基于磁流變彈性體的新型管材成形技術(shù)研究進(jìn)展*

徐 勇，李 昊，2，郭訓(xùn)忠，張士宏，夏亮亮，2，胡勝寒

（1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，沈陽(yáng) 110016；3.南京航空航天大學(xué)，南京 211100）

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能金屬?gòu)?fù)雜空心構(gòu)件被廣泛應(yīng)用，從而有利于裝備的輕量化、高精度及整體化的發(fā)展需要。液壓成形技術(shù)是當(dāng)前制造復(fù)雜空心構(gòu)件的主要方法之一。但是伴隨材料強(qiáng)度的不斷提升，所需的液壓力也隨著提高，一方面導(dǎo)致材料在成形過(guò)程中的阻力增大，不利于材料向變形區(qū)的流動(dòng)；另一方面，高的液壓也增大了系統(tǒng)的密封難題，增加了液壓成形的整體制造難度。為了解決上述液壓成形工藝的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者將成形介質(zhì)作為工藝開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，先后提出了固體顆粒成形[1–6]、聚氨酯橡膠成形[7–8]等一系列介質(zhì)壓力成形技術(shù)。固體顆粒成形技術(shù)是采用固體顆粒作為填充介質(zhì)完成對(duì)管材的成形，該工藝雖然可以有效解決填充介質(zhì)的密封難題，但成形得到的管件往往存在壁厚均勻性差的問(wèn)題；聚氨酯橡膠成形工藝是采用聚氨酯橡膠作為填充介質(zhì)進(jìn)行管件的壓力成形，該工藝的應(yīng)用同樣可以有效解決傳力介質(zhì)的密封問(wèn)題，但成形過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓力的差異化加載，易導(dǎo)致管件的局部特征無(wú)法正常貼模。為了實(shí)現(xiàn)成形壓力的差異化加載，近期有學(xué)者提出了一種磁流變液成形技術(shù)[9]。

磁流變液成形是采用磁流變液 （一種智能材料）作為傳力介質(zhì)進(jìn)行的柔性成形。其成形原理可表述為磁流變液內(nèi)部的磁性粒子在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生單向加載的電磁力，以完成對(duì)工件的成形。Bao等[10]采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了雙層薄板的成形，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度以及提高磁性粒子濃度均有助于提升板件的壁厚均勻性。Wang等[11]研制了一種用于成形Al1060鋁合金板件的磁流變液成形模具，通過(guò)試驗(yàn)得到了優(yōu)化的磁流變效應(yīng)參數(shù)。Liu等[12–13]采用磁流變液成形技術(shù)進(jìn)行了球底筒形件成形性研究，通過(guò)響應(yīng)面分析優(yōu)化了筒形件的成形質(zhì)量。Schouterden等[14]將磁流變液壓力成形得到的纖維板件與液壓成形得到的試驗(yàn)樣件進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)磁流變液壓力成形工藝可有效提升板件圓角部位的貼模性。雖然磁流變液成形工藝可以實(shí)現(xiàn)成形壓力的差異化加載，但仍需考慮液體密封的問(wèn)題。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)成形壓力的差異化加載并解決成形介質(zhì)的密封問(wèn)題，本課題組開(kāi)發(fā)了一種適用于復(fù)雜截面整體空心構(gòu)件的磁流變彈性體成形技術(shù)，從磁流變彈性體的制備、力學(xué)特性的理論分析及試驗(yàn)評(píng)測(cè)、成形工藝開(kāi)發(fā)及模具設(shè)計(jì)、有限元的建模和仿真及在異形管件成形中的應(yīng)用等多個(gè)方面對(duì)該技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 磁流變彈性體制備及其力學(xué)特性

