大尺寸鋁合金板件電磁成形設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、節(jié)能、環(huán)保與安全是當(dāng)今航空航天、汽車等領(lǐng)域的重要主題，而采用輕量化材料和技術(shù)可顯著提高航空航天運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)性能和承載能力，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。其中，鋁合金作為一種常見(jiàn)且易回收的輕量化材料，被公認(rèn)是汽車輕量化的理想材料。但傳統(tǒng)的加工工藝在加工大尺寸鋁合金板件時(shí)并不理想。隨著零件日趨大型化、整體化和高性能化，現(xiàn)有的加工技術(shù)難以適應(yīng)這一發(fā)展需要。而電磁成形技術(shù)則是突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的最有潛力的方法之一。
　　電磁成形（Electro

2、magnetic forming，EMF）是利用洛倫茲力使金屬材料快速變形的一類高速率加工方法，具有高應(yīng)變率、非接觸等特點(diǎn)，可以顯著提高材料的成形極限，有效減少零件回彈，并抑制材料起皺。此外，電磁成形還具有單次加工成本低廉、成形過(guò)程無(wú)生態(tài)污染等特點(diǎn)，屬于綠色制造。電磁成形技術(shù)的發(fā)展將是現(xiàn)有鋁合金成形技術(shù)的重要補(bǔ)充，是突破大尺寸鋁合金板件制造的新途徑，是實(shí)現(xiàn)輕量化制造的有效手段。然而，傳統(tǒng)電磁成形工藝由于存在電源能量低、磁場(chǎng)強(qiáng)度低、線圈強(qiáng)

3、度不高、成形手段單一等缺點(diǎn)，其應(yīng)用局限于小型構(gòu)件的成形制造，無(wú)法滿足大尺寸鋁合金板件的成形需求。針對(duì)這一難題，本文擬重點(diǎn)開展大尺寸鋁合金板件的成形力場(chǎng)設(shè)計(jì)、成形系統(tǒng)的研制及成形行為研究，力圖突破現(xiàn)有電磁成形的技術(shù)瓶頸，提升電磁成形加工能力，實(shí)現(xiàn)大尺寸鋁合金板件的有效成形。具體研究?jī)?nèi)容為：
　　電磁成形數(shù)值研究方面，在充分考慮工件位移、速度和變形對(duì)工件運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響的基礎(chǔ)上，建立了電磁成形過(guò)程中涉及的電路、磁場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合有限元

4、模型，并基于多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)高速塑性變形過(guò)程中工件渦流、電磁力、速度及位移等關(guān)鍵物理量的變化特性進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析。與現(xiàn)有的松散耦合和順序耦合方法相比，該方法通過(guò)在電路方程和 Maxwell方程組中引入隨位移變化的電感變量和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，真正意義上實(shí)現(xiàn)電磁成形過(guò)程中電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的全耦合，提高了高速、大變形過(guò)程中的求解精度，為文中成形力場(chǎng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有效手段。
　　電磁成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)和

5、研制方面，為突破現(xiàn)有電磁成形工藝的能力瓶頸，在電磁成形電源、成形線圈、成形力場(chǎng)的產(chǎn)生和調(diào)控方法三個(gè)方面展開了研究：（1）成形電源方面，通過(guò)采用模塊化脈沖電容器電源技術(shù)，將電磁成形電源容量從50 kJ提升到了幾個(gè)MJ；通過(guò)采用高功率晶閘管閥組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電過(guò)程的精確控制；通過(guò)引入續(xù)流回路，改善了成形過(guò)程中的放電電流波形。（2）成形線圈方面，通過(guò)引入層間加固技術(shù)，采用高強(qiáng)度纖維分擔(dān)線圈內(nèi)部導(dǎo)體的應(yīng)力，極大的增強(qiáng)了線圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并進(jìn)而提高了線

6、圈的成形能力。同時(shí)，通過(guò)對(duì)繞線式和切割式兩種工藝的改進(jìn)，解決了大尺寸成形線圈難以加工的難題。（3）成形力場(chǎng)的產(chǎn)生與調(diào)控方面，通過(guò)引入多線圈多電源時(shí)序控制，在時(shí)間和空間上形成了更靈活的力場(chǎng)分布。
　　電磁成形實(shí)驗(yàn)方面，針對(duì)大尺寸鋁合金板件提出了分步電磁成形方案，通過(guò)在多次成形工序中逐步降低線圈與工件間距來(lái)增大和改善工件電磁力分布，進(jìn)而提高成形效率。在此基礎(chǔ)上，研制了小型高強(qiáng)度成形線圈，對(duì)直徑440 mm的1060鋁合金板件進(jìn)行了電磁

7、整體成形實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)獲得的工件貼模誤差不超過(guò)1％，充分驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。進(jìn)一步，針對(duì)目前大尺寸構(gòu)件成形受壓力機(jī)臺(tái)面尺寸限制這一難題，提出了電磁壓邊、慣性約束方案來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)壓力機(jī)式電磁成形。為了驗(yàn)證該方案及樣機(jī)的有效性，研制了電磁壓邊-成形一體化樣機(jī)，初步完成了直徑1380mm的5系鋁合金板件的電磁整體成形，最大成形高度達(dá)160 mm，是目前有報(bào)道或文獻(xiàn)可查的最大的電磁成形件，充分證明了電磁成形工藝在成形大尺寸鋁合金板件上的巨