磁性介质辅助板材冲裁成形装置及方法

摘要

磁性介质辅助板材冲裁成形装置及方法，涉及一种板材柔性介质辅助冲裁成形装置及方法。用以解决传统板材冲裁成形时易产生划擦、翘曲变形和毛刺过大、断面质量差、冲头受力不均衡导致的崩刃等系列问题。装置：凹模5上嵌入线圈10并与磁控单元6相连，封严块8内置压力传感器7、且与储液室5‑1和板坯13所围型腔内注入磁性介质14，通过磁控单元6调整其排布状态及流变性能。方法：通过柱塞缸4将不同颗粒体积分数的磁性介质14注入凹模5的储液室5‑1内，在磁控单元6调控下对冲裁过程中的板坯13起到不同背压传力作用效果，导致板材冲裁区周围受力状态和变形行为的改变，促使冲裁件质量的提升。该方法可根据实际工况要求定量调控传力介质的作用效果，本发明适用于高品质金属板件的冲裁成形。

权利要求

1.一种磁性介质辅助板材冲裁成形装置，其特征在于：包括冲头(1)、压边圈(2)、液体通道输入端(3)、液体通道输出端(3‑1)、柱塞缸(4)、凹模(5)、储液室(5‑1)、磁控单元(6)、压力传感器(7)、封严块(8)、泄压阀(9)、线圈(10)、冷却装置(11)、冷却控制单元(12)、板坯(13)、磁性介质(14)；板坯(13)放置在凹模(5)上端面，压边圈(2)与凹模(5)上下对正放置，压边圈(2)内留有部分空间，并设置导向孔，冲头(1)与压边圈(2)小间隙配合，线圈(10)嵌入在凹模(5)里，由磁控单元(6)控制其产生磁场大小，凹模(5)内部留有空间安装储液室(5‑1)，储存磁性介质(14)，凹模(5)与储液室(5‑1) 留有液体通道，其输入端(3)连接柱塞缸(4)，其输出端(3‑1)连接泄压阀(9)。

2.根据权利要求1所述的磁性介质辅助板材冲裁成形装置，其特征在于：所述冲头(1)由纯铁材料制作，且经过强化处理。

3.根据权利要求1所述的磁性介质辅助板材冲裁成形装置，其特征在于：所述压边圈(2)内部设有空腔，且空腔采用圆角过渡方式建立。

4.根据权利要求1所述的磁性介质辅助板材冲裁成形装置，其特征在于：所述冲裁成形装置 设置有冷却装置(11)、具有安全保护作用的泄压阀(9)、用于内压检测的压力传感器(7)。

5.根据权利要求1所述的磁性介质辅助板材冲裁成形装置，其特征在于：所述储液室(5‑1)由无磁材料制成，且为独立可拆卸为空心圆柱状结构，它的内径为20～50mm。

6.一种利用权利要求1所述的成形装置实现磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将板坯(13)放置在凹模(5)的上端面，压边圈(2)置于板坯(13)上方，置入冲头(1)，控制冲头(1)工作端面的初始位置；步骤二、将储液室(5‑1)装配到凹模(5)内部，通过柱塞缸注入不同体积分数的磁性介质(14)，所述磁性介质(14)由基液、可磁化颗粒、稳定剂按一定体积分数配置而成，其中基液占10％～35％，可磁化颗粒占40％～80％，稳定剂占1～5％；步骤三、磁性介质(14)注入量达到一定值后，线圈(10)通电，通过磁控单元(6)调节电流大小，进而控制工作区的磁感应强度，其范围是0.1～1T；步骤四：柱塞缸(4)继续注入磁性介质(14)，使其作用于板坯(13)进行贴模动作；步骤五、贴模完成后，压力传感器(7)输出达到预定压力值后，停止注入；步骤六、冲头(1)下行对板坯(13)完成冲裁动作；若过程中内压太大，则通过泄压阀(9)流出一部分磁性介质，达到泄压的效果；步骤七、冲裁完成后，关闭电源，撤去磁场；移除冲头(1)以及压边圈(2)，取件。

7.根据权利要求6所述的磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：步骤一中，所述磁性介质中基液占45％，磁化颗粒占50％，稳定剂占5％。

