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。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、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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。1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。2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，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。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），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。3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。3.1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——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——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——该系统主要由工作线圈及工装组成；④辅助控制系统——由操作台、仪表、控制元器件、触发电路等组成。其组成示意图如图2所示。图2电磁成形设备组成图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1200mm1000mm6mm。3.2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。(1)对管材的电磁成形加工。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，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。图4管材工件的电磁成形图(2)对板材的电磁成形加工，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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。(3)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，必将带来巨大的经济效益。实验用电磁冲裁工装(模具)如图6所示。图6电磁冲裁工装1-线圈2-隔离板3-滑块组合件4-缓冲垫5-冲头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。(4)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(4kV10kV)，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