脈沖強磁場成形制造技術研究.pdf

1、輕量化是航空航天、汽車等領域提高運載器件承載極限能力、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑,采用輕合金材料是實現(xiàn)輕量化的主要途徑之一。然而,輕合金板在室溫下成形塑性較低,采用傳統(tǒng)的加工工藝進行加工效果并不理想。電磁成形技術是一種高速率成形方法,能大幅改善金屬成形性能,有望成為替代傳統(tǒng)加工技術加工輕合金材料的新興技術。然而,傳統(tǒng)電磁成形驅動線圈強度差,產(chǎn)生的工件電磁力有限。為此,本論文將脈沖強磁場技術應用于電磁成形,能提高驅動線圈磁場強度和機械強度,發(fā)

2、展為脈沖強磁場成形制造技術。圍繞脈沖強磁場成形技術,開展了工件電磁力、運動工件的電磁感應過程、動態(tài)電磁結構耦合、系統(tǒng)優(yōu)化及成形實驗等方面的基礎理論和實驗研究。
　　工件電磁力是工件變形的載荷,其大小分布直接影響到工件的變形行為及成形效果。研究表明,工件受到的電磁力由兩個分量合成:驅動線圈對工件的電磁力和工件對其自身的電磁力,并由此修改了脈沖強磁場成形平均電磁壓強估算公式。
　　脈沖強磁場成形過程中,主電路變化的電流產(chǎn)生的感生

3、電動勢及工件運動切割磁力線產(chǎn)生的動生電動勢共同決定了運動工件中的渦流分布,進而影響到工件的電磁力和成形速度。論文首先分析了動生電動勢對脈沖強磁場成形系統(tǒng)的影響,指出正是因為動生電動勢,才實現(xiàn)了脈沖強磁場成形過程中電能與動能的相互轉換。然后以平面螺旋線圈驅動工件的加速過程為物理原型,重點研究工件位移和動生電動勢對成形速度的影響。當成形速度較小(小于100m/s)時,工件位移對成形速度幾乎沒有任何影響,動生電動勢占主導作用;當成形速度較大(

4、大于200m/s)時,工件位移與動生電動勢同時影響成形速度。研究表明,分析脈沖強磁場成形過程時,必須考慮動生電動勢對成形速度的影響。
　　論文在系統(tǒng)介紹脈沖強磁場成形電磁結構耦合物理過程的基礎上,分別采用松散耦合法和順序耦合法兩種電磁結構有限元模型,分析了管件及板材脈沖強磁場成形的變形行為。板材脈沖強磁場成形時,因工件約束不對稱和電磁力分布不均勻,板材自由成形貼模性差。為此,提出了脈沖強磁場驅動成形技術,詳盡地闡明了脈沖強磁場驅動

5、成形的優(yōu)勢。實驗表明,脈沖強磁場驅動成形能有效提高脈沖強磁場成形效率,解決貼模性差的問題,是一項具有發(fā)展?jié)摿Φ某尚渭夹g。
　　基于以上理論分析,論文提出了一套脈沖強磁場成形系統(tǒng)優(yōu)化方案,優(yōu)化設計了驅動線圈的幾何尺寸、脈沖強磁場成形系統(tǒng)放電脈寬及驅動線圈強度等。設計中,兼顧了工件獲得的電磁力與線圈本身的強度兩個方面,引入了線圈能力系數(shù),優(yōu)化了脈沖強磁場成形系統(tǒng)的加工能力;分析了線圈電感對脈沖強磁場成形的影響,確定了線圈的匝數(shù);采用脈

6、沖強磁場分層加固技術,加強了線圈的機械強度,實現(xiàn)了高強度驅動線圈的設計。對比實驗表明,高強度驅動線圈能有效提高脈沖強磁場成形系統(tǒng)的加工能力。
　　作者在國家脈沖強磁場科學中心(籌)搭建了一套25kV/200kJ脈沖強磁場成形裝置,并開展了相關脈沖強磁場成形實驗研究。脈沖強磁場成形方面,研究了管材脹形、平面螺旋線圈自由脹形、成形極限及電磁塑性流動等實驗。其中,塑性流動成形實驗首次實現(xiàn)了20mm的電磁塑性流動成形區(qū)域,為今后電磁板材研