外场辅助磁脉冲管胀形方法与可能技术方案模型.docx

外场辅助磁脉冲管胀形方法与可能技术方案模型0809102 陈洁 1080910218摘要：简述电磁脉冲成形技术及目前磁脉冲管材胀形的研究进展，针对铝合金磁脉冲胀形时，在实现局部胀形，必然伴随着管壁过度减薄的问题，提出结合应力场和温度场辅助磁脉冲管材胀形的多场成形工艺方法，并给出了可能的技术方案。关键字：磁脉冲胀形；管材；多场成形；引言近年来,为有效降低能耗和减少环境污染,以铝合金为代表的轻质高强度材料在先进制造领域的应用日益广泛。与传统钢材相比,铝合金具有密度小、弹性好、抗冲击性能好等一系列优点。但是,铝合金室温成形性差,易在高应变区产生撕裂；而且,铝合金刚度低,零件卸载后回弹较大,零件的尺寸精度大大降低。电磁成形是利用金属坯料在时变电磁场中感应出的磁场力，在磁场力的作用下使金属坯料变形的一种高速率成形方法。由于在成形过程中载荷是以脉冲的方式作用于毛坯的，因此又称为磁脉冲成形。电磁成形是上世纪六十年代发展起来的用于零件加工和装配的方法，是目前应用最广泛的高速率成形方法之一。它的发展解决了铝合金成形的不少问题，但磁脉冲在进行铝合金管局部胀形时，遇到了管壁过度减薄的问题。针对这个问题本文提出了利用温度场和应力场辅助磁脉冲管胀形的多场成形工艺方法。希望有关人员能提出意见和看法。1电磁成形技术的原理与特点电磁成形是通过电容器脉冲放电，使线圈与金属坯料之间产生瞬间的脉冲磁场力，使金属坯料发生塑性变形。设备原理如图1所示。通过升压放生器7经整流元件1对脉冲电容器6进行充电，当充电到一定时候，闭合高压开关3；脉冲电容器6对螺线管成形线圈5进行放电，在线圈上产生瞬间强脉冲电流，从而在线圈周围形成强脉冲磁场，金属工件在该磁场作用下产生塑性变形。1整流元件；2限流电阻；3高压开关；4金属坯料；5成形线圈；6脉冲电容器组；7升压变压器图 1-1 电磁成形装置原理图图2为管件电磁胀形原理示意图。当工作线圈通过强的脉冲电流是，在周围产生高能脉冲磁场，在管件内表面产生感应脉冲电流（涡流），该电流方向与工作线圈的电流方向相反，也在空间产生感应脉冲磁场。放电瞬间，管件外部和线圈内部的区域，放电磁场和感应磁场方向相反而相互抵消，但在线圈和管件之间应两磁场方向相同而相互叠加，产生脉冲磁场力使管件的内部受到很大的磁场压力作用，当压力值超过材料的屈服极限时，管件发生胀形。1- 脉冲电容器；2-螺线管线圈；3-管件；4-高压开关；5-磁力线图2 管件电磁胀形原理电磁成形与其它加工方法的主要区别是：磁场力在瞬间作用于毛坯上且无机械接触，所以是一种高速度、高质量的加工方法。它具有如下几个突出的优点：在电磁成形过程中，材料是瞬间成形，能获得很大的加速度，可大幅度提高材料的成形极限；电磁成形可以实现无模成形，一般都是单模成形，简化了模具制造，增加了加工柔性；磁场可以透过非导体材料，所以可以对非金属涂层或放在容器内的工件进行成形加工；电磁成形可对复杂零件进行高精度加工，残余应力小，回弹小；电磁成形可进行复合及混合加工，因而缩短加工周期；电磁成形具有纯电磁特性，与其它高速高能加工方法相比，容易实现能量控制和生产自动化、机械化；具有很大的工艺灵活性，同一感应线圈可以进行多种加工。2磁脉冲管材胀形工艺发展概况管件胀形如图3所示，是电磁成形技术中应用较多的方面。主要有管件自由图3胀形、有模成形、管件校形、管端翻边、翻侧孔、扩口及管件压花等。利用该成形方式可将一个工件成形组装到另一个工件上。由于电磁成形时，管件变形分布均匀，硬化不显著，因此材料的成形性能得以提高，与静态的冲压相比，这种方法可以提高胀形系数30%一70%。但壁厚变薄甚至破裂是管件胀形的主要问题。于是电磁成形的研究人员们对管材胀形如何减少壁厚变薄，实现均匀变形进行理论分析，用有限元模拟结合实验研究。