（材料学专业论文）难成形曲面零件的电磁辅助成形模拟研究.pdf

摘要 近年来，汽车工业的快速发展带来了日益严峻的生态环境和能源问题，为 了有效地减小环境污染、降低能源消耗，材料和结构轻量化成为了现代结构设 计的主流趋势，以铝合金为代表的轻质金属材料在先进制造领域的应用日益广 泛。但是铝合金在成形过程中存在材料流动难以控制，板材的应力、应变分布 不均匀，回弹量和成形精度难以控制等问题。所以，成形质量也成了铝合金板 材在汽车轻量化过程中应用的主要障碍。 电磁成形是一种高速成形技术，它能使板料在几毫米的距离内获得2 0 0m s 4 的速度，这种高速对成形非常有利，它能提高成形性能，改善应力分布，有效 地控制铝板的回弹。对于传统的回弹控制方法难以获得很好效果的曲面零件来 说，电磁成形使得曲面工件贴模成形而不必修模，能大大降低此类零件成形的 难度。 本文利用a n s y s 有限元分析软件讨论了曲面线圈电磁成形的磁场特性，对 放电回路进行了模拟，得到曲面线圈中的放电电流随时间的变化规律；对曲面 线圈电磁成形的磁场进行了模拟，得到曲面线圈磁场和磁场力的分布情况。 利用d y n a f o r m 有限元分析软件对难成形曲面零件电磁成形板坯变形过程进 行了模拟。模拟结果表明： 1 ) 选用不同的板料和凹模间距，对成形效果的影响是不同的。其结果显示 随着板料和凹模间距的增大，成形后工件的变形量减小，回弹量逐渐增大。 2 ) 随着放电能量的增加，作用在板坯表面上的磁压力增大，工件的变形量 逐渐增大，曲面工件的贴模度逐渐提高。 3 ) 在相同的成形能量下，厚板的成形质量比薄板的要好，随着板坯厚度的 增大，其成形后工件变形量增加，回弹量逐渐减少。要充分利用磁场力使板料 产生最大限度的变形，就要根据板料厚度选取合适的放电频率，从而控制趋肤 深度，使其等于板料厚度，这样就能获得更好的成形效果。 4 ) 利用电磁成形技术对板材进行成形或校形，可以有效控制回弹缺陷，电 磁成形工艺具有重要的现实意义。 关键词：电磁成形，曲面零件，有限元模拟 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb r o u g h t i n c r e a s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t a la n de n e r g yi s s u e s i no r d e rt oe f f e c t i v e l yr e d u c e p o l l u t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n , l i g h tw e i 班tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sb e c o m et h e m a i nt r e n do fm o d e ms 白m c t u r a ld e s i g n t h el i g h t w e i g h tm e t a lm a t e r i a ll i k ea l u m i n u m h a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gf i e l d h o w e v e r , t h e r ea r em a n y p r o b l e m sd u r i n gt h ea l u m i n u ma l l o yf o r m i n gp r o c e s s ，s u c ha si ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o l m a t e r i a lf l o w , t h ep l a t e ss t r e s sa n ds t r a i na r ed i s t r i b u t e du n e v e n l y , s p r i n g b a c ka n dt h e f o r m i n gp r e c i s i o ni sd i f f i c u l tt oc o n t r o l ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h ef o r m i n gq u a l i t yh a s b e c o m eam a j o ro b s t a c l ef o ra l u m i n u ma l l o ys h e e tb eu s e di n e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ( e m f ) i sak i n do fh i g hv e l o c i t yf o r m i n gt e c h n i q u e ， t h i sc a na c c e l e r a t et h es h e e tt ov e l o c i t i e so nt h eo r d e ro f2 0 0m s 。