电磁成形现状及其发展

电磁成形现状及发展【摘要】电磁成形工艺是一种新兴的高能率成形技术，在工业生产中应用十分广泛。本文介绍了电磁成形在国内外的发展现状及电磁成形在管材成形、平板件成形等方面的应用，并阐述了怎样用有限元方法精确求解电磁成形过程。最后提出了电磁成形存在问题及解决办法，展望了电磁成形的应用前景。关键词：电磁成形；管材成形；平板件成形；有限元方法前言电磁成形工艺是一种新兴的高能率成形技术，是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使坯料在冲击电磁力作用下，高速成形的一种成形方法。电磁成形属于高能（高速率）成形技术，高能（高速率）成形技术种类很多，但是电磁成形排除了爆炸成形的危险性，较之电液成形更方便[1][2]。从20世纪50年代末，电磁成形在国内外迅速发展起来，成为金属塑性加工的一种新的工艺方法，深受各工业国的高度重视。现已广泛应用于机械、电子、汽车工业、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。电磁成形可广泛应用于平板成形、板材冲裁、冲孔、管材电磁胀形和缩径、翻边和连接、压印和成形、多工序复合成形、组装件的装配、粉末压实、电磁铆接、电磁焊接及放射性物质的封存等，对一些特殊零件是优先选用的成形方法。如大型构件的精密校形、膜片无毛刺冲裁、复杂外形管件加工、导弹卡箍成形、仪器舱校形、飞机透平发动机舱成形⑶、扭矩轴及连杆装配；汽车空气调节储存器、热交换器、万向接头架、凸轮、齿轮等与驱动轴或万向轴管的连接；熔断器、绝缘器等电子元件的装配；核工业中燃料棒的成形、核废料容器的密封；电磁铆接已被泛用于波音737、747、767；而电磁粉末压制为电磁成形技术在功能陶瓷行业、敏感元件和传感器行业又开辟了广阔的应用前景。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。随着汽车、航空航天等制造业结构轻量化的发展趋势，高强度低成形性材料（如钛、铝、镁合金等）应用日益增加。由于电磁成形可以提高难成形材料的成形性并减小工件回弹，因此，可以克服这些材料的成形困难，促进其在轻量化结构中的应用。虽然从原理上讲，电磁成形技术可以用于加工这些难成形材料的复杂[1][2][3]形状工件，然而，这需要设计复杂的成形系统来控制磁场和作用于工件上的磁场力在空间上的瞬时分布。这种系统复杂性使电磁成形工艺以往只局限于加工轴对称形状的工件。为了解决这一问题、进一步推广电磁成形工艺应用，广大学者对电磁成形技术进行了逐渐深入的理论研究。国内外电磁成形技术的发展概况电磁成形技术的研究始于20世纪60年代的美国。20世纪20年代，物理学家Kaptilap在脉冲磁场中做实验时发现，形成脉冲磁场的金属线圈易胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思考。1958年，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平原子能会议上，展出了世界上第一台电磁成形机。1962年，美国的Brower和Harrey发明了用于工业生产的电磁成形机。从此电磁成形引起各工业国的广泛关注和高度重视，电磁成形技术的研究取得了不少的应用成果，其中美国和前苏联在此领域处于领先地位。70年代初，前苏联专家研究了放电过程中毛坯变形对加工线圈和毛坯系统放电回路参数的影响，指出RLC回路只有在小变形时才能近似应用；对电磁成形和静力成形两种条件下压筋和成形半球时毛坯的极限变形程度进行了比较，指出铝合金、黄铜等电磁成形时的极限变形程度均高于静力成形时的极限变形程度，认为材料塑性提高是由于脉冲变形时变形分布更加均匀、材料强化降低等原因造成的；并于1979年研究了平板线圈的磁场分布，指出其分布的不均匀性（中心较弱，线圈1/2半径处最强）是导致毛坯中心出现冲压不足现象的主要原因。20世纪60年代中期，出现了储能为50kJ、200kJ和400kJ的电磁成形机。