電磁成形技術(shù)理論進(jìn)展

11電磁成形技術(shù)理論研究進(jìn)展內(nèi)容摘要:摘要：電磁成形是應(yīng)用廣泛高速率成形技術(shù)之一，隨著電磁成形工藝應(yīng)用的開展，越來越需要完善的理論研究來指導(dǎo)和檢驗(yàn)電磁成形系統(tǒng)及工藝設(shè)計(jì)、預(yù)測工件最終形狀。介紹了國內(nèi)外電磁成形理論研究概況及進(jìn)展，總結(jié)了研究成果和特點(diǎn)，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(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電磁成形。摘要：電磁成形是應(yīng)用廣泛高速率成形技術(shù)之一，隨著電磁成形工藝應(yīng)用的開展，越來越需要完善的理論研究來指導(dǎo)和檢驗(yàn)電磁成形系統(tǒng)及工藝設(shè)計(jì)、預(yù)測工件最終形狀。介紹了國內(nèi)外電磁成形理論研究概況及進(jìn)展，總結(jié)了研究成果和特點(diǎn)，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(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電磁成形；理論研究；數(shù)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?yàn)樵诔尚芜^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(xué)、電磁學(xué)、塑性動力學(xué)、熱力學(xué)以及應(yīng)力波理論等多學(xué)科的內(nèi)容，由于多學(xué)科交叉的復(fù)雜性及多種高度非線性，使電磁成形理論研究變得非常復(fù)雜。隨著汽車、航空航天等制造業(yè)結(jié)構(gòu)輕量化的開展趨勢，高強(qiáng)度低成形性材料〔如鈦、鋁、鎂合金等〕應(yīng)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(jìn)其在輕量化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[3]。雖然從原理上講，電磁成形技術(shù)可以用于加工這些難成形材料的復(fù)雜形狀工件，然而，這需要設(shè)計(jì)復(fù)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(fù)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(jìn)一步推廣電磁成形工藝應(yīng)用，廣闊學(xué)者對電磁成形技術(shù)進(jìn)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(jié)了國內(nèi)外理論研究的概況及進(jìn)展，歸納了各階段理論研究的成果和特點(diǎn)，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(jù)內(nèi)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(jì)算研究、通用軟件耦合場數(shù)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(nèi)容通常以前面的研究結(jié)果為根底，有時甚至是交叉進(jìn)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(yīng)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(shí)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(shè)備和成形線圈—毛坯構(gòu)成的感應(yīng)系統(tǒng)。成形系統(tǒng)參數(shù)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(shù)將隨之改變，進(jìn)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(jì)算的結(jié)果[7]。只有當(dāng)毛坯變形程度較小時，才可近似采用簡單的RLC等效回路進(jìn)行計(jì)算。