1o v e rad i s t a n c eo fa f e wm i l l i m e t e r s t h i sh i g hv e l o c i t yf o r m i n gc a nb eq u i t eb e n e f i c i a l i tc a ni m p r o v e f o r m a b i l i t ya n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n ，r e d u c et h es p r i n g b l a c ko ft h ea l u m i n u ma l l o y s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls p r i n g b a c kc o n t r o l l i n gm e t h o d s ，e m fm a k et h ec u r v e d w o r k p i e c eb ec a l i b r a t e db yf i t t i n g t ot h ef e m a l ed i e ，t h r o u g ha d j u s t i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c et or e m o v es p r i n g b a c k ，i ti se a s i e rt od e c r e a s et h es p r i n g b a c kv i a t h i sm e t h o d i nt h i sp a p e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si su s e dt od i s c u s st h e s u r f a c ec o i l sm a g n e t i cf i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s s i m u l a t et h ed i s c h a r g e c i r c u i ta n df i n dt h ev a r i a t i o nt h a tt h ec u r r e n to fs u r f a c ec o i lc h a n g e sw i t ht h et i m e ； s i m u l a t et h em a g n e t i cf i e l do ft h es u r f a c ec o i l se l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n ga n df i n dt h e d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho f t h es u r f a c ec o i l m a g n e t i cd e f o r m a t i o np r o c e s so fs h e e tm a t e r i a ls u r f a c ep a r t ss i m u l a t e dw i t ht h e f e as o f t w a r ed y n a f o r m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ： 1 ) t h ef o r m i n ge f f e c ti sd e c i d e db yt h es p a c i n gb e t w e e nt h es h e e ta n dd i e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e ns h e e tm e t a la n dd i ei n c r e a s e s ，t h ed e f o r m a t i o n o ft h ew o r k p i e c ea f t e rf o r m i n gr e d u c e sa n ds p r i n g b a c ki n c r e a s e s 2 ) w i t l lt h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g ee n e r g y 。