1.1 磁流變彈性體的制備

磁流變彈性體是一種新興的智能材料，由Shiga等[15]首次提出。其在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，即材料基體中的磁性粒子在受到電磁力的作用下會(huì)呈現(xiàn)有規(guī)律的排布，使得彈性體的力學(xué)特性發(fā)生改變。對(duì)于磁流變彈性體的制備，大多數(shù)研究是針對(duì)基體材料的種類(lèi)和性質(zhì)[16]、添加劑的種類(lèi)和性質(zhì)[15]以及磁性粒子的大小、形狀、數(shù)量及分布情況展開(kāi)[17–19]。Bellan等[20]制備了以室溫硫化硅橡膠為基體的磁流變彈性體，分析了磁性粒子含量和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流變效應(yīng)的影響。李光輝[21]以硅橡膠作為基體、羰基鐵粉作為磁性粒子、二甲基硅油和石墨作為添加劑，使用不同的制備方法制備出了不同石墨含量的磁流變彈性體樣品。本課題組同樣采用硅橡膠作為基體材料，以MPS–MRF–15羥基鐵粉作為磁性粒子進(jìn)行磁流變彈性體的制備。制備方法為將羥基鐵粉按照40%的配比均勻融入硅橡膠液體中，加入固化劑均勻攪拌，將尚未凝固的磁流變液體緩慢注入待成形的初始管材中，在室溫下放置約24h，完成對(duì)磁流變彈性體的制備。采用掃描電鏡觀測(cè)了羥基鐵粉在硅橡膠基體中的分布情況，如圖1所示[22]。羥基鐵粉的材料特性及尺寸參數(shù)如表1所示[22]。

圖1 磁流變彈性體制備方法和磁性粒子SEM照片[22]Fig.1 Preparation method of magnetorheological elastomer (MRE) and the SEM image of magnetic particles[22]

表1 MPS–MRF–15羥基鐵粉特性參數(shù)[22]Table 1 Performance parameters of MPS–MRF–15 carbonyl iron powder[22]

1.2 磁流變彈性體的力學(xué)行為理論研究

有關(guān)磁流變彈性體壓縮力學(xué)行為的理論研究，目前主要以磁致壓縮彈性模量和剪切模量為研究重點(diǎn)[23]。朱緒力等[24]基于偶極模型分析了磁流變彈性體磁致壓縮彈性模量的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)磁流變彈性體的壓縮彈性模量隨著壓應(yīng)力的增大而增大。Zhou[25]通過(guò)磁流變彈性體動(dòng)力學(xué)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剪切儲(chǔ)能模量與磁場(chǎng)強(qiáng)度為正比例關(guān)系。

本課題組以磁性粒子單鏈為研究對(duì)象，建立了磁流變彈性體在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁致壓縮彈性模量與剪切模量的理論模型，分析了兩個(gè)相鄰磁性粒子間力的作用，磁性粒子間的受力分析如圖2所示[22]，其中徑向分為Fm21r和Fm12r；切向分為Fm21t和Fm12t。研究結(jié)合直鏈計(jì)算理論，得到了兩個(gè)磁性粒子間的相互作用能 （式（1）），并進(jìn)一步推得了磁致彈性模量（式（2））。

圖2 磁性粒子鏈的壓縮[22]Fig.2 Compression of magnetic particle chains[22]

式中，m、μ0和μr分別為磁偶極矩、真空磁導(dǎo)率和基體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；r0為磁性粒子間的初始距離；σ和ε分別為正應(yīng)力與正應(yīng)變。

此外，本課題組根據(jù)彈性模量計(jì)算公式推得了磁流變彈性體的磁致壓縮模量表達(dá)式 （式（3））。依據(jù)每個(gè)磁流變單元體積的能量密度方程，推導(dǎo)出了剪應(yīng)變?chǔ)茫ㄊ剑?）），并進(jìn)一步推得了磁致剪應(yīng)變表達(dá)式 （式（5））。

式中，F(xiàn)ms為磁場(chǎng)力和壓應(yīng)力的合力；ε為應(yīng)變；ρ為磁性粒子鏈對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)的半徑；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為磁性粒子直徑。

1.3 磁流變彈性體的力學(xué)性能評(píng)測(cè)

彈性體壓縮力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)主要分為無(wú)徑向約束的自由壓縮試驗(yàn)[26]和有徑向約束的壓縮試驗(yàn)。無(wú)徑向約束的自由壓縮試驗(yàn)研究已較為成熟，而對(duì)于有徑向約束的壓縮試驗(yàn)仍鮮有報(bào)道。張燦陽(yáng)等[27]開(kāi)展試驗(yàn)研究了硅橡膠基磁敏彈性體的自由壓縮力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大會(huì)導(dǎo)致磁彈體壓縮模量的增加。雷經(jīng)發(fā)[28]和宣言[29]等基于聚氯乙烯彈性體分別進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)自由壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)自由壓縮試驗(yàn)，獲得了彈性體在兩種加載模式下的本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變速率下彈性體的力學(xué)行為受應(yīng)變歷史的影響較大，在高應(yīng)變速率下彈性體的抗變形能力遠(yuǎn)高于低應(yīng)變率。

