（机械设计及理论专业论文）平板件电磁成形的质量保证技术的研究.pdf

摘要 电磁成形是金属在强脉冲磁场中受力而发生塑性变形的一种高能高速的成 形方法。其优点如下：成形时没有物理接触，可以在成形或装配操作前进行工 件的抛光或研磨；成形过程中没有静态力，可以采用相对较轻的结构支撑模具； 电磁脉冲载荷时间可以达到微秒的精度，强度可以电力控制达到很高的精度； 成形过程不产生摩擦，不需要润滑剂，操作之后不需清理工件；成形速率高导 致材料成形性的提高，对铝合金等强度高、成形性差的材料成形变得非常有利。 采用电磁成形工艺进行铝合金件的成形，由其代替钢材用于汽车车体结构 和其他零件的成形，可使汽车减重达3 0 ，进而减少燃油消耗和温室气体c o ：及 其他有害气体的排放。因而电磁成形工艺应用于汽车领域是其重要的发展前景。 本文的主要研究工作有：在对国内外发展状况进行调研的基础上，将平板 件的电磁成形作为研究对象，采用理论分析、实验研究、有限元仿真等方法， 探索影响成形质量的主要工艺因素，如脉冲电流频率，成形电压，模具，板料 厚度等对成形的影响，获得进行平板件电磁成形工艺设计所需的成形线圈、成 形设备电路参数、成形电压、模具等的设计方法，对于保证成形件的质量，推 动其工业化应用具有重要的意义。将其应用于复合成形工艺( 普通冲压成形+ 电 磁成形) ，将使汽车车身铝合金件的复合成形成为非常有前途的新的工艺方法。 本文从密绕导线平板线圈的磁感应强度分布入手，分析了平板件上的电磁 力分布特点，并在此基础上提出了在平板件电磁成形时存在一个线圈的最小尺 寸的概念，此时工件边缘处所受磁压强恰好为0 。若线圈尺寸小于该尺寸，则工 件边缘处所受磁压强垂直向上，不利于工件的变形。并分别用二分法和复合形 法进行圆形线圈和椭圆线圈最小尺寸的计算。采用盒形模具和小孔模具，分别 用圆形线圈和椭圆线圈进行板料的成形，得出了两种线圈的适用情况：对于长 形工件，采用椭圆线圈要优于圆形线圈：对中心部位变形要求较高的工件，应 尽可能采用圆形线圈。这对于电磁成形工艺设计时选择线圈形状、确定线圈尺 寸具有一定的指导意义。 本文详细讨论和阐述了平板件电磁自由成形及有模成形实验，根据实验结 果分析了成形电压、模具、板料厚度等对变形的影响，初步得出了电磁成形时 平板件的变形响应规律：对于自由成形，加载时间内板料的变形很小，大部分 变形发生在加载结束后的惯性阶段；对于有模成形，板料与模具底部高速撞击 后将产生反向运动，其结果是工件的底部形状可能为平的，也可能为内凹的。 通过对实验结果的统计分析，得出了工件最大变形高度与成形电压之间为 线性关系的结论，并且提出可以用二次多项式曲线来逼近工件的变形曲线。因 此可以实现根据所需的工件最大变形高度来确定成形电压，并预知工件的近似 变形曲线。 从趋肤效应的角度出发，分析了最大变形高度与板料厚度的关系，得出在 其他条件相同的情况下，板料厚度等于趋肤深度时，设备能量利用率最高，工 件变形高度最大的结论。并分析了可以通过改变线圈导线的材料、规格、线圈 的匝数、匝间距等来获得最高的设备能量利用率。这对于电磁成形工艺设计时 线圈的设计有一定的指导意义。 本文在若干合理简化的基础上用a n s y s l s d a n a 对电磁成形过程进行了有 限元仿真，利用仿真结果分析了板料自由成形、有模成形时的变形模式，分析 了脉冲电流频率对平板件电磁成形的影响：自由成形时，随脉冲电流频率的减 小，工件的最大变形高度先是增大，然后减小，当脉冲电流频率减小到一定程 度时，工件的最终变形程度差别不大；有模成形时，在凹模深度相同的情况下， 脉冲电流频率越大，工件的反向变形程度越大，随脉冲电流频率的减小，工件 底部的贴模情况逐渐变好，直至没有反向变形，工件底部为平的，而且当脉冲 电流频率减小到一定程度时，工件的变形曲线趋于相同。文中还分析了载荷幅 值对平板件电磁成形的影响：载荷幅值对板料的变形过程没有影响，但是会影 响工件的最终变形程度。在其他条件相同的情况下，对于自由成形，载荷幅值 越大，工件的变形程度越大；对于有模成形，加载时间较短时，载荷越大，工 件的反向变形程度越大；加载时间中等时，工件底部内凹，载荷幅值越小，内 凹程度越大，载荷幅值越大，工件侧壁靠模程度越高；加载时间较长时，工件 底部近似为平的，载荷幅值越大，工件侧壁靠模程度越高。这对于电磁成形工 艺设计时选择最佳的脉冲电流频率、载荷幅值以获得所需的变形曲线具有重要 的意义。 关键词电磁成形：成形线圈；趋肤效应；有限元：脉冲电流频率 i i a b s t r a c t e 1 e c t r o m a g n e t i cf e r m i n gi s an e wk i n do ff o r m i n gm e t h o dw i t hh i g h e n e r g ya n dh i g hf o r m i n gv e l o c i t y ，b yw h i c ht h em e t a l i sl o a d e du n d e r s t r o n gi m p u l s em a g n e t i cf i e l da n dd e f o r m e dp l a s t i c a l l y t h ea d v a n t a g e s o ft h em e t h o da r ea sf o l l o w s t h e r ei sn op h y s i c a lc o n t a c td u r i n gf e r m i n g p r o c e s s ，s ot h ew o r k p i e c ec a nb ep o l i s h e do rg r i n d e db e f o r ef o r m i n