基于集磁器的鋁合金管件的電磁縮徑研究

王哲峰，劉春宇，高鐵軍

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136)

隨著社會的發(fā)展和節(jié)能減排的要求，汽車、高鐵、飛機的結構輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要研究領域。鋁、鎂合金由于其密度低，成為優(yōu)異的輕量化材料。電磁成形(EMF)是一種非接觸成形技術，它是利用脈沖磁場的瞬間高壓使工件成形，尤其適用于導電率高的鋁、鎂合金，其具有加工精度高、加工能量可以準確控制、工件回彈小等優(yōu)點[1]。目前，對于管件的電磁成形的研究已經(jīng)很多，由于電磁成形時管坯變形分布均勻，變形硬化不顯著，因此材料的成形性得以提高。與靜態(tài)的沖壓相比，電磁成形方法可以提高脹形系30%～70%。宋福民[2]主要研究線圈與工件的軸向相對位置對磁脈沖力分布的影響，結果顯示管件受到磁脈沖力變形時，其變形模式(方式)與準靜態(tài)塑性變形不同，通過改變線圈和管件的軸向位置可以改變管件的變形形狀；Hosseiz等[3]用ABAQUS/Explicit對AA6061-T6鋁合金管件電磁縮徑進行了實驗研究和結構場的數(shù)值模擬分析，對不同放電電壓下管件變形位移數(shù)據(jù)和厚度變化量進行分析整理，結果表明，放電電壓、線圈參數(shù)等工藝參數(shù)對鋁管的有?？s徑成形有較大影響;文獻[4]歸納了現(xiàn)有的電磁成形模擬方法及各自的特點，討論了模擬中存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)。應用FEM軟件ANSYS對鋁合金管件電磁縮徑成形進行了數(shù)值模擬，研究了管件均勻縮徑變形規(guī)律；Bahmani M A[5]等人利用有限元軟件Ansoft Maxwell分析了電磁成形中集磁器的使用對磁場的分布影響；Peyman DB等[6]分析了管件厚度和集磁器幾何形狀對整個放電系統(tǒng)的影響；Ehsan等[7]研究了不同種類的集磁器，并分析了這幾種集磁器的工作效率，其研究方法也適用于脹形集磁器的設計研究；文獻[8]運用了電學、磁學和機械理論建立了一種計算成本低、純解析的多匝軸對稱線圈集磁器模型來預測電磁管壓縮過程中的磁壓力和速度并進行相應的實驗研究，結果表明該分析模型具有一定的指導意義；何文治等[9]對管件電磁成形的影響因素和工藝參數(shù)進行了研究，建立了電磁場和結構場的耦合模型，仿真結果與實驗結果吻合較好；文獻[10]對管件的電磁力分布特性研究表明，細管較粗管成形困難，軸向電磁力在管端最大，忽略軸向電磁力會導致終態(tài)變形分析值小于實際值；H Yu等[11]從工件受到的磁壓力的角度分析了集磁器對電磁縮徑成形過程的影響，并利用ANSYS軟件對集磁器的參數(shù)進行對比，得出集磁器的工作表面越長，工件的受力表面也越長，管件受到的磁壓力越?。魂悩渚萚12]對用于磁脈沖連接的非對稱集磁器進行理論和模擬仿真，優(yōu)化了集磁器結構參數(shù),并且確定了集磁器的幾何參數(shù)。

1 有限元模擬仿真

管件變形較小時，放電回路參數(shù)發(fā)生變化較小，即忽略管件幾何形狀變化對磁場變化的影響，不會降低計算精度，所以采用松散耦合法。首先進行電磁成形過程的電磁場模擬，獲得相關電磁場參數(shù)，然后將電磁場參數(shù)耦合到被加工管件上，最后計算求得工件變形。松散耦合法考慮了磁場力的端部效應和管件全場的時域特性[13]。

1.1 電磁場仿真

圖1a為基于帶槽錐度集磁器的電磁管件縮徑幾何模型的示意圖，通過瞬態(tài)求解方法可以分析放電電壓U，帶槽集磁器的螺旋槽數(shù)N、集磁器錐度α對鋁合金管件受力大小的影響。表1為電磁場仿真中鋁合金管件相應尺寸及其材料參數(shù)，實驗用的電感線圈由截面為4 mm×2 mm的紫銅玻包線密繞而成，豎排纏繞在集磁器的螺旋槽中?？紤]到網(wǎng)格靈敏度，管件選擇單元長度為0.25 mm進行網(wǎng)格劃分，線圈、集磁器和空氣域選擇默認四面體網(wǎng)格劃分，可以看到線圈，管件和集磁器的網(wǎng)格模型如圖1b所示。如圖2所示,示波器實測的工作電流載荷作為電磁場的激勵源。由于管件變形的能量主要是由磁壓力第一個半波給的，當?shù)谝粋€半波之后，管件感應產(chǎn)生的電磁力對成形的作用很小[14]，故只加載如圖2所示電流的第一個半波。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

表1 3003鋁合金管件尺寸及其參數(shù)

圖2 6 500 V電壓下工作電流波形

1.2 結構場仿真

對電磁成形過程的結構場進行建模，將相關電磁場參數(shù)作為激勵條件導入到結構場，對鋁合金管件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元長度為0.25 mm。管坯材料為3003鋁合金，材料物理性能如表2所示。電磁成形與傳統(tǒng)成形方法相比，其速度更快，材料的應變速率對成形效果影響很大，故采用Cowper-Symonds本構模型來描述應變速率的影響，應力-應變表達式

