电磁成形技术理论进展

11电磁成形技术理论研究进展内容摘要:摘要：电磁成形是应用广泛高速率成形技术之一，随着电磁成形工艺应用的开展，越来越需要完善的理论研究来指导和检验电磁成形系统及工艺设计、预测工件最终形状。介绍了国内外电磁成形理论研究概况及进展，总结了研究成果和特点，讨论了电磁成形中高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素。最后电磁成形理论研究的开展趋势进行了展望。关键词：电磁成形。摘要：电磁成形是应用广泛高速率成形技术之一，随着电磁成形工艺应用的开展，越来越需要完善的理论研究来指导和检验电磁成形系统及工艺设计、预测工件最终形状。介绍了国内外电磁成形理论研究概况及进展，总结了研究成果和特点，讨论了电磁成形中高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素。最后电磁成形理论研究的开展趋势进行了展望。关键词：电磁成形；理论研究；数值模拟；成形性1．前言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[1]。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[2]，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开展趋势，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[3]。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[4]。为了解决这一问题、进一步推广电磁成形工艺应用，广阔学者对电磁成形技术进行了逐渐深入的理论研究。本文以电磁成形理论研究的开展过程为序，分阶段总结了国内外理论研究的概况及进展，归纳了各阶段理论研究的成果和特点，讨论了高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素，最后展望了电磁成形理论研究的开展趋势。2．理论研究概况电磁成形理论研究得比拟多的是美国、俄罗斯、日本、德国、加拿大和中国等国家。根据内容和方法的不同，可以把电磁成形理论研究分为四个局部：等效RLC回路研究、有限元计算研究、通用软件耦合场数值模拟研究和高速率电磁成形材料成形性研究。上述四局部不是相对孤立的，后面的研究内容通常以前面的研究结果为根底，有时甚至是交叉进行的。2.1等效RLC回路研究等效RLC回路研究就是把电磁成形系统的二次或更高次回路等效为一次RLC回路[5]，由此用一个RLC响应近似表示成形线圈的放电电压和放电电流，从而简化了磁场力和工件变形的研究。磁场力分析实际上是电磁成形系统的电路与磁路分析。放电回路包括电磁成形设备和成形线圈—毛坯构成的感应系统。成形系统参数的相互依赖性是模拟电磁成形过程最大的困难[6]。在放电回路中，毛坯的形状发生变化，放电回路的参数将随之改变，进而使放电电流峰值与频率均不符合由简单的RLC等效电路计算的结果[7]。只有当毛坯变形程度较小时，才可近似采用简单的RLC等效回路进行计算。G.K.Lai和M.J.Hillier[8]应用电动力学对管件电磁胀形进行了研究，结果说明，系统电感随管坯的径向位移增大而增大，而系统电阻那么相反。随时间变化的压力波、电感和电阻如图1所示[8]。

图1放电过程磁压力及系统电参数的时域特性[8]〔a〕磁压力脉冲；〔b〕放电回路电感；〔c〕放电回路电阻但是，实际上工件的成形能量主要是由磁脉冲压力的第一波给予的[4]。因为本身能量降低以及线圈和工件之间的间隙随着工件变形增大而增加，后继的波传递给工件的能量减少，缺乏以使工件产生继续变形。由图1分析可知，虽然工件开始变形以后，系统的电感和电阻都发生了变化，但是，在实际上在第一波的时间内，工件可能只发生了些微的变形，系统电感和电阻的变化主要发生在工件发生大变形之后，因此，在采用RLC等效电路法研究电磁成形磁场、磁场力变化时，在可以忽略端部效应的情况下，系统电参数的变化可以忽略不计，不会影响理论分析和数值计算的精度。1990年，张守彬[9]采用等效电路法分析了管坯胀形的放电过程，并在此根底上研究了脉冲磁场力作用下的刚塑性管坯的变形过程。2.2有限元计算研究近年来，随着计算能力的迅速提高，研究人员已开始用功能强大的算法和计算机来计算复杂的成形过程[10]。有限元方法的引入更促进了电磁成形理论研究的迅速开展。1984年，铃木秀雄[11]等人用有限元方法分析了磁脉冲压力作用下管坯的胀形过程，但该研究不完善，分析结果与实验结果不相符合。Takatsu[12]和Gourdin[13]研究了随材料变形而发生的磁场的演变过程。Gourdin通过胀环实验研究了高应变速率条件下材料的流动应力，Takatsu在此根底上又进一步考虑了磁损失的影响，较准确地模拟了板料电磁成形过程。DongkyunMin[14]通过电磁缩径实验得到了皱形波数和径厚比的关系，并对管壁起皱现象进行了三维非线性弹塑性有限元的分析，使用冲击接触算法分析了芯轴的减皱过程。在分析电磁成形的过程中，人们往往采用等效方法来计算施加于工件上的磁压力[8,11,12,16～18]。而应用此法的前提是认为工件或线圈足够长以至于可以忽略末端的影响，而且假定只有管坯内壁受力，磁压力在轴向上分布均匀。SungHoLee[2]在文献[18]的根底上，通过向麦克斯韦方程组中引入矢量磁位，把线圈和工件包含到计算中。然后进行了动态变形的有限元分析，精度有一定程度的提高。而文献[19,20]通过解析推导，克服了上述等效法的缺点，建立了考虑管件端部效应的磁压力公式，反映了纵坐标对磁压力分布的影响。但是，该方法仍然忽略了轴向磁场力的影响，并且当线圈长度大于管件时，该公式就不再适用。张守彬[21]在时域上对文献[16]的公式进行了改良，引入了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。SungHoLee[22]在文献[2]的根底上研究管坯胀形时的几何参数及工件抗力对磁压力的影响，通过有限元分析得到管坯胀形时轴向磁压力更实际的分布。文献[6,23,24]通过向麦克斯韦方程组中引入速度项来表达工件变形对磁场的影响，但是没有合理地说明初始边界值问题，并且这种方法只是针对管件电磁胀形而言的。文献[25,26]在模拟中引入一种“宏单元〞来计算线圈和工件之间的胀形间隙的变化。同样，这种方法也只限于管件电磁胀形的情形。AliMeriChed[27]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。在上述电磁成形求解过程中，电磁场和结构场多是分开求解的，很难适应复杂成形系统设计、准确预测复杂工件最终形状的需要。因此，AnterEl-Azab、MarkGarnich和AshishKapoor[3]通过分析电磁成形过程中电磁场、温度场和结构场之间复杂的耦合关系，建立了能够描述这种耦合关系的数学框架。但是，到目前为止，还没有找到适宜的数值算法来解决这一问题。在国内，赵志衡[28～30]应用有限元法研究了管坯电磁胀形的磁场、磁场力分布。研究发现在整个管壁上均有胀形磁场力，并沿管坯壁厚由内向外衰减分布；管坯同时受到径向压力和轴向压力作用。管坯—线圈系统受力及管坯壁厚方向上受力如图2、3所示。磁场力分布的这一特点与其它自由胀形工艺很不同，对于加深电磁成形变形机理的认识是非常重要的。为了更清楚地认识各种工艺中磁场力的分布，文献[31～35]采用有限元法分别研究了管坯电磁缩径、管坯有模成形、平板胀形的磁场力分布规律。舒行军[36]基于ANSYS的电路分析模块求解了电磁成形放电电流，求解结果作为电磁场分析的边界条件，得到了与真实值相近的仿真结果。图2管坯—线圈系统受力图刘

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