t h em a g n e t i cp r e s s u r ea c t i n go nt h e s h e e tm e t a ls u r f a c ei n c r e a s e s ，a n dt h ep o s t sm o d u l a ri sb e t t e r 3 ) f o r m e du n d e rt h es a m ee n e r g y , t h ef o r m i n gq u a l i t yo ft h i c ks h e e t si sb e t t e r t h a nt h et h i no n e s w i t ht h ei n c r e a s eo fs l a bt h i c k n e s s ，t h ew o r k p i e c e sd e f o r m a t i o n i n c r e a s e sa n dt h es p r i n g b a c kd e c r e a s e sa f t e rs i z i n g t ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ht op r o d u c et h em a x i m u md e f o r m a t i o no fs h e e tm e t a l ，w e s h o u l ds e l e c ta p p r o p r i a t ed i s c h a r g ef r e q u e n c yu n d e rt h es h e e tt h i c k n e s s ，t oc o n t r o l t h a tt h es k i nd e p t hi se q u a lt ot h et h i c k n e s so fs h e e t ，a n dt h ef o r m i n ge f f e c tw i l lb e b e t t e r 4 ) u s i n ge l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yf o rf o r m i n go rs i z i n gs h e e tc a n c o n t r o lt h es p r i n g b a c k , w r i n k l i n ga n do t h e rd e f e c t si nm e t a lf o r m i n ge f f e c t i v e l y , e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gp r o c e s sh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ，c u r v e dp a r t s ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已论文中作了明确的说明并表示了谢 ：6 皇 恿。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的 规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：鲨丝! ! 够 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，汽车工业的持续快速增长对社会能源供给、环境保护和交通安全 带来了日益巨大的影响。为了有效减小环境污染和降低能源消耗，提高汽车的 燃料经济性、节约有限资源已经成为各大汽车厂关注的焦点。事实上，对汽车 自身而言大约有7 0 的油耗是用在车身自重上。世界铝业协会的报告指出，汽车 质量每减少1 0 ，燃油消耗就可以降低6 - - 一8 。因此，减小汽车自重也是汽车 降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一【l 一钉。减轻汽车自重，以实现汽车轻 量化是当前世界汽车工业，也必将成为未来一段时间内汽车工业追求的战略目 标。从2 0 0 1 年开始，美国能源部就将车用轻合金的成形工艺作为重点资助项目 予以研究，并将车用轻质合金材料的开发和成形工艺作为2 0 0 6 到2 0 1 1 年“t h e f r e e d o mc a ra n dv e h i c l et e c h n o l o g i e s ( f c v t ) p r o g r a m 的一个重要部分【5 1 。 我国国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中也将轻质高强 度金属材料的研究开发作为了一项重要内容。由此可见，材料和结构轻量化己 成为现代结构设计的共识和主流趋势，以铝合金为代表的轻金属材料在先进制 造领域的应用同益广洌6 7 1 。 北美、欧洲及同本等国家和地区的著名汽车生产商都已在新型汽车上充分 利用了各种轻质材料，如铸造方法成形的铝合金件已大量应用于发动机、排气 系统、散热器及车轮等部件以替代钢质零件。在过去l o 年里，汽车车身用铝合 金板的年增长率在2 0 - - - 2 5 左右。 铝合金在现代汽车的轻量化中扮演着极为重要的角色，其在汽车上的应用， 不仅实现了汽车自重的减轻，而且极大提高了某些零部件的寿命【8 。1 。因此，铝 合金被认为是2 1 世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。 武汉理工大学硕士学位论文 要 、 嘲 憋 翠 霉 靠 姆 露 耷 十北荚 * 欧溯 小日本 年份 图1 1 北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝型1 2 】 铝合金具有良好的机械、物理和化学性能，其板材密度低、比强度和比刚 度高、抗冲击性能好。