利用高速振動(dòng)降低零件回彈及蒙皮件制造
——電磁成形技術(shù)的新應(yīng)用

朱蓮萍，孫小峰，陳保國(guó)，杜志浩，崔曉輝,2b,2c

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324；2.中南大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.輕合金研究院；c.高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

在飛機(jī)零部件中，蒙皮類零件廣泛用于機(jī)身、尾段、機(jī)翼、壓力艙以及引擎艙等關(guān)鍵部位，是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的薄板件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架的包覆件。在飛機(jī)飛行過(guò)程中，蒙皮與氣流相接觸，將承受的空氣作用力傳遞到相連的機(jī)身和機(jī)翼骨架上，受力復(fù)雜，因此，蒙皮的成形質(zhì)量直接影響飛機(jī)的飛行性能和使用壽命，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)能力的重要體現(xiàn)。

拉伸成形是制造飛機(jī)蒙皮的主要工藝方法，簡(jiǎn)稱拉形。拉形的成形過(guò)程為：在數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)上，兩端鉗口施加拉力和彎矩，使板材緩緩貼合模具型面。在此之后，為減少成形后回彈，對(duì)板料繼續(xù)施加補(bǔ)拉。He 等[1]提出了多工步飛機(jī)蒙皮拉伸成形方法，將應(yīng)變分布法與有限元法相結(jié)合，確定了最小道次數(shù)和各道次的變形量，采用2B06 鋁合金板材的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多工步拉形具有較高的可靠性和較好的實(shí)用性。Peng 等[2]提出了拉形過(guò)程中夾緊的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方法和求解算法，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均表明了該方法可以有效實(shí)現(xiàn)曲面零件的高精度縱向拉伸。針對(duì)飛機(jī)平尾蒙皮零件，謝洪志等[3]將由飛機(jī)蒙皮拉形工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到的鉗口運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)入有限元軟件中，分析拉形后的減薄和貼模情況。實(shí)驗(yàn)得到零件無(wú)橘皮和無(wú)滑移線，但傳統(tǒng)拉形方法存在以下問(wèn)題：拉形設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，成形力卸載后零件產(chǎn)生較大的回彈。為了解決蒙皮成形的回彈問(wèn)題，柏玲磊等[4]提出了振動(dòng)輔助飛機(jī)蒙皮拉伸成形方法?；陲w機(jī)前緣蒙皮拉伸成形條件，給模具施加頻率為30 Hz、振幅為1.5 mm的振動(dòng)。研究表明，無(wú)振動(dòng)的最大回彈值為2.1 mm，施加振動(dòng)后最大回彈值為0.61 mm。因此，在拉伸成形過(guò)程中對(duì)零件施加振動(dòng)是提高飛機(jī)蒙皮成形質(zhì)量的有效途徑，但現(xiàn)有工藝降低回彈效果有限。

電磁脈沖成形是一種利用脈沖磁場(chǎng)力對(duì)金屬工件進(jìn)行高速加工的方法，工件的瞬態(tài)變形速度可達(dá)300 m/s 以上。研究表明，材料在高速?zèng)_擊下，能夠有效提高難變形材料的成形極限、降低回彈[5—6]。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的G.S.Daehn 教授團(tuán)隊(duì)最先采用電磁復(fù)合成形研究脈沖電磁力控制板料回彈[7—8]，他們針對(duì)V 形、L 形和U 形彎曲件，分別設(shè)計(jì)了電磁輔助彎曲系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著放電能量的增加，板料的回彈角逐漸減小，當(dāng)能量超過(guò)一定臨界值后，出現(xiàn)負(fù)回彈。Cui 等[9]建立了V 形彎曲件電磁校形的有限元模型，首次發(fā)現(xiàn)電磁線圈放電后板料會(huì)出現(xiàn)高速振動(dòng)效應(yīng)，并認(rèn)為高速振動(dòng)效應(yīng)是降低回彈的主因。具體機(jī)理為：振動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致彎曲處板料的內(nèi)外層反復(fù)出現(xiàn)拉伸-壓縮交替現(xiàn)象，最終使殘余應(yīng)力大幅度減小，回彈被減小甚至消除。Cui 等提出了在V 形板料彎曲角加載反向電磁力[10]和在L 形板料端部加載徑向電磁力[11]的新方法，研究發(fā)現(xiàn)，線圈放電后板料均出現(xiàn)了明顯的高速振動(dòng)效應(yīng)，振幅小于1 mm，并且放電電壓越大，板料振幅越大，回彈越小。