本課題組探索了硅橡膠基磁流變彈性體在有徑向約束狀態(tài)下的壓縮力學(xué)特性，研制出了可外加磁場(chǎng)的壓縮試驗(yàn)裝置 （圖3（a））[30]。在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，磁流變彈性體會(huì)隨著剛性沖頭的軸向位移發(fā)生膨脹變形，其徑向位移則受到剛性套筒的約束。因此，磁流變彈性體在此過(guò)程中受三向壓應(yīng)力，其受力情況如圖3（b）所示[30]。為了測(cè)試磁流變彈性體在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的力學(xué)特性，課題組自主研制出了一種可靈活調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)發(fā)生裝置 （圖4（a）[30]）。試驗(yàn)時(shí)，磁流變彈性體壓縮模具置于磁場(chǎng)發(fā)生裝置兩磁極之間，壓縮彈性體的剛性沖頭固定在WDW–100D電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，壓縮試驗(yàn)設(shè)備如圖4（b）所示[30]。

圖3 磁流變彈性體壓縮試驗(yàn)原理[30]Fig.3 Principle of MRE compression experiment[30]

圖4 磁流變彈性體壓縮試驗(yàn)裝置及設(shè)備[30]Fig.4 MRE compression experimental device and equipment[30]

本課題組基于研制的磁流變彈性體壓縮試驗(yàn)裝置，分別研究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度、不同磁性粒子濃度以及不同沖頭位移速度對(duì)磁流變彈性體力學(xué)性能的影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度分別選取0、 50mT、100mT、150mT、200mT，磁性粒子濃度（MPC）即羥基鐵粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別選取0、20%、40%、60%，剛沖頭位移速度選取5mm/min和20 mm/min。通過(guò)壓縮試驗(yàn)，獲得了如圖5和6所示[30]不同試驗(yàn)條件下的磁流變彈性體壓縮本構(gòu)曲線，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度和沖頭位移速度對(duì)磁流變彈性體力學(xué)性能的影響均較為顯著。

圖5 不同沖頭位移速度下磁流變彈性體在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁流變彈性體壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線[30]Fig.5 MRE compression stress–strain curves under different velocity of punch and intensity of magnetic field[30]

2 成形工藝原理

對(duì)于磁流變彈性體成形技術(shù)的研究仍尚未成熟。相楠等[31]提出了一種基于磁流變復(fù)合軟模的板材成形方法，試圖解決現(xiàn)有的磁流變彈性體軟模無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部差異化壓力加載的問(wèn)題。此外，王忠金等[32]提出了一種基于磁流變彈性體的軟模成形方法，以解決現(xiàn)有橡膠軟模成形無(wú)法改變橡膠性能的問(wèn)題。董國(guó)疆等[33]提出了一種磁流變脂管件脹壓成形工藝方法，以解決內(nèi)高壓成形工藝密封困難的問(wèn)題。

本文提出的磁流變彈性體成形技術(shù)，其主要工藝原理為：首先，將帶有磁流變彈性體的管材與兩推頭沿軸向放置于成形模具的型腔內(nèi)，閉合模具。然后，使得兩推頭軸向進(jìn)給壓縮磁流變彈性體的兩端，使其發(fā)生膨脹變形。同時(shí)，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)發(fā)生裝置，使得管材局部脹形區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。不斷增大兩推頭的軸向位移并保持設(shè)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，直至完成管件的脹形。待成形結(jié)束后，打開(kāi)模具并取出磁流變彈性體，獲得脹形后的管件。磁流變彈性體成形工藝原理如圖7所示。下文具體介紹磁流變彈性體成形技術(shù)在T形管件、二級(jí)變徑管件等典型空心構(gòu)件中的應(yīng)用。

圖7 磁流變彈性體管材成形技術(shù)的工藝原理Fig.7 Tube forming principle based on MRE forming technology