吕宏军研究了LF3铝合金管无模电磁胀形工艺及不同工艺参数对胀形形状的影响规律。结果表明，通过调整和选择工艺参数，可以控制圆管的胀形形状。成形管的中部形状为圆筒状，随着变形能量和频率增大，成形管径变形也随之增大，而管件端口处则随着保护管材料的电阻增大，口部由锥形向喇叭形变化。管件成形长度对制件形状的影响表现为成形长度增加，制件中部圆筒状长度也增加，而端口部均呈尺寸大致相同的锥形或喇叭形。宋福民分析了管件电磁成形时线圈与工件的轴向相对位置对磁场力分布的影响，通过改变线圈参数（高径比，匝密度、导线截面尺寸）及线圈与工件的相对位置，分析了它们对磁场力分布的影响，结果表明：决定线圈与工件之间间隙内磁场强度分布的因素有两个：线圈参数和线圈与工件间的相互位置；工件与线圈间间隙内的磁场强度与工件受到的磁脉冲力成正比，通过磁场强度分布可确定磁脉冲力分布；管件在受到脉冲力变形时，其变形方式与准静态塑性变形不同，随着应变速率的提高，其塑性变形是在与动能的吸收与耗散相协调的条件下完成的；根据管件的受力情况，可预测管件的变形趋势；在有模加工中，通过调整脉冲力的分布，可达到同时贴模的目的；通过调节管件与线圈的轴向相对位置可以完成多种管件成形工艺。张守彬对圆柱线圈和坯料间隙中磁感应强度的分布进行了测量，结果表明：加工线圈长度较小时，线圈与坯料间隙中磁感应强度的分布不均匀，反之则趋于均匀。YuichiHashimoto等研究了脉冲压力下铝管的局部变形和起皱。用MARCK6.2进行模拟分析，忽略轴向磁场力，假定管件受力为平面应变状态，求解结果与实验结果相吻合。认为:变形过程和最终形状与管件厚度和心轴形状密切相关。李忠在简化电磁力的基础上，根据薄壁壳屈服准则，对管件在电磁力作用下的变形过程进行理论分析。并在理想刚塑性、双线性假设的基础上分别得出位移、速度、加速度的解析表达式。前者可直观地反映成形系统各个因素对成形过程的影响，为工程应用提供参考，但在磁压力幅值较小、持续时间较长时误差较大；后者表达式相对复杂，但结果更为合理，有助于深入理解电磁胀形的变形机理。卢永进对管件电磁成形均匀性进行研究，结果表明：随着线圈长度的增加，管件均匀变形的长度也增加；电压发生变化，但管件始终均匀变形，但存在临界能量，一旦发电能量超过该值时，管件发生失稳，表面出现明显的凹陷或凸起，且圆度不够，成形质量很差。3外场辅助磁脉冲管胀形工艺前人研究的针对管材电磁胀形的壁厚减薄，不均匀变形问题，主要通过改变各种工艺参数，是管材受到的径向磁压力分布均匀，尽量减弱轴向磁压力的影响，即只是对磁脉冲工艺进行改进，而且大多数都是面向管材的整体变形均匀形。而对于铝合金管局部胀形时，管壁过度减薄的问题就需要发展新的更适合的工艺来解决。研究新的胀形工艺，我们就必须熟悉一些传统的胀形工艺，理解其胀形原理。根据胀形时变形条件不同，将胀形方法分为三类：自然胀形、轴向压缩胀形、复合胀形。在胀形过程中，若仅对管坯内壁施加径向压力(内胀力)，其胀形成形主要靠管壁厚度的局部变薄和轴向的自由收缩(缩短)来完成，则称为自然胀形。若在自然胀形的基础上，同时又对管坯轴向施加压力，使轴向产生压缩变形，以补充胀形变形区材料的不足，则称为轴向压缩胀形。复合胀形是在轴向压缩胀形基础上发展起来的新的工艺方法。当在轴向压缩胀形的同时，又对管坯胀形区施加径向反压力，可称为“反压轴压胀形工艺”；轴向压缩胀形若与缩口或扩口成形同时进行时，则可分别称为“缩口轴压胀形工艺”、“扩口轴压胀形工艺”。总之，凡在轴向压缩胀形的基础上，又另外施加其它变形力或与其它成形工序同时进行的胀形工艺，都可称为复合胀形。如超塑性成形中采用的正反向胀形方法，先使不容易减薄的区域在在反向胀形发生减薄，最易减薄的区域减小减薄量，然后再进行正向胀形，这样能使变形各部分减薄程度很相近，有利于防止过度减薄而破裂。