針對(duì)大型板材的電磁脈沖成形，Cui 等[12]基于漸進(jìn)成形的分層制造原理，在國(guó)際上首次提出了基于凹模電磁漸進(jìn)成形工藝。Li 等[13]進(jìn)行了大型鋁合金薄壁橢球零件的電磁漸進(jìn)成形研究，研究表明8 工步放電設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷成形。Su 等[14]采用數(shù)值仿真研究了線圈重疊率、線圈移動(dòng)軌跡和放電電壓組合對(duì)工件變形均勻性的影響，設(shè)計(jì)了5 層電磁漸進(jìn)成形方案，實(shí)現(xiàn)了球形薄壁件的制造。Cui 等[15]提出了基于凸模的電磁漸進(jìn)成形和拉形交替進(jìn)行的復(fù)合成形方法，實(shí)現(xiàn)了直徑為700 mm，高度為150 mm 的橢球形零件制造，在整個(gè)成形過(guò)程中，單次最大放電能量小于10 kJ。Cui 等[16]將基于凸模的電磁漸進(jìn)復(fù)合成形方法用于成形單曲率蒙皮件，每一層拉形高度為20 mm，每一層放電2 次，最終經(jīng)過(guò)5 次拉形和10次放電，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為750 mm、高度為100 mm 的蒙皮制造。由于零件的回彈是通過(guò)電磁力局部加載消除，不需要復(fù)雜拉形設(shè)備沿板料的切向施加拉力，抑制了零件減薄，同時(shí)降低了對(duì)裝備要求，但多次的拉形和放電成形交替進(jìn)行工藝使成形過(guò)程較為煩瑣。

文中提出帶彈性墊的蒙皮電磁漸進(jìn)成形新方法。在板料和模具之間設(shè)置彈性墊，首先采用沖壓工藝將板料和彈性墊包覆于模具上，再對(duì)板料局部放電，使材料在磁壓力和彈性墊的反彈力作用下出現(xiàn)高速振動(dòng)效應(yīng)，消除回彈。建立了有限元仿真模型，研究了有無(wú)彈性墊、線圈結(jié)構(gòu)和放電位置對(duì)蒙皮成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 無(wú)彈性墊的電磁成形結(jié)果

采用Abaqus/Explicite 軟件進(jìn)行板料的準(zhǔn)靜態(tài)沖壓模擬。在模擬過(guò)程中，板料為彈塑性變形體，單元類型為S4R。凸模、支撐板和壓板設(shè)定為剛性體，單元類型為R3D4。板料與凸模、支撐板和壓板的摩擦因數(shù)為0.2。板材采用AA3003-H14 鋁合金，尺寸為750 mm×125 mm×1 mm。為了考慮應(yīng)變率對(duì)材料變形的影響，文中采用Cowper-Symonds 模型，其方程見(jiàn)式（1）[16]。AA3003-H14 鋁合金的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變方程如式（2）所示，材料的屈服強(qiáng)度為157 MPa。圖1a 為凸模上升140 mm 后板料上的變形結(jié)果。為了使沖壓過(guò)程中的材料能夠自由流動(dòng)并避免板料破裂，壓板和支撐板之間的初始間距為2 mm。當(dāng)凸模上升140 mm 后，壓板再下降將板料加緊。圖1b 為成形后板料上的等效塑性應(yīng)變?？梢园l(fā)現(xiàn)塑性變形主要出現(xiàn)在板料兩端的彎曲區(qū)域，板料頂部與模具接觸區(qū)域幾乎沒(méi)有塑性變形。為了便于后續(xù)分析板料上的電磁力、應(yīng)變分布，以及對(duì)比模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇板料上的特殊路徑1，如圖1b 所示。