同时，铝合金也存在着弹性模量比较低，仅为钢板的1 3 ， 断裂延伸率小，均匀塑性变形延伸率低，温度敏感性比较强，抗疲劳性能差等 缺点，因而导致在成形过程中存在材料流动难以控制，板材的应力、应变分布 不均匀，回弹量和成形精度难以控制等问题【1 3 1 5 1 。例如，铝合金室温冲压成形 性比传统的车用钢板差，当采用与冲压钢板相同的模具与工艺时，由于其存在 尖角处易破裂、卸载后回弹较大、易出现畸变及成形后难于清理等问题，很难 生产出高精度、形状复杂的空间曲面零件。事实上即使是同一牌号、同一批次 的板材，由于材料组织的不均匀所导致其性能的变化及成形工艺条件的波动， 同样会导致卸载后成形件的形状和尺寸与所要求的形状和尺寸不符的后果，这 些问题阻碍了铝合金在材料成形工艺中的使用。特别对于铝合金曲面零件成形， 这些问题尤为突出。在铝合金板材的实际生产中，由于曲面产品很容易出现破 裂、起皱、回弹等缺陷，极大地影响了产品的成形精度和美观性。因此，如何 挖掘铝合金板材的成形性能和提高成形的精确性，并开发行之有效的成形工艺 成为近年来学者们竞相研究的热点。国内外学者针对以上问题做了包括热成形、 液压成形、润滑技术、变压边力技术( v a r i e db l a n kh o l d e rf o r c e ) 、主动拉 深筋技术( a c t i v ed r a wb e a d ) 、多点模垫技术( m u l t i - p o i n td i e c u s h i o n t e c h n o l o g y ) 和初始板材形状设计( i n i t i a lb l a n kd e s i g n ) 等普通冲压技术 在内的很多的研究【1 6 08 1 ，以期提高铝合金板材的成形性能。 利用电磁成形工艺对铝合金板材进行成形便是其中一个重要的研究方向。 电磁成形是一种可用于金属板材成形的高速率加工方法。电磁成形具有成形速 度快、成形精度高、无需传递介质、成形模具简单、加工能量易于准确控制及 设备通用性强等特点，在合适的工艺条件下能显著减小卸载后的回弹与畸变， 改善工件的成形精度和成形质量【2 0 1 。电磁成形过程中，金属板料的变形速率比 普通冲压条件下提高了2 3 个数量级，很多金属材料的塑性变形能力会因此而 发生很大的变化【”】，而高速贴模过程中在零件与模具之间会发生很大冲击力， 2 武汉理工大学硕士学位论文 可以有效抑制材料的局部颈缩以及微裂纹的产生与扩展，提高材料的塑性，改 善了很多金属材料的成形性能。因此，电磁成形技术在汽车轻量化材料的成形 中有着非常广阔的应用前景。 1 2 电磁成形技术概述 电磁成形技术是高能率成形( h i g he n e r g yr a t ef o r m i n g ) 的一种，高能 率成形也称高速成形( h i g hv e l o c i t yf o r m i n g ) ，是一种在极短时间内( 微秒 级) 释放高能量而使金属变形的成形方法【2 0 】。高能率成形主要包括： 1 ) 利用高压气体使活塞高速运动来产生动能的高速成形； 2 ) 利用火药爆炸产生化学能的爆炸成形； 3 ) 利用电能的电液及电爆成形； 4 ) 利用磁场力的电磁成形。 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。在成形过程中 载荷是以脉冲的方式作用于毛坯的，因此又称之为磁脉冲成形。 图卜2 所示为板坯电磁成形原理副2 1 1 。其原理是：首先将电能储存在高压 电容器c 之中，当开关k 闭合时，储能电容c 对工件线圈快速放电( 微秒级) ， 回路中产生急剧变化的电流，根据电磁感应定律，线圈周围会产生一脉冲磁场， 同时，该磁场的轴向分量b 因为穿过工件平面而产生感应涡流，由感应涡流产 生的磁感应强度为b 。放电瞬间，磁感应强度b 与涡流产生的感应强度召在工 件的内部因为方向相反而相互削弱；在线圈与工件之间因为方向相同而得以加 强。这就会使工件受到背离线圈的磁脉冲力而发生变形。 k i 图卜2电磁成形的原理卧2 1 】 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 电磁成形技术的发展状况 2 0 世纪2 0 年代，在脉冲磁场中做实验时，一些学者发现形成脉冲磁场的金 属线圈易胀大、胀破【2 2 】，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思考。 1 9 5 8 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 议上展出了世界上第一台电磁成形机【2 3 】；1 9 6 2 年，美国人b r o w e r 和h a r v e y 首 次成功地把电磁力作用于金属成形，发明了电磁成形装置并申报了专利，注册 名为m a g n e f o r m ，这标志着电磁成形技术的诞生【2 4 1 。此后，电磁成形技术引起各 工业国的重视，并逐渐将其应用于工业生产。 