20世纪70年代中期已有400多台电磁成形机运行于各种生产线上。到了20世纪80年代中期电磁成形已在美国和前苏联、日本等国家得到广泛应用。1994年MakotoMarata又研究了采用电极直接接触进行管料电磁胀形的方法，通过实验分析，研究了工作条件对电流和管料变形的影响，应用有限元法对其胀形过程进行了弹塑性分析。我国电磁成形技术的研究始于20世纪60年代，文革时期中断。20世纪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和工艺，并在实验装置的基础上，于1986年成功研制出我国首台生产用电磁成形机。目前国内有多所高等院校和研究所开展了电磁成形技术的研究，并使之应用于实际生产。电磁成形的基本原理电磁成形的理论基础是物理学中的电磁感应定律。由定律可知变化的电场周围产生变化的磁场，而随时间变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场[4][5]所以当有导体处于此电场中时就会产生感应电流。在电磁成形过程中，磁场力是工件成形的动力。[4][5]图1板材电磁成形原理图电磁成形原理如图1所示，将电能储存在高压电容器中，当高压开关闭合时，电容器向线圈中快速放电（微秒级）从而在回路中产生急剧变化的电流，依据电磁感应定律可知，圆线圈周围将产生变化的磁场。随着电容器的不断充放电，在圆线圈周围将产生变化的脉冲磁场，当脉冲磁场穿过工件时就会在金属工件中产生感应电流（涡流）⑹⑺，因此，金属工件就成为带电体。依据电磁学知识可以知道，带电的金属工件处于急剧变化的磁场中就会受到磁场力的作用，当这股磁压力达到材料的屈服强度时，金属工件将发生相应的塑性变形，达到成形金属零件的目的。电磁成形设备与基本成形方法及特点在制造业中，设备和工艺是进行生产的两个必备要素。因此，电磁成形技术要应用于生产中就离不开电磁成形设备和成形工艺，其应用在很大程度上也取决于这两个要素的发展水平。电磁成形设备组成及发展现状自1958年美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平利用原子能会议上展出的世界上第一台电磁成形机到1962年美国的Brower和Harvey注册的magneform电磁成形机以来，电磁成形设备的研究已经有40多年的历史。它的组成主要包括4大部分：①电源系统一一电磁成形设备的电源根据不同的情况它可以是直流电源也可以是交流电源；②储能系统一一该部分主要有电容器组成，以提供有效的放电脉冲；③成形加工系统一一该系统主要由工作线圈及工装组成；④辅助控制系统一一由操作台、仪表、控制元器件、触发电路等组成8］。其组成示意图如图2所示。[6][7][8]

P. 1IP. 1IftII源；LOZJ线圈辅助控制系统图2电磁成形设备组成俶电冋辭 ■*A^d** ・■■Ir高压整流Lj:H■―*7-4—电源故电开黄电源操柞电路誌厲賦嗣I指盘#1图3电磁成形设备原理在设备组成的4部分中，电源和储能电容是设备的关键部分。高效安全的电源是整个设备运行的前提，而电容则是设备的核心。电容决定着设备的两个主要的电参数：能量和频率。其它两部分是组成系统的重要辅助部分。对电磁成形设备的研究，到目前为止，国内基本上是采用电源+工装的方式进行生产，而国外已经制造出适用于大批量生产的电磁成形机。从可查到的资料看，电磁成形设备所能达到的最高有效储能为500kJ,作用于工件上的瞬间最大压力为20000MPa，加工速度为10〜1000m/s，生产率可达10800件/h,可加工的零件的最大尺寸为1200mmx1000mmx6mm［9］。电磁成形加工的基本方法和特点3.2.1电磁成形加工的基本方法电磁成形加工在工业制造中的应用方法很多，可广泛用于管材的胀形、缩径、冲孔翻边和连接，板材冲裁、压印和成形，组装件的装配，粉末压实，电磁铆接及放射性物质的封存等。对管材的电磁成形加工［io］。管材成形是电磁成形技术中应用较多的方面。主要有管坯自由胀形、有模成形、管的校形、管段翻边、扩口及管坯的局部缩径、管段的缩口、异形管成形等。