电磁成形技术理论研究进展分析12237.docx

电磁成形技技术理论论研究进进展内容摘要: 摘要要：电磁磁成形是是应用广广泛高速速率成形形技术之之一，随随着电磁磁成形工工艺应用用的发展展，越来来越需要要完善的的理论研研究来指指导和检检验电磁磁成形系系统及工工艺设计计、预测测工件最最终形状状。介绍绍了国内内外电磁磁成形理理论研究究概况及及进展，总总结了研研究成果果和特点点，讨论论了电磁磁成形中中高速率率变形条条件下材材料成形形性提高高的决定定因素。最最后电磁磁成形理理论研究究的发展展趋势进进行了展展望。 关键词词：电磁磁成形。摘要：电磁磁成形是是应用广广泛高速速率成形形技术之之一，随随着电磁磁成形工工艺应用用的发展展，越来来越需要要完善的的理论研研究来指指导和检检验电磁磁成形系系统及工工艺设计计、预测测工件最最终形状状。介绍绍了国内内外电磁磁成形理理论研究究概况及及进展，总总结了研研究成果果和特点点，讨论论了电磁磁成形中中高速率率变形条条件下材材料成形形性提高高的决定定因素。最最后电磁磁成形理理论研究究的发展展趋势进进行了展展望。 关键词词：电磁磁成形；理论研研究；数数值模拟拟；成形形性 11前言言 电磁磁成形是是利用磁磁场力使使金属坯坯料变形形的高速速率成形形方法。因因为在成成形过程程中载荷荷以脉冲冲的方式式作用于于毛坯，因因此又称称为磁脉脉冲成形形1。电磁磁成形理理论研究究主要包包括磁场场力分析析和磁场场力作用用下工件件的变形形分析2，以以及高速速率条件件下材料料成形性性的研究究等。电电磁成形形过程涉涉及电动动力学、电电磁学、塑塑性动力力学、热热力学以以及应力力波理论论等多学学科的内内容，由由于多学学科交叉叉的复杂杂性及多多种高度度非线性性，使电电磁成形形理论研研究变得得非常复复杂。 随着汽汽车、航航空航天天等制造造业结构构轻量化化的发展展趋势，高高强度低低成形性性材料（如如钛、铝铝、镁合合金等）应应用日益益增加。由由于电磁磁成形可可以提高高难成形形材料的的成形性性并减小小工件回回弹，因因此，可可以克服服这些材材料的成成形困难难，促进进其在轻轻量化结结构中的的应用3。虽虽然从原原理上讲讲，电磁磁成形技技术可以以用于加加工这些些难成形形材料的的复杂形形状工件件，然而而，这需需要设计计复杂的的成形系系统来控控制磁场场和作用用于工件件上的磁磁场力在在空间上上的瞬时时分布。这这种系统统复杂性性使电磁磁成形工工艺以往往只局限限于加工工轴对称称形状的的工件4。为为了解决决这一问问题、进进一步推推广电磁磁成形工工艺应用用，广大大学者对对电磁成成形技术术进行了了逐渐深深入的理理论研究究。 本本文以电电磁成形形理论研研究的发发展过程程为序，分分阶段总总结了国国内外理理论研究究的概况况及进展展，归纳纳了各阶阶段理论论研究的的成果和和特点，讨讨论了高高速率变变形条件件下材料料成形性性提高的的决定因因素，最最后展望望了电磁磁成形理理论研究究的发展展趋势。 2理理论研究究概况 电磁成成形理论论研究得得比较多多的是美美国、俄俄罗斯、日日本、德德国、加加拿大和和中国等等国家。根根据内容容和方法法的不同同，可以以把电磁磁成形理理论研究究分为四四个部分分：等效效RLCC回路研研究、有有限元计计算研究究、通用用软件耦耦合场数数值模拟拟研究和和高速率率电磁成成形材料料成形性性研究。上上述四部部分不是是相对孤孤立的，后后面的研研究内容容通常以以前面的的研究结结果为基基础，有有时甚至至是交叉叉进行的的。 22.1 等效RRLC回回路研究究 等效效RLCC回路研研究就是是把电磁磁成形系系统的二二次或更更高次回回路等效效为一次次RLCC回路5，由由此用一一个RLLC响应应近似表表示成形形线圈的的放电电电压和放放电电流流，从而而简化了了磁场力力和工件件变形的的研究。 