大尺寸鋁合金板件電磁成形設(shè)計與實現(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載器的機動性能和承載能力，是實現(xiàn)這一目標的重要途徑。其中，鋁合金作為一種常見且易回收的輕量化材料，被公認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，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、成形過程無生態(tài)污染等特點，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)的重要補充，是突破大尺寸鋁合金板件制造的新途徑，是實現(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、磁場強度低、線圈強

3、度不高、成形手段單一等缺點，其應(yīng)用局限于小型構(gòu)件的成形制造，無法滿足大尺寸鋁合金板件的成形需求。針對這一難題，本文擬重點開展大尺寸鋁合金板件的成形力場設(shè)計、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，實現(xiàn)大尺寸鋁合金板件的有效成形。具體研究內(nèi)容為：
　　電磁成形數(shù)值研究方面，在充分考慮工件位移、速度和變形對工件運動過程影響的基礎(chǔ)上，建立了電磁成形過程中涉及的電路、磁場及結(jié)構(gòu)場等多場耦合有限元

4、模型，并基于多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對高速塑性變形過程中工件渦流、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生電動勢，真正意義上實現(xiàn)電磁成形過程中電磁場和結(jié)構(gòu)場的全耦合，提高了高速、大變形過程中的求解精度，為文中成形力場和系統(tǒng)設(shè)計提供了有效手段。
　　電磁成形系統(tǒng)設(shè)計和

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、成形力場的產(chǎn)生和調(diào)控方法三個方面展開了研究：（1）成形電源方面，通過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MJ；通過采用高功率晶閘管閥組，實現(xiàn)了對放電過程的精確控制；通過引入續(xù)流回路，改善了成形過程中的放電電流波形。（2）成形線圈方面，通過引入層間加固技術(shù)，采用高強度纖維分擔(dān)線圈內(nèi)部導(dǎo)體的應(yīng)力，極大的增強了線圈結(jié)構(gòu)強度，并進而提高了線

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

7、整體成形實驗研究，實驗獲得的工件貼模誤差不超過1％，充分驗證了該方案的可行性和有效性。進一步，針對目前大尺寸構(gòu)件成形受壓力機臺面尺寸限制這一難題，提出了電磁壓邊、慣性約束方案來實現(xiàn)無壓力機式電磁成形。為了驗證該方案及樣機的有效性，研制了電磁壓邊-成形一體化樣機，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160 mm，是目前有報道或文獻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