電磁成形技術理論進展

11電磁成形技術理論研究進展內容摘要:摘要：電磁成形是應用廣泛高速率成形技術之一，隨著電磁成形工藝應用的開展，越來越需要完善的理論研究來指導和檢驗電磁成形系統(tǒng)及工藝設計、預測工件最終形狀。介紹了國內外電磁成形理論研究概況及進展，總結了研究成果和特點，討論了電磁成形中高速率變形條件下材料成形性提高的決定因素。最后電磁成形理論研究的開展趨勢進行了展望。關鍵詞：電磁成形。摘要：電磁成形是應用廣泛高速率成形技術之一，隨著電磁成形工藝應用的開展，越來越需要完善的理論研究來指導和檢驗電磁成形系統(tǒng)及工藝設計、預測工件最終形狀。介紹了國內外電磁成形理論研究概況及進展，總結了研究成果和特點，討論了電磁成形中高速率變形條件下材料成形性提高的決定因素。最后電磁成形理論研究的開展趨勢進行了展望。關鍵詞：電磁成形；理論研究；數值模擬；成形性1．前言電磁成形是利用磁場力使金屬坯料變形的高速率成形方法。因為在成形過程中載荷以脈沖的方式作用于毛坯，因此又稱為磁脈沖成形[1]。電磁成形理論研究主要包括磁場力分析和磁場力作用下工件的變形分析[2]，以及高速率條件下材料成形性的研究等。電磁成形過程涉及電動力學、電磁學、塑性動力學、熱力學以及應力波理論等多學科的內容，由于多學科交叉的復雜性及多種高度非線性，使電磁成形理論研究變得非常復雜。隨著汽車、航空航天等制造業(yè)結構輕量化的開展趨勢，高強度低成形性材料〔如鈦、鋁、鎂合金等〕應用日益增加。由于電磁成形可以提高難成形材料的成形性并減小工件回彈，因此，可以克服這些材料的成形困難，促進其在輕量化結構中的應用[3]。雖然從原理上講，電磁成形技術可以用于加工這些難成形材料的復雜形狀工件，然而，這需要設計復雜的成形系統(tǒng)來控制磁場和作用于工件上的磁場力在空間上的瞬時分布。這種系統(tǒng)復雜性使電磁成形工藝以往只局限于加工軸對稱形狀的工件[4]。為了解決這一問題、進一步推廣電磁成形工藝應用，廣闊學者對電磁成形技術進行了逐漸深入的理論研究。本文以電磁成形理論研究的開展過程為序，分階段總結了國內外理論研究的概況及進展，歸納了各階段理論研究的成果和特點，討論了高速率變形條件下材料成形性提高的決定因素，最后展望了電磁成形理論研究的開展趨勢。2．理論研究概況電磁成形理論研究得比擬多的是美國、俄羅斯、日本、德國、加拿大和中國等國家。根據內容和方法的不同，可以把電磁成形理論研究分為四個局部：等效RLC回路研究、有限元計算研究、通用軟件耦合場數值模擬研究和高速率電磁成形材料成形性研究。上述四局部不是相對孤立的，后面的研究內容通常以前面的研究結果為根底，有時甚至是交叉進行的。2.1等效RLC回路研究等效RLC回路研究就是把電磁成形系統(tǒng)的二次或更高次回路等效為一次RLC回路[5]，由此用一個RLC響應近似表示成形線圈的放電電壓和放電電流，從而簡化了磁場力和工件變形的研究。磁場力分析實際上是電磁成形系統(tǒng)的電路與磁路分析。放電回路包括電磁成形設備和成形線圈—毛坯構成的感應系統(tǒng)。成形系統(tǒng)參數的相互依賴性是模擬電磁成形過程最大的困難[6]。在放電回路中，毛坯的形狀發(fā)生變化，放電回路的參數將隨之改變，進而使放電電流峰值與頻率均不符合由簡單的RLC等效電路計算的結果[7]。只有當毛坯變形程度較小時，才可近似采用簡單的RLC等效回路進行計算。G.K.Lai和M.J.Hillier[8]應用電動力學對管件電磁脹形進行了研究，結果說明，系統(tǒng)電感隨管坯的徑向位移增大而增大，而系統(tǒng)電阻那么相反。隨時間變化的壓力波、電感和電阻如圖1所示[8]。

