電磁成形技術(shù)理論研究進(jìn)展分析

1、電磁成形技技術(shù)理論論研究進(jìn)進(jìn)展內(nèi)容摘要: 摘要要：電磁磁成形是是應(yīng)用廣廣泛高速速率成形形技術(shù)之之一，隨隨著電磁磁成形工工藝應(yīng)用用的發(fā)展展，越來來越需要要完善的的理論研研究來指指導(dǎo)和檢檢驗(yàn)電磁磁成形系系統(tǒng)及工工藝設(shè)計(jì)計(jì)、預(yù)測測工件最最終形狀狀。介紹紹了國內(nèi)內(nèi)外電磁磁成形理理論研究究概況及及進(jìn)展，總總結(jié)了研研究成果果和特點(diǎn)點(diǎn)，討論論了電磁磁成形中中高速率率變形條條件下材材料成形形性提高高的決定定因素。最最后電磁磁成形理理論研究究的發(fā)展展趨勢進(jìn)進(jìn)行了展展望。 關(guān)鍵詞詞：電磁磁成形。摘要：電磁磁成形是是應(yīng)用廣廣泛高速速率成形形技術(shù)之之一，隨隨著電磁磁成形工工藝應(yīng)用用的發(fā)展展，越來來越需要要完善的的理論

2、研研究來指指導(dǎo)和檢檢驗(yàn)電磁磁成形系系統(tǒng)及工工藝設(shè)計(jì)計(jì)、預(yù)測測工件最最終形狀狀。介紹紹了國內(nèi)內(nèi)外電磁磁成形理理論研究究概況及及進(jìn)展，總總結(jié)了研研究成果果和特點(diǎn)點(diǎn)，討論論了電磁磁成形中中高速率率變形條條件下材材料成形形性提高高的決定定因素。最最后電磁磁成形理理論研究究的發(fā)展展趨勢進(jìn)進(jìn)行了展展望。 關(guān)鍵詞詞：電磁磁成形；理論研研究；數(shù)數(shù)值模擬擬；成形形性 11前言言 電磁磁成形是是利用磁磁場力使使金屬坯坯料變形形的高速速率成形形方法。因因?yàn)樵诔沙尚芜^程程中載荷荷以脈沖沖的方式式作用于于毛坯，因因此又稱稱為磁脈脈沖成形形1。電磁磁成形理理論研究究主要包包括磁場場力分析析和磁場場力作用用下工件件的變形形

3、分析2，以以及高速速率條件件下材料料成形性性的研究究等。電電磁成形形過程涉涉及電動動力學(xué)、電電磁學(xué)、塑塑性動力力學(xué)、熱熱力學(xué)以以及應(yīng)力力波理論論等多學(xué)學(xué)科的內(nèi)內(nèi)容，由由于多學(xué)學(xué)科交叉叉的復(fù)雜雜性及多多種高度度非線性性，使電電磁成形形理論研研究變得得非常復(fù)復(fù)雜。 隨著汽汽車、航航空航天天等制造造業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)輕量化化的發(fā)展展趨勢，高高強(qiáng)度低低成形性性材料（如如鈦、鋁鋁、鎂合合金等）應(yīng)應(yīng)用日益益增加。由由于電磁磁成形可可以提高高難成形形材料的的成形性性并減小小工件回回彈，因因此，可可以克服服這些材材料的成成形困難難，促進(jìn)進(jìn)其在輕輕量化結(jié)結(jié)構(gòu)中的的應(yīng)用3。雖雖然從原原理上講講，電磁磁成形技技術(shù)可以以用于加

4、加工這些些難成形形材料的的復(fù)雜形形狀工件件，然而而，這需需要設(shè)計(jì)計(jì)復(fù)雜的的成形系系統(tǒng)來控控制磁場場和作用用于工件件上的磁磁場力在在空間上上的瞬時時分布。這這種系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)雜性性使電磁磁成形工工藝以往往只局限限于加工工軸對稱稱形狀的的工件4。為為了解決決這一問問題、進(jìn)進(jìn)一步推推廣電磁磁成形工工藝應(yīng)用用，廣大大學(xué)者對對電磁成成形技術(shù)術(shù)進(jìn)行了了逐漸深深入的理理論研究究。 本本文以電電磁成形形理論研研究的發(fā)發(fā)展過程程為序，分分階段總總結(jié)了國國內(nèi)外理理論研究究的概況況及進(jìn)展展，歸納納了各階階段理論論研究的的成果和和特點(diǎn)，討討論了高高速率變變形條件件下材料料成形性性提高的的決定因因素，最最后展望望了電磁磁成形