3 典型管材成形的應(yīng)用

3.1 T形管件成形

針對(duì)T形管件的成形進(jìn)行了有限元仿真分析。由于磁流變彈性體成形是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，要精確地呈現(xiàn)出整個(gè)管材塑性變形過(guò)程，需準(zhǔn)確定義高溫合金管材的力學(xué)性能 （試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示[22]）及磁流變彈性體的力磁耦合本構(gòu)關(guān)系[34–35]。鑒于磁流變彈性體成形的復(fù)雜性，本課題組采用的有限元仿真方法是將磁流變彈性體在有磁場(chǎng)條件下壓縮獲得的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)以參數(shù)化的形式輸入到ABAQUS軟件的Mooney rivilin橡膠模型中，以較為精確模擬磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下的壓縮變形行為。圖8所示為建立的T形管件成形的3D有限元模型，管件的支管直徑為Φ15mm，長(zhǎng)度為80mm，主管直徑為Φ15.5mm，壁厚為1mm[22]。有限元模型中的成形模具和管材的形狀尺寸均與實(shí)際保持一致，其單元類(lèi)型設(shè)置為剛性實(shí)體，各成形元件的單元類(lèi)型及網(wǎng)格尺寸均已在圖8中示出。此外，管材與磁流變彈性體及成形模具的接觸類(lèi)型均設(shè)置為面–面接觸，且各接觸面間的摩擦系數(shù)值根據(jù)Baudin等[36]的研究進(jìn)行確定。通過(guò)有限元仿真計(jì)算，得到了在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下沿支管軸向的位移分布云圖和支管高度的變化規(guī)律，如圖9所示[22]。

圖6 不同沖頭位移速度下不同磁性粒子濃度的磁流變彈性體壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線[30]Fig.6 MRE compression stress–strain curves under different velocity of punch and mass fraction of magnetic particles[30]

表2 GH4169高溫合金管材拉伸力學(xué)性能參數(shù)[22]Table 2 Mechanical parameters of GH4169 superalloy tube blank[22]

圖8 T形管成形有限元模型[22]Fig.8 Finite element model for T-shaped hollow part[22]

圖9 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的軸向位移分布及支管高度變化規(guī)律[22]Fig.9 Distribution of axial displacement and variation law of the branch tube’s height under different intensities of magnetic field[22]

對(duì)于T形管件成形性的試驗(yàn)研究，選取磁場(chǎng)強(qiáng)度作為優(yōu)化目標(biāo)。本課題組自主研制了用于成形T形管件成形的模具，由上模具、下模具、左推頭和右推頭組成，模具裝配完成后由支架安裝于管材成形設(shè)備的工作臺(tái)面，如圖10所示[22]。為了減小成形模具及管材塑性變形對(duì)磁場(chǎng)的影響，模具材料選用316L不銹鋼，管坯材料選用磁導(dǎo)率較低的GH4169高溫合金。為了保證足夠的成形壓力，選用管材冷推彎設(shè)備提供所需的成形壓力，該設(shè)備單個(gè)側(cè)推缸的公稱(chēng)力最大可達(dá)450kN。為了研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)支管成形高度的影響規(guī)律，試驗(yàn)選用伸長(zhǎng)量為6mm的推頭，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)發(fā)生裝置使得磁場(chǎng)強(qiáng)度分別達(dá)到50mT、140mT和260mT進(jìn)行磁流變彈性體成形試驗(yàn)。根據(jù)如圖11所示[22]成形試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大至140mT時(shí)，管件具有最大的支管高度且未出現(xiàn)破裂缺陷。

圖10 管材成形設(shè)備及T形管成形模具[22]Fig.10 Tube forming equipment and forming tool of T-shaped tube[22]

圖11 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下得到的T形管件[22]Fig.11 T-shaped tube under different intensities of magnetic field[22]

3.2 二級(jí)變徑管件成形

對(duì)于二級(jí)變徑管件成形的有限元仿真分析，基于目標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)及尺寸 （圖12[37]）建立了3D有限元仿真模型，如圖13所示[37]。有限元仿真同樣采用ABAQUS軟件，磁流變彈性體材料模型的設(shè)置方式、網(wǎng)格單元類(lèi)型及尺寸、接觸類(lèi)型及摩擦系數(shù)等參數(shù)設(shè)置均與T形管件成形的參數(shù)設(shè)置相同。為了使得管件成形充分，設(shè)置推頭位移量為9mm，電流強(qiáng)度為6A，仿真得到的管件壁厚減薄率分布如圖14所示[37]?？梢?jiàn)，最大減薄率為18.20%，與試驗(yàn)測(cè)得的最大減薄率19.82%具有較好的一致性。