go r a s s e m b l i n g t h e r e i sn os t a t i cf o r c ee x e r t e dd u r i n gf e r m i n g ，s o r e l a t i v e l yl i g h tf r a m es t r u c t u r ec a nb eu s e df o rd i es u p p o r t i n g m a g n e t i c i m p u l s ep r e s s u r e t i m ec a nb ei nt h eo r d e ro fm i c r o s e c o n d ，a n dt h e i n t e n s i t y o fe l e c t r o m a g n e t i ci m p u l s ep r e s s u r e c a nb ec o n t r o l l e d e l e c t r i c a l l yt ov e r yh i g hp r e c i s i o n t h e r ei sn of r i c t i o nd u r i n gf o r m i n g ， s ol u b r i c a n ti sn o tn e c e s s a r y ，a n dc l e a n i n go fw e t k p i e c ea f t e ro p e r a t i o n isa l s on o tn e c e s s a r y m a t e r i a lw i t hh i g hs t r e n g t ha n db a df o r m a b i l i t y ， s u c ha sa l u m i n u ma l l o yc a nb eu s e ds i n e em a t e r i a l sf o r m a b i i i t yc a nb e i n c r e a s e du n d e rh i g hf o r m i n gv e i o c it y f o r m i n gs h e e tm e t a lo fa l u m i n u ma l l o yu s i n ge l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g m e t h o d ，a n ds u b s t i t u t i n gi tf o rs t e e lt ou s ef o rb o d ys t r u c t u r ea n do t h e r p a r t so fa u t o m o b i l e ，c a nd e c r e a s et h ew e i g h to ft h ea u t o m o b i l e3 0p e r c e n t i t i nt u r n ，c a nd e c r e a s et h eo i la s s u m p t i o na n de x h a u s t s i tw ii l b e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o re 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 st oa p p l yi n a u t o m o h il ef i e l d t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a sf o l l o w s b a s e do n i n v e s t i g a t i o no ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ea r e ai nc h i n aa n do v e r s e a c o u n t r i e s ，e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n go fs h e e tm e t a lw a ss e l e c t e da sm a i n r e s e a r c hw o r k t h e o r ya n a l y s i s ，e x p e r i m e n tr e s e a r c ha n df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ep r o c e s sf a c t o r sw i t hs t r o n g a f f e c tt ot h ef o r m i n gq u a li c y ，s u c ha si m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c y ，f o r m i n g v o l t a g e ，m o u l dd e s i g n ，s h e e tt h i c k n e s s ，a n ds oo n t h e r e f o r et h ed e s i g n m e t h o d so ff o r m i n gc o i l ，c i r c u i tp a r a m e t e r so ff o r m i n ge q u i p m e n t ，f o r m i n g v o l t a g e a n dt h em o u l d ，w h i c