8.根据权利要求6所述的磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：步骤一中，所述磁性介质中基液占24％，磁化颗粒占70％，稳定剂占6％。

9.根据权利要求6所述的磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：步骤一中，所述磁性介质中基液占16％，磁化颗粒占80％，稳定剂占4％。

10.根据权利要求6所述的磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：步骤五中，采用不同的加载路径，具体体现在贴模阶段，其中，贴模初期，电流范围是0.8～1T，贴模后期，电流范围是0.1～0.3T。

11.根据权利要求6所述的磁性介质辅助板材冲裁成形方法，其特征在于：在整个板坯冲裁过程中，通过压力传感器(7)输出内压力，为不同材质材料提供相应内压范围，泄压阀(9)用于控制成形装置保护。

说明书

磁性介质辅助板材冲裁成形装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种板材冲裁工艺方法，具体涉及一种磁性介质辅助板材冲裁成形装置及方法，属于板材冲裁技术领域。

背景技术

[0002] 冲裁是利用冲模从板(管)料上分离出所需形状和尺寸零件或毛坯的一种板料成形工序，在冲压生产中所占的比例最大。除剪切轮廓线附近的金属材料外，板料本身并不产
生塑性变形。但普通冲裁工序存在诸多不足之处，首先因板(管)材厚度和材质不均等问题
使冲头遭受较大的侧向力，易发生折断及崩刃等问题；其次由于凸、凹模之间存在间隙，使
凸、凹模对板料的作用力与反作用力不在同一直线上，因而产生了附加弯曲力矩，此力矩使
得板料变形区材料发生翘曲变形；同时普通冲裁会在零件表面留下难以去除的毛刺，后期
需要增加整修工序且效率较低。

[0003] 随后出现的精密冲裁技术有效解决了上述瓶颈，使制品质量和生产效率均大幅提升。但精密冲裁过程难于使三向应力状态建立起来，断面易出现细而密的裂纹，同时，精冲
投入较大且专用性强，不适合多品种小批量的生产，对配套设备的要求也较高。

[0004] 近年来，软模介质成形技术日臻成熟，推动和促进了板材成形应用领域的拓展及纵深发展，软模介质作为背压辅助冲裁成形的工艺方法则应运而生。其中，聚氨酯橡胶冲裁
工艺所需模具结构简单、加工效率较高、尺寸精度和表面质量也较好，适于小批量薄壁零件
的加工成形。但聚氨酯橡胶冲裁工艺多适于薄板成形，当成形温度≥38℃时聚氨酯橡胶的
强度显著降低。同时，聚氨酯橡胶在冲裁完成后，料片会嵌入到其中，难以取出。

[0005] 液压冲孔是利用液体压力的支撑作用替代冲头或凹模而实现冲孔过程的一种工艺方法，可与内高压成形技术结合使用，成形管件内保持一定压力时在管壁上成形出多种
不同形状孔，减少了冲孔过程中的塌陷和回弹缺陷，具有工序流程短、生产效率高、断口质
量好等优点，是内高压成形实现工业化快速推广及应用的关键技术之一。但液压冲孔多用
于管材成形，对装置密封性能的要求较高，因其内压分布均匀，不利于成形件壁厚的调控。

[0006] 磁性液体是一种新型的智能软模材料，能够对外界磁场进行快速响应。当无外界磁场时，磁性液体具有牛顿流体一样的性质；一旦在外界加载磁场，磁性介质会产生“类固
效应”，此时表现出近似固体的性质。通过外加磁场的调控，磁性液体的流变性随之会发生
改变，产生不同的传力效果。目前，将磁性液体作为传力介质的板材软模成形工艺已有报
道，并展现出了一定的优势。在此基础上，本发明将磁性液体作为背压介质进行板材冲裁尝
试，籍此为板材软模介质冲裁工艺的开发提供一种新思路。

