文档介绍：电磁成形技术理论研究进展
作者:哈尔滨工业大学李春峰于海平
摘要:电磁成形是应用广泛高速率成形技术之一,随着电磁成形工艺应用的发展,越来越需要完善的理论研究来指导和检验电磁成形系统及工艺设计、预测工件最终形状。介绍了国内外电磁成形理论研究概况及进展,总结了研究成果和特点,讨论了电磁成形中高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素。最后电磁成形理论研究的发展趋势进行了展望。
关键词:电磁成形;理论研究;数值模拟;成形性
1 前言
电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。因为在成形过程中载荷以脉冲的方式作用于毛坯,因此又称为磁脉冲成形[1]。电磁成形理论研究主要包括磁场力分析和磁场力作用下工件的变形分析[2],以及高速率条件下材料成形性的研究等。电磁成形过程涉及电动力学、电磁学、塑性动力学、热力学以及应力波理论等多学科的内容,由于多学科交叉的复杂性及多种高度非线性,使电磁成形理论研究变得非常复杂。
随着汽车、航空航天等制造业结构轻量化的发展趋势,高强度低成形性材料(如钛、铝、镁合金等)应用日益增加。由于电磁成形可以提高难成形材料的成形性并减小工件回弹,因此,可以克服这些材料的成形困难,促进其在轻量化结构中的应用[3]。虽然从原理上讲,电磁成形技术可以用于加工这些难成形材料的复杂形状工件,然而,这需要设计复杂的成形系统来控制磁场和作用于工件上的磁场力在空间上的瞬时分布。这种系统复杂性使电磁成形工艺以往只局限于加工轴对称形状的工件[4]。为了解决这一问题、进一步推广电磁成形工艺应用,广大学者对电磁成形技术进行了逐渐深入的理论研究。
本文以电磁成形理论研究的发展过程为序,分阶段总结了国内外理论研究的概况及进展,归纳了各阶段理论研究的成果和特点,讨论了高速率变形条件下材料成形性提高的决定因素,最后展望了电磁成形理论研究的发展趋势。
2 理论研究概况
电磁成形理论研究得比较多的是美国、俄罗斯、日本、德国、加拿大和中国等国家。根据内容和方法的不同,可以把电磁成形理论研究分为四个部分:等效RLC回路研究、有限元计算研究、通用软件耦合场数值模拟研究和高速率电磁成形材料成形性研究。上述四部分不是相对孤立的,后面的研究内容通常以前面的研究结果为基础,有时甚至是交叉进行的。
等效RLC回路研究
等效RLC回路研究就是把电磁成形系统的二次或更高次回路等效为一次RLC回路[5],由此用一个RLC响应近似表示成形线圈的放电电压和放电电流,从而简化了磁场力和工件变形的研究。磁场力分析实际上是电磁成形系统的电路与磁路分析。放电回路包括电磁成形设备和成形线圈—毛坯构成的感应系统。成形系统参数的相互依赖性是模拟电磁成形过程最大的困难[6]。在放电回路中,毛坯的形状发生变化,放电回路的参数将随之改变,进而使放电电流峰值与频率均不符合由简单的RLC等效电路计算的结果[7]。只有当毛坯变形程度较小时,才可近似采用简单的RLC等效回路进行计算。G. K. Lai和M. J. Hillier[8]应用电动力学对管件电磁胀形进行了研究,结果表明,系统电感随管坯的径向位移增大而增大,而系统电阻则相反。随时间变化的压力波、电感和电阻如图1所示[8]。
图1放电过程磁压力及系统电参数的时域特性[8]
(a)磁压力脉冲;(b)放电回路电感;(c) 放电回路电阻
但是,实际上工件的成形能量主要是由磁脉冲压力的第一波给予的[4]。因为本身能量降低以及线圈和工件之间的间隙随着工件变形增大而增加,后继的波传递给工件的能量减少,不足以使工件产生继续变形。由图1分析可知,虽然工件开始变形以后,系统的电感和电阻都发生了变化,但是,在实际上在第一波的时间内,工件可能只发生了些微的变形,系统电感和电阻的变化主要发生在工件发生大变形之后,因此,在采用RLC等效电路法研究电磁成形磁场、磁场力变化时,在可以忽略端部效应的情况下,系统电参数的变化可以忽略不计,不会影响理论分析和数值计算的精度。1990年,张守彬[9]采用等效电路法分析了管坯胀形的放电过程,并在此基础上研究了脉冲磁场力作用下的刚塑性管坯的变形过程。
有限元计算研究
近年来,随着计算能力的迅速提高,研究人员已开始用功能强大的算法和计算机来计算复杂的成形过程[10]。有限元方法的引入更促进了电磁成形理论研究的迅速发展。
1984年,铃木秀雄[11]等人用有限元方法分析了磁脉冲压力作孟鹿芘鞯恼托喂蹋醚芯坎煌晟疲治鼋峁胧笛榻峁幌喾稀akatsu [12]和Gourdin [13]研究了随材料变形而发生的磁场的演变过程。Gourdin通过胀环实验研究了高应变速率条件下材料的流动应力,Takatsu在此基础上又进一步考虑了磁损失的影响,较准确地模拟了板料电磁成形过程。D