式中：σ為動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力；σs為準(zhǔn)靜態(tài)流動(dòng)應(yīng)力；ε為塑性應(yīng)變；為應(yīng)變速率；P和m為鋁合金的相關(guān)參數(shù)，P=6500 s-1，m=0.25。

將圖1a 的沖壓結(jié)果導(dǎo)入到ANSYS 有限元分析軟件，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。所采用的放電線圈為螺旋長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2a，其長(zhǎng)度為150 mm，寬度為60 mm，導(dǎo)線截面為2 mm×5 mm。7000 V 電壓下，實(shí)測(cè)得到通過(guò)線圈的脈沖電流曲線如圖2b 所示。線圈放電后，20 μs 時(shí)刻下板材上的電磁力分布情況如圖2c 所示。線圈中間對(duì)應(yīng)板料上的電磁力比線圈邊部對(duì)應(yīng)板料上的要小。路徑1 上的電磁力存在2 個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)線圈的兩側(cè)，分別為32.2 N 和31.5 N。

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)沖壓變形結(jié)果Fig.1 Quasi-static stamping results

圖2 電磁場(chǎng)分析Fig.2 Electromagnetic field analysis

在電磁場(chǎng)模擬中，板料為實(shí)體單元；在變形場(chǎng)和回彈分析中，板料為殼單元。文獻(xiàn)[10,17]給出了如何將實(shí)體單元的電磁力轉(zhuǎn)化到殼單元的方法。線圈在圖2c 的位置放電后，板料上的等效塑性應(yīng)變分布如圖3a 所示。與圖1b 相比，線圈放電后板料上的塑性應(yīng)變幾乎沒(méi)有增加。與模具貼合的板料區(qū)域依舊無(wú)明顯塑性變形，這說(shuō)明板料主要發(fā)生的是彈性變形。因此，采用無(wú)彈性墊的成形方法，板料的回彈很大，如圖3b 所示。

圖3 不帶彈性墊的線圈放電后結(jié)果Fig.3 Forming results of the coil without elastic pad

2 帶彈性墊的電磁成形結(jié)果

為了使板料在電磁力作用下能發(fā)生塑性變形，在板料和模具之間加彈性墊。彈性墊采用黑色橡膠，尺寸為560 mm×280 mm×10 mm，其密度為1000 kg/m3，彈性模量為 8.03 MPa，泊松比為 0.49。凸模上升140 mm、線圈放電7000 V 后，板料上的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4a 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)正對(duì)線圈的板料區(qū)域出現(xiàn)了明顯的塑性變形，但是線圈放電后，板料上會(huì)產(chǎn)生1.5 mm 的鼓包。線圈中部對(duì)應(yīng)板料的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為4910。4910 節(jié)點(diǎn)位移和速度與時(shí)間的變形曲線如圖4b 所示。在成形過(guò)程中4910 節(jié)點(diǎn)的速度和位移均出現(xiàn)了明顯的振蕩。4910 節(jié)點(diǎn)沿著z軸方向產(chǎn)生了一個(gè)最大1.43 mm 的波動(dòng)，并在最終形成了一個(gè)高度為1.5 mm 的鼓包。鼓包的出現(xiàn)使板料表面不光滑，成形質(zhì)量差。

圖4 帶彈性墊線圈放電結(jié)果Fig.4 Discharge results of coil with elastic pad

為了降低板料的鼓包高度，提出了帶屏蔽的電磁成形方法。用尺寸為200 mm×40 mm×1 mm 的304 不銹鋼遮住線圈的半邊，如圖5a 所示。圖5b 為屏蔽半邊線圈后板料上的電磁力分布。由于304 不銹鋼的電阻遠(yuǎn)大于鋁板，被屏蔽線圈部分對(duì)應(yīng)板料上的電磁力被大幅度降低。

圖5 電磁屏蔽后的電磁力分析結(jié)果Fig.5 Magnetic field force analysis results after electromagnetic shielding

