杂曲面构件成形装置的成形方法，包括以下步骤：

第一步，将磁流变弹性体4放入管坯6中，将管坯6放入成形模具2的模腔并合模，之后将其整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的高压液体输入通道预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠模具2，此时除了过渡r角外的大部分区域已经成形；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使过渡r角完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5。

所述的成形方法，包括以下步骤：

第一步，将带有轴向和径向的通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在拐角处磁性粒子含量高于两端处磁性粒子含量，并且右端磁性粒子含量高于左端，使得管材右端的变形量大于左端，同时由于拐角处变形量大，因而此处需要局部高压，通孔数量也较多，将管坯6放入复杂曲面模腔并合模，之后整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的高压液体输入通道预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠模具2，此时除了过渡r角外的大部分区域已经成形；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使过渡r角完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5；成形后零件5是一个复杂的分段式的变径并带局部凸起的航空发动机复杂曲面构件。

所述的成形方法，包括以下步骤：

第一步，将带有轴向和径向的通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在轴向磁性粒子含量呈现梯度分布，变形量越大处磁性粒子含量越高，变形量逐渐增大过程中，径向通孔之间的距离逐渐缩小，将管坯6放入连续缩口状模腔并合模，合模后整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的孔预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠成形模具2；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使管壁完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5，成形后零件5是一个连续缩口圆台形筒状曲面构件。

所述的成形方法，包括以下步骤：

第一步，将带有轴向和径向的通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在膨胀节处磁性粒子含量高于平段处，在每个膨胀节处开设径向的通孔，平段处不开设径向通孔，将管坯6放入波纹管状模腔并合模，之后把整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的孔预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠成形模具2，此时除了过渡r角外的大部分区域已经成形；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使过渡r角完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5，成形后零件5是一个波纹管状曲面构件。

所述磁场发生装置由电磁铁和高精度直流励磁电源组成，通过刚性连接将电磁铁固定于胀形装置上，高精度直流励磁电源再与电磁铁相连。

所述的电磁铁气隙0-80mm可调，通过调节高精度直流励磁电源的电流和电磁铁的气隙可控制磁感应强度为0-800mt。

通孔7形状和尺寸是可设计的，以注入高压液体。所述高压液体可以是水或者油。通入高压液体，可以改善磁流变弹性体4与管坯6之间的润滑效果

磁感应强度控制在300-600mt，若磁感应强度太高会导致磁流变弹性体4模量过大易压溃，太低则难以成形。

本发明具有以下有益效果：

本发明使用硅橡胶基磁流变弹性体，针对管坯不同区域对应的变形程度不同，而使磁性粒子在硅橡胶基体中呈规律性分布。高的磁性粒子含量可增强弹性体的磁流变效应，增大其模量，从而增大管材变形量，有效的解决了大变径比、大截面变化比薄壁构件成形控制困难、壁厚分布差异较大和尺寸精度低等问题，对于提高镍基高温合金复杂曲面构件成形后的质量具有重要的指导意义。

内压可控性更好。磁流变弹性体4上开通孔7后，结合磁流变弹性体4和高压液体的共同作用成形管件，可在需要局部高压的位置设置较多的通孔以提高此位置的内压。

高压液体充当润滑剂大大改善了润滑效果。磁流变弹性体4在管坯6内部的运动阻力大大减小，有利于其充填整个模腔，提高成形速度、改善成形质量。

本发明可通过更换不同的成形模具从而成形不同形状的零件，操作简便快捷；电磁铁对电源响应极快，一接通电源，电磁铁极头之间区域瞬间产生磁场并能达到所需的磁场强度，大大提高了成形效率。