G.K.Lai和M.J.Hillier[8]應(yīng)用電動力學(xué)對管件電磁脹形進(jìn)行了研究，結(jié)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(shù)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(shí)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?yàn)楸旧砟芰拷档鸵约熬€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(chǎn)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(shí)際上在第一波的時間內(nèi)，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(yīng)的情況下，系統(tǒng)電參數(shù)的變化可以忽略不計(jì)，不會影響理論分析和數(shù)值計(jì)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(jì)算研究近年來，隨著計(jì)算能力的迅速提高，研究人員已開始用功能強(qiáng)大的算法和計(jì)算機(jī)來計(jì)算復(fù)雜的成形過程[10]。有限元方法的引入更促進(jìn)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)研究了高應(yīng)變速率條件下材料的流動應(yīng)力，Takatsu在此根底上又進(jìn)一步考慮了磁損失的影響，較準(zhǔn)確地模擬了板料電磁成形過程。DongkyunMin[14]通過電磁縮徑實(shí)驗(yàn)得到了皺形波數(shù)和徑厚比的關(guān)系，并對管壁起皺現(xiàn)象進(jìn)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(jì)算施加于工件上的磁壓力[8,11,12,16～18]。而應(yīng)用此法的前提是認(rèn)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(nèi)壁受力，磁壓力在軸向上分布均勻。SungHoLee[2]在文獻(xiàn)[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(jì)算中。然后進(jìn)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(xiàn)[19,20]通過解析推導(dǎo)，克服了上述等效法的缺點(diǎn)，建立了考慮管件端部效應(yīng)的磁壓力公式，反映了縱坐標(biāo)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(dāng)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(xiàn)[16]的公式進(jìn)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(jìn)而影響工件的進(jìn)一步變形。SungHoLee[22]在文獻(xiàn)[2]的根底上研究管坯脹形時的幾何參數(shù)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(shí)際的分布。文獻(xiàn)[6,23,24]通過向麥克斯韋方程組中引入速度項(xiàng)來表達(dá)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(xiàn)[25,26]在模擬中引入一種“宏單元〞來計(jì)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(jì)算磁場、渦流和平板上的電磁感應(yīng)強(qiáng)度。在上述電磁成形求解過程中，電磁場和結(jié)構(gòu)場多是分開求解的，很難適應(yīng)復(fù)雜成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)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(jié)構(gòu)場之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，建立了能夠描述這種耦合關(guān)系的數(shù)學(xué)框架。但是，到目前為止，還沒有找到適宜的數(shù)值算法來解決這一問題。在國內(nèi)，趙志衡[28～30]應(yīng)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(xiàn)在整個管壁上均有脹形磁場力，并沿管坯壁厚由內(nèi)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(diǎn)與其它自由脹形工藝很不同，對于加深電磁成形變形機(jī)理的認(rèn)識是非常重要的。為了更清楚地認(rèn)識各種工藝中磁場力的分布，文獻(xiàn)[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(jié)果作為電磁場分析的邊界條件，得到了與真實(shí)值相近的仿真結(jié)果。圖2管坯—線圈系統(tǒng)受力圖劉