5、理理論研究究的發(fā)展展趨勢。 2理理論研究究概況 電磁成成形理論論研究得得比較多多的是美美國、俄俄羅斯、日日本、德德國、加加拿大和和中國等等國家。根根據(jù)內(nèi)容容和方法法的不同同，可以以把電磁磁成形理理論研究究分為四四個部分分：等效效RLCC回路研研究、有有限元計(jì)計(jì)算研究究、通用用軟件耦耦合場數(shù)數(shù)值模擬擬研究和和高速率率電磁成成形材料料成形性性研究。上上述四部部分不是是相對孤孤立的，后后面的研研究內(nèi)容容通常以以前面的的研究結(jié)結(jié)果為基基礎(chǔ)，有有時甚至至是交叉叉進(jìn)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電磁磁成形系系統(tǒng)的二二次或更更高次回回路等效效為一次次RLCC回

6、路5，由由此用一一個RLLC響應(yīng)應(yīng)近似表表示成形形線圈的的放電電電壓和放放電電流流，從而而簡化了了磁場力力和工件件變形的的研究。 磁場力力分析實(shí)實(shí)際上是是電磁成成形系統(tǒng)統(tǒng)的電路路與磁路路分析。放放電回路路包括電電磁成形形設(shè)備和和成形線線圈毛毛坯構(gòu)成成的感應(yīng)應(yīng)系統(tǒng)。成成形系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)的的相互依依賴性是是模擬電電磁成形形過程最最大的困困難66。在放電回路路中，毛毛坯的形形狀發(fā)生生變化，放放電回路路的參數(shù)數(shù)將隨之之改變，進(jìn)進(jìn)而使放放電電流流峰值與與頻率均均不符合合由簡單單的RLLC等效效電路計(jì)計(jì)算的結(jié)結(jié)果77。只只有當(dāng)毛毛坯變形形程度較較小時，才才可近似似采用簡簡單的RRLC等等效回路路進(jìn)行計(jì)計(jì)算。G

7、G. KK. LLai和和M. J. Hilllieer88應(yīng)用用電動力力學(xué)對管管件電磁磁脹形進(jìn)進(jìn)行了研研究，結(jié)結(jié)果表明明，系統(tǒng)統(tǒng)電感隨隨管坯的的徑向位位移增大大而增大大，而系系統(tǒng)電阻阻則相反反。隨時時間變化化的壓力力波、電電感和電電阻如圖圖1所示示8。 圖11放電過過程磁壓壓力及系系統(tǒng)電參參數(shù)的時時域特性性8 （aa）磁壓壓力脈沖沖；（bb）放電電回路電電感；（cc） 放放電回路路電阻 但是，實(shí)實(shí)際上工工件的成成形能量量主要是是由磁脈脈沖壓力力的第一一波給予予的44。因因?yàn)楸旧砩砟芰拷到档鸵约凹熬€圈和和工件之之間的間間隙隨著著工件變變形增大大而增加加，后繼繼的波傳傳遞給工工件的能能量減少少，

8、不足足以使工工件產(chǎn)生生繼續(xù)變變形。由由圖1分分析可知知，雖然然工件開開始變形形以后，系系統(tǒng)的電電感和電電阻都發(fā)發(fā)生了變變化，但但是，在在實(shí)際上上在第一一波的時時間內(nèi)，工工件可能能只發(fā)生生了些微微的變形形，系統(tǒng)統(tǒng)電感和和電阻的的變化主主要發(fā)生生在工件件發(fā)生大大變形之之后，因因此，在在采用RRLC等等效電路路法研究究電磁成成形磁場場、磁場場力變化化時，在在可以忽忽略端部部效應(yīng)的的情況下下，系統(tǒng)統(tǒng)電參數(shù)數(shù)的變化化可以忽忽略不計(jì)計(jì)，不會會影響理理論分析析和數(shù)值值計(jì)算的的精度。119900年，張張守彬9采采用等效效電路法法分析了了管坯脹脹形的放放電過程程，并在在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上研究究了脈沖沖磁場力力作用下下的