发明内容

[0007] 本发明的目的是为了解决传统板材冲裁成形时易产生划擦、翘曲变形、毛刺过大、断面质量差、冲头受力不均衡导致的崩刃等系列难题。首次将磁性液体作为背压传力介质
用于板材冲裁技术领域，显著改善了冲裁件的断面质量及尺寸精度，抑制了毛刺缺陷的产
生，显著缩短了后续整修时间，提高了生产效率。磁性液体在磁场调控作用下流变性能发生
改变，达到了所需的传力效果且可控性好，适于不同材质、厚度及孔型等条件金属板件的冲
裁成形。

[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0009] 装置：所述装置包括冲头、压边圈、液体通道输入端、液体通道输出端、柱塞缸、凹模、储液室、磁控单元、压力传感器、封严块、泄压阀、线圈、冷却装置、冷却控制单元、板坯、
磁性介质。冲头与压边圈小间隙配合，而压边圈内部留有部分空间，供板坯贴模。线圈设置
在凹模内部，并且与磁控单元直接相连接。在线圈外围设置冷却装置与冷却控制单元相连
接。柱塞缸和泄压阀分别设置液体通道的输入端和输出端。封严块内部放置压力传感器。储
液室内储存磁性介质。

[0010] 方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

[0011] 步骤一、通过柱塞缸向储液室内注入不同颗粒体积分数的磁性介质。磁性介质由载液、可磁化颗粒、稳定剂按一定比例配置而成，其中基液占10％～35％，可磁化颗粒占
40％～80％，稳定剂占1～5％；步骤二、将板坯放置在凹模的上端面，压边圈置于板材上方。
置入冲头；步骤三、将储液室放入凹模内部，由柱塞缸通过液体通道输入端注入磁性介质；
步骤四、磁性介质注入量达到一定值后，线圈通电，通过磁控单元调节电流大小，进而使得
磁场大小控制在0.1T～1T之间；步骤五、柱塞缸继续注入磁性介质，使其作用于板材进行贴
模动作；步骤六、贴模完成后，压力传感器输出达到预定压力值后，停止注入；步骤七、冲头
下行对板材完成冲裁动作。若过程中内压太大，则通过泄压阀流出一部分磁性介质，达到泄
压的效果；步骤八、冲裁完成后，关闭电源，撤去磁场，移除冲头以及压边圈，取件。

[0012] 本发明方法与现有技术相比具体以下有益效果：

[0013] 一、本发明的创新之处在于首次将新型智能材料—磁性液体作为传力介质用于板材冲裁成形工艺。借助其产生的背压能够增加变形区内材料的静水压力，获得断面质量较
好的冲裁件，也消除了普通冲裁中存在的间隙问题，抑制了毛刺缺陷的产生，一次冲裁即可
获得高质量成品件，无需增加后续修整工序。

[0014] 二、在外界磁场调控作用下，磁性液体的流变性能及传力效果会随之发生改变。针对不同的成形要求，通过磁控单元调节成形过程中磁场强度及分布情况，可对磁性介质的
成形性能进行定量调控，使其达到预期的传力效果。另一方面，由于挤压强化效应，磁性介
质中的颗粒链，会由初期相对稀疏非紧密排布的单链结构变成紧密稳固的形式，抵抗变形
的能力进一步增强，能够有效抑制板材变形区塌陷过大。

[0015] 三、以冲裁塌陷成因作为出发点，增设了反向预胀贴模步骤。使冲裁初期产生的弯曲变形(塌陷形成的主要阶段)提到了预变形阶段，板坯在未发生塌陷之前冲头就已切入材
料，提高了断口质量。此外，随着冲头的下行加载，板料与型腔内所围空间变小，使磁性颗粒
排布更加紧密，“类固效应”更加显著，背压传力效果更佳。

[0016] 四、介质性能对板坯协调变形能力的精确响应。磁性液体作为传力介质辅助板材冲裁成形，与刚性模相比，柔性介质做背压时改变了与板材接触的界面摩擦条件，各部位变
形协调能力增强促进了成形件品质的提升。

[0017] 五、磁性介质是一种应变速率敏感性材料，随着板坯的变形能够迅速建立起背压，又反过来作用于板坯。除了磁场强度外，磁性介质变形抗力主要取决于应变速率的变化，由
于冲裁过程中板坯变形的影响，磁性介质的应变速率及其传力效果也会随之发生改变，反
过来这种变化也制约着板坯的变形行为。

