利用磁流变填充材料减小弯管截面畸变的方法技术领域
本发明属于金属塑性成形领域，尤其涉及一种利用磁流变填充材料减小弯管截面
畸变的方法。
背景技术
弯管件是应用极其广泛的一类中空型材制件，通常是利用某种塑性成形方法使得
直管坯发生弯曲塑性变形而制得。迄今为止，针对不同的需要人们已开发了绕弯、压弯、滚
弯、拉弯等多种管材弯曲方法，并大量应用在生产实践中。但由于管材具有薄壁、中空的特
殊结构形式，现有的弯管方法在实际应用中均存在相应的局限，特别是弯曲质量难以满足
精密化的要求。例如，在这些弯管方法中，管坯弯曲时在变形区常常会出现不同类型和程度
的成形缺陷，包括截面畸变(扁化或椭圆化)、局部塌陷、内侧皱褶以及外侧开裂等，在变形
程度较大的小曲率半径弯曲时尤其严重。对于矩形等截面形式的薄壁管弯曲，还存在扭曲
等其他形式的缺陷。这些成形缺陷不仅影响产品的美观、降低制件精度，还会导致管结构的
承载能力下降，严重影响其服役性能。
管坯弯曲时的截面扁化几乎存在于所有的弯管过程。为了减小这种截面畸变，人
们提出了各种方法，如采用反变形模具型槽、管坯内部增加芯轴或充填钢球、沙等填充物
等。但这些方法要么对改善弯曲截面畸变的效果十分有限，要么因操作困难而失去了实用
价值，或者因填充物导致的内压增加难以控制而很容易出现管壁破裂。总之，现有方法难以
满足实践中对管件精密成形的要求。
磁流变材料(Magnetorheological material)是在外加磁场作用下流变特性会发
生急剧变化的一种新型材料，包括磁流变液、磁流变弹性体以及具有铁磁效应的粉体等多
种类型。其中，磁流变液在没有外加磁场作用时为可以自由流动的牛顿液体，但在强磁场作
用下，磁流变液能在瞬间(毫秒级)从液体转变为半固态甚至固态，呈现可控的屈服强度，而
且这种变化是可逆的。利用磁流变液具有的特殊性质，目前已开始将其用于包括汽车用阻
尼减震、轴承密封等十分广泛的领域。磁流变弹性体的初始状态为固态弹性体，其屈服强度
同样会随着外加磁场的改变而瞬间变化。
软模成形是将气体、流体(如液态水或油)、粘性介质、固态聚氨酯橡胶以及离散颗
粒等不同类型的物质作为传压介质，对薄壁件进行胀形等的特种板料塑性成形工艺，可以
得到普通板料冲压方法难以成形的波纹管等薄壁制件。但气体、水或油、粘性介质、固态聚
氨酯橡胶以及离散颗粒等传统传力介质，分别只能适合于一定范围的板材成形过程，且普
遍存在密封困难、传力效果差等问题。由于磁流变材料具有的上述特殊性质，近年来也出现
了将其作为传压介质应用到薄板胀形等软模成形过程的研究，如中国专利CN102615164A
(一种板材磁流变液软模成形装置及方法)，CN103273644A(一种基于磁流变弹性体的板材
软模成形装置及方法)，CN104874662A(异形板件磁性介质阻尼成形装置及方法)等。但这些
将磁流变液/弹性体作为传压介质应用到软模成形的主要目的，是解决传统传压介质存在
的密封困难、传力效果差等问题。除此以外，磁流变材料在板料成形领域的其他方面尚未得
到应用。
发明内容
本发明针对精密弯管成形的需要，提供了一种利用磁流变填充材料减小弯管截面
畸变的方法。为了实现上述目的，本发明包括以下步骤：
(1)将待弯曲的管件内腔注入磁流变材料，管件的两端用橡胶塞进行密封。所述磁
流变材料可以是磁流变液，以及具有铁磁效应的铁粉和钢球；
(2)将管件放入弯曲模具的相应位置；
(3)对固定在管件侧边的感应线圈通电，利用感应线圈产生的磁场对管件的弯曲
变形区施加磁力作用，改变管件内部磁流变材料的流变特性；
(4)利用弯曲模具对管件进行弯曲成形。管件变形的同时，可以通过调节感应线圈
内电流的大小来改变磁场强度，调节管件内磁流变材料的流变特性，从而实时控制管件弯
曲变形区的内压，达到最大程度地减小管件变形区截面的畸变的目的；
(5)弯曲操作完成后，关掉通过所述感应线圈的电流，同时将管件从弯曲模具中取
出；
(6)去除管件两端的橡胶塞，将管件内腔的磁流变材料倒出并集中在专用容器中
进行回收。
本发明具有以下有益效果：将磁流变材料作为中空管件弯曲成形时内腔的填充
