基于强脉冲电磁力驱动的高强度不锈钢板件成形技术研究

摘要

高强度不锈钢板件因具有良好的耐腐蚀性能和力学性能而在汽车、船舶等领域得到了广泛应用，是实现运载工具轻量化、提升运载性能的的一种重要金属构件。但其在传统准静态冲压工艺下存在成形性能差，普遍存在回弹大、易开裂等特征。电磁成形技术是一种高速率成形方法，能显著提高金属成形极限，被认为是解决传统冲压成形问题最有效的方法之一。然而，由于不锈钢板件导电性能差，其在传统电磁成形方式下，由于内部所感应产生的涡流较小而使得电磁力不足以使得工件发生足够大的变形，且存在工件与凹模型腔贴模差的问题。为此，本文提出一种基于强脉冲电磁力驱动的高强度不锈钢板件成形技术，并采用脉冲强磁体技术设计高强度成形线圈从而显著提高线圈的机械强度。该技术使用电导率高的铜板或者铝板作为驱动板，使其能够产生足够大的强脉冲电磁力驱动凸模（冲头）向下运动而迫使不锈钢钢板成形。该技术利用电磁成形高速率成形的优势同时又结合了传统冲压成形贴模性好的特点，从而能够显著提高工件的成形质量。在此基础上，以316L不锈钢材料作为研究对象，系统地开展了相关的成形方案设计、成形过程多物理场分析、实验系统平台搭建以及成形实验研究。
　　成形方案设计方面，通过对比不锈钢板传统电磁成形技术，基于强脉冲电磁力驱动成形技术不仅可以有效提高成形深度，而且可以解决与凹模侧壁贴模性差的问题，并提出采用多次放电的方案。
　　成形过程多物理场分析方面，对基于强脉冲电磁力驱动不锈钢板驱动成形中的电场、磁场、温度场、结构场等多物理场耦合过程进行分析。借助有限元软件COMSOL来仿真分析线圈的热阻效应、涡流效应、驱动板的运动位移以及运动速度对工件成形的影响。仿真结果表明线圈的热阻效应对工件成形的影响微乎其微，可以忽略不计；涡流效应导致线圈电流峰值有所减小，时间常数减小，然而对工件成形有较小的阻碍作用；驱动板运动位移以及运动速度也均是起阻碍作用，且与涡流效应相比，两者对线圈放电电流以及工件成形的影响更为明显。
　　实验系统平台搭建方面，为确保驱动成形能产生足够的电磁力，结合实验室现有条件和脉冲强磁体设计思路分别对电源系统、成形线圈进行了分析设计，且按照传统冲压成形中模具的设计思路设计了模具，均满足驱动成形系统的要求。
　　成形实验研究方面，在搭建的成形平台系统基础上开展了一系列的实验研究。通过单次放电实验研究压边力、放电电压、放电电容、凸模质量以及驱动板厚度对工件成形的影响。研究发现压边力过小时工件容易起皱，而压边力过大时工件压的过死不易成形，因此压边力存在一个最优值；成形随放电电压增加而增加，但放电电压会受到成形线圈强度和电源系统的限制，因此最好采用多次放电成形方法；当驱动板厚度均大于集肤深度且放电电压不变时，放电电容不仅仅影响放电电流和驱动板所受电磁力的幅值，还影响其脉宽，放电电容越大，幅值和脉宽也越大，成形也越好；线圈的放电电流和驱动板所受电磁力随凸模的质量增加而增加，但影响不大，而驱动板的速度和动能随凸模的质量增加而减小，且效果很明显；当驱动板厚度很薄或者很厚时，工件成形效果不好，很薄是因为驱动板厚度小于集肤深度，磁场穿透了驱动板，磁场利用率不高，而很厚是因为驱动板质量增加，其速度和动能都会减小。

目录

声明

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 电磁成形的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 基于强脉冲电磁力驱动成形过程的多物理场分析

2.1 等效电路分析

2.2 磁场分析

2.3 结构场有限元分析

2.4 温度场有限元分析

2.5 基于强脉冲电磁力驱动成形的有限元仿真模型的建立

3 成形实验平台系统设计

3.1 成形电源系统

3.2 成形线圈设计

3.3 成形模具设计

4 实验研究

4.1 单次放电实验研究

4.2 多次放电实验研究

4.3 强脉冲电磁力驱动成形与传统电磁成形的比较

5 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献