材料工程新技术新工艺论文

材料工程新技术新工艺论文

姓名：卢广远

班级：型085

学号：089024154

2011年12月3号

电磁成型原理及应用综述

摘要：电容和控制开关形成放电回路，瞬时电流通过工作线圈产生强大的磁场，同时在金属工件中产生感应电流和磁场，在磁场力的作用下使工件成形。此种工艺用于管形、筒形件的胀形、收缩以及平板金属的拉深、成形等，常用于普通冲压不易加工的零件。

关键字：电磁成形；原理；应用；展望

一、电磁成型的原理

电磁成形也称作磁脉冲成形，是利用脉冲电容器突然释放其储存的能量，通过线圈产生强而短促的磁场，当金属工件处于线圈产生的磁场中，就会在工件中产生感应磁场，利用磁场力使工件发生变形。电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。因为在成形过程中载荷以脉冲的方式作用于毛坯，因此又称为磁脉冲成形。电磁成形理论研究主要包括磁场力分析和磁场力作用下工件的变形分析，以及高速率条件下材料成形性的研究等。电磁成形过程涉及电动力学、电磁学、塑性动力学、热力学以及应力波理论等多学科的内容，由于多学科交叉的复杂性及多种高度非线性，使电磁成形理论研究变得非常复杂。

电磁成形技术主要技术原理如下:当脉冲电源给电容充电后电容瞬间放电，线圈内部便产生瞬时电流，该电流在线圈周围产生变化的脉冲磁场，脉冲磁场穿过工件而在工件上感生出涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生电磁力，当电磁力超过材料的屈服应力时，金属产生塑性变形。

下图为电磁成形装置简图

二、应用综述

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。电磁成形工艺是利用金属材料在交变电磁场感生产生电流（涡流），而感生电流受到电磁场的作用力，在电磁力的作用下坯料发生高速运动而与单面凹模贴模产生塑性变形。实际生产中是利用高压电容器瞬间放电产生强电磁场，坯料因而可以获得很大的磁场力和很高的速度。电磁成型工艺适用于薄壁板材的成形、不同管材间的快速连接、管板连接等加工过程，是一种高速成形工艺。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,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。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。

电磁成形技术由于其自身的成型特点，得到了世界各国工业领域内广泛的关注和研究，并被广泛的应用到各种技术领域内，例如电磁成形、电磁冲裁、电磁铆接、电磁连接、电磁粉末压实、电磁校形和电磁装配等技术。航空、航天、军用、民用等工业制造部门，例如各种杆、管件的加工，各种器件的矫形，大型客机的机翼大梁的装配等

下面介绍电磁成型技术的具体几个应用

1、电磁成形技术在压片机中的应用

压片机加工工艺因具有省时、低耗等优点，其应用越来越广泛。但因孔隙的存在，粉末冶金制品的密度、强度等物理和力学性能很难达到冶炼材料的水平，虽然通过热压、复压等工艺手段也能改善其性能，但致密效果仍较差，且加工成本也高。近期研究结果表明，将电磁成形技术用于粉末材料压制，能有效提高制品密度和致密均匀性，是获得高密度粉末冶金制品的一种有效方法

粉末电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体使其致密化的高能率成形新工艺，其基本原理如图2所示。金属粉末填充在一强磁场线圈中心的导体容器内，该导体容器同时也起驱动器的作用，当线圈充入强脉冲电流时，在线圈中心会产生一个强磁场，同时在驱动器上也会产生感应电流，在感应电流和磁场的相互作用下产生的电磁力压缩容器，进而压缩粉末，金属粉末在几微秒的压缩周期内获得很大的动能，在瞬时的压缩动能作用下金属粉末被压缩致密，而整个压缩过程不超过1us在此过程中，如果磁场渗透过金属管，就会在粉末体内也激发出电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物，使粉末体内也产生电流。一方面，电流的热效应和击穿氧化物所产生的热量使粉末颗粒局部融化，起到了烧结的作用；另一方面，粉末体内的电流也会使之受到电磁力的作用而使粉末压实。但用这种方法压制时，由于趋肤效应，磁场较难渗透到粉末体内，所以中心部分可能压制不足，故适于加工外形复杂或中空的零件，如各种齿轮、齿环、轮毂等，成形制品。

2、电磁冲击控制焊接应力变形

传统去除焊接应力的方法：预应力法和预拉伸法、振动时效消应力法、随焊冲击碾压法、温差拉伸法、随焊锤击法等。

虽然这些方法在某些场合起到了不错的效果，但由于各自的特点，存在一些不足。

⑴预应力法和预拉伸法由于受到拉伸设备及焊缝形式的限制难以广泛应用；

⑵使用振动时效消应力法，如果振动不当会对结构的疲劳性能造成影响；

⑶随焊冲击碾压法只适用于薄板焊接，而且随着焊接规范及焊接材料的变化，冲击碾压轮的尺寸需要重新设计及制造；

⑷温差拉伸法不但不能减小焊件的横向收缩，反而会使横向收缩有增大的趋势，因此不适用于封闭焊缝的焊接；

⑸随焊锤击法锤击面粗糙，工件表面光洁度差，实际焊接封闭焊缝时实现起来比较困难。

针对薄板构件焊接残余应力和变形较大的特点，提出了电磁冲击控制焊接应力变形的方法。

电磁冲击控制焊接应力变形是基于电磁感应原理提出的一种控制焊接变形的方法。其主要原理是：利用线圈对工件施加的电磁力的作用，使得焊缝中的残余压缩塑性变形得到充分的延展，从而达到降低焊缝残余应力减小焊接变形的目的。

电磁冲击法控制焊接应力变形有以下特点：

(1)电磁冲击法由于线圈与工件没有机械接触，是靠电磁力（体积力）控制焊接残余应力与变形，所以对工件表面没有损伤，与常规焊后的工件表面完全一样。

(2)冲击能量能够精确控制。电磁冲击过程是一个脉冲放电过程，是通过储能电容器对线圈放电，在工件中感应出电流，并使工件在磁场中受到电磁力的作用而降低残余应力，控制焊接变形。

(3)设备通用性较强，利用放电成形设备即可实现电磁冲击法控制焊接应力与变形，而不需设计专用设备，因此该方法易于推广。

3、平板件电磁成形用线圈的设计

通过对线圈产生的磁感应强度的推导，并结合实验结果分析，得出线圈形状选择时遵循的原则：长形工件采用椭圆形线圈要优于圆形线圈，中心部位变形要求较高的工件应尽可能采用圆形线圈。通过对平板件上电磁力分布特点的分析，确定在成形特定尺寸的工件时，存在一个最小线圈尺寸，若线圈最外圈尺寸小于该尺寸，则工件边缘部分所受磁场力垂直向上，不利于工件的变形。从设备能量利用率的角度进行分析，得出在设备能量相同的情况下，板料厚度等于趋肤深度时，设备能量利用率最高，板料变形程度最大。在设备电容确定的情况下，可以通过改变线圈导线的材料、规格、线圈的匝数、匝间距等获得最高的设备能量利用率．

4、圆形与椭圆线圈在平板电磁成型中的应用比较