体，在弯管时能够对变形区提供支撑，同时还可以根据管件变形时缺陷控制的需要，实时调
节内部磁流变材料的流变力学特性、实现管件内压的智能调控，从而减小管件的截面畸变
等成形缺陷，满足精密弯管成形的需要。此外，由于磁流变材料在没有磁场作用时具有很好
的流动性，因此可以方便地实现磁流变材料在管件内的填充和去除等操作，且磁流变材料
可以回收并反复使用，使用成本低。本发明适合于绕弯、拉弯、压弯等多种类型的薄壁管弯
曲工艺。
附图说明
下面结合附图，对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中，利用磁流变液填充控制管件绕弯成形截面畸变的示意图；
图2为本发明利用磁流变液填充控制管件压弯成形截面畸变的示意图；
图3为有限元模拟的磁流变液填充管件弯曲成形后管坯变形区的横截面形状。
图1到图2中，1—绕弯模，2—绕弯模夹紧镶块，3—绕弯模夹紧块，4—感应线圈，
5—压力模，6—管件，7—磁流变液，8—橡胶塞，9—防皱块，10—压弯模，11—滚轮。
具体实施方式
下面分别以管件(6)的绕弯和压弯成形为例，对本发明利用磁流变材料作为填充
介质实现中空管坯成形时的内压调控、从而减小弯管截面畸变的方法加以说明。
两个实施例中，采用的磁流变材料为铁粉和硅油混合得到的磁流变液(7)，其杨氏
模量为1500MPa。感应线圈(4)为直流线圈，施加在管件(6)的磁场强度B的变化范围是0～
14000Gs，不同磁场强度B下对应的磁流变液(7)的剪切屈服强度K变化范围是0.003～
0.2MPa，磁流变液(7)与管件(6)内壁之间的库仑摩擦系数μ随着K线性变化，范围是0.38～
0.5。
管件(6)弯曲成形后，变形区横截面的椭圆度Φ计算方式如下：
Φ＝(Dmax-Dmin)/Dmax×100％
Dmax，Dmin分别为管件(6)弯曲成形后变形区中间位置的横截面椭圆的长轴和短轴。
实施例1——绕弯
绕弯成形管材的材料为Al 6061铝合金，外径为18mm，壁厚为2mm，密度2.89g/mm2，
泊松比v为0.33，杨氏模量为68900MPa，屈服强度为65MPa，弯曲角度均为90°。
弯曲成形的步骤如下：
1.将待弯曲的管件(6)内腔注入磁流变液(7)，管件(6)的两端用圆柱形的橡胶塞
(8)进行密封；
2.将管件(6)放入绕弯成形模具中，即绕弯模(1)、绕弯模夹紧镶块(2)、绕弯模夹
紧块(3)、压力模(5)以及防皱块(9)之间的相应位置；
3.对固定在管件(6)侧边的直流感应线圈(4)通电，利用直流感应线圈(4)产生的
磁场对管件(6)的弯曲变形区施加磁力作用，从而改变管坯内部磁流变液(7)的流变特性；
4.利用弯曲模具对管件(6)进行弯曲成形操作，同时调节感应线圈(4)内的电流大
小，通过改变磁场强度实时控制管件(6)内部的磁流变液(7)的流变特性；
5.弯曲操作完成后，将管件(6)从弯管模具中取出，关掉通过所述感应线圈(4)的
电流；
6.除去管件(6)两端的橡胶塞(8)，将管件(6)内腔的磁流变液(7)集中倒入专用容
器，对磁流变液(7)进行回收。
下表为绕弯半径分别为70mm，40mm和30mm的数值模拟结果。可见，未填充磁流变液
(7)时，三种弯曲半径下管件(6)绕弯后的椭圆度分别为12.08，16.93以及20.18；添加磁流
变液(7)后，椭圆度Φ均出现大幅度下降，说明管件(6)绕弯后的截面畸变得到了有效的控
制。
实施例2——压弯
管件(6)的外径为18mm，壁厚为2mm，材料为20钢，密度7.85g/mm2，泊松比v为0.3，
杨氏模量为206000MPa，屈服强度为275MPa，弯曲角度均为90°。弯曲成形的步骤同前。
附表为弯曲半径分别为70mm，50mm和30mm的压弯的数值模拟结果。表中，K为磁流
变液(7)在对应磁场强度下的剪切屈服应力，μ为对应磁场强度下磁流变液(7)与管壁之间
的库仑摩擦系数。
未填充磁流变液(7)时，三种弯曲半径下管件(6)压弯的椭圆度Φ分别为5.49，
7.93 以及14.01，而添加磁流变液(7)后，椭圆度Φ下降、截面畸变减小。