圖1放電過程磁壓力及系統(tǒng)電參數的時域特性[8]〔a〕磁壓力脈沖；〔b〕放電回路電感；〔c〕放電回路電阻但是，實際上工件的成形能量主要是由磁脈沖壓力的第一波給予的[4]。因為本身能量降低以及線圈和工件之間的間隙隨著工件變形增大而增加，后繼的波傳遞給工件的能量減少，缺乏以使工件產生繼續(xù)變形。由圖1分析可知，雖然工件開始變形以后，系統(tǒng)的電感和電阻都發(fā)生了變化，但是，在實際上在第一波的時間內，工件可能只發(fā)生了些微的變形，系統(tǒng)電感和電阻的變化主要發(fā)生在工件發(fā)生大變形之后，因此，在采用RLC等效電路法研究電磁成形磁場、磁場力變化時，在可以忽略端部效應的情況下，系統(tǒng)電參數的變化可以忽略不計，不會影響理論分析和數值計算的精度。1990年，張守彬[9]采用等效電路法分析了管坯脹形的放電過程，并在此根底上研究了脈沖磁場力作用下的剛塑性管坯的變形過程。2.2有限元計算研究近年來，隨著計算能力的迅速提高，研究人員已開始用功能強大的算法和計算機來計算復雜的成形過程[10]。有限元方法的引入更促進了電磁成形理論研究的迅速開展。1984年，鈴木秀雄[11]等人用有限元方法分析了磁脈沖壓力作用下管坯的脹形過程，但該研究不完善，分析結果與實驗結果不相符合。Takatsu[12]和Gourdin[13]研究了隨材料變形而發(fā)生的磁場的演變過程。Gourdin通過脹環(huán)實驗研究了高應變速率條件下材料的流動應力，Takatsu在此根底上又進一步考慮了磁損失的影響，較準確地模擬了板料電磁成形過程。DongkyunMin[14]通過電磁縮徑實驗得到了皺形波數和徑厚比的關系，并對管壁起皺現象進行了三維非線性彈塑性有限元的分析，使用沖擊接觸算法分析了芯軸的減皺過程。在分析電磁成形的過程中，人們往往采用等效方法來計算施加于工件上的磁壓力[8,11,12,16～18]。而應用此法的前提是認為工件或線圈足夠長以至于可以忽略末端的影響，而且假定只有管坯內壁受力，磁壓力在軸向上分布均勻。SungHoLee[2]在文獻[18]的根底上，通過向麥克斯韋方程組中引入矢量磁位，把線圈和工件包含到計算中。然后進行了動態(tài)變形的有限元分析，精度有一定程度的提高。而文獻[19,20]通過解析推導，克服了上述等效法的缺點，建立了考慮管件端部效應的磁壓力公式，反映了縱坐標對磁壓力分布的影響。但是，該方法仍然忽略了軸向磁場力的影響，并且當線圈長度大于管件時，該公式就不再適用。張守彬[21]在時域上對文獻[16]的公式進行了改良，引入了工件變形的影響因子，反映了工件變形對磁壓力的影響，進而影響工件的進一步變形。SungHoLee[22]在文獻[2]的根底上研究管坯脹形時的幾何參數及工件抗力對磁壓力的影響，通過有限元分析得到管坯脹形時軸向磁壓力更實際的分布。文獻[6,23,24]通過向麥克斯韋方程組中引入速度項來表達工件變形對磁場的影響，但是沒有合理地說明初始邊界值問題，并且這種方法只是針對管件電磁脹形而言的。文獻[25,26]在模擬中引入一種“宏單元〞來計算線圈和工件之間的脹形間隙的變化。同樣，這種方法也只限于管件電磁脹形的情形。AliMeriChed[27]介紹了一種解決電磁平板成形問題的方法，分析了電路、電磁場和工件塑性變形，并推出了基于矢量磁位積分形式的二維軸對稱模式，可用于計算磁場、渦流和平板上的電磁感應強度。在上述電磁成形求解過程中，電磁場和結構場多是分開求解的，很難適應復雜成形系統(tǒng)設計、準確預測復雜工件最終形狀的需要。因此，AnterEl-Azab、MarkGarnich和AshishKapoor[3]通過分析電磁成形過程中電磁場、溫度場和結構場之間復雜的耦合關系，建立了能夠描述這種耦合關系的數學框架。但是，到目前為止，還沒有找到適宜的數值算法來解決這一問題。在國內，趙志衡[28～30]應用有限元法研究了管坯電磁脹形的磁場、磁場力分布。研究發(fā)現在整個管壁上均有脹形磁場力，并沿管坯壁厚由內向外衰減分布；管坯同時受到徑向壓力和軸向壓力作用。管坯—線圈系統(tǒng)受力及管坯壁厚方向上受力如圖2、3所示。磁場力分布的這一特點與其它自由脹形工藝很不同，對于加深電磁成形變形機理的認識是非常重要的。為了更清楚地認識各種工藝中磁場力的分布，文獻[31～35]采用有限元法分別研究了管坯電磁縮徑、管坯有模成形、平板脹形的磁場力分布規(guī)律。舒行軍[36]基于ANSYS的電路分析模塊求解了電磁成形放電電流，求解結果作為電磁場分析的邊界條件，得到了與真實值相近的仿真結果。圖2管坯—線圈系統(tǒng)受力圖劉

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