9、剛塑塑性管坯坯的變形形過程。 2.22 有限限元計(jì)算算研究 近年來來，隨著著計(jì)算能能力的迅迅速提高高，研究究人員已已開始用用功能強(qiáng)強(qiáng)大的算算法和計(jì)計(jì)算機(jī)來來計(jì)算復(fù)復(fù)雜的成成形過程程100。有有限元方方法的引引入更促促進(jìn)了電電磁成形形理論研研究的迅迅速發(fā)展展。 119844年，鈴鈴木秀雄雄111等人人用有限限元方法法分析了了磁脈沖沖壓力作作用下管管坯的脹脹形過程程，但該該研究不不完善，分分析結(jié)果果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果不不相符合合。Taakattsu 122和GGourrdinn 113研研究了隨隨材料變變形而發(fā)發(fā)生的磁磁場的演演變過程程。Goourddin通通過脹環(huán)環(huán)實(shí)驗(yàn)研研究了高高應(yīng)變速速率條件件下材

10、料料的流動動應(yīng)力，TTakaatsuu在此基基礎(chǔ)上又又進(jìn)一步步考慮了了磁損失失的影響，較準(zhǔn)準(zhǔn)確地模模擬了板板料電磁磁成形過過程。DDonggkyuun MMin 144通過過電磁縮縮徑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)得到了了皺形波波數(shù)和徑徑厚比的的關(guān)系，并并對管壁壁起皺現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行行了三維維非線性性彈塑性性有限元元的分析析，使用用沖擊接接觸算法法分析了了芯軸的的減皺過過程。 在分析析電磁成成形的過過程中，人人們往往往采用等等效方法法來計(jì)算算施加于于工件上上的磁壓壓力88,111,122,166188。而而應(yīng)用此此法的前前提是認(rèn)認(rèn)為工件件或線圈圈足夠長長以至于于可以忽忽略末端端的影響響，而且且假定只只有管坯坯內(nèi)壁受受力，磁

11、磁壓力在在軸向上上分布均均勻。SSungg Hoo Leee22在文文獻(xiàn)118的的基礎(chǔ)上上，通過過向麥克克斯韋方方程組中中引入矢矢量磁位位，把線線圈和工工件包含含到計(jì)算算中。然然后進(jìn)行行了動態(tài)態(tài)變形的的有限元元分析，精精度有一一定程度度的提高高。而文文獻(xiàn)119,220通通過解析析推導(dǎo)，克克服了上上述等效效法的缺缺點(diǎn)，建建立了考考慮管件件端部效效應(yīng)的磁磁壓力公公式，反反映了縱縱坐標(biāo)對對磁壓力力分布的的影響。但但是，該該方法仍仍然忽略略了軸向向磁場力力的影響響，并且且當(dāng)線圈圈長度大大于管件件時，該該公式就就不再適適用。張張守彬21在時域域上對文文獻(xiàn)116的的公式進(jìn)進(jìn)行了改改進(jìn)，引引入了工工件變形形

12、的影響響因子，反反映了工工件變形形對磁壓壓力的影影響，進(jìn)進(jìn)而影響響工件的的進(jìn)一步步變形。SSungg Hoo Leee 22在文獻(xiàn)獻(xiàn)2的基礎(chǔ)礎(chǔ)上研究究管坯脹脹形時的的幾何參參數(shù)及工工件抗力力對磁壓壓力的影影響，通通過有限限元分析析得到管管坯脹形形時軸向向磁壓力力更實(shí)際際的分布布。 文文獻(xiàn)66,233,244通過過向麥克克斯韋方方程組中中引入速速度項(xiàng)來來體現(xiàn)工工件變形形對磁場場的影響響，但是是沒有合合理地說說明初始始邊界值值問題，并并且這種種方法只只是針對對管件電電磁脹形形而言的的。文獻(xiàn)獻(xiàn)255,266在模模擬中引引入一種種“宏單單元”來來計(jì)算線線圈和工工件之間間的脹形形間隙的的變化。同同樣，這