圖12 目標(biāo)零件結(jié)構(gòu)及尺寸（mm）[37]Fig.12 Structure and size of objective part (mm)[37]

圖13 二級(jí)變徑管件成形3D有限元模型[37]Fig.13 3D finite element model of special shaped part[37]

圖14 管件壁厚減薄率有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)果[37]Fig.14 Simulation and experiment results of thinning ratio[37]

對(duì)于二級(jí)變徑管件成形性的試驗(yàn)研究，本文作者采用中心響應(yīng)面法（Central domposite designs）[38]基 于Design Expert軟件對(duì)二級(jí)變徑管件的成形工藝參數(shù) （推頭位移和電流強(qiáng)度）進(jìn)行了優(yōu)化。目標(biāo)零件的壁厚為1mm，最大變徑比為1.5，其形狀及尺寸如圖13所示[37]。管材成形設(shè)備選用與T形管件成形相同型號(hào)的設(shè)備，成形模具如圖15所示[37]。通過(guò)試驗(yàn)得到了各組響應(yīng)面規(guī)劃試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的管件壁厚減薄率和平均脹形直徑（兩個(gè)二級(jí)直徑的平均值）。經(jīng)過(guò)響應(yīng)面法計(jì)算得到了各響應(yīng)量和成形工藝參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系式（式（6）和式（7）），并繪制了響應(yīng)面（圖16[37]）。

圖15 二級(jí)變徑管件成形模具[37]Fig.15 Forming tool of special shaped part[37]

圖16 響應(yīng)面和等值線云圖[37]Fig.16 Response surface and contour[37]

式中，f1為壁厚減薄率；f2為平均脹形直徑；I為電流強(qiáng)度；S為推頭軸向位移。

此外，預(yù)測(cè)得到了用于二級(jí)變徑管件成形的最優(yōu)成形工藝參數(shù)（推頭位移7.6mm，電流強(qiáng)度6A）。采用成形優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行磁流變彈性體壓力成形試驗(yàn)，得到的優(yōu)化零件如圖17所示[37]。可以看出，優(yōu)化后的零件不僅具有良好的貼模性，且各處的壁厚減薄量均較小，最大壁厚減薄率僅為18.85%。

圖17 優(yōu)化后的二級(jí)變徑管件貼模性及壁厚減薄率[37]Fig.17 Die filling of optimized part and thinning ratio[37]

4 結(jié)論與展望

針對(duì)復(fù)雜截面整體空心構(gòu)件的成形難題，提出并開(kāi)發(fā)了一種基于磁流變彈性體的新型管材介質(zhì)壓力成形技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)借助外加磁場(chǎng)的輔助作用，實(shí)現(xiàn)管材內(nèi)部成形壓力的差異化調(diào)控，有效促進(jìn)材料流動(dòng)，并可以有效解決液壓成形過(guò)程中管材密封困難的問(wèn)題。目前，采用該技術(shù)已成功開(kāi)發(fā)出T形管、二級(jí)變徑管和波紋管等多種復(fù)雜整體空心構(gòu)件，并研制出了相關(guān)成形模具及設(shè)備。此外，開(kāi)發(fā)了磁流變彈性體成形有限元仿真技術(shù)，提出了優(yōu)化工藝參數(shù)的試驗(yàn)方法，確定了該工藝條件下管材的塑性變形規(guī)律。雖然圍繞該項(xiàng)成形技術(shù)已取得了一定的突破，但仍存在很多技術(shù)難題亟待解決。例如進(jìn)一步改進(jìn)羥基鐵粉的配比以改善磁流變彈性體受外部磁場(chǎng)作用時(shí)的力學(xué)性能；對(duì)磁場(chǎng)發(fā)生裝置作進(jìn)一步改進(jìn)，使得磁場(chǎng)力分布更為均勻，進(jìn)一步優(yōu)化建立磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下更為精確的本構(gòu)模型參數(shù)、進(jìn)一步提升成形壓力的調(diào)控精度、構(gòu)建考慮磁性粒子間作用的磁力耦合有限元模型等。作為一種新型柔性成形工藝，未來(lái)該技術(shù)可推廣應(yīng)用于整體成形航空航天用大變徑比金屬空心構(gòu)件，以解決大變徑比構(gòu)件局部特征成形不充分、易破裂的難題，為航空零件的精密制造提供前瞻性的技術(shù)支持。