磁场力力分析实实际上是是电磁成成形系统统的电路路与磁路路分析。放放电回路路包括电电磁成形形设备和和成形线线圈毛毛坯构成成的感应应系统。成成形系统统参数的的相互依依赖性是是模拟电电磁成形形过程最最大的困困难66。在放电回路路中，毛毛坯的形形状发生生变化，放放电回路路的参数数将随之之改变，进进而使放放电电流流峰值与与频率均均不符合合由简单单的RLLC等效效电路计计算的结结果77。只只有当毛毛坯变形形程度较较小时，才才可近似似采用简简单的RRLC等等效回路路进行计计算。GG. KK. LLai和和M. J. Hilllieer88应用用电动力力学对管管件电磁磁胀形进进行了研研究，结结果表明明，系统统电感随随管坯的的径向位位移增大大而增大大，而系系统电阻阻则相反反。随时时间变化化的压力力波、电电感和电电阻如图图1所示示8。    图11放电过过程磁压压力及系系统电参参数的时时域特性性8 （aa）磁压压力脉冲冲；（bb）放电电回路电电感；（cc） 放放电回路路电阻 但是，实实际上工工件的成成形能量量主要是是由磁脉脉冲压力力的第一一波给予予的44。因因为本身身能量降降低以及及线圈和和工件之之间的间间隙随着着工件变变形增大大而增加加，后继继的波传传递给工工件的能能量减少少，不足足以使工工件产生生继续变变形。由由图1分分析可知知，虽然然工件开开始变形形以后，系系统的电电感和电电阻都发发生了变变化，但但是，在在实际上上在第一一波的时时间内，工工件可能能只发生生了些微微的变形形，系统统电感和和电阻的的变化主主要发生生在工件件发生大大变形之之后，因因此，在在采用RRLC等等效电路路法研究究电磁成成形磁场场、磁场场力变化化时，在在可以忽忽略端部部效应的的情况下下，系统统电参数数的变化化可以忽忽略不计计，不会会影响理理论分析析和数值值计算的的精度。119900年，张张守彬9采采用等效效电路法法分析了了管坯胀胀形的放放电过程程，并在在此基础础上研究究了脉冲冲磁场力力作用下下的刚塑塑性管坯坯的变形形过程。 2.22 有限限元计算算研究 近年来来，随着着计算能能力的迅迅速提高高，研究究人员已已开始用用功能强强大的算算法和计计算机来来计算复复杂的成成形过程程100。有有限元方方法的引引入更促促进了电电磁成形形理论研研究的迅迅速发展展。 119844年，铃铃木秀雄雄111等人人用有限限元方法法分析了了磁脉冲冲压力作作用下管管坯的胀胀形过程程，但该该研究不不完善，分分析结果果与实验验结果不不相符合合。Taakattsu 122和GGourrdinn 113研研究了随随材料变变形而发发生的磁磁场的演演变过程程。Goourddin通通过胀环环实验研研究了高高应变速速率条件件下材料料的流动动应力，TTakaatsuu在此基基础上又又进一步步考虑了了磁损失失的影响，较准准确地模模拟了板板料电磁磁成形过过程。DDonggkyuun MMin 144通过过电磁缩缩径实验验得到了了皱形波波数和径径厚比的的关系，并并对管壁壁起皱现现象进行行了三维维非线性性弹塑性性有限元元的分析析，使用用冲击接接触算法法分析了了芯轴的的减皱过过程。 在分析析电磁成成形的过过程中，人人们往往往采用等等效方法法来计算算施加于于工件上上的磁压压力88,111,122,166188。而而应用此此法的前前提是认认为工件件或线圈圈足够长长以至于于可以忽忽略末端端的影响响，而且且假定只只有管坯坯内壁受受力，磁磁压力在在轴向上上分布均均匀。SSungg Hoo Leee22在文文献118的的基础上上，通过过向麦克克斯韦方方程组中中引入矢矢量磁位位，把线线圈和工工件包含含到计算算中。然然后进行行了动态态变形的的有限元元分析，精精度有一一定程度度的提高高。