13、這種方法法也只限限于管件件電磁脹脹形的情情形。AAliMMeriiCheed227介介紹了一一種解決決電磁平平板成形形問題的的方法，分分析了電電路、電電磁場和和工件塑塑性變形形，并推推出了基基于矢量量磁位積積分形式式的二維維軸對稱稱模式，可可用于計(jì)計(jì)算磁場場、渦流流和平板板上的電電磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度。 在上述述電磁成成形求解解過程中中，電磁磁場和結(jié)結(jié)構(gòu)場多多是分開開求解的的，很難難適應(yīng)復(fù)復(fù)雜成形形系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)準(zhǔn)確預(yù)測測復(fù)雜工工件最終終形狀的的需要。因因此，AAnteer EEl-AAzabb、Maark Garrnicch和AAshiish Kappoorr3通過分分析電磁磁成形過過程中電電磁場、

14、溫溫度場和和結(jié)構(gòu)場場之間復(fù)復(fù)雜的耦耦合關(guān)系系，建立立了能夠夠描述這這種耦合合關(guān)系的的數(shù)學(xué)框框架。但但是，到到目前為為止，還還沒有找找到合適適的數(shù)值值算法來來解決這這一問題題。 在在國內(nèi)，趙趙志衡2830應(yīng)用有有限元法法研究了了管坯電電磁脹形形的磁場場、磁場場力分布布。研究究發(fā)現(xiàn)在在整個管管壁上均均有脹形形磁場力力，并沿沿管坯壁壁厚由內(nèi)內(nèi)向外衰衰減分布布；管坯坯同時受受到徑向向壓力和和軸向壓壓力作用用。管坯坯線圈圈系統(tǒng)受受力及管管坯壁厚厚方向上上受力如如圖2、33所示。磁磁場力分分布的這這一特點(diǎn)點(diǎn)與其它它自由脹脹形工藝藝很不同同，對于于加深電電磁成形形變形機(jī)機(jī)理的認(rèn)認(rèn)識是非非常重要要的。為為了更

15、清清楚地認(rèn)認(rèn)識各種種工藝中中磁場力力的分布布，文獻(xiàn)獻(xiàn)311355采用用有限元元法分別別研究了了管坯電電磁縮徑徑、管坯坯有模成成形、平平板脹形形的磁場場力分布布規(guī)律。舒舒行軍36基于AANSYYS的電電路分析析模塊求求解了電電磁成形形放電電電流，求求解結(jié)果果作為電電磁場分分析的邊邊界條件件，得到到了與真真實(shí)值相相近的仿仿真結(jié)果果。 圖圖2 管管坯線線圈系統(tǒng)統(tǒng)受力圖圖 圖3 沿管坯坯厚度方方向脹形形磁場力力分布 2.33 通用用軟件的的耦合場場數(shù)值數(shù)數(shù)值模擬擬 自220世紀(jì)紀(jì)90中中期以來來，隨著著大型通通用有限限元軟件件的快速速發(fā)展，國國內(nèi)外開開始使用用它們對對電磁成成形進(jìn)行行研究工工作。利利用

16、軟件件對電磁磁成形進(jìn)進(jìn)行數(shù)值值模擬主主要有兩兩種方式式，一是是開發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有計(jì)算算電磁場場和結(jié)構(gòu)構(gòu)場軟件件的接口口，把二二者聯(lián)系系起來對對電磁成成形進(jìn)行行分場模模擬；二二是利用用電磁結(jié)構(gòu)耦耦合場計(jì)計(jì)算軟件件377。目目前，多多數(shù)采用用現(xiàn)有軟軟件的研研究工作作是以第第一種方方式進(jìn)行行的。 如果工工件變形形小，不不足以使使磁場產(chǎn)產(chǎn)生明顯顯變化，那那么，采采用相應(yīng)應(yīng)軟件對對電磁場場和結(jié)構(gòu)構(gòu)場進(jìn)行行連續(xù)求求解不會會影響最最終變形形的求解解精度。文文獻(xiàn)338,339分分別把電電磁場分分析軟件件MEGGA/EEMAPP3D和和結(jié)構(gòu)場場分析軟軟件DYYNA33D聯(lián)系系起來，對對電磁結(jié)構(gòu)場場進(jìn)行分分場模擬擬，即首