截止到2 0 世纪7 0 年代中期，已有4 0 0 多台电磁成形机运用于生产【2 5 1 ，有 1 5 0 多个工厂使用了这种工艺，多数机器应用于大批量生产，这些设备的脉冲电 流一般为1 0 0 6 4 ，- - 4 0 0 6 4 ，放电周期在1 0 0 艘左右。 到2 0 世纪8 0 年代，电磁成形技术已在美国、前苏联、日本等国的工业生 产中得到了广泛的应用。前苏联、美国的电磁成形机趋于标准化、系列化，并 出现一些专用的电磁成形机。例如美国m a x w e l l 公司生产的各种类型的 m a g n e f o r m 设备已遍布美国、日本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂家；近年来， 电磁成形设备开始向专用设备方向发展，如前苏联制造的mhy - 2 0 2 - h h 设备，可以先对毛坯进行感应加热，然后进行电磁成形加工1 2 6 | 。 我国对电磁成形技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，经过几十年的研究已经 取得了很大的发展。2 0 世纪7 0 年代末期，哈尔滨工业大学率先开始研究电磁成 形的基本理论及工艺，并在先期研制的实验装置的基础上，于1 9 8 6 年成功研制 出了我国第一台生产用电磁成形机【2 。7 1 。目前我国已有多所高等院校和研究所开 展了电磁成形技术的研究，主要有哈尔滨工业大学、武汉理工大学、兵器部5 9 所、中南大学及北京机电研究院等院校和单位，研究内容包括管件类、平板件 的电磁成形，电磁成形装配、数值模拟、高速变形的试验研究和理论分析等多 个方耐2 引。 1 2 2 电磁成形技术的工艺特点及应用 由于电磁成形技术是利用磁场力，而不是利用机械力实现对金属的加工， 因此，电磁成形加工有着其它加工工艺所无法比拟的特点和优势【2 9 , 3 0 ，主要 有： 1 ) 在电磁成形过程中，大部分变形是在脉冲压力消失之后发生的。这 4 武汉理工大学硕士学位论文 是因为在脉冲压力作用下，金属获得了很大的加速度和很大的动能，当脉 冲压力消失后，金属就会靠受力情况下的动能来实现变形。 2 ) 由于电磁成形具有纯电磁特性，成形过程不受运动部分机械惯性的 影响，所以，电磁成形的工作频率达数百次每分钟，运用电磁成形可以实 现快速加工。而且磁脉冲强度可以准确控制，易于实现机械化、自动化。 3 ) 因为磁场可以穿透非导体材料，所以可运用电磁成形对有非金属涂 层或放在容器内的工件进行成形加工。 4 ) 电磁成形以磁场为介质对工件旋加压力，不需要机械接触，成形部 位表面没有机械损伤。所以电磁成形对工件不产生摩擦，不需要润滑，在加 工前可对工件电镀、阳极化、喷棒，成形后表面不受影响。另外，对某些成形 后不易抛光的或表面处理困难的工件可先进行抛光或表面处理然后成形。 5 ) 电磁成形属于单模成形，简化了模具制造，增加了加工柔性。 6 ) 电磁成彤的零件精度高，残余应力小，回弹小。 电磁成形常应用于平板毛坯及管状毛坯的成形，其典型的工艺主要有： 1 管毛坯胀形 如图1 3 ( a ) ，( c ) 所示。工件线圈置于管内，当脉冲电流通过线圈 时，磁压力将管坯外推贴膜。管毛坯胀形主要有管坯自由胀形及有模成形、 成形凸筋、管端翻边、扩口、翻侧孔、异型管成形等，可用于胀形及连接 工艺。管坯胀形加工时，毛坯变形均匀，胀形系数比普通冲压方法高3 0 7 0 3 1 】。 雪 固! 凰 c d 图卜3 管状毛坯电磁成形典型工序 a ) 圆柱线圈胀管：b ) 圆柱线圈缩管； c ) 电流直接通过工件胀管；d ) 电流直接通过工件缩管。 1 一线圈：2 一工件：3 一绝缘材料；4 一电极。 2 管毛坯缩颈 如图1 - 3 ( b ) 、( d ) 所示。将工件置于线圈内，磁压力将工件向内压 缩贴膜电磁成形过程中管坯变形分布均匀，因此提高了材料塑性变形能 武汉理工大学硕士学位论文 力。实验表明，电磁缩径能使均匀变形程度提高3 0 【3 i 】。此法常用于成形 及连接工艺。 3 平板毛坯成形 平板毛坯的电磁成形是将一螺旋形扁平线圈对着平板毛坯放置，当脉冲电 流通过线圈时，电磁力将工件推向模具。平板毛坯的电磁成形可以分为自由成 形及有模成形两种形式。自由成形主要是用于精度要求不高的锥形件成形，而 有模成形经常用于压印、局部压肋、压凹及曲面零件成形等【2 0 1 。由于平板毛坯 脉冲力分布不均匀，尤其中心部分过小，所以会影响零件的质量。自由成形零 件外形很难控制，形状精度不高，有模成形零件贴模性欠佳。另外，也可以分 为直接加工和间接加工两种形式，对于电导率很好的金属薄片可以采用直接加 工的加工方式，若材料的电导率很小则可以在其表面镀铜或高电导率的涂层， 或者直接在坯料与线圈之间放置高电导率材料作驱动片，有时为了使受力均匀 会在中间加上弹性的传压介质。平板成形可以实现不同的成形工序，如冲压、 粉末压制、压印、成形等【2 0 l 。平板毛坯的间接成形如图2 所示。 6 图1 4 平板毛坯间接加工方式 1 垫板2 模具3 毛坯4 弹性传压介质5 驱动块6 - 力工线圈 4 连接 电磁成形非常适宜用于管与管、管与杆、管与板的连接工艺，可实现管与 芯轴的连接、软管与接头的连接以及金属材料与玻璃、陶瓷等脆性材料的连接， 连接强度甚至可超过母材强度。 5 冲裁 可在平板毛坯上冲孔，尤其适用于料厚小于0 5 m m 的薄料或复合材料，可 以实现无毛刺冲裁。 