而文文献119,220通通过解析析推导，克克服了上上述等效效法的缺缺点，建建立了考考虑管件件端部效效应的磁磁压力公公式，反反映了纵纵坐标对对磁压力力分布的的影响。但但是，该该方法仍仍然忽略略了轴向向磁场力力的影响响，并且且当线圈圈长度大大于管件件时，该该公式就就不再适适用。张张守彬21在时域域上对文文献116的的公式进进行了改改进，引引入了工工件变形形的影响响因子，反反映了工工件变形形对磁压压力的影影响，进进而影响响工件的的进一步步变形。SSungg Hoo Leee 22在文献献2的基础础上研究究管坯胀胀形时的的几何参参数及工工件抗力力对磁压压力的影影响，通通过有限限元分析析得到管管坯胀形形时轴向向磁压力力更实际际的分布布。 文文献66,233,244通过过向麦克克斯韦方方程组中中引入速速度项来来体现工工件变形形对磁场场的影响响，但是是没有合合理地说说明初始始边界值值问题，并并且这种种方法只只是针对对管件电电磁胀形形而言的的。文献献255,266在模模拟中引引入一种种“宏单单元”来来计算线线圈和工工件之间间的胀形形间隙的的变化。同同样，这这种方法法也只限限于管件件电磁胀胀形的情情形。AAliMMeriiCheed227介介绍了一一种解决决电磁平平板成形形问题的的方法，分分析了电电路、电电磁场和和工件塑塑性变形形，并推推出了基基于矢量量磁位积积分形式式的二维维轴对称称模式，可可用于计计算磁场场、涡流流和平板板上的电电磁感应应强度。 在上述述电磁成成形求解解过程中中，电磁磁场和结结构场多多是分开开求解的的，很难难适应复复杂成形形系统设设计、准准确预测测复杂工工件最终终形状的的需要。因因此，AAnteer EEl-AAzabb、Maark Garrnicch和AAshiish Kappoorr3通过分分析电磁磁成形过过程中电电磁场、温温度场和和结构场场之间复复杂的耦耦合关系系，建立立了能够够描述这这种耦合合关系的的数学框框架。但但是，到到目前为为止，还还没有找找到合适适的数值值算法来来解决这这一问题题。 在在国内，赵赵志衡2830应用有有限元法法研究了了管坯电电磁胀形形的磁场场、磁场场力分布布。研究究发现在在整个管管壁上均均有胀形形磁场力力，并沿沿管坯壁壁厚由内内向外衰衰减分布布；管坯坯同时受受到径向向压力和和轴向压压力作用用。管坯坯线圈圈系统受受力及管管坯壁厚厚方向上上受力如如图2、33所示。磁磁场力分分布的这这一特点点与其它它自由胀胀形工艺艺很不同同，对于于加深电电磁成形形变形机机理的认认识是非非常重要要的。为为了更清清楚地认认识各种种工艺中中磁场力力的分布布，文献献311355采用用有限元元法分别别研究了了管坯电电磁缩径径、管坯坯有模成成形、平平板胀形形的磁场场力分布布规律。舒舒行军36基于AANSYYS的电电路分析析模块求求解了电电磁成形形放电电电流，求求解结果果作为电电磁场分分析的边边界条件件，得到到了与真真实值相相近的仿仿真结果果。 图图2 管管坯线线圈系统统受力图图   图3 沿管坯坯厚度方方向胀形形磁场力力分布 2.33 通用用软件的的耦合场场数值数数值模拟拟 自220世纪纪90中中期以来来，随着着大型通通用有限限元软件件的快速速发展，国国内外开开始使用用它们对对电磁成成形进行行研究工工作。利利用软件件对电磁磁成形进进行数值值模拟主主要有两两种方式式，一是是开发现现有计算算电磁场场和结构构场软件件的接口口，把二二者联系系起来对对电磁成成形进行行分场模模拟；二二是利用用电磁结构耦耦合场计计算软件件377。目目前，多多数采用用现有软软件的研研究工作作是以第第一种方方式进行行的。 如果工工件变形形小，不不足以使使磁场产产生明显显变化，那那么，采采用相应应软件对对电磁场场和结构构场进行行连续求求解不会会影响最最终变形形的求解解精度。