岡圖3陡沿翁管坯騾厚度稱方向誕脹形馳磁場冬力分灰布抬2.丈3標(biāo)通用伶軟件寸的耦儲合場范數(shù)值帖數(shù)值謠模擬挑自密20步世紀(jì)尋90內(nèi)中期側(cè)以來導(dǎo)，隨樣著大館型通浙用有構(gòu)限元蛛軟件承的快必速發(fā)器展，匹國內(nèi)層外開南始使移用它觀們對刪電磁捆成形筍進(jìn)行蹤研究尸工作廊。利亞用軟迫件對裁電磁書成形戰(zhàn)進(jìn)行適數(shù)值怕模擬蒼主要顯有兩暗種方戒式，枝一是小開發(fā)礦現(xiàn)有同計(jì)算催電磁鐮場和番結(jié)構(gòu)認(rèn)場軟剛件的刊接口厭，把湖二者少聯(lián)系巧起來泛對電魯磁成散形進(jìn)厲行分酷場模脂擬；某二是煉利用仇電磁做—結(jié)雨構(gòu)耦啞合場盒計(jì)算哄軟件京[3橡7]鑰。目堅(jiān)前，銹多數(shù)示采用圖現(xiàn)有清軟件恨的研磨究工歐作是牲以第曠一種河方式客進(jìn)行散的。屢如偶果工足件變逼形小蜜，不舅足以購使磁符場產(chǎn)梨生明掉顯變猶化，雪那么情，采鋸用相耳應(yīng)軟極件對炭電磁扒場和厘結(jié)構(gòu)梅場進(jìn)寒行連邀續(xù)求除解不這會影摸響最蘆終變崇形的師求解雁精度留。文紋獻(xiàn)[偏38勞,3雅9]晃分別背把電距磁場戒分析舉軟件蒜ME益GA撥/E扮MA呼P3奔D和孝結(jié)構(gòu)薪場分吧析軟扣件D匠YN掃A3盈D聯(lián)芝系起攪來，匪對電掙磁—忙結(jié)構(gòu)瞞場進(jìn)瓣行分咱場模渠擬，廣即首介先用豪ME仍GA借/E磁MA售P3而D對男電磁物場進(jìn)鉛行模徒擬得唇到磁臨場力油，然刷后把粘磁場更力作嫂為結(jié)嶄構(gòu)場枯的邊竹界條溫件轉(zhuǎn)珠移到果DY述NA帆3D獄中，庸模擬籠變形卡。有堡如下自兩種揮實(shí)現(xiàn)矛磁場盜力邊站界條包件的蓮方式撲：一堆是兩距種物言理場潮求解勒時的摧網(wǎng)格殘劃分蠅相同旦，隨充時間譽(yù)變化巨的磁等場力粉作為農(nóng)結(jié)構(gòu)過分析辜的邊都界條劣件；陣二是瞧把磁炎場中遍求解差的電松流密君度J濟(jì)和磁心感應(yīng)飽強(qiáng)度鈔B映峰射到畜結(jié)構(gòu)徹單元宴網(wǎng)格明中去煩，不灶須網(wǎng)秘格劃劃分相修同[染38灰]。蔑因?yàn)閴厣鲜鲞B模擬怖只涉對及到襲了磁須場對勉變形志的影足響，漸而沒屢有考象慮變片形對國磁場給的作檔用，善因此瀉這種士耦合辦模擬顫方法隱被稱當(dāng)為“拴半耦貌合〞壟[4副0]疲。下Yo艇ic傻hi幣M移ar挑ak陰os叼hi需[亞41撒]巴和Y茫ui咱ch嶺i硬Ha累sh翅im晨ot壟o賺[4倒2]黎分別肢使用壺有限瑞元軟呼件M欺AR拉C對莖內(nèi)筋縣成形拳〔I耗ns篇id眼e造Be洞ad姻F拔or漸mi堂ng賤〕和羽脈沖雄壓力晶下短蓮管局撇部變味形和派起皺點(diǎn)進(jìn)行葬了有雜限元覆分析低。二蚊者均蛇忽略駛了軸詳向磁桌場力切，并守假定溪管坯起的受老力狀榨態(tài)為剪平面疾應(yīng)變嶺狀態(tài)憤。F滿re每nt鈔en繩和D檢ae鈴hn類等人披[1飽0]鍋對文多獻(xiàn)[辭12既]中桑存在數(shù)的問柄題應(yīng)傷用C股AL觀E軟幸件進(jìn)憲行了勉數(shù)值暫模擬仇?？四糠顺谴帕埦€被丸板料炮全部闖屏蔽恩在工謊件與最線圈謹(jǐn)間隙壞內(nèi)的販假定楊，并直能夠彼計(jì)算面板料貌各板吧面上譜渦流壇所產(chǎn)疲生磁奴場的胳開展擾和變桂化，涉而且饑進(jìn)一奮步把飽溫度伏的影獸響加司入到射本構(gòu)停關(guān)系用中。東19右98南年，恭Vi杯nc刃en篩t躁J.交V愈oh蟻no議ut傭[4毫3]頓應(yīng)用峽無網(wǎng)灶格法候軟件怖GE綿M對多鋁合獎金板貪料復(fù)輕合成議形進(jìn)跡行了倦數(shù)值栽模擬悲。央黃尚市宇[謠44賣]和轎王立奴峰[辦45性]通洋過解絕析推徐導(dǎo)得卷到磁溝壓力曲，然柴后利風(fēng)用A緒DI倘NA摩非線箱性有橫限元裝程序壞對板輕坯電刊磁成勒形過興程進(jìn)有行了雷數(shù)值孕模擬煤。陸競辛[攻46灶]通攔過動貼態(tài)拉炸伸實(shí)霧驗(yàn)獲罩得了爽鋁合勇金L春Y1民2的焰動態(tài)罪本構(gòu)裝方程賴，在瞇此基亭礎(chǔ)上杯用扭DY宗NA身FO棚RM北軟件泳進(jìn)行索盒形版LY擾12映板材稀的電值磁成緞形模益擬。京A待NS嚴(yán)YS網(wǎng)是一瑞種通皮用的肺多物擦理場中有限蘇元軟深件，不具有麗模擬遺電磁寒—結(jié)系構(gòu)耦血合場三的能懼力。做文獻(xiàn)維[3牢]使同用A墊NS毒YS沖提供曉的磁慕場—塌結(jié)構(gòu)暮場耦膀合單阻元對磚平板轉(zhuǎn)電磁腦成形您進(jìn)行蘭了模友擬。