本發明屬于金屬塑性成形領域，尤其涉及一種利用磁流變填充材料減小彎管截面畸變的方法。

背景技術：

彎管件是應用極其廣泛的一類中空型材制件，通常是利用某種塑性成形方法使得直管坯發生彎曲塑性變形而制得。迄今為止，針對不同的需要人們已開發了繞彎、壓彎、滾彎、拉彎等多種管材彎曲方法，并大量應用在生產實踐中。但由于管材具有薄壁、中空的特殊結構形式，現有的彎管方法在實際應用中均存在相應的局限，特別是彎曲質量難以滿足精密化的要求。例如，在這些彎管方法中，管坯彎曲時在變形區常常會出現不同類型和程度的成形缺陷，包括截面畸變(扁化或橢圓化)、局部塌陷、內側皺褶以及外側開裂等，在變形程度較大的小曲率半徑彎曲時尤其嚴重。對于矩形等截面形式的薄壁管彎曲，還存在扭曲等其他形式的缺陷。這些成形缺陷不僅影響產品的美觀、降低制件精度，還會導致管結構的承載能力下降，嚴重影響其服役性能。

管坯彎曲時的截面扁化幾乎存在于所有的彎管過程。為了減小這種截面畸變，人們提出了各種方法，如采用反變形模具型槽、管坯內部增加芯軸或充填鋼球、沙等填充物等。但這些方法要么對改善彎曲截面畸變的效果十分有限，要么因操作困難而失去了實用價值，或者因填充物導致的內壓增加難以控制而很容易出現管壁破裂。總之，現有方法難以滿足實踐中對管件精密成形的要求。

磁流變材料(Magnetorheological material)是在外加磁場作用下流變特性會發生急劇變化的一種新型材料，包括磁流變液、磁流變彈性體以及具有鐵磁效應的粉體等多種類型。其中，磁流變液在沒有外加磁場作用時為可以自由流動的牛頓液體，但在強磁場作用下，磁流變液能在瞬間(毫秒級)從液體轉變為半固態甚至固態，呈現可控的屈服強度，而且這種變化是可逆的。利用磁流變液具有的特殊性質，目前已開始將其用于包括汽車用阻尼減震、軸承密封等十分廣泛的領域。磁流變彈性體的初始狀態為固態彈性體，其屈服強度同樣會隨著外加磁場的改變而瞬間變化。

軟模成形是將氣體、流體(如液態水或油)、粘性介質、固態聚氨酯橡膠以及離散顆粒等不同類型的物質作為傳壓介質，對薄壁件進行脹形等的特種板料塑性成形工藝，可以得到普通板料沖壓方法難以成形的波紋管等薄壁制件。但氣體、水或油、粘性介質、固態聚氨酯橡膠以及離散顆粒等傳統傳力介質，分別只能適合于一定范圍的板材成形過程，且普遍存在密封困難、傳力效果差等問題。由于磁流變材料具有的上述特殊性質，近年來也出現了將其作為傳壓介質應用到薄板脹形等軟模成形過程的研究，如中國專利CN102615164A(一種板材磁流變液軟模成形裝置及方法)，CN103273644A(一種基于磁流變彈性體的板材軟模成形裝置及方法)，CN104874662A(異形板件磁性介質阻尼成形裝置及方法)等。但這些將磁流變液/彈性體作為傳壓介質應用到軟模成形的主要目的，是解決傳統傳壓介質存在的密封困難、傳力效果差等問題。除此以外，磁流變材料在板料成形領域的其他方面尚未得到應用。

技術實現要素：

本發明針對精密彎管成形的需要，提供了一種利用磁流變填充材料減小彎管截面畸變的方法。為了實現上述目的，本發明包括以下步驟：

(1)將待彎曲的管件內腔注入磁流變材料，管件的兩端用橡膠塞進行密封。所述磁流變材料可以是磁流變液，以及具有鐵磁效應的鐵粉和鋼球；

(2)將管件放入彎曲模具的相應位置；

(3)對固定在管件側邊的感應線圈通電，利用感應線圈產生的磁場對管件的彎曲變形區施加磁力作用，改變管件內部磁流變材料的流變特性；

(4)利用彎曲模具對管件進行彎曲成形。管件變形的同時，可以通過調節感應線圈內電流的大小來改變磁場強度，調節管件內磁流變材料的流變特性，從而實時控制管件彎曲變形區的內壓，達到最大程度地減小管件變形區截面的畸變的目的；