ha r en e c e s s a r yf o rt h e e l e c t r o m a g n e t i c f e r m i n gp r o c e s sd e s i g n ，w e r ea c q u i r e d i ti si m p o r t a n tf o 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ee d g eo ft h es h e e tw a sz e r o i fc o i l s i z ei ss m a l1 e rt h a nt h em i n i m u ms i z e t h ed i r e c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c p r e s s u r ea tt h ee d g e o ft h es h e e tw i1 1b eu p w a r d ，a n diti sd is a d v a n t a g e o u s t ot h ed e f o r m a t i o no ft h es h e e t t h ed i c h o t o m ym e t h o da n dc o m p l e xm e t h o d w e r eu s e df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h em i n i m u ms i z eo fc i r c u l a rc o i la n d e l l i p t i cc o l l u s i n gb o xd i ea n dh o l ed i e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t o s h e e tf o r m i n gw i t hc i r c u l a rc o i la n de l l i p t i cc o i lw e r ec a r r i e do u t ，a n d t h es u i t a b l ec a s e so ft h ea p p l i c a t i o no ft h et w ok i n d s o f c o i lw e r e a c q u i r e d f o r t h el o n gw o r k p i e c e 。e l l i p t i cc o i li sm o r es u i t a b l et h a n c i r c u l a rc o 订f o rt h ew o r k p i e c et h a th a sm u c hd e m a n df o rt h ed e f o r m a t i o n o fi t sc e n t e ra r e a ，c i r c u l a rc o l ls h o u l db es e l e c t e d a 1 1o ft h e s ea r e i m p o r t a n t f o rc o l l s h a p e s e l e c t i o na n dc o l ls i z ec a l c u l a t i o nd u r i n g 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 sd e s i g n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，s h e e tm e t a le l e c t r o m a g n e t i cf r e ef o r m i n ga n d d i e f o r m i n ge x p e r i m e n t s w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n db a s e do nt h e e x p e r i m e n t s ，t h ea f f e c t o ff o r m i n gv o l t a g e ，d i es t r u c t u r e ，a n ds h e e t t h i c k n e s st od e f o r m a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dt h ed e f o r m a t i o np r o c e s so f s h e e tm e t a le l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gw a sp r e l i m i n a r i l ya c q u i r e d f o rf r e e f o r m i n g ，d e f o r m a t i o nd u r i n gl o a d i n g t i m ei ss m a ll ，a n dm o s to ft h e d e f o r m a t i o nh a p p e n sd u r i n gt h ei n e r t i as t a g e f o rd i ef e r m i n g ，t h es h e e t m o v e st o w a r dt h eo p p o s i t ed i r e c t i o na f t e ri t si m p a c tw i