附图说明

图1是本发明基于磁流变弹性体和高压液体联合作用的复杂曲面构件的介质压力成形剖面结构示意图。

图2是本发明基于磁流变弹性体和高压液体联合作用的连续缩口构件的介质压力成形的剖面结构示意图。

图3是本发明基于磁流变弹性体和高压液体联合作用的波纹管构件的介质压力成形的剖面结构示意图。

图中：1-磁场发生装置极头、2-成形模具、3-压头、4-磁流变弹性体、5-成形后零件、6-管坯、7-通孔、8-高压液体输入通道；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1-3，一种基于磁流变弹性体的复杂曲面构件成形装置，包括磁场发生装置极头1、成形模具2、压头3、磁流变弹性体4、管坯6、通孔7、高压液体输入输入通道8；磁流变弹性体4的轴向和径向上均设置通孔7，该磁流变弹性体4置于管坯6内部，磁流变弹性体4与管坯6内壁贴合，所述管坯6置于成形模具2内，两个压头3压紧磁流变弹性体4两端，两个压头3上设置有高压液体输入输入通道8，两个高压液体输入输入通道8与磁流变弹性体4的轴向的通孔7对齐并连通，两个磁场发生装置极头1之间形成圆柱形空间，整个成形模具2放在该圆柱形空间内部。

成形模具2的内部轮廓与拟成形零件的外部轮廓相同，管坯6变形量越大处所对应的磁流变弹性体4中磁性粒子含量越高；

如图1，成形后零件5是一个复杂的分段式变径，两端平直，右端直径较大，左端直径较小，中部带若干个局部凸起(拐角)的复杂曲面构件，磁流变弹性体4在局部凸起处磁性粒子含量高于两端处磁性粒子含量，并且右端磁性粒子含量高于左端，使得管材右端的变形量大于左端，同时由于局部凸起处变形量大，局部凸起处对应的磁流变弹性体4上的径向的通孔7数量也较多；

如图2，成形后零件5是一个自右向左连续缩口的圆台形筒状曲面构件，磁流变弹性体4的磁性粒子含量在轴向上呈现梯度分布，最右端变形量最大处磁性粒子含量最高，同时，自左向右变形量逐渐增大过程中，磁流变弹性体4上的径向的通孔7之间的距离(自左向右)逐渐缩小；

如图3，成形后零件5是一个波纹管状曲面构件，磁流变弹性体4在每个膨胀节处磁性粒子含量高于平段处，磁流变弹性体4在每个膨胀节处开设径向的通孔7，平段处不开设径向的通孔；

实施例1

第一步，将带有通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在拐角处磁性粒子含量高于两端处磁性粒子含量，并且右端磁性粒子含量高于左端，使得管材右端的变形量大于左端，同时由于拐角处变形量大，因而此处需要局部高压，通孔数量也较多，将管坯6放入带有图1所示的复杂曲面模腔并合模，之后把整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的高压液体输入通道预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠模具2，此时除了过渡r角外的大部分区域已经成形；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使过渡r角完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5。成形后零件5是一个复杂的分段式的变径并带局部凸起的航空发动机复杂曲面构件，成形模具2的模腔与成形后零件5的外壁相适应。

实施例2

第一步，将带有通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在轴向磁性粒子含量呈现梯度分布，变形量越大处磁性粒子含量越高，变形量逐渐增大过程中，径向通孔之间的距离(自左向右)逐渐缩小，将管坯6放入连续缩口状模腔并合模，之后把整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的孔预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠模具2。

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使管壁完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5。成形后零件5是一个连续缩口圆台形筒状曲面构件，成形模具2的模腔与成形后零件5的外壁相适应。

实施例3

第一步，将带有通孔7的磁流变弹性体4放入管坯6中，此磁流变弹性体4在膨胀节处磁性粒子含量高于平段处，在每个膨胀节处开设径向的通孔，平段处不开设径向通孔，将管坯6放入波纹管状模腔并合模，之后把整体摆放在胀形装置工作台上，压头3压紧磁流变弹性体4两端，形成密封；

第二步，通过压头3上的孔预充液体将管内空气排出；

第三步，电磁铁固定于胀形装置上，并与高精度直流励磁电源相连；

第四步，接通电源，使磁场发生装置极头1区域产生磁场穿过成形模具2、管坯6和磁流变弹性体4整体，同时压头3按照设定的加载曲线向内推进，在磁流变弹性体4支撑作用和高压液体内胀共同作用下管坯6基本贴靠模具2，此时除了过渡r角外的大部分区域已经成形；

第五步，调节磁场强度和轴向挤压位移以提高内压使过渡r角完全贴合模腔，工件完成成形；

第六步，成形完后，关闭电源、将胀形装置的压头3复位，打开成形模具2，取出成形后零件5。成形后零件5是一个波纹管状曲面构件，成形模具2的模腔与成形后零件5的外壁相适应。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。