(5)彎曲操作完成后，關掉通過所述感應線圈的電流，同時將管件從彎曲模具中取出；

(6)去除管件兩端的橡膠塞，將管件內腔的磁流變材料倒出并集中在專用容器中進行回收。

本發明具有以下有益效果：將磁流變材料作為中空管件彎曲成形時內腔的填充體，在彎管時能夠對變形區提供支撐，同時還可以根據管件變形時缺陷控制的需要，實時調節內部磁流變材料的流變力學特性、實現管件內壓的智能調控，從而減小管件的截面畸變等成形缺陷，滿足精密彎管成形的需要。此外，由于磁流變材料在沒有磁場作用時具有很好的流動性，因此可以方便地實現磁流變材料在管件內的填充和去除等操作，且磁流變材料可以回收并反復使用，使用成本低。本發明適合于繞彎、拉彎、壓彎等多種類型的薄壁管彎曲工藝。

附圖說明

下面結合附圖，對本發明作進一步的說明。

圖1為本發明中，利用磁流變液填充控制管件繞彎成形截面畸變的示意圖；

圖2為本發明利用磁流變液填充控制管件壓彎成形截面畸變的示意圖；

圖3為有限元模擬的磁流變液填充管件彎曲成形后管坯變形區的橫截面形狀。

圖1到圖2中，1—繞彎模，2—繞彎模夾緊鑲塊，3—繞彎模夾緊塊，4—感應線圈，5—壓力模，6—管件，7—磁流變液，8—橡膠塞，9—防皺塊，10—壓彎模，11—滾輪。

具體實施方式

下面分別以管件(6)的繞彎和壓彎成形為例，對本發明利用磁流變材料作為填充介質實現中空管坯成形時的內壓調控、從而減小彎管截面畸變的方法加以說明。

兩個實施例中，采用的磁流變材料為鐵粉和硅油混合得到的磁流變液(7)，其楊氏模量為1500MPa。感應線圈(4)為直流線圈，施加在管件(6)的磁場強度B的變化范圍是0～14000Gs，不同磁場強度B下對應的磁流變液(7)的剪切屈服強度K變化范圍是0.003～0.2MPa，磁流變液(7)與管件(6)內壁之間的庫侖摩擦系數μ隨著K線性變化，范圍是0.38～0.5。

管件(6)彎曲成形后，變形區橫截面的橢圓度Φ計算方式如下：

Φ＝(D_max-D_min)/D_max×100％

D_max，D_min分別為管件(6)彎曲成形后變形區中間位置的橫截面橢圓的長軸和短軸。

實施例1——繞彎

繞彎成形管材的材料為Al 6061鋁合金，外徑為18mm，壁厚為2mm，密度2.89g/mm²，泊松比v為0.33，楊氏模量為68900MPa，屈服強度為65MPa，彎曲角度均為90°。

彎曲成形的步驟如下：

1.將待彎曲的管件(6)內腔注入磁流變液(7)，管件(6)的兩端用圓柱形的橡膠塞(8)進行密封；

2.將管件(6)放入繞彎成形模具中，即繞彎模(1)、繞彎模夾緊鑲塊(2)、繞彎模夾緊塊(3)、壓力模(5)以及防皺塊(9)之間的相應位置；

3.對固定在管件(6)側邊的直流感應線圈(4)通電，利用直流感應線圈(4)產生的磁場對管件(6)的彎曲變形區施加磁力作用，從而改變管坯內部磁流變液(7)的流變特性；

4.利用彎曲模具對管件(6)進行彎曲成形操作，同時調節感應線圈(4)內的電流大小，通過改變磁場強度實時控制管件(6)內部的磁流變液(7)的流變特性；

5.彎曲操作完成后，將管件(6)從彎管模具中取出，關掉通過所述感應線圈(4)的電流；

6.除去管件(6)兩端的橡膠塞(8)，將管件(6)內腔的磁流變液(7)集中倒入專用容器，對磁流變液(7)進行回收。

下表為繞彎半徑分別為70mm，40mm和30mm的數值模擬結果。可見，未填充磁流變液(7)時，三種彎曲半徑下管件(6)繞彎后的橢圓度分別為12.08，16.93以及20.18；添加磁流變液(7)后，橢圓度Φ均出現大幅度下降，說明管件(6)繞彎后的截面畸變得到了有效的控制。

實施例2——壓彎

管件(6)的外徑為18mm，壁厚為2mm，材料為20鋼，密度7.85g/mm²，泊松比v為0.3，楊氏模量為206000MPa，屈服強度為275MPa，彎曲角度均為90°。彎曲成形的步驟同前。

附表為彎曲半徑分別為70mm，50mm和30mm的壓彎的數值模擬結果。表中，K為磁流變液(7)在對應磁場強度下的剪切屈服應力，μ為對應磁場強度下磁流變液(7)與管壁之間的庫侖摩擦系數。

未填充磁流變液(7)時，三種彎曲半徑下管件(6)壓彎的橢圓度Φ分別為5.49，7.93 以及14.01，而添加磁流變液(7)后，橢圓度Φ下降、截面畸變減小。