电磁成形技术的最新进展_江洪伟

第12卷　第3期2004年6月　材　料　科　学　与　工　艺MATERI ALS SCIE NCE &TECHNOLOGYVol .12No .3June ,2004电磁成形技术的最新进展江洪伟,李春峰,赵志衡,李　忠,于海平(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001,E -mail :jianghw @hit .edu .cn )摘　要:电磁成形是目前应用最广泛的高能率成形方法之一.综述了成形磁场力的求解方法及解决电磁成形问题的3个主要方面内容,包括磁场、磁场力及变形,阐述了电磁成形工艺的成形方法及研究现状,列举了大量的国内、外工艺应用及研究成果,介绍了电磁成形工艺的最新应用———电磁校形、粉末压实,并展望了电磁成形技术的发展前景.关键词:电磁成形;磁场力;变形;有限元中图分类号:TG391文献标识码:A文章编号:1005-0299(2004)03-0327-05Current research situation of electromagnetic forming techniqueJI ANG Hong -wei ,LI Chun -feng ,ZHAO Zhi -heng ,LI zhong ,YU Hai -ping(School of M aterials Science and Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China ,E -mail :jianghw @hit .edu .cn )Abstract :Electromagnetic forming (E MF )is one of the most widely used high -energy forming techniques .Magnetic pressure is employed in the technique to deform metal materials so as to process and assemble parts .This paper gives a comprehensive explanation of the methods to solve magnetic pressure and the three aspects in the solution of E MF problems ,that is :magnetic field ,magnetic pressure and deformation .The essential process of E MF is described and the current situation of the technique is illustrated by both foreign and domestic research achievements and its applications .The latest applications to electromagnetic shape -righting and power -compaction are especially introduced in the paper .Key words :electromagnetic forming ;magnetic pressure ;deformation ;finite element method 收稿日期:2003-05-30.作者简介:江洪伟(1973-),男,博士生;李春峰(1948-),男,教授,博士生导师. 电磁成形技术始创于50年代末,在60～70年代得到了快速发展,80年代在美国、前苏联电磁成形机已标准化、系列化.在国内,70年代末期,哈尔滨工业大学开始研究电磁成形的基本理论及工艺,并于1986年成功研制了我国首台生产用电磁成形机[1,2].电磁成形技术具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形工件精度高、成形模具简单及设备通用性强等特点.且整个成形过程绿色、环保.现已广泛应用于机械、电子、汽车工业[3]、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域,应用前景十分广阔[4,5].