t ht h eb o t t o mo f t h ed i ec a v i t y ，a n di tr e s u l t si nf l a tw o r k p i e c eb o t t o mo rc o n c a v e w o r k p i e c eb o t t o m b yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h el i n e a r r e l a t i o nb e t w e e nt h em a x i m u md e f o r m a t i o nh e i g h to ft h ew o r k p i e e ea n d f o r m i n gv o l t a g ew a sa c q u i r e d ，a n d i tw a sp r o p o s e dt h a tat w oo r d e r p o l y n o m i a lc u r v ec o u l db eu s e dt o s i m u l a t et h ew o r k p i e c e sd e f o r m a t i o n c u r v e s ot h ef o r m i n gv o l t a g ec a nb ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h en e e d e d m a x i m u md e f o r m a t i o n h e i g h t o ft h e w o r k p i e c e ，a n d t h e a p p r o x i m a t e d e f o r m a t i o nc u r v eo ft h ew o r k p i e c ec a nb ep r e d i c t e d b a s e do ns k i ne f f e c tp r i n c i p l e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em a x i m u m d e f o r m a t i o nh e i g h to ft h ew o r k p i e c ea n ds h e e tt h i c k n e s sw a sa n a l y z e d ， a n di tw a sa c q u i r e dt h a ti nt h ec a s eo fa l lt h eo t h e rf o r m i n gc o n d i t i o n s w e r et h es a m e ，t h ee q u i p m e n te n e r g yu t i l i t ye f f i c i e n c ya n dd e f o r m a t i o n i v h e i g h to ft h ew o r k p i e c ew e r eb o t hm a x i m u mw h e nt h es h e e t t h i c k n e s sw a s e q u a l t os k i nd e p t h a n djtw a sa l s oa n a l y z e dt h a tt h em a x i m u me q u i p m e n t e n e r g yu t i l i t ye f f i c i e n c y c o u l db ea c q u i r e db ym o d i f i c a t i o no fc o i l c o n d u c t o rm a t e r i a l ，s i z e ，w i n d i n g s ，a n dw i n d i n gs p a c e i t i si m p o r t a n t f o rt h ec o i ld e s i g nd u r i n ge 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 sd e s i g n b a s e do ns o m er e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n s ，a n s y s l s d a n aw a su s e df o r t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fs h e e tm e t a le l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g b y t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ，t h e d e f o r m a t i o nm o d e so f e l e c t r o m a g n e t i c f r e ef o r m i n ga n dd i ef o r m i n gw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e a f f e c to fi m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c yt of o r m i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d