瞇因?yàn)樽鴽]有方解決霜單元躍形狀泥嚴(yán)重桿畸變饒導(dǎo)致樣計(jì)算湯難以沒收斂正的問魚題，斷得到嗽的工紋件變顫形很五小。塊文獻(xiàn)苗[4妄7]怒用A金NS持YS燕耦合添單元涼So膨li覺d6臘2對瞧電磁朽縮徑雨進(jìn)行姻了耦剪合模屑擬。友由于彈未能拔解決委與文葬獻(xiàn)[倘3]減中類燃似的尚問題魯，所悟以又鹽采用忘了帶寸權(quán)值肌的磁傾壓力登解析指式作株為載擠荷計(jì)慢算變由形。淋為了支減少棒計(jì)算乞本錢有，提坦高計(jì)企算效站率，腹文獻(xiàn)月[4驢8～約50青]采行用A畜NS厲YS散/E搭MA工G計(jì)者算磁施場和梨磁場堤力、居動力霞顯式陷軟件塵LS偉-D喜YN極A計(jì)恩算變?yōu)樾蔚母椒ㄆ鎸ζ街┌逵邢淠ｋ娎ù懦衫研芜M(jìn)膚行了廊模擬際，研跨究了恰工件妹與模攀具之鄰間的桑沖擊奉變形握過程倒。于驗(yàn)海平湯[4信0]堡應(yīng)用姐該軟祥件對穗管件報(bào)動態(tài)駱縮徑庭變形方進(jìn)行盼了耦度合場艱數(shù)值昨模擬努，研啞究了蹦管件螞磁脈視沖縮菌徑變藥形規(guī)霉律，追由于軌電磁蔬場和金結(jié)構(gòu)彈場計(jì)烘算是墾分開農(nóng)進(jìn)行異的，翁因此沒計(jì)算請過程且沒有詠考慮齒工件槍變形炊對磁所場及匠磁場億力的喪影響辰。赴2.饞4需高速關(guān)率電剖磁成焦形材雹料成脈形性炒研究嫌在棗電磁余成形獻(xiàn)的研兆究過款程中術(shù)，除乖了關(guān)呼心磁捎場力勤和磁宋場力聚作用廁下的肯工件害變形聰之外牢，人禁們對贏高速艇率變緊形對遇工件墳成形敗性的勁影響籠也給茶予了場極大乞關(guān)注寺，并丹進(jìn)行鈔了大憲量研狼究[尸51率～5綱8]旁。如電磁飾成形羽和電麻液成鎖形產(chǎn)繞生的哨變形惜速率宮比準(zhǔn)例靜態(tài)駁加工遞過程漫成形愿速率耀高1撕00恰～1昌00萬0倍肌，這稅么高膝的變厚形速起率會瓜提高欣很多襯金屬醬工件案的成簽形能斜力[慰43曬]。蘇假設(shè)改植變模藏具形越狀、死增加先放電劫能量洋，材動料的描成形蔑極限梯會有立大幅保度提背高[所57馳]。度圖3望比照蛇了6靜06暖1T澡4鋁征合金潮在高齡速率稻成形惠和準(zhǔn)夾靜態(tài)零成形護(hù)時的沈成形口極限慣圖[玻43服]。的由圖豈4可心知，甩高速梨成形甲時，培材料播的成窗形性恨得到僻明顯述提高纖，并比且在澆較寬必的成廣形速籃率范齒圍內(nèi)祥〔5創(chuàng)0～帖30歌0迅m員/s寨ec債〕工鏈件成頌形性隨都得麗以提打高。溉文獻(xiàn)弱[5澤1]旋把這途種因驚高速掠率加作工而宣提高年的成粒形性舅的這打一特違征稱領(lǐng)為“禍Hy娛pe緣rp今la助st集ic條it予y〞殖。躲

推圖4疏6育06臥1T花4鋁包合金桂成形降極限匹圖〔說電液鮮成形廚〕弄文獻(xiàn)囑[5巴1～投54企]的賽實(shí)驗(yàn)杜結(jié)果那么說明鋤，高蛾速率印成形畫下材蹤料成切形性脫提高畫主要案是材甩料慣貧性而哭不是奸材料慧本構(gòu)桃關(guān)系鵝的改殿變抑駕制了咱工件貧的局觸部頸營縮。騾高速妙率成正形的鏟大動距量改恥變了腫傳統(tǒng)障靜態(tài)摘成形悔工件請的應(yīng)辮力分濕布，含使變浸形在妖整個喜工件累范圍峽內(nèi)發(fā)昨生，寺分散餐了整搏個工躁件的俗集中蔽變形濃，縮墊小了共減薄號量，曉從而糧使變畢形趨唐于穩(wěn)同定?？軓牧矸垡环矫撁鎭慝F講，找雖然箏成形椒速率世比傳還統(tǒng)靜眠態(tài)成聾形高墓得多老，但亂是，切高速獄率成電形產(chǎn)這生的瓦應(yīng)變茅速率們還不引足以銅改變撓材料革的本悲構(gòu)關(guān)觀系〔黃10激2～慈10伴3掘Vs菊10狐4/截s〕述[4冶3]輩。所堪以，胞高速胡率成未形過嘉程中唱，材賽料的嶺慣性抬是導(dǎo)烤致工牌件成末形性貸提高伐決定闊因素茄。同恒時，諸工件擦尺寸勺和形測狀對雕高速抱率成勵形工存件的帆成形紗性影唐響很殼大，繭成形慎性提緩高很挽大程恭度上垮取決獻(xiàn)于試祥樣的脂尺寸得和形救狀[草53懶]。插文迷獻(xiàn)[鼻58對]從乏力學(xué)捉角度抬出發(fā)蔑，建裕立了箏包括忙電、鵲磁、委熱場馳在內(nèi)和的多考場耦營合方皺程組沾，對狗電磁妻脹形務(wù)過程多中的漸一維產(chǎn)Al冠60湊61乓環(huán)頸串縮現(xiàn)舍象進(jìn)雖行了危研究雷，并譽(yù)量化米了電械磁成咐形提就高極椅限變笛形程切度〔振在本陡文的帥條件顧下，屠圓環(huán)圾頸縮雜應(yīng)變習(xí)比靜模態(tài)下勺提高觀了6雹倍〕押。研舅究結(jié)暴果表坑明，溝材料熊的應(yīng)糞變速沈率敏呢感性峽及材變料在廉電磁棋成形透過程重中所欣獲得脅的高手應(yīng)變晨速率游〔1凍04崇/s極數(shù)量斗級〕廟是材互料成擴(kuò)形極憑限提王高的庭主要癢原因揉。與偵文獻(xiàn)題[4咳3]凈比擬絕可見由，應(yīng)廢變速洪率級倘別的鐮上