(1)

其中，σy為準靜態(tài)流動應力，ε為塑性應變率/s-1,p，m為材料常數(shù)，對于3003鋁合金p=6 500 s-1，m=0.25。如上述所說，將第一個半波周期下管件所受的磁壓力導入結構場中，研究其管件變形情況。圖3為6 500 V電壓下，25 mm管件變形云圖。

圖3 6 500 V電壓下鋁合金管件變形云圖

2 實驗過程

如圖4所示，實驗設備由6個電容量為600 μF的電容組成，放電能量可達30 kJ,實驗時最高充電電壓可達到12 000 V。此外，根據(jù)管件電磁縮徑的成形特點，主要表現(xiàn)為沿徑向壓縮變形，其軸向變形很小，因此采用軸向定位為主的工裝方法。管件應放置在帶槽集磁器內(nèi)臺階里面，然后線圈纏繞集磁器的凹槽中，在帶槽集磁器兩端分別擰上一個端蓋，使工件緊固，防止工件由于軸向力可能從線圈中彈射出，并用夾具固定住集磁器以完成安裝。為了加工和安裝方便取集磁器內(nèi)徑為d=10 mm、集磁器外徑D=50 mm、內(nèi)外徑比D/d=5、內(nèi)臺肩高度h=4 mm。圖5為不同長度下成形的鋁合金管件，表3為不同管件長度下的徑向最大減徑量。

表2 3003鋁合金物理性能

圖4 管件電磁縮徑實驗工裝及成形設備

圖5 不同長度下成形的鋁合金管件

表3 不同管件長度下鋁合金管件的最大減徑量mm

3 結果與討論

3.1 電壓對成形性能的影響

圖6a顯示了各種放電電壓下作用在管件表面的磁壓力分布情況，從圖6a可以看出，所獲得的磁壓分布幾乎相似，但是可以通過增大電壓來增加磁壓。因此，如圖6b所示，對于帶槽集磁器，最大徑向位移發(fā)生在7 000 V的電壓下。電壓在7 500 V時，管件失穩(wěn)。由電容器儲能公式

(2)

可知，隨著電壓的增大電容器儲存的能量呈平方增加；放電時由歐姆定律和畢奧薩伐爾定律知，若電壓增加，電流增加，磁感應強度增加，導致作用在管件的磁壓力增加。

3.2 螺旋槽數(shù)對成形性能影響

圖7a顯示了在各種集磁器螺旋槽數(shù)下的管件磁壓力的分布情況，可以看出，不同螺旋槽數(shù)下的磁壓力分布情況相差較大，當N=6時，管件的磁壓力最大。圖7b顯示了不同螺旋槽數(shù)下的管件最大變形量，隨著集磁器螺旋槽N增大，鋁合金管件的最大減徑量呈先增大后減小的趨勢。這是由于當螺旋槽數(shù)N小于某一值時，即線圈匝數(shù)變小時，線圈產(chǎn)生的自感系數(shù)很低，磁壓力減小，成形效率很低。當螺旋槽數(shù)大于這一值時，線圈電感迅速上升，感抗增加，頻率減小，導致趨膚深度增大阻礙了系統(tǒng)的放電，磁壓力減少，同時放電周期變長，變形能量利用率降低[15]。

3.3 集磁器錐度對成形性能影響

圖8a顯示了在各種集磁器錐度下作用在管件表面上的磁壓力分布情況?？梢钥闯觯牌鞲鞣N錐度下磁壓力分布的形狀大致相似，并且在錐度為25°時，磁壓力和徑向位移達到最大。如圖8b所示，隨著集磁器的錐度α變大，鋁合金管件的最大減徑量呈減小趨勢。這是由于在脈沖磁場中鐵磁性金屬的功率損耗主要是有渦流損耗Pe和磁滯損耗Ph組成。集磁器的材料一般為純銅，其功率損耗的主要來源為渦流損耗Pe，而渦流損耗Pe主要與集磁器的體積有關，集磁器的體積越大，其功率損耗越嚴重。在其他條件不變的前提下，集磁器的錐度越大，即總高度越高，所以增大集磁器高度使其體積變大，渦流損耗增加，集磁器的工作效率降低，導致管件成形性能降低。

圖6 不同電壓下管件的磁壓力和最大減徑量

圖7 不同螺旋槽數(shù)下管件磁壓力和最大減徑量

圖8 不同錐度下管件的磁壓力和最大減徑量

根據(jù)表3可以得出，不同管件長度下實驗和仿真得出的鋁合金管件徑向最大變形量相差不超過20%，這說明利用模擬仿真得出帶槽集磁器與管件成形性能的關系是可信的。相同管件長度下仿真得出的鋁合金管件最大減徑量更大，這是因為在理想狀態(tài)下，模擬仿真過程忽略了集磁器磁滯損耗的作用和鋁合金管件本身變形引起的局部空間磁感線的變化。

4 結論

(1)放電電壓主要影響電容器儲存的能量，而電容量影響作用于管件上的徑向電磁力的作用時間，電壓越大，能量利用率越高，管件徑向減徑量越大；

(2)集磁器螺旋槽數(shù)對線圈的電感有很大影響，合適的選取集磁器螺旋槽數(shù)N可使管件所受磁壓力達到最大，從而使徑向減徑量達到最大；

(3)集磁器錐度對渦流損耗Pe有較大影響，其錐度α越大，渦流損耗Pe越大，最大減徑量越小。