f o r f r e ef o r m i n g ，a st h ei m p u ls ec u r r e n tf r e q u e n c yd e c r e a s e s ，t h em a x i m u m d e f o r m a t i o nh e i g h to ft h ew o r k p i e c ei n c r e a s e sf i r s t ，t h e nd e c r e a s e s ，a n d w h e nt h ei m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c yd e c r e a s e st os o m ee x t e n t ，d e f o r m a t i o n o ft h ew o r k p i e c ea r ea l m o s tt h es a m e f o rd i ef o r m i n g ，i nt h ec a s et h a t t h ed e p t ho ft h ed i ec a v i t yist h es a m e ，o p p o s i t ed e f o r m a t i o no ft h e w o r k p i e c e i n c r e a s e sa st h e i m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c yi n c r e a s e s ，t h e b o t t o mo ft h ew o r k p i e c eb e c o m e sf l a tg r a d u a l l ya st h ei m p u l s ec u r r e n t f r e q u e n c yd e c r e a s e s ，a n dt h ed e f o r m a t i o nc u r v e st e n d t ot h es a m ew h e n t h ei m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c yd e c r e a s e st os o m ee x t e n t t h ea f f e c to f p r e s s u r ea m p l ir u d et of o r m i n gp r o c e s s w a sa ls o a n a l y z e d p r e s s u r e a m p l i t u d eh a sn oa f f e c tt od e f o r m a t i o np r o c e s s ，b u ti tw i l la f f e c tf i h a l d e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c e i nt h ec a s eo fa 1 1o t h e rc o n d i t i o n sa r e t h es a m e ，f o rf r e ef o r m i n g ，d e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c ei n c r e a s e sa s t h ep r e s s u r ea m p l i t u d ei n c r e a s e s f o rd i ef o r m i n g ，w h e nt h el o a d i n gt i m e i ss h o r t t h eo p p o s i t ed e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c ei n c r e a s e sa st h e p r e s s u r ea m p l i t u d ei n c r e a s e s w h e nl o a d i n gt i m ei sm e d i u m ，t h ew o r k p i e c e h a sc o n c a v eb o t t o m ，a n dt h ec o n c a v ee x t e n ti n c r e a s e sa st h ep r e s s u r e a m p l ir u d ed e c r e a s e s t h ec l o s e re x t e n to ft h es i d eo ft h ew o r k p i e c et o t h es i d eo ft h ed i ec a r i t yi n e r e a s e sa st h ep r e s s u r ea m p l i t u d ei n c r e a s e s w h e nl o a d i n gt i m ei sl o n g ，t h ew o r k p i e c eh a sf l a tb o t t o m ，a n dt h ec l o s e r e x t e n to ft h es i d eo ft h ew o r k p i e c et ot h es i d eo ft h ed i ec a v i t yi n c r e a s e s a st h ep r e s s u r ea m p lit u d ei n c r e a s e s i ti s i m p o r t a n tf