此外，电磁成形还可以用于多种工序的复合成形、异型管成形、封瓶、铆 接、粉末压实等。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 板材电磁成形国内外研究现状 前面已经叙述了电磁成形具有成形速度快、成形精度高、不需要传递介质、 模具简单、成形能量易于准确控制及试验设备通用性强等众多优点，为了更好 的掌握并运用电磁成形技术，近年来国内外学者和研究机构相继开展了对板材 电磁成形的研究，但是板材电磁成形中的基础理论、设备制造等一些关键问 题还需要进一步的研究和开发。 1 3 1 板材电磁成形实验研究近况 2 0 0 1 年，为了实现铝合金板材汽车零件的经济制造，美国能源部启动了“铝 合金板材电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n go fa l u m i n u ms h e e t ) 项目，这 个项目由f o r d 、g m 、d a i m l e rc h r y s l e r 和p n n l 等多家机构参加，合作开发铝 合金板材电磁成型技术。其2 0 0 5 年年度报告p z 】中显示该项目已设计和安装了放 电能量1 5 0 k j 的板料电磁成形设备，建立了放电线圈耐用性试验装置，确定了 线圈热力学特征评价方法，研究了有效的线圈冷却技术，开发了校形工艺，开 展了有助于工艺设计的数值模拟研究，并对电磁辅助成形工艺的成套技术进行 重点开发。 同时，在欧盟第五框架的资助下，v o l v o 、e s i 、多特蒙德大学【3 3 】等正致力 于板材电磁成形机理的研究，其主要开展了电磁成形设备、高速率变形条件下 材料的性能及其动态响应等方面的研究工作。而在s a b 开发银行的资助下，德 国大众、西门子等正进行板材电磁成形设备、线圈、工艺和数值模拟的研刭3 4 瑚】。 美国俄亥俄州立大学也与通用公司合作，针对铝合金车门板电磁复合成形 工艺进行了一系列研究，并成功解决了铝合金车门内门板起皱、破裂的问 题。台湾金属工业研究发展中心与俄亥俄州立大学合作，试验研究了应用 均压线圈成形铝、镁合金薄板材料微细特征的能力，已经取得了较好的试 验结果。 在针对铝合金板材的室温冲压成形问题上，v j v o h n o u t 3 7 】提出了整体冲压 预变形局部电磁成形的复合成形方法：首先对板材进行整体冲压成形，完 成所需的绝大部分变形，然后利用电磁能量进行需要变形局部( 如小圆角半径、 凸台、肋等) 的最终成形。对通用汽车c h e v yc a v a l i e r 的6 1 1 1 t 4 铝合金车门 内板进行成形实验研究【2 7 】的结果显示，通过更改模具，增大角部和弯曲处的圆 角半径，并采用电磁成形技术进行二次加工，得到的铝合金车门内板不仅满足 7 武汉理工大学硕士学位论文 设计要求，成形后的车门内板平面应变值超过2 5 ，远大于6 1 1 1 t 4 铝合金在普 通冲压条件下的平面应变值，并能有效减小了起皱和破裂现象。研究还表明， 随着放电能量的增加，电磁成形能够减小、甚至消除板材弯曲件的回弹。但研 究表明这种方法还存在着以下不足：局部电磁成形多是采用平面螺旋线圈和板 条式线圈，由于磁压力分布不均造成板料成形时电磁力的分布不均，导致板料 应变的不均匀分布，使局部变形部位板厚变化剧烈，易引起工件局部强度、刚 度损失，而线圈能量损失大、效率低等缺点也限制了其在平板毛坯成形中的推 广应用。 在g s d a e h n 和m a k a m a l 3 s 】的研究中，将管件电磁成形的耦合原理引入 到平板毛坯电磁成形中，并因此提出了一种平板毛坯均匀压力线圈电磁成形的 新工艺。其原理图如图1 - 5 所示。由放电线圈的外部的线圈座( 用以构成凹形 导体通道) 和板料构成了封闭的回路。电容放电时，内部线圈中产生脉冲电流， 并在板料和线圈座构成的回路中诱发方向与之相反的感应电流。由于强脉冲电 磁力的作用，金属板料高速贴模成形。由于感应电流的回路完全环绕线圈，所 以磁场能量损失小、成形效率高；另外，由于线圈同时受到板料和线圈座的反 作用力，所以对线圈的作用力相当于集中在中心轴上，可以有效提高线圈的使 用寿命。均匀压力线圈的磁压力分布也比传统平面螺旋线圈和板条线圈更为均 匀( 见图1 - 5 ) ，成形效率也更高。 i 二! ：i ：簟 。i 群簪杜暖 _ ! i ，、 | - 。 以厂 、 f i 蟊一二；矗二矗， 图1 - 5 均匀压力线圈成形原理及磁压力分布 在国内，哈尔滨工业大学、武汉理工大学、北京机电研究所、西北工业大 学等多家学校和科研院所也开展了电磁成形的研究工作，而且在管、板成形、 铆接等领域均取得了有价值的研究成梨3 9 舶】。 张守彬等【4 l 】对平板电磁自由成形中需要考虑的诸多因素进行了实验，研究 了如电压、电容量、线圈与毛坯之间的距离、润滑条件、凹模圆角半径等多种 多种因素的影响。 伍智濂【4 2 】通过实验研究总结出了薄板电磁力冲裁机理，提出了运用电磁力 武汉理工大学硕士学位论文 实现冲裁的准则，并在此基础上对强脉冲电磁力作用下薄板的动态响应进行了 理论分析和求解，进而得到了电磁冲裁力的表达式。 