又如内高压成形中，针对铝合金,镁合金等管材的室温成形性很差,利用内高压成形方法在常温下很难成形复杂零件，提出了局部加热胀形的方法，这就需要温度场与应力场的很好结合。这为外场辅助磁脉冲管胀形的多场成形工艺方法的可行性提供了可靠的依据。于是针对铝合金管磁脉冲局部胀形时存在的管壁过度减薄的问题，本文提出了利用温度场结合应力场辅助磁脉冲的多场成形工艺。原理是：先对需要胀形的区域进行加热，然后是管件在受一定轴向压力的状态下进行磁脉冲胀形，从而得到符合要求的铝合金管件。这里存在几个关键的技术问题：（1）模具和工作线圈的相对长度要合适。若模具太长，就会使模具加工不方便，浪费材料，增加成本；若线圈太长，则会使模具外部的管件受到磁压力而发生变形，太短则会使局部变形区域没有完全处于均匀变形管长的区域。最好是变形区域对称放置于工作线圈中部。如图4所示图4（2）局部加热方法和大温度梯度的实现及模具结构的设计和材料选择。进行管材局部加热的同时，需要保证待成形区域与相邻区域具有足够的温度梯度，其目的是使这两部分管材的强度有足够的差距。如果相邻区域的屈服强度差别不大，则在内压作用下模具型腔内管材发生变形的同时，模具外面的部分由于受到轴向压力而可能发生失稳起皱。如果用加热线圈进行加热，由于其加热速度较慢，无法实现快速局部加热，因为铝合金管件导热性良好，在局部加热的同时，其他部位也同时受热。这里采用感应线圈对管件进行加热的方法。参照何祝斌老师指导的创新项目中的感应线圈加热方法，指出利用外置的感应线圈对管材局部进行加热，当温度达到要求后退出感应线圈，然后快速闭合模具进行成形。虽然感应线圈的加热速度很快，但该加热方式效果并不理想。这是因为管材加热后还需要退出加热圈、闭合模具、管端密封等步骤，另外管材和模具接触后温度也会很快降低。于是采用了如图5所示的成形模具结构。图5其工作原理为先闭合模具；用加热棒对模具进行预热，为了避免嵌块温度与模具其他部位相差过大，导致热量的大量流失；然后利用放置于嵌块与上、下模之间的感应线圈对局部进行加热使之达到所需温度，感应线圈采用均匀分布的螺线管线圈，当线圈分布更加均应时，加热速度快，而且加热部分温度分布均匀。其中使用采用组合式模具，只有嵌块采用耐高温材料制作，其余部分采用普通材料。对于成形不同形状的零件时，只需更换相对应的模具嵌块，而模具主体不用更换，可大大节约成本。（3）轴向压力的控制。轴向压力是管件在轴向发生压缩变形，以补偿胀形区的材料不足，而且使胀形区的应力应变状态得到改善。当轴向压力足够大时，胀形区母线方向的拉应力变为压应力，成为一拉一压的平面应力状态，变形也由两向拉伸、一向压缩变为一向拉伸、两向压缩的应变状态。这种应力应变状态的变化，提高了材料的塑性变形能力，不仅减少了胀形区材料的变薄量，而且可显著提高胀形成形极限。这里轴向压力与磁脉冲产生的脉冲磁压力的比值控制是该工艺必须解决的技术关键。应当指出传统的轴向压力施加前，先对管坯内腔施加足够内压力，但在磁脉冲成形时，由于该成形是高速成形，即在极短的时间内完成，所以轴向压力需要同时加载。为了防止管件的冷却回弹，需要保压一定的时间。整体装置的工作：在管件内适当位置放入工作线圈，闭合模具，管件两端被顶住但未施加轴向压力，经加热棒对模具进行预热，然后接通感应加热线圈对嵌块进行加热，当温度达到所需值时，进行磁脉冲胀形，同时施加轴向压力，在适当的条件下完成胀形。4结束语随着人们对材料成形性能的要求越来越高，电磁成形技术以能够大幅度提高材料的成形极限等突出优点已在各个领域得到广泛的应用。以一种成形工艺向多种成形方法复合的工艺转变必将成为今后发展的趋势，以磁脉冲为基础的，结合其他场的多场成形工艺必将成为以后人们研究的新方向，它将能够解决目前一些材料成形过程中出现的问题和缺陷。参考文献1.宋福民 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