o rt h es e l e c t i o n o ft h eb e s t i m p u l s e c u r r e n t f r e q u e n c y a n d p r e s s u r ea m p l i t u d e i n 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 sd e s i g nt oa c q u i r et h en e e d e dd e f o r m a t i o n c u r v e k e yw o r d se l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ：f o r m i n gc o l l ：s k i ne f f e c t f i n i t ee l e m e n t ：i m p u l s ec u r r e n tf r e q u e n c y v 物理量名称及符号表 a 一线圈的长轴半径； b 一线圈的短轴半径； i b ，i 一任一椭圆形线电流在空间点 激发的磁感应强度的径向分 量： j b ：l 一任一椭圆形线电流在空间点 激发的磁感应强度的轴向分 量； i b h r l 一线圈平面上所有椭圆形线 电流在空间点激发的磁感应 强度的径向分量： b h z i 一线圈平面上所有椭圆形线 电流在空间点激发的磁感应 强度的轴向分量； 旧一一整个线圈在空间点激发的 磁感应强度的径向分量； 旧一一整个线圈在空间点激发的 磁感应强度的轴向分量： c 成形设备储能电容器的电容； e 电场强度： e 一材料的杨氏模量： ，一流过线圈的脉冲电流； n 一材料的硬化参数： m 线圈沿高度方向离散为m 个 线圈平面： l 一线圈平面上的每匝线圈等效 为m 个椭圆形线电流； 一一毛坯上任一点处的磁压强； r 。一线圈中一1 5 , 空腔部分在长轴方 向的尺寸； r o 。一线圈中心空腔部分在短轴方 向的尺寸； s 一线圈匝间距； t 一线圈导线宽度； u 一成型设备充电电压； 一成形设备能量； 纾，m 。一设备能量中消耗于毛坯的弹 性和塑性变形的机械能； 一一毛坯材料的电导率； 一。一材料的屈服应力； 口一有效作用系数； 占一趋肤深度； 掣一材料的泊松比； 一。一真空导磁率； m 一脉冲电流的频率； p 一材料的密度； r 。一材料的剪切模量： 第1 章绪论 1 1 课题背景 电磁成形是利用金属在强脉冲磁场中受力而发生塑性变形的一种高能率高 速的成形方法。由于金属是在脉冲磁场中受力变形的，故也称为磁脉冲成形。 电磁成形是国外在2 0 世纪6 0 年代初发展起来的一种金属板材加工新工艺， 自第一台电磁成形设备出现以来，电磁成形工艺在美、苏、日、西欧等发达国 家的航空、宇航和汽车等工业部门得到了相当广泛的应用。1 9 8 0 年美国已有4 0 0 多台电磁成形机用于工业生产，苏联有2 0 台，美、苏两国的电磁成形设备均已 系列化生产。 经过几十年的发展，电磁成形无论是在理论研究方面，还是在应用方面都 取得了重大进展。在理论研究方面，对放电过程、磁场分布、毛坯在脉冲磁场 力作用下的变形过程进行了较深入的研究；对高成形速率导致材料成形性的大 幅度增加进行了研究，并且将这一现象称之为“高塑性( h y p e r p l a s t i c i t y ) ”。 在应用方面，电磁成形工艺已能直接或借助于弹性传压介质实现零件的成形、 装配、冲裁、精压和焊接等工序，在很多情况下还可借助磁束集中器来实现成 形工艺，磁束集中器的使用进一步扩大了电磁成形工艺的应用范围。电磁成形 能够加工的零件尺寸可达1 2 0 0 m m ( 直径) 1 0 0 0 m m ( 长度) 6 m m ( 厚度) 。 目前电磁成形正被研究用于汽车铝合金件的成形。电磁成形是脉冲电磁力 作用下的高能率高速的成形方法，由于材料成形速率高导致材料成形性的提高， 这对于铝合金等强度高、成形性差的材料成形变得非常有利，而且铝合金的导 电性好，非常适于电磁成形。由铝合金代替钢材用于汽车车体结构和其他零件 的成形，可使汽车重量减少3 0 ，进而减少燃油消耗和温室气体c o 。及其它有害 气体的排放。因而在欧盟第五框架里由国外几大汽车厂商、研究所及我国的北 京机电研究所共同进行电磁成形应用于汽车领域的研究。 电磁成形的理论研究涉及到电学、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 究变得非常复杂，因此在电磁成形领域仍有很多理论问题有待于进一步研究解 决。尤其是平板件的电磁成形，由于成形线圈产生的磁感应强度的复杂性，毛 坯所受脉冲电磁力的复杂性，使平板毛坯电磁成形的理论研究变得非常复杂。 我国的电磁成形工艺目前还没有实现工业化应用，因而研究电磁成形的理 论、工艺实现及应用，对进一步完善电磁成形理论，促进电磁成形的工业化应 用具有重要的意义。 1 2 电磁成形技术概况 1 2 1 电磁成形技术的起源 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g e m f ) 是2 0 世纪6 0 年代初在美国 动力学研究中心的原子能实验室，作为与电液成形( e l e c t r o h y d r a u l i cf o r m i n g e h f ) 非常类似的一项技术得到发展的“1 。 当带电导体放置在变化的电磁场的某一特定方向或放置在靠近另一个带电 导体的位置时，有作用力施加在带电导体上，这一现象早已为人所知。实际上， 这是电动机的原理。2 0 世纪2 0 年代有人试图使用这种作用力以使金属受力超过 它们的屈服强度进而产生永久变形。