黄尚宇【4 3 1 、伍智濂【4 2 】等运用电学、电磁学、电动力学和塑性动力学等学科 的理论知识，推导出了电磁成形中平面工作线圈的磁场强度分布的解析式，通 过数值分析，给出了描述平面工作线圈磁场强度分布特性的一系列曲线。运用 最小二乘法，求得了磁场强度分布的工程计算公式，利用电动力学理论，求解 出板材上的电流密度，最终得到了磁压强的分布规律。 初红艳书】通过纯铝板的电磁胀形成形，研究了平板毛坯的电磁成形中， 成形电压、工件厚度与工件变形的大小之间的关系。 1 3 2 板材电磁成形有限元分析 近年来，随着计算能力的迅速提高和有限元技术的不断发展，研究人员将 功能强大的算法和计算机引入到复杂的成形过程的计算之中，使电磁成形理论 研究得以更迅速发展。 1 9 8 4 年，铃木秀雄【4 6 】等人最早采用有限元方法分析了磁脉冲压力下管坯的 胀形过程，但由于研究不够完善，其分析结果与实验结果不符。t a k a t s u 4 7 1 和 g o u r d i n 4 8 】研究了随着材料变形而发生的磁场演变的过程。g o u r d i n 通过胀环实 验研究了高应变速率条件下材料的流动应力，t a k a t s u 在此基础上进一步考虑了 磁损失的影响，较为准确地模拟了板料电磁成形的过程。 人们在分析电磁成形的过程中，一般会采用等效方法来计算施加在工件上 的磁压力 4 6 - 4 7 , 4 9 - 5 2 】，应用这种方法的前提就是认为工件或线圈足够长，以至于可 以忽略其末端的影响，而且要假定只有管坯内壁受力，并且磁压力在轴向上的 分布是均匀的。s u n gh ol e e 5 3 j 在文献的基础上，将矢量磁位引入麦克斯韦方程 组，把线圈和工件包含到计算中，进行了动态变形的有限元分析，精度有一定 程度的提高。张守彬【5 4 j 贝0 通过引入工件变形的影响因子，反映了工件变形对磁 压力的影响，进而影响工件的进一步变形。a l i m e r i c h e d 5 5 1 介绍了一种解决电磁 平板成形问题的方法，分析了电路、电磁场和工件塑性变形，并推出了基于矢 量磁位积分形式的二维轴对称模式，可用于计算磁场、涡流和平板上的电磁感 应强度。 y o i c h im a r a k o s h i 5 6 】用有限元软件m a r c 对内筋加工成形进行了模拟实验。 实验表明，随着放电电流和圆角半径的增大，内筋加工时间变长会导致内筋的 高度增大。由于磨擦与应变等因素相互作用，模拟结果只能说明实验结果的前 9 武汉理工大学硕士学位论文 一部分。 黄尚宇【5 7 】和王立峰【5 8 】通过解析推导得到了磁压力，然后利用a d i n a 非线性 有限元程序对板坯电磁成形过程进行了数值模拟。陆辛【5 9 】通过动态拉伸实验获 得了铝合金l y l 2 的动态本构方程，在此基础上用d y n a f o r m 软件进行盒形l y l 2 板材的电磁成形模拟。 0 1i v e i r a 、d i n oao li v e r i a 等【6 0 5 2 】运用a n s y s e m a g 软件对磁场和磁场力 进行计算、运用动力显式软件l s d y n a 对变形进行计算，模拟了平板有模电磁 成形，对工件与模具之间的冲击变形过程进行了研究。于海平【6 3 】应用上述软件 对管件动态缩径变形进行了耦合场数值模拟，对管件磁脉冲缩径变形规律进行 了研究，但是因为对电磁场和结构场计算是分开进行的，计算过程没有考虑工 件变形对磁场和磁场力的影响。 1 4a n s y s 有限元软件简介 随着计算机技术的不断进步以及数值算法的不断改进，有限元方法已经成 为工程设计和数值分析的一种有力的手段，目前，主要用的有限元软件有： a n s y s 、h o n d o 、n a s t r a n 、m a r c 、d e f o r m 、a d i n a 等。 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大 型通用有限元软件【8 。a n s y s 系列是一套可自由选配集成的功能模块组成的产 品，作为一种分析功能强大的大型通用有限元程序，目前a n s y s 在机械、航空、 动力、核能、水利等分析中发挥着巨大的作用，在材料加工方面也得到日益广 泛的应用。 按照模拟分析的过程中的前处理、求解、后处理三个阶段，a n s y s 由三个 模块组成。 1 前处理模块 这一模块用于定义求解模块所需要的各个数据，主要包括选择坐标系统、 单元类型、实常数以及建立材料模型等，接下来进行实体建模并对模型进行划 分网格、定义耦合和约束方程等一系列求解准备工作。建模的方式有好多种， 不仅可以通过人机交互( g u i ) 的方式，还可以通过命令流的方式输入已编辑好 的命令进行建模，还可以导入其他造型软件建立的实体模型。然后再进行属性 设置，为求解做准备。 2 求解模块 l o 武汉理工大学硕士学位论文 建模完毕之后，进入求解模块。在此模块中，可以进入s o l u t i o n 处理器 定义求解类型，设置分析选项，设置施加载荷、载荷步选项，并最终完成求解。 a n s y s 提供了静态分析、瞬态分析、谐振态分析、模态分析、频谱分析、屈曲 分析以及子结构分析等7 种不同类型的分析。