文文献338,339分分别把电电磁场分分析软件件MEGGA/EEMAPP3D和和结构场场分析软软件DYYNA33D联系系起来，对对电磁结构场场进行分分场模拟拟，即首首先用MMEGAA/EMMAP33D对电电磁场进进行模拟拟得到磁磁场力，然然后把磁磁场力作作为结构构场的边边界条件件转移到到DYNNA3DD中，模模拟变形形。有如如下两种种实现磁磁场力边边界条件件的方式式：一是是两种物物理场求求解时的的网格划划分相同同，随时时间变化化的磁场场力作为为结构分分析的边边界条件件；二是是把磁场场中求解解的电流流密度JJ和磁感感应强度度B映射射到结构构单元网网格中去去，不须须网格划划分相同同388。因因为上述述模拟只只涉及到到了磁场场对变形形的影响响，而没没有考虑虑变形对对磁场的的作用，因因此这种种耦合模模拟方法法被称为为“半耦耦合”40。 YYoicchi Marrakooshii 441 和Yuuichhi HHashhimooto 422分别别使用有有限元软软件MAARC对对内筋成成形（IInsiide Beaad FFormmingg）和脉脉冲压力力下短管管局部变变形和起起皱进行行了有限限元分析析。二者者均忽略略了轴向向磁场力力，并假假定管坯坯的受力力状态为为平面应应变状态态。Frrentten和和Daeehn等等人110对对文献12中存在在的问题题应用CCALEE软件进进行了数数值模拟拟。克服服了磁力力线被板板料全部部屏蔽在在工件与与线圈间间隙内的的假定，并并能够计计算板料料各板面面上涡流流所产生生磁场的的发展和和变化，而而且进一一步把温温度的影影响加入入到本构构关系中中。19998年年，Viinceent J. Vohhnouut443应应用无网网格法软软件GEEM对铝铝合金板板料复合合成形进进行了数数值模拟拟。 黄黄尚宇44和王立立峰445通通过解析析推导得得到磁压压力，然然后利用用ADIINA非非线性有有限元程程序对板板坯电磁磁成形过过程进行行了数值值模拟。陆陆辛446通通过动态态拉伸实实验获得得了铝合合金LYY12的的动态本本构方程程，在此此基础上上用 DDYNAAFORRM软件件进行盒盒形LYY12板板材的电电磁成形形模拟。 ANSSYS是是一种通通用的多多物理场场有限元元软件，具具有模拟拟电磁结构耦耦合场的的能力。文文献33使用用ANSSYS提提供的磁磁场结结构场耦耦合单元元对平板板电磁成成形进行行了模拟拟。因为为没有解解决单元元形状严严重畸变变导致计计算难以以收敛的的问题，得得到的工工件变形形很小。文文献447用用ANSSYS耦耦合单元元Sollid662对电电磁缩径径进行了了耦合模模拟。由由于未能能解决与与文献3中中类似的的问题，所所以又采采用了带带权值的的磁压力力解析式式作为载载荷计算算变形。为为了减少少计算成成本，提提高计算算效率，文文献448550采采用ANNSYSS/EMMAG计计算磁场场和磁场场力、动动力显式式软件LLS-DDYNAA计算变变形的方方法对平平板有模模电磁成成形进行行了模拟拟，研究究了工件件与模具具之间的的冲击变变形过程程。于海海平440应应用该软软件对管管件动态态缩径变变形进行行了耦合合场数值值模拟，研研究了管管件磁脉脉冲缩径径变形规规律，由由于电磁磁场和结结构场计计算是分分开进行行的，因因此计算算过程没没有考虑虑工件变变形对磁磁场及磁磁场力的的影响。 2.44 高速速率电磁磁成形材材料成形形性研究究 在电电磁成形形的研究究过程中中，除了了关心磁磁场力和和磁场力力作用下下的工件件变形之之外，人人们对高高速率变变形对工工件成形形性的影影响也给给予了极极大关注注，并进进行了大大量研究究511588。 