然而，为了产生超过工业用金属屈服强度 的力或电磁压力，需要几十万安培的电流和几十万高斯的电磁场。为了产生如 此高的电流和电磁场，当时的试验者试图使用短电路、大转角的发电机，他们 希望旋转的发电机的动能能够用于产生所需的高电流。这个尝试由于各种技术 问题失败了。此后试验中断了4 0 多年。 2 0 世纪6 0 年代初，位于圣地亚哥的原子能实验室在进行核聚变研究时，遇 到了由于带电导体之间的作用力而引起材料断裂的情况。核聚变所需的极高的 温度是用高强度的电磁场压缩电离的气体产生的。产生高强度的电磁场所需的 电流是由许多并联的电容器向低电感线圈放电产生的，并联的铜母线用于将电 容器电流传递给线圈，电流幅值可达几十万到一百万安培，因而铜母线系统的 两个平行的导体板之间的作用力超过了导体材料的屈服极限，使导体鼓起。电 流以及由电流产生的力的幅值对研究者来说是个问题。 于是有人想到控制这些不希望得到的力用于从事有用的工作。母线系统被 转换成一个线圈，工件放置在其中并承受电磁脉冲载荷，脉冲载荷使工件变形。 尽管第一个试验装置很简单，但随后的试验结果却极大地鼓励着人们继续从事 该项工艺和设备的发展。 1 9 6 2 年b r o w e r 和h a r v e y 申请了专利并注册了名为“m a g n e f o r m ”的设备。 这标志着电磁成形技术的诞生。 在随后的几年里，在电磁成形的基本工艺方面进行了更广泛的正式研究。 l a l 和h 儿l i e r o 。“，f l u e r a s u “川，以及e p e c h u r i n “3 说明了影响工件变形率的 因素；b a r b a r o v i c h ”1 ，d e h o f f 。1 以及b r o n 和s e g a l 。1 考虑了通过成形线圈的绕 组而泄漏并渗透到工件内部的电磁场分布；b e l y i 等“”则在计算圆柱工件的精 确变形时考虑了电磁现象和机械现象的互相依赖。 当电磁成形工艺及m a g n e f o p & t 设备在2 0 世纪6 0 年初引入到工业界时，除 了直接参与该技术发展的人员以外，几乎没有人知道电磁成形是什么。但仅仅 过了十几年，世界各地就有1 5 0 多制造厂在使用m a g n e f o r m 设备，其总数已达 4 0 0 多台，大多数工厂使用m a g n e f o r m 设备用于大批量生产，其中一些设备已 经运转了5 0 0 万的工作周期。由此可见电磁成形工艺及其设备的发展速度。 1 2 2 电磁成形技术原理 管类件的电磁成形原理如图卜1 所示。当高压开关闭合后，储能电容器对加 工线圈放电，在加工线圈中产生一个脉冲电流，并在加工线圈周围形成脉冲磁 场。当加工线圈内放入金属导体( 也即管状工件) 时，加工线圈产生的脉冲磁 场使金属导体内部产生感应电流，感应电流形成的磁场阻止磁力线从导体中穿 过，迫使磁力线集中于加工线圈和导体之间的间隙中，金属导体因而受到一个 脉冲磁场力的作用，若该力足够大，超过金属导体的屈服极限，金属导体即发 生变形。 图i - i 电磁成形原理图”“ f i g u r e1 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g 图1 2 示出了平板件电磁成形的几个例子。 图1 2 平板件电磁成形1 f i g u r el 一2s h e e tm e t a le l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g 1 2 3 电磁成形工艺的基本性质 电磁成形( e m f ) 与电液成形( e h f ) 作为能够产生高能率、短时脉冲( 在 大多数电磁成形应用中，脉冲持续时间在l o 到1 0 0us ) 的方法，都可以看作是 开始于5 0 年代的线爆炸成形的产物。在e m f 和e h f 中，金属变形发生在能量脉 冲产生的动能驱动金属向与其相配合的固定零件或模具运动的过程中。 两种技术具有互补的优越性。e m f 适于高导电率，塑性较好( 与e h f 比较) 的金属，而e h f 更适于低导电率的高反射金属；采用e m f 进行自动装配很容易， 这打开了一个可行的、尽管目前还没有太多增长的用于汽车零件等大批量产品 生产的市场，与其它的高能率金属成形相比，电磁成形能够为自动化生产提供 一个更广泛的选择范围“，而e h f 则被限制于较小的航空零件市场，用于奇特 的、只能由e h f 完成的加工步骤：它们都可以提供优秀的模具形状的再现品， 因此它们的产品可以应用于高精度的装配中，而传统的冲压产品是不适用的。 由上可知，对于具有相对较高的导电率的材料，如铜、铝、低碳钢和黄铜 等，电磁成形能达到很好的效果，而且为了获得好的效果，材料的电阻率最好 低于1 5 1 0 1 0 h m c m 。而对于低导电率的材料，如不锈钢，则需要使用高导电率 的驱动介质，如铝板，或使用特别制造的高频成形设备。 除了工件材料应具有较高的导电率以外，工件还必须具有连续的电流路径。 例如，管状工件的电漩： ； 圆周方向波动，如果沿长度方向将其切开，如图l 一3 a 所示，则会影响到电流流动，使成澎力扭曲：图i 一3 b 示出了含有孔的管状工件， 运撵激小数不蕊鄹不会严霾彰酾舞窀流流动，在许多情况下楚可激接受的；图 l 一3 c 所示警馋寒蠛瓣长搪会澎响到电滚浚动并在王 孛土产生不稳匀翁艇力。 心淹 潞 8 ) 辘禽臻翟b ) 管幸掌主的魏滴c ) 管件束端琵稽 a ) c h ta l o n gt h el e n g t h b ) h o t e so nt h et u b ee ) s l o t si nt h ee n do ft h et u b e 圈卜3 电磁成彤工件 f i g u r