圖6a 為屏蔽半邊線圈放電后，節(jié)點(diǎn)4910 的位移與速度隨時(shí)間的變化。節(jié)點(diǎn)4910 的速度和位移發(fā)生明顯振蕩，節(jié)點(diǎn) 4910 位移發(fā)生的最大波動(dòng)僅為0.155 mm，而且變形結(jié)束后節(jié)點(diǎn)4910 的高度僅為0.13mm。與圖4b 相比，對(duì)線圈半邊屏蔽后板料上的最大凸起降低了近90%，并且成形后板料上無(wú)明顯鼓包，表面光滑。圖6b 為節(jié)點(diǎn)4910 的應(yīng)力和應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。應(yīng)力隨時(shí)間先增大，后快速衰減。變形終了時(shí)，節(jié)點(diǎn)4910 的應(yīng)力為25 MPa，并且放電后，節(jié)點(diǎn)4910 的等效塑性應(yīng)變明顯增加。因此，采用帶彈性墊的電磁成形方法，板料在電磁力和彈性的作用下會(huì)出現(xiàn)高速振動(dòng)，有利于降低材料內(nèi)部應(yīng)力，使材料的塑性應(yīng)變?cè)黾?，從而抑制零件回彈?/p>

圖6 節(jié)點(diǎn)4910 的變形結(jié)果Fig.6 Deformation results of node 4910

在圖5b 的線圈放電位置再次放電7000 V，可以發(fā)現(xiàn)板料上的等效塑性應(yīng)變整體增加，如圖7a 所示。其中第1 次放電后板料最大塑性應(yīng)變?yōu)?.0052，第2次放電后為0.0056。板料上的塑性變形越大，回彈會(huì)越低。提取線圈放電所對(duì)應(yīng)的板料變形區(qū)域，可以看到板料表面光滑，無(wú)明顯鼓包，這說(shuō)明電磁屏蔽手段能有效解決板料變形不均勻的問(wèn)題。

圖7 放電次數(shù)對(duì)成形的影響Fig.7 Influence of discharge times on forming results

圖8a 為線圈在板料上的6 個(gè)放電位置，每個(gè)位置連續(xù)放電2 次。圖8b 為板料的最終回彈結(jié)果。由于線圈放電后，均會(huì)使線圈正對(duì)的板料區(qū)域發(fā)生明顯的塑性變形，而塑性應(yīng)變的增加必然導(dǎo)致板料回彈大幅度降低。與圖3b 相比，多次放電后板料的回彈明顯降低，并且零件的表面光滑。

圖8 多次放電后板料變形結(jié)果Fig.8 Deformation results of sheet metal after multiple discharge

3 電磁成形結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，采用帶有彈性墊的電磁屏蔽放電方法，對(duì)板料進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)研究。圖9a 為成形裝置，主要由板料、線圈、橡膠墊、凸模組成。所采用的電磁成形機(jī)最大儲(chǔ)能達(dá)到200 kJ，額定電壓為25 kV，電容量為640 μF。放電電路中的電流可以用Rogowski線圈測(cè)量并顯示在示波器上。放電線圈吊裝在壓機(jī)上，并且可以沿著板材移動(dòng)。圖9b 為準(zhǔn)靜態(tài)沖壓和線圈多次放電后板料的回彈結(jié)果。結(jié)果表明多次放電后板料的回彈被明顯抑制。圖9c 為實(shí)驗(yàn)和模擬得到回彈后板料上的輪廓曲線，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致，證明了文中模擬的正確性。

圖9 多次放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Multiple discharge experiment results

4 結(jié)論

1）提出了帶彈性墊的蒙皮件電磁漸進(jìn)成形新方法，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明新方法在大尺寸蒙皮件制造中能明顯降低回彈。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真結(jié)果具有較高的分析精度。

2）在無(wú)彈性墊的條件下對(duì)板料進(jìn)行沖擊，板料上的塑性應(yīng)變幾乎沒(méi)有變化。如果在模具和板料之間加入彈性墊，板料會(huì)在電磁力和彈性墊反彈力作用下出現(xiàn)高速振動(dòng)現(xiàn)象，材料的塑性應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力減小。

3）采用電磁屏蔽方法調(diào)整板料上的電磁力分布，消除了板料上的鼓包。當(dāng)線圈在6 個(gè)位置多次放電后，板料回彈明顯減低，零件表面光滑。