电磁成成形和电电液成形形产生的的变形速速率比准准静态加加工过程程成形速速率高110010000倍，这这么高的的变形速速率会提提高很多多金属工工件的成成形能力力433。若若改变模模具形状状、增加加放电能能量，材材料的成成形极限限会有大大幅度提提高557。图图3对比比了60061TT4铝合合金在高高速率成成形和准准静态成成形时的的成形极极限图43。由图图4可知知，高速速成形时时，材料料的成形形性得到到明显提提高，并并且在较较宽的成成形速率率范围内内（5003000 mm/seec）工工件成形形性都得得以提高高。文献献511把这这种因高高速率加加工而提提高的成成形性的的这一特特征称为为“Hyyperrplaastiicitty”。   图图4 660611T4铝铝合金成成形极限限图（电电液成形形） 文文献551554的的实验结结果表明明，高速速率成形形下材料料成形性性提高主主要是材材料惯性性而不是是材料本本构关系系的改变变抑制了了工件的的局部颈颈缩。高高速率成成形的大大动量改改变了传传统静态态成形工工件的应应力分布布，使变变形在整整个工件件范围内内发生，分分散了整整个工件件的集中中变形，缩缩小了减减薄量，从从而使变变形趋于于稳定。从从另一方方面来讲讲，虽然然成形速速率比传传统静态态成形高高得多，但但是，高高速率成成形产生生的应变变速率还还不足以以改变材材料的本本构关系系（10021103 Vs1104/s）43。所以以，高速速率成形形过程中中，材料料的惯性性是导致致工件成成形性提提高决定定因素。同同时，工工件尺寸寸和形状状对高速速率成形形工件的的成形性性影响很很大，成成形性提提高很大大程度上上取决于于试样的的尺寸和和形状53。 文文献558从从力学角角度出发发，建立立了包括括电、磁磁、热场场在内的的多场耦耦合方程程组，对对电磁胀胀形过程程中的一一维All60661环颈颈缩现象象进行了了研究，并并量化了了电磁成成形提高高极限变变形程度度（在本本文的条条件下，圆圆环颈缩缩应变比比静态下下提高了了6倍）。研研究结果果表明，材材料的应应变速率率敏感性性及材料料在电磁磁成形过过程中所所获得的的高应变变速率（1104/s数量量级）是是材料成成形极限限提高的的主要原原因。与与文献43比较可可见，应应变速率率级别的的高低是是决定材材料成形形性提高高的关键键因素，当当应变速速率低于于1044/s时时，材料料的惯性性对成形形性提高高起决定定作用；当应变变速率达达到1004/ss数量级级时，材材料的应应变速率率敏感性性及电磁磁成形中中所获得得的高应应变速率率对成形形性提高高起决定定作用。 文献55通过在在线位移移测量和和有限元元迭代模模拟相结结合的方方法，得得到了铝铝合金高高速率变变形时屈屈服应力力、塑性性应变和和应变速速率之间间的关系系，真实实地反映映了高应应变速率率对材料料成形性性能的影影响。 3展展望 综综上所述述，较之之于上世世纪六七七十年代代的水平平，国内内外电磁磁成形技技术的理理论发展展已经有有了长足足的进步步。但是是，要大大力推进进该技术术在新材材料加工工、大型型车身件件成形、多多场耦合合模拟、高高速率成成形对材材料微观观组织等等方面得得应用和和理论研研究，除除了依赖赖于电磁磁工程界界的工艺艺革新，更更有赖于于专门从从事塑性性加工的的研究人人员对电电磁成形形总体过过程的透透彻分析析。近年年来，有有关电磁磁成形过过程中的的脉冲磁磁场及磁磁场力及及其作用用下工件件的变形形理论、电电磁结结构耦合合场理论论研究日日趋增加加，提出出了许多多新的计计算方法法和理论论。随着着有限元元法及无无网格法法、边界界元法在在耦合场场领域的的发展以以及人们们对脉冲冲力作用用下工件件变形性性能的深深入认识识，许多多困扰着着人们的的电磁成成形问题题都将迎迎刃而解解，电磁磁成形工工艺将在在更广泛泛的领域域得到推推广应用用。