[0018] 六、设计了不同规格且可存储介质的模块化储液室。一方面根据需要可改变磁性介质储量，调整了工作区的磁场分布情况，另一方面改变了冲头与储液室内壁的间隙，针对
不同板材，提供了相应的组合匹配方案，有助于减小冲裁过程中的塌陷及断面质量的提高。

[0019] 七、与液体介质相比，磁性液体在磁场调控作用下能够起到密封作用而不易产生泄露；与固态介质相比，受成形制品形状的约束度较小。冲裁结束后，清理回收过程简单且
可重复使用。磁性介质辅助冲裁工艺可实现精细化控制，装置结构简单、成本较低且可控性
强。不受材质和厚度等条件的限制，因此，在生产实际中适用性更强，易于推广及应用。

附图说明

[0020] 图1是本发明装置的主视剖图(准备阶段)；

[0021] 图2是本发明装置的主视剖图(板坯13贴模)；

[0022] 图3是本发明装置的主视剖图(板坯13与基体部分分离)；

[0023] 图4是本发明装置的主视剖图(板坯13与基体完全分离)。

具体实施方式

[0024] 具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括冲头1、压边圈2、液体通道输入端3、液体通道输出端3‑1、柱塞缸4、凹模5、储液室5‑1、磁控单元6、压力传感器7、
封严块8、泄压阀9、线圈10、冷却装置11、冷却控制单元12、板坯13、磁性介质14。首先由柱塞
缸4注入不同颗粒体积分数的磁性介质14，其中基液占10％～35％，可磁化颗粒占40％～
80％，稳定剂占1～5％。板坯13放置在凹模5上端面，压边圈2与凹模5上下对正放置，压边圈
2内留有部分空间，并设置导向孔，冲头1与压边圈2小间隙配合。线圈10嵌入在凹模5里，由
磁控单元6控制其产生磁场大小。凹模5内部留有空间安装储液室7，储存磁性介质。凹模5与
储液室5‑1留有液体通道，其输入端3连接柱塞缸4，其输出端3‑1连接泄压阀9。

[0025] 具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的由柱塞缸注入不同颗粒体积分数的磁性介质，其中，基液占45％，磁化颗粒占50％，稳定剂占5％。其它
步骤与具体实施方式一相同。

[0026] 具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的由柱塞缸注入不同颗粒体积分数的磁性介质，其中，基液占24％，磁化颗粒占70％，稳定剂占6％。其它
步骤与具体实施方式一相同。

[0027] 具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的由柱塞缸注入不同颗粒体积分数的磁性介质，其中，基液占16％，磁化颗粒占80％，稳定剂占4％。其它
步骤与具体实施方式一相同。

[0028] 具体实施方式五：结合图1～图4说明本实施方式,本实施方式为步骤四中磁控单元6磁感应强度变化范围为0.1～1T，在此范围内充分的增强磁性介质的类固效应，为冲孔
过程提供合适的背压力。其中0.1～0.5T适合抗拉强度较低的铝材，0.5～1T适合抗拉强度
较高的钢材。

[0029] 具体实施方式六：结合图1～图4说明本实施方式。冲头1由纯铁制作，能够聚集磁场，增强局部磁场强度。使得磁性介质变得更“硬”，提供更大的背压力。其他连接方式与具
体实施方式一相同。

[0030] 具体实施方式七：结合图1～图4说明本实施方式,本实施方式为步骤三中储液室5‑1的内径分别为20～50mm，通过不同内径的储液室5‑1，改变磁性介质的储量，来获得不同
的传力效果。此外还可以减少冲头1与储液室5‑1内壁的间隙，小直径对应抗拉强度和厚度
较大的板坯；大直径对应抗拉强度较低，厚度较小的板坯。

[0031] 具体实施方式八：结合图2、图3说明本实施方式。本实施过程为步骤五中的贴模动作。贴模初期：磁场强度控制在0.8～1T,目的是将板坯压入压边圈2的预留空间中，此时需
要磁性介质状态较“硬”；贴模后期:磁性介质需要较好的流动性，使得板坯13充分贴模，尤
其是圆角部分，因此磁控单元6的磁场强度控制在0.1～0.3T。