17、首先用MMEGAA/EMMAP33D對電電磁場進(jìn)進(jìn)行模擬擬得到磁磁場力，然然后把磁磁場力作作為結(jié)構(gòu)構(gòu)場的邊邊界條件件轉(zhuǎn)移到到DYNNA3DD中，模模擬變形形。有如如下兩種種實(shí)現(xiàn)磁磁場力邊邊界條件件的方式式：一是是兩種物物理場求求解時的的網(wǎng)格劃劃分相同同，隨時時間變化化的磁場場力作為為結(jié)構(gòu)分分析的邊邊界條件件；二是是把磁場場中求解解的電流流密度JJ和磁感感應(yīng)強(qiáng)度度B映射射到結(jié)構(gòu)構(gòu)單元網(wǎng)網(wǎng)格中去去，不須須網(wǎng)格劃劃分相同同388。因因?yàn)樯鲜鍪瞿M只只涉及到到了磁場場對變形形的影響響，而沒沒有考慮慮變形對對磁場的的作用，因因此這種種耦合模模擬方法法被稱為為“半耦耦合”40。 YYoicchi Marr

18、akooshii 441 和Yuuichhi HHashhimooto 422分別別使用有有限元軟軟件MAARC對對內(nèi)筋成成形（IInsiide Beaad FFormmingg）和脈脈沖壓力力下短管管局部變變形和起起皺進(jìn)行行了有限限元分析析。二者者均忽略略了軸向向磁場力力，并假假定管坯坯的受力力狀態(tài)為為平面應(yīng)應(yīng)變狀態(tài)態(tài)。Frrentten和和Daeehn等等人110對對文獻(xiàn)12中存在在的問題題應(yīng)用CCALEE軟件進(jìn)進(jìn)行了數(shù)數(shù)值模擬擬。克服服了磁力力線被板板料全部部屏蔽在在工件與與線圈間間隙內(nèi)的的假定，并并能夠計(jì)計(jì)算板料料各板面面上渦流流所產(chǎn)生生磁場的的發(fā)展和和變化，而而且進(jìn)一一步把溫溫度的影

19、影響加入入到本構(gòu)構(gòu)關(guān)系中中。19998年年，Viinceent J. Vohhnouut443應(yīng)應(yīng)用無網(wǎng)網(wǎng)格法軟軟件GEEM對鋁鋁合金板板料復(fù)合合成形進(jìn)進(jìn)行了數(shù)數(shù)值模擬擬。 黃黃尚宇44和王立立峰445通通過解析析推導(dǎo)得得到磁壓壓力，然然后利用用ADIINA非非線性有有限元程程序?qū)Π灏迮麟姶糯懦尚芜^過程進(jìn)行行了數(shù)值值模擬。陸陸辛446通通過動態(tài)態(tài)拉伸實(shí)實(shí)驗(yàn)獲得得了鋁合合金LYY12的的動態(tài)本本構(gòu)方程程，在此此基礎(chǔ)上上用 DDYNAAFORRM軟件件進(jìn)行盒盒形LYY12板板材的電電磁成形形模擬。 ANSSYS是是一種通通用的多多物理場場有限元元軟件，具具有模擬擬電磁結(jié)構(gòu)耦耦合場的的能力。文文獻(xiàn)3