新世纪要求塑性加工技术向着更精、更省、更净的方向发展.成形过程要求绿色无污染,成形工件(毛坯)将由近净成形(near -net shape forming )向无余量的净成形(net shape forming )发展[6];产品开发周期要短,生产工艺应具备快速市场响应能力.而电磁成形技术正顺应了这一发展需求,具有广阔的发展前景.1　理论研究电磁成形涉及电学、电磁学、电动力学和塑性动力学等学科的内容,由于电学、电磁学、电动力学的复杂性和塑性动力学本身的不完善,特别是由于电磁成形过程中电学过程和力学过程的交互影响,使电磁成形的理论研究复杂而困难[7],应用解析法来精确求解该过程几乎是不可能的.而随着有限元理论的日趋完善,使用有限元软件来模拟电磁成形过程中的电参数、力学参数、变形过程已成为诸多方法中的首选[8～10].电磁力计算是分析电磁成形变形过程、优化力能及工艺参数的基础.电磁成形技术虽然已经过40多年的发展,但是它的理论研究依然滞后于生产实践,磁场、磁场力及变形是电磁成形需要研究的主要基础理论.1.1　磁场电磁成形中的磁场与放电电流及线圈-工件系统的结构有直接关系,毛坯变形取决于脉冲磁场的强度及分布.磁场的理论分析是电磁成形的基础.图1是应用有限元软件模拟电磁成形时的磁场场景.Ι1-线圈电流　Ι2-管坯中耦合电流图1　管坯电磁缩径磁力线图 由图1可知,从线圈内部流出的磁力线除管坯端部外大部分被狭迫在线圈与管坯之间的窄缝内,只含有轴向分量;在管坯端部磁力线发散,磁力线除含有轴向分量外还含有径向分量.1.2　磁场力目前,对电磁成形磁场力的研究主要采用以下4种方法.等效电路法.将成形线圈和管坯等效为变压器电路的一次回路和二次回路,求出等效电感、放电电流[11],再根据能量守恒原理求解电磁力.采用该方法时感生电流的求解极其复杂,目前尚没有应用其进行磁场力计算的报道.等效磁路法.把线圈和管坯等效看成一个单一电路,电感和电阻被看做线圈和管坯参数的函数.在认为线圈、管坯无限长的前提下求解磁场力[12],这种方法在确定螺线管线圈胀形磁场力时得到较多的应用[13].由于该方法是在假定线圈与管坯无限长,而且不计其漏磁通的情况下得到的,因而计算磁场力的最大值以及磁场力达到最大值的时间均有误差[14].解析法.Maxwell 方程组是描述一切电磁现象的基本定律,求解这个方程组可以得到一切电磁参数的解析解,包括磁场力.目前已有直接应用它在近似条件下进行积分,求解磁场力的报道,但求解过程复杂[15,16].有限元法.正是由于上述几种方法在计算磁场力上存在不足,近年来出现了应用有限元程序计算电磁胀形时磁场力的报道[17,18]:采用网格剖分,给出合适的边界条件,计算拉普拉斯场,求解出线圈与坯料之间的磁感应强度,再根据Maxwell 方程的导出式得到的作用于坯料上的磁场力[19].该方法所应用的公式十分严密,其结果与前几种方法比较有更好的实验吻合性[20]. 图2是A NSYS 模拟带有模具的管坯胀形时所受磁压力分布.管坯端部受到径向外胀力、轴向下压力,而其他部分则只受到径向外胀力;模具内表面附近受到的磁压力以径向外胀力为主,端部受轴向下压力、径向外胀力,其余部分仅受径向外胀力.图2　有模电磁胀形时受力图1.3　变形利用电磁力实现板料变形可以大幅度提高板料的成形极限[21].图3是IA P 公司测得的在不同成形方法下板料的极限应变值[22].图3　板料成形极限线图[22]2　工艺研究及应用传统的电磁成形有平板成形、管件电磁缩径和胀形成形、多工序复合成形.随着制造业的发展、新材料的出现,电磁校形、粉末压实等新工艺·328·材　料　科　学　与　工　艺 第12卷　成为加工领域的热点.电磁成形的应用非常广泛.如,美国波音747机翼大型壁板,波音737机翼大梁均用电磁铆接.波音767客机的机翼大梁,每根约2900个铆钉的定位夹紧,钻孔放钉、电磁铆接和换变工位,均由微机控制的机装式自动电磁铆接机完成.国外已将电磁成形加工用于汽车油泵壳体的成形组装、弹壳成形装配、反射灯罩成形、导弹蒙皮高框铆接、波导管内槽成形、打火机壳体成形[23～25].国内对组装大弹壳,榴弹战斗部电磁收口成形,导弹的红外辐射尾罩电磁扩口成形也进行了研究[26].还有用金属薄板通过电磁成形加工法将陶瓷、玻璃、塑料制品件的进出管道封口,以形成真空或高压密封空腔.2.1　平板毛坯成形平板毛坯成形可以分为自由成形和有模成形两种.