同时，还提供了多种求解联立方 程的算法，常用的有波前求解器、稀疏矩阵求解器以及雅克比共轭梯度求解器。 一般来说，几乎所有分析问题都是求解一系列的联立方程组，这些都是通过迭 代求出近似解。迭代求解器适用于大而复杂的问题，对于电磁场问题比较有效， 本文就是用了瞬态分析，迭代求解器求解。 3 后处理模块 有限元计算完成之后，通过后处理来查看计算结果，后处理器有通用后处 理器p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 两个模块。通用后处理器是指分析整 个模型在某个子载荷步的某个子步的结果，或者是特定频率下的结果；时间历 程后处理器是指分析处理指定时间范围内模型指定节点上的某个结果随时间和 频率变换的情况。 1 5 本课题选题意义及主要研究内容 近年来，汽车工业的快速发展带来了日益严峻的生态环境和能源问题，为 了有效地减小环境污染、降低能源消耗，材料轻量化和结构轻量化成为了现代 结构设计的主流趋势。铝合金具有良好的机械、物理和化学性能，密度低、比 强度和比刚度高、抗冲击性能好等优点，所以以铝合金为代表的轻质金属材料 在先进制造领域的应用日益广泛，被大量应用于汽车覆盖件、汽车框架结构、 汽车内门板等汽车零部件的制造之中。但是，铝合金也同时存在着弹性模量比 较低( 仅为钢板的1 3 ) ，断裂延伸率小，均匀塑性变形延伸率低，温度敏感性 比较强，抗疲劳性能差等缺点，因而导致成形过程中存在材料流动难以控制， 板材的应力、应变分布不均匀，回弹量和成形精度难以控制等问题。所以，成 形质量也成了铝合金板材在汽车轻量化过程中应用的主要障碍。 电磁成形以其成形速度快、精度高、不需要传递介质、成形模具简单、成 形能量易于准确控制及试验设备通用性强等优点，可以有效地改善板材的变形 条件，提高其形变能力，从而有效地减少或消除回弹，加快了轻量化进程。因 此对铝合金板材的电磁弯曲和电磁校形的工艺问题研究以及对其进行有限元分 析具有重要的实际应用价值。 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，国内外学者和科研院所相继开展了板材电磁成形的研究。但其研 究成果还不能完全应用于工业生产，主要原因是板材电磁成形中的基础理 论、参数控制、设备制造等一些关键问题还需要进步的研究开发。为了 有效地掌握铝合金板材电磁成形工艺，只能采用试验与有限元分析相结合的 方法。 鉴于此，本文以h a l 0 6 0 铝合金板料为研究对象，利用有限元数值模拟仿真 软件a n s y s 对变曲面线圈进行电路分析及电磁场模拟，分析放电回路的电流和 电磁场、电磁力的大小及分布；利用d y n a f o r m 对变曲面零件在不同工艺参数条 件下的成形过程以及回弹过程进行模拟仿真，揭示板材电磁成形过程中影响回 弹量的主要因素，进而优化工艺参数，对实际的试验和生产提供一定的指导。 具体的研究内容如下： 基于电磁学、电动力学理论为基础建立放电电流的分析求解模型，对放 电过程进行模拟，分析放电回路的电流。 建立变曲面线圈电磁场的分析求解模型，模拟电磁场及电磁力的大小及 分布。 建立弹塑性模型，根据弹塑性有限元分析的基本原理，运用数值模拟仿 真软件d y n a f o r m 对变曲面零件的电磁成形成形过程进行仿真模拟，获得零件电 磁成形后应力一应变分布规律及其形状特点。 分析板材与凹模间距、放电能量、板材厚度等参数对电磁成形后工件成 形质量的影响。 与试验结果进行比较，优化试验参数，以期对实际的试验和生产提供一 定的指导。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 引言 第2 章放电回路有限元分析 板材电磁成形过程中，板材与线圈之间的磁感应强度决定着板材受到 的电磁力的大小。磁感应强度跟成形线圈中的电流、线圈与工件之间的相 对位置等因素有关。所有的电路参数都是通过放电电流来对成形过程产生 作用。因此，对放电电流的计算在电磁成形的理论分析中非常重要，其结 果是否准确直接影响后续计算的优劣。放电电流值主要取决于以下电路参 数：充电电压、线圈的电感、电容器的电容、线圈和工件之间的互感等。 但是在实际成形过程中，工件与线圈之间的互感系数会因为工件的变形而 发生改变；同时，电容器中的电能不仅转化成线圈中的磁场能，还有部分 能量在成形过程中被工件吸收，部分能量又转化成为电场能，回路电阻在 放电过程中吸收部分能量转化为热能【6 4 1 。正是由于这种电学过程和力学过 程之间的相互作用以及理论计算时公式之间参数的相互交织，使得放电回 路的理论计算非常复杂。国内外学者在放电过程的分析中根据电流回路的 级次采用单回路模型【6 5 j 和双回路模型【6 6 】的方法计算电流值，但是放电回路 的理论计算仍未得到根本的解决【67 1 。 2 2 放电回路分析 本文采用单回路模型对放电回路进行计算。单回路模型是将放电过程简化 为一个r l c 回路，其放电回路如图2 1 所示。其中，c 是贮能电容，尺为系统 总电阻，是系统总电感。 ! b l cr 图2 - 1 放电回路电路图 li 现 i c u 武汉理工大学硕士学位论文 根据戴维南定理【6 8 1 可得： 哮+ + 艺l = o( 2 1 ) 初始条件f = o 时， = o ，= 丢如出一= 一砜。由方程( 2 1 ) 可得：