20、3使用用ANSSYS提提供的磁磁場結(jié)結(jié)構(gòu)場耦耦合單元元對平板板電磁成成形進(jìn)行行了模擬擬。因?yàn)闉闆]有解解決單元元形狀嚴(yán)嚴(yán)重畸變變導(dǎo)致計(jì)計(jì)算難以以收斂的的問題，得得到的工工件變形形很小。文文獻(xiàn)447用用ANSSYS耦耦合單元元Sollid662對電電磁縮徑徑進(jìn)行了了耦合模模擬。由由于未能能解決與與文獻(xiàn)3中中類似的的問題，所所以又采采用了帶帶權(quán)值的的磁壓力力解析式式作為載載荷計(jì)算算變形。為為了減少少計(jì)算成成本，提提高計(jì)算算效率，文文獻(xiàn)448550采采用ANNSYSS/EMMAG計(jì)計(jì)算磁場場和磁場場力、動動力顯式式軟件LLS-DDYNAA計(jì)算變變形的方方法對平平板有模模電磁成成形進(jìn)行行了模擬擬，研究究

21、了工件件與模具具之間的的沖擊變變形過程程。于海海平440應(yīng)應(yīng)用該軟軟件對管管件動態(tài)態(tài)縮徑變變形進(jìn)行行了耦合合場數(shù)值值模擬，研研究了管管件磁脈脈沖縮徑徑變形規(guī)規(guī)律，由由于電磁磁場和結(jié)結(jié)構(gòu)場計(jì)計(jì)算是分分開進(jìn)行行的，因因此計(jì)算算過程沒沒有考慮慮工件變變形對磁磁場及磁磁場力的的影響。 2.44 高速速率電磁磁成形材材料成形形性研究究 在電電磁成形形的研究究過程中中，除了了關(guān)心磁磁場力和和磁場力力作用下下的工件件變形之之外，人人們對高高速率變變形對工工件成形形性的影影響也給給予了極極大關(guān)注注，并進(jìn)進(jìn)行了大大量研究究511588。 電磁成成形和電電液成形形產(chǎn)生的的變形速速率比準(zhǔn)準(zhǔn)靜態(tài)加加工過程程成形速速率

22、高110010000倍，這這么高的的變形速速率會提提高很多多金屬工工件的成成形能力力433。若若改變模模具形狀狀、增加加放電能能量，材材料的成成形極限限會有大大幅度提提高557。圖圖3對比比了60061TT4鋁合合金在高高速率成成形和準(zhǔn)準(zhǔn)靜態(tài)成成形時的的成形極極限圖43。由圖圖4可知知，高速速成形時時，材料料的成形形性得到到明顯提提高，并并且在較較寬的成成形速率率范圍內(nèi)內(nèi)（5003000 mm/seec）工工件成形形性都得得以提高高。文獻(xiàn)獻(xiàn)511把這這種因高高速率加加工而提提高的成成形性的的這一特特征稱為為“Hyyperrplaastiicitty”。 圖圖4 660611T4鋁鋁合金成成形極

23、限限圖（電電液成形形） 文文獻(xiàn)551554的的實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)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慣性性而不是是材料本本構(gòu)關(guān)系系的改變變抑制了了工件的的局部頸頸縮。高高速率成成形的大大動量改改變了傳傳統(tǒng)靜態(tài)態(tài)成形工工件的應(yīng)應(yīng)力分布布，使變變形在整整個工件件范圍內(nèi)內(nèi)發(fā)生，分分散了整整個工件件的集中中變形，縮縮小了減減薄量，從從而使變變形趨于于穩(wěn)定。從從另一方方面來講講，雖然然成形速速率比傳傳統(tǒng)靜態(tài)態(tài)成形高高得多，但但是，高高速率成成形產(chǎn)生生的應(yīng)變變速率還還不足以以改變材材料的本本構(gòu)關(guān)系系（10021103 Vs1104/s）43。所以以，高速速率成形形過程中中，材料料的慣性性是導(dǎo)致致工件成成形性提提高決定定因素。同同時，工工件尺寸寸和形狀狀對高速速率成形形工件的的成形性性影響很很大，成成形性提提高很大大程度上上取決于于試樣的的尺寸和和形狀53。 文文獻(xiàn)558從從力學(xué)角角度出發(fā)發(fā)，建立立了包括括電、磁磁、熱場場在內(nèi)的的多場耦耦合方程程組，對對電磁脹脹形過程程中的一一維All60661環(huán)頸頸縮現(xiàn)象象進(jìn)行了了研究，并并量化了了電磁成成形提高高極限變變形程度度（在本