由于电磁成形时，管坯变形分布均匀，变形硬化不显著，因此材料的成形性得以提高，与静态的冲压相比，电磁成形方法可以提高胀形系数30%〜70%。壁厚变薄甚至破裂是管坯胀形的主要问题。现在该工艺已应用于某些重要部件的收口成形及其校形。其示意图如图3所示。对于管材的加工还可以细分为内向压缩成形加工和外向胀形成形加工。当工件处于线圈的内部、模具的外部时，如图4所示，工件将在电磁力的作用下向内压缩［11］,此方法可用于管材的缩颈等的加工。与此相反，当工件处于线圈的外部、模具的内部时，工件则发生外向的胀形该方法常用于管材的胀形、翻边等的加工。开关图4管材工件的电磁成形图⑵对板材的电磁成形加工［12］，其示意图如图5所示。对金属板材的平面成形加工，由于受设备能量的限制，对板材有一定的要求如材料的导电率、厚度等。图5板材的电磁成形示意图1.模具2.工件3.线圈4.磁力线该方法还可以实现板件的连续加工，使设备加工呈现柔性。平板毛坯成形可分为自由成形和有模成形两种。前者主要用于精度要求不高的锥形件成形，后者[11]常用于压印、压凹、曲面零件成形和冲裁等。由于平板毛坯磁脉冲力分布不均匀，从而影响成形质量。自由成形零件的外形难控制，而有模成形存在零件的贴膜性差的问题。椭圆线圈成形是平板毛坯加工的一种形式。根据椭圆形线圈磁场分布规律，对于长形工件成形，选用椭圆形线圈优于圆形线圈；而对于中心部位变形要求较高的零件，要选用圆形线圈，这是因为椭圆线圈形状使工件心部变形不足的程度比圆形线圈的严重。电磁冲裁。电磁冲裁装置线圈放电时，磁场力使驱动片向下运动，进而驱动滑块组合件。冲头在滑块的驱动下对工件进行冲裁加工。电磁冲裁与普通冲裁相比，成形设备和模具简单，使用方便，成形率高，属于高速成形。由于成形速度快，其工件的断面质量好，端面平整光滑，无圆角带，几乎没有断裂带和毛刺。因此，电磁冲裁要优于普通冲裁，如果能将其应用于实际工业生产中，必将电磁冲裁与普通冲裁相比，成形设备、模具简单，使用方便；成形效率高，属于高速成形；由于成形速度快，其工件的断面质量好，断面平整光滑，无圆角带，几乎没有断裂带和毛刺。因而可得出结论，电磁冲裁要优于普通冲裁，将其实际应用于工业生产中，可以带来巨大的经济效益。电磁铆接。电磁铆接是基于电磁成形技术基础上发展起来的一种铆接方法。放电开关闭合的瞬间，初级线圈中流经一快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。该磁场使与初级线圈耦合的磁极线圈产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生强的涡流斥力，即放大器的输入力，此力在放大器中传播时经不断的反射和透射，输出一个波形和峰值，改变了的应力再传至铆钉，使铆钉在很短的时间内完成塑性变形。电磁铆接属冲击加载，加载速率高，应变力大，材料的变形方式不同于压铆等准静态加载，因而电磁铆接具有其他铆接方法无法替代的技术优势。80年代初我国开始研究电磁铆接技术，已研制成功固定式和手提式电磁铆接设备。但这些铆接设备采用高电压(4kV10kV),致使设备体积庞大，成本高，安全可靠性差，放电频率高。高放电频率导致铆钉成形时间短，材料的应变率高，镦头容易产生微裂纹，加之人们对高电压的畏惧心理，所以限制了这一先进工艺方法的应用。国外从70年代初开始研究电磁铆接技术，到80年代末，该技术在航空工业中已成为解决铆接难题的一项关键技术。为消除高电压铆接时应变率过大而导致铆钉镦头出现微裂纹和剪切破坏，美国80年代末开始研究低电压电磁铆接技术，并申请了低压铆接专利，90年代初研制成功低压电磁铆接设备，开始在波音747、A320等飞机上应用。低电压铆接方法解决了高电压铆接不能解决的许多问题，使电磁铆接技术很快得到广泛应用。（5） 电磁焊接。虽然很少见到有关电磁成形在焊接方面应用的报道，但当某些条件满足时，电磁成形确实可以应用于焊接。比如管与板之间的焊接，管与管之间的焊接以及薄板与厚板之间的焊接等。