多时空脉冲强磁场金属板材电磁成形研究

摘要

随着科技的更新换代，传统板材成形工艺在成形质量和制造成本控制方面面临着越来越多的挑战，尤其是在航空、航天等极端制造领域。该领域要求进行许多大尺寸、薄壁、复杂曲面板材零件的成形制造。制造过程中显著增长的制造成本和愈发难以有效控制的成形质量，挑战着传统制造业的能力极限。
　　众多研究表明，与传统准静态成形技术相比，电磁成形作为一种以脉冲电磁力作为驱动力的高能率、高速率成形技术，具有增强成形柔性、提高材料成形极限、抑制起皱、减小回弹、有效降低成本等巨大优势，是解决上述问题最具潜力的技术之一。然而，一方面，由于电磁成形物理过程高度的复杂性，该技术目前仍缺乏有效的设计准则；另一方面，由于电磁成形过程中极高的电磁与机械载荷，工艺的实施对设备提出了较高的要求。这两方面的原因使得现有的电磁成形技术仍局限于单机设备、低能量密度的加工模式，调控能力差，难以满足对金属板材全局区域高速塑性变形行为的有效控制，制约了其在金属流动剧烈的复杂形状件以及大型壳体件成形中的应用和发展。
　　针对上述技术瓶颈，本文提出了多时空脉冲强磁场金属板材电磁成形方法：在方法层面，通过多级（时间维度）、多向（空间维度）脉冲电磁力的加载实现工件变形行为的灵活调控，进而实现对成形质量的精确控制；在技术层面，基于脉冲强磁场高场磁体、高能电源及多级时序控制技术，实现高性能多线圈-多电源电磁成形装备的研发，最终实现多级多向成形力场的加载和调控。基于该方法，本文以实现铝合金复杂/大型壳体件成形制造技术的突破为目标，围绕多级多向脉冲强磁场作用下成形力场的设计与实现、金属材料流动规律与调控以及成形性能分析等方面开展了较为系统而深入的研究。
　　首先，建立了电磁成形电路-磁场-结构场数值耦合模型。该模型是分析多时空脉冲强磁场作用下工件复杂动态变形行为，进而实现电磁成形系统优化设计的基础。本文基于等效电路方法编写了电路-磁场耦合计算程序，通过编写数据接口，实现了电磁模型与结构有限元模型的顺序耦合。与大多数基于有限元法的电磁模型相比，该模型不需要进行空气网格的更新，一方面，有效降低了计算成本；另一方面，极大地方便了耦合模型中结构场复杂边界条件的处理。这使得模型能够更高效、更精确地模拟包括工件-模具高速碰撞在内的复杂变形行为。
　　其次，针对目前电磁成形因成形力场空间分布形式单一，而无法用于复杂板件成形这一现状，提出了基于双级线圈-电源系统的轴-径双向加载电磁成形方法。该方法在传统轴向单向加载电磁成形方法的基础上，在金属板件法兰区域引入了独立可控的径向内推电磁力，有效地促进了法兰区域径向流动，从而在现有胀形变形模式的基础上引入了拉深变形模式。本文通过理论分析、实验研究和数值模拟，验证了该方法的有效性，证明了该方法在调节工件变形行为方面巨大的灵活性，并揭示了轴-径双向脉冲电磁力对工件变形行为的调控机理。
　　最后，针对目前电磁成形因装备成形能力受限等局限，而难以用于大型板件成形这一研究现状，提出了一种集成形、压边、工装于一体的大型板件的轻量化、柔性化整体电磁成形方法，并以直径1378mm的铝合金椭球面壳体件的整体成形为例，说明了该方法的装置研制与实现过程。研制过程中，充分利用了本文建立的数值模型，进行了系统的优化，实现了对工件变形行为的最优控制。该成形装置具有高度轻量化的特点，特征尺寸为1840mm，仅为带成形板件的1.34倍，远小于加工同等类型尺寸板材零件的传统准静态成形设备。基于该装置，进行了直径1378mm，厚度3.945mm铝合金板件的整体电磁成形实验，该板件具有小于0.3％的厚径比（厚度与直径之比），极其容易发生起皱，采用传统方式很难加工。实验结果表明，该方法实现了良好的成形质量，椭球面区域无起皱，最大减薄量在9.5%以内，工件与模具最大偏差在4.2mm以内，充分证明了该方法在大型板件整体成形质量控制方面的巨大优势，为航空航天领域高性能轻合金大型结构件的整体成形制造提供了一种新途径。

目录

声明

1 绪 论

1.1 前言

1.2 电磁成形概述

1.3 板材电磁成形工艺研究现状

1.4 基于脉冲强磁场技术的电磁成形装备研究现状

1.5 电磁成形数值模拟研究现状

1.6 本文研究意义与章节安排

2 电路-磁场-结构耦合数值建模

2.1 引言

2.2 电路-磁场-结构耦合流程图

2.3 基于等效电路法的电磁建模

2.4 基于有限元法的结构建模

2.5 模型验证

2.6 本章小结

3 轴-径双向加载电磁成形：原理、设计与实现

3.1 基本原理

3.2 理论分析

3.3 实验装置

3.4 实验结果

3.5 本章小结

4 轴-径双向加载电磁成形：塑性变形行为研究

4.1 实验设计

4.2 数值模型

4.3 工件变形形貌分析

4.4 电磁时空分布分析

4.5 塑性变形行为分析

4.6 本章小结

5 大型板件的整体电磁成形：原理、设计与实现

5.1 引言

5.2 总体成形方案

5.3 数值模型

5.4 高性能成形线圈系统的设计与实现

5.5 柔性电磁压边系统的设计与实现

5.6 成形线圈惯性约束的设计与实现

5.7 真空系统的实现与初步实验

5.8 本章小结

6 大型板件的整体电磁成形：成形质量分析

6.1 实验设置与测量

6.2 成形板件整体形貌

6.3 板件轮廓精度分析

6.4 板件壁厚分析

6.5 材料径向流动分析

6.6 讨论

6.7 本章小结

7 全文总结

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间授权专利

附录3 攻读博士学位期间参与的课题研究情况