自由成形主要是用于精度要求不高的锥形件成形,有模成形常用于压印、局部压肋、压凹及曲面零件成形等.图4为成形原理图.图4　平板成形原理图[27] 应用平板线圈,采用间接加工可实现平板冲裁.在工艺参数合理时,可实现无毛刺冲裁.图5为有模平板成形实例.成形时拉深、底部压纹、周边孔冲裁一次完成,且成形精度高.图5　平板成形件实例图[28]2.2　管坯成形管坯成形分为管坯缩径成形、胀形成形两种.当成形线圈外置时,可实现对管坯的缩径变形,完成管坯的局部缩径、成形内肋等.线圈内置时即可实现胀形变形,如图6所示,主要有管坯自由胀形及有模成形,可成形凸筋、管端翻边、扩口、翻侧孔、异形管成形等.图6　无模具电磁胀形示意图 利用这种成形法可将一个工件成形组装到另一个工件上,也可以冲裁,管状零件冲裁可在膨胀成形时一次完成.此法还可以用于管件压花,如图7、8所示.图7　复合变形一次完成[28]图8　压花[28]2.3　连接连接是电磁成形的主要应用之一,利用电磁成形技术可实现管-杆、管-管、管-板的连接,不但可用于金属(包括异种金属)之间的连接、而且可用于金属与非金属的连接装配.磁脉冲连接工装简单,与零件无机械接触,不损伤零件表面,加工能量可以精确控制,能实现零件的精密连接装配.对于一些特殊零件,磁脉冲连接是优先选用甚至是唯一可以采用的工艺方法.图9、10为成形件示意图.2.4　粉体成形纳米技术是21世纪的热点.纳米材料制备中,如何将粉末制备成块,并使之保持超细粉末所具有的晶粒尺度和特性,是需要解决的关键技术·329·第3期江洪伟,等:电磁成形技术的最新进展之一.现有的烧结工艺,如常规烧结,热等静压烧结,等离子体烧结和微波烧结等都存在晶粒长大的问题.磁脉冲粉末压实技术无需加热,这样在成形后既能使粉末达到良好致密,又可保持它原有的晶粒度大小和特性.图11为电磁粉末压实示意图.图9　异种材质连接[28]图10　装配[28]图11　电磁粉末压实示意图 放电时铜管壁获得很大动能,将粉末压实成高密度固体,该技术具有成本低,成形坯料密度高等优点,应用该法压实程度可达到95%以上.2.5　电磁校形对于现代汽车工业,结构一体化、整体轻量化已成为这个时代的汽车工业的口号.因而高强度铝合金成为了首选,据估算车身全部为铝材,则整体质量将减轻50%[9],相应地节约了能源,减轻了对环境的污染.美国俄亥俄州州大学的V ohnout 等人对汽车铝合金门内衬板电磁校形进行了研究,如图12、13所示.图12　铝合金汽车门普通冲压件[29]图13　铝合金汽车门电磁校形件[29] 由图13可知,凹槽底部圆角基本消失,出现了清晰的棱线;边缘处的皱纹全部消失;其他部位的成形性得到了提高.此外,板料成形时还可以在模具上加入电磁线圈[29],成形时一次完成两道工序,提高了生产效率,如图14所示.图14　模具内嵌电磁线圈时的成形图[29]3　展　望当今金属加工技术追求高效率、高质量、低消耗、低成本,而电磁成形工艺具有单位能量小、效能高、材料微观变形均匀、加工质量好等优点,这正符合金属加工技术追求的目标.采用电磁成形工艺,甚至能够满足某些用其他工艺不能或很难满足的设计要求,从而在实践中解决一些看来几乎是不可能解决的问题,为设计人员展示了新的设计视角.参考文献:[1]李春峰.高能率成形技术[M ].北京:国防工业出版社,2001.[2]金建铭.电磁场有限元方法[M ].西安:西安电子科技·330·材　料　科　学　与　工　艺 第12卷　大学出版社,1998.[3]PANSHIKAR H puter modeling ofelectro-magnetic forming and impact welding[D].OhioState:Graduate School of The Ohio State University,2000.[4]ХУРСАНОВПВ.Изготовлениеплоскихиндукторовдлямагнитно-импульснойштаповкичерезэластичнуюс-реду[J].Кузнечно-штамповочноеПроизводство,1994,11:22-23.[5]赵志衡,李春峰.电磁成形用螺线管线圈电感的研究[J].哈尔滨工业大学学报,2000,32(5):64-66. 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