焊接所要求的条件包括清洁的表面，焊接时要有利于间隙中空气的排出，要有足够的能量和适当的频率（使运动件达到一定的速度），运动件要以某一角度（而不是垂直的）向静止件的表面撞击等。焊接的实现在于高速撞击使材料表面产生瞬时剧烈变形（特别是当以一定角度撞击时），从而产生高温甚至熔化，使两块材料焊合起来或通过扩散连接起来，从而实现材料的焊接。（6） 电磁粉末压制。粉末冶金是制取各种高性能结构材料、功能材料的有效途径，研究开发高密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术，是推动粉末材料应用与发展的关键［13。用强冲击压制粉末材料是获取高密度粉末冶金制品的有效方法，20世纪50年代，各国研究人员竞相研究爆炸成形，对于提高超硬粉末压制密度起了很大作用，但由于爆炸成形工艺重复性差，自动化程度低，限制了其应用。电磁压制成形也是高能率成形方法，且在成形能量与速度控制方面优于爆炸成形。1976年，Clyeds等率先将电磁成形的思想引入粉末材料压制，用放电压制法压制出棒料、条料及形状更为复杂的制件，通过筛选粉末粒度，还能成功地制造出具有尖角的棒料和条料。此后Williams.J.D还尝试过将难熔材料与低熔点金属混合压制以获得高密度的制品，随后各国学者也做过一些跟踪研究。图7电磁粉末压制工装图1-座套2-线圈3-驱动片4-放大器5-冲头6-凹模分体式嵌套7-凹模8-粉末9-下模板10-螺栓11-导柱12-上模板13-螺母电磁成形加工的工艺特点非机械接触性加工。电磁力是工件变形的动力，它不同于一般的机械力，工件变形时施力设备无需与工件进行直接接触，因此工件表面无机械擦痕，也无需添加润滑剂，工件表面质量较好。电磁成形是以磁场为介质向坯料施加压力，磁场能够穿透非导体材料，实现非接触加工，可直接对有非金属涂层或表面已抛光的工件进行加工，成形后零件表面质量高。工件变形源于工件内部带电粒子受磁场力作用。因此，工件变形受力均匀，残余应力小，疲劳强度高，使用寿命长，加工后不影响零件的机械、物理、化学性能，也不需要热处理。电磁成形属高能率成形方法，与常规冲压成形相比，可有效提高材料塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，是一种理想的成形方法。加工精度高。电磁力的控制精确，误差可在0.5%之内。电磁成形时，零件以很高的速度贴膜，零件与模具之间的冲击力很大，这不但有利于提高零件的贴膜性，而且可有效地减小零件弹复，显著地提高零件成形精度。加工效率高，时间短，成本低，便于实现生产的自动化。采用电磁成形方法可在一道工序中完成用常规成形方法多道工序才能完成的零件，有利于实现复合工艺。因此，可有效地缩短生产周期，降低成本。电磁成形设备可实现工件的多步、多点、多工位成形，有助于实现生产的柔性化［14。污染轻。电磁成形过程不会产生废渣废液等污染物，有利于环境的保护。

电磁成形的有限元分析电磁成形涉及电学、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［15。分析方法选取有限元分析电磁问题时首先要选择分析方法，ANSYS有3种分析方法：磁标势法、磁矢势法、基于单元边的分析法。2D模型要用二维单元来表示结构的几何形状。虽然所有的物体都是三维的，但在实际计算时首先要考虑能否将它简化成2D平面对称或轴对称问题，这是因为2D模型建立起来更容易，运算起来也更快捷。本文采用基于节点的分析法中的磁矢势法来模拟2-D瞬态场产生的磁场力。网格剖分分析电磁胀形磁场力时，在成形线圈较近区域一般选用四边形8节点或三角形6节点单元，每节点具有2个自由度，矢量磁位A和电流。矢量磁位前已述及，电流是载压线圈中每匝中的电流值，用于给线圈施加电压载荷。对成形线圈、管件、模具选取映射四边形网格进行剖分比较合适，映射网格是指网格的形状是规则的，这样易于读取线圈、管件、模具上的磁场力。对于在此区间的空气，可以选取自由网格剖分，减小工作量。在距离成形线圈较远的区域选用四边形4节点或8节点的远场单元INFIN110,为提高精度，采用映射网格剖分。