大尺寸铝合金板件电磁成形设计与实现

摘要

节能、环保与安全是当今航空航天、汽车等领域的重要主题，而采用轻量化材料和技术可显著提高航空航天运载器的机动性能和承载能力，是实现这一目标的重要途径。其中，铝合金作为一种常见且易回收的轻量化材料，被公认是汽车轻量化的理想材料。但传统的加工工艺在加工大尺寸铝合金板件时并不理想。随着零件日趋大型化、整体化和高性能化，现有的加工技术难以适应这一发展需要。而电磁成形技术则是突破现有技术瓶颈的最有潜力的方法之一。
　　电磁成形（Electromagnetic forming，EMF）是利用洛伦兹力使金属材料快速变形的一类高速率加工方法，具有高应变率、非接触等特点，可以显著提高材料的成形极限，有效减少零件回弹，并抑制材料起皱。此外，电磁成形还具有单次加工成本低廉、成形过程无生态污染等特点，属于绿色制造。电磁成形技术的发展将是现有铝合金成形技术的重要补充，是突破大尺寸铝合金板件制造的新途径，是实现轻量化制造的有效手段。然而，传统电磁成形工艺由于存在电源能量低、磁场强度低、线圈强度不高、成形手段单一等缺点，其应用局限于小型构件的成形制造，无法满足大尺寸铝合金板件的成形需求。针对这一难题，本文拟重点开展大尺寸铝合金板件的成形力场设计、成形系统的研制及成形行为研究，力图突破现有电磁成形的技术瓶颈，提升电磁成形加工能力，实现大尺寸铝合金板件的有效成形。具体研究内容为：
　　电磁成形数值研究方面，在充分考虑工件位移、速度和变形对工件运动过程影响的基础上，建立了电磁成形过程中涉及的电路、磁场及结构场等多场耦合有限元模型，并基于多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对高速塑性变形过程中工件涡流、电磁力、速度及位移等关键物理量的变化特性进行了系统的数值分析。与现有的松散耦合和顺序耦合方法相比，该方法通过在电路方程和 Maxwell方程组中引入随位移变化的电感变量和动生电动势，真正意义上实现电磁成形过程中电磁场和结构场的全耦合，提高了高速、大变形过程中的求解精度，为文中成形力场和系统设计提供了有效手段。
　　电磁成形系统设计和研制方面，为突破现有电磁成形工艺的能力瓶颈，在电磁成形电源、成形线圈、成形力场的产生和调控方法三个方面展开了研究：（1）成形电源方面，通过采用模块化脉冲电容器电源技术，将电磁成形电源容量从50 kJ提升到了几个MJ；通过采用高功率晶闸管阀组，实现了对放电过程的精确控制；通过引入续流回路，改善了成形过程中的放电电流波形。（2）成形线圈方面，通过引入层间加固技术，采用高强度纤维分担线圈内部导体的应力，极大的增强了线圈结构强度，并进而提高了线圈的成形能力。同时，通过对绕线式和切割式两种工艺的改进，解决了大尺寸成形线圈难以加工的难题。（3）成形力场的产生与调控方面，通过引入多线圈多电源时序控制，在时间和空间上形成了更灵活的力场分布。
　　电磁成形实验方面，针对大尺寸铝合金板件提出了分步电磁成形方案，通过在多次成形工序中逐步降低线圈与工件间距来增大和改善工件电磁力分布，进而提高成形效率。在此基础上，研制了小型高强度成形线圈，对直径440 mm的1060铝合金板件进行了电磁整体成形实验研究，实验获得的工件贴模误差不超过1％，充分验证了该方案的可行性和有效性。进一步，针对目前大尺寸构件成形受压力机台面尺寸限制这一难题，提出了电磁压边、惯性约束方案来实现无压力机式电磁成形。为了验证该方案及样机的有效性，研制了电磁压边-成形一体化样机，初步完成了直径1380mm的5系铝合金板件的电磁整体成形，最大成形高度达160 mm，是目前有报道或文献可查的最大的电磁成形件，充分证明了电磁成形工艺在成形大尺寸铝合金板件上的巨大潜力。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 铝合金板件电磁成形的历史、现状和趋势

1.3 本文主要研究内容及章节安排

2 板件电磁成形过程的多物理场耦合数值模拟研究

2.1 引言

2.2 板件电磁成形过程有限元数值模型

2.3 成形过程的电磁-结构耦合有限元模型

2.4 平板电磁自由胀形过程的数值研究

2.5 工件表面电磁力的大小及变化规律

2.6 电磁成形中工件速度的影响

2.7 本章小结

3 大尺寸铝合金板件电磁成形实验系统设计

3.1 引言

3.2 电磁成形电源

3.3 电磁成形线圈

3.4 成形力场的产生与调控方法

3.5 大尺寸铝合金板件成形方案

3.6 本章小结

4 直径440 毫米铝合金板件电磁成形实验研究

4.1 成形系统设计

4.2 成形参数分析

4.3 成形实验研究

4.4 本章小结

5 直径1380毫米铝合金板件电磁成形实验研究

5.1 成形系统设计

5.2 成形参数分析

5.3 成形实验研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录I 作者在攻读博士学位期间发表的论文和专利

附录II 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目与工作