除此之外，对管件进行网格剖分时，在透人深度内要有一层以上的单元，根据测得的放电电流频率计算透人深度5的公式为：式中f-放电电流频率，Hz；式中卩-管件的绝对磁导率;p-管件的电阻率，□•m。磁场力模拟及工艺参数分析为了论述方便，在以后的章节中统一定义磁场力表示剖分单元或节点受力单位N；磁压力表示单位面积受力，单位MPa。电磁校形时磁场力分布胀形、校形时管件受力相似：管件端部均受到径向外胀力、轴向下压力；而其它部分则只受到径向外胀力。校形时模具内表面附近受到的磁压力以径向外胀力为主，端部受到轴向下压力、径向外胀力，其余部分仅受到径向外胀力。从模拟的数值结果看，胀形、校形时管件受到的最大外胀力均出现在管件中部，最大力的幅值接近。模具中内表面及端部受力相对较大。电磁校形时涡流分布对电流模拟结果进行分析，管件中的电流沿厚度方向呈衰减趋势，管件、模具内侧第一层单元电流最大，这是由于集肤效应，临近效应引起的。管件中感生出的最大电流值相同，分布也基本相同。管件中感生电流密度幅值与线圈中电流密度幅值的比值约为6：1，可见管件中感生出强大的涡流。模具中感生的涡流相对较小，其幅值与线圈中的电流密度幅值的比值约为1：3。同时模具中有涡流存在也说明了校形时会有一部分磁场能消耗在模具加热上。由楞次定律可知，模具中的电流是由线圈中的电流产生的磁场与管件中感生电流产生的磁场耦合后引起的。从电流的方向来看，模具中的感生电流与线圈中的电流同向与管件中的感生电流反向，由此推断出模具中的电流主要是由管件中的电流诱发的，这是由于管件中的电流密度大，且距离模具近，故对模具的影响大。电磁成形存在问题及解决办法5.1电磁成形技术的局限性单一的电磁成形工艺很难获得深拉深工件；不是所有的金属材料可以用该技术直接加工，低电导率的材料需用高导电率的材料做“驱动体”；电磁成形工艺对工件形状有严格的要求，以保证形成感应电流；对工件的几何尺寸有严格的要求。解决办法电磁成形设备尽管已成为定形产品，但是还可以不断改进。如采用多路放电技术，提高设备的安全性和可靠性。高比容电容器的使用，可使设备结构紧凑，同时提高设备能力。还可以在设备中加入加热和检测装置，以利于大形实体工件的加工、试验数据的采集、记录和处理。近年来，有关电磁成形过程中的脉冲磁场及磁场力及其作用下工件的变形理论、电磁-结构耦合场理论研究日趋增加，提出了许多新的计算方法和理论。随着有限元法及无网格法、边界元法在耦合场领域的发展以及人们对脉冲力作用下工件变形性能的深入认识，许多困扰着人们的电磁成形问题都将迎刃而解，电磁成形工艺将在更广泛的领域得到推广应用。6展望新世纪要求塑性加工向着更精、更省、更净的方向发展，追求高效率、高质量、低消耗、低成本，成形过程要求绿色无污染。成形工件(毛坯)将由近净成形无余量的净成形发展[16,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，正顺应了这一发展要求，可以预见，电磁成形技术必将会成为金属塑性加工中的重要方法之一，将在众多工业领域中得到越来越广泛的应用。电磁成形加工作为一种新型的金属塑性加工技术，不同于传统的冷锻、温锻和热锻等加工方法，它以其独特的加工特点展现出巨大发展潜力。目前，全球性的能源和环境危机的日益凸现，为此在2004年世界工程师大会上，徐匡迪院士在《发展中国家新型工业化道路》一文中提出“4R”(Reduce，Reuse，Recycle，Remanufacture)理论。该理论的第一条就是"Reduce(减量化)"，其含义就是要求制造过程中控制零件的重量，尽量减少产品的重量，大力提倡使用轻质金属如铝、镁等合金。电磁成形技术对于此类金属的加工有着独特的优势，尤其是在铝材加工中，电磁成形技术和其它工艺相结合可以实现复杂零件的加工。可以预见，电磁成形技术必将会成为金属塑性加工中的重要方法之一。目前电磁成形工艺在航空航天工业的应用情况好于一般工业。这主要是航空航天工业中使用了大量的铝合金，而电磁成形适合应用于铝合金等高导电性的材料。在其他行业(如