電磁成形現(xiàn)狀及發(fā)展【摘要】電磁成形工藝是一種新興的高能率成形技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。本文介紹了電磁成形在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及電磁成形在管材成形、平板件成形等方面的應(yīng)用，并闡述了怎樣用有限元方法精確求解電磁成形過(guò)程。最后提出了電磁成形存在問(wèn)題及解決辦法，展望了電磁成形的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電磁成形；管材成形；平板件成形；有限元方法前言電磁成形工藝是一種新興的高能率成形技術(shù)，是利用瞬間的高壓脈沖磁場(chǎng)迫使坯料在沖擊電磁力作用下，高速成形的一種成形方法。電磁成形屬于高能（高速率）成形技術(shù)，高能（高速率）成形技術(shù)種類很多，但是電磁成形排除了爆炸成形的危險(xiǎn)性，較之電液成形更方便[1][2]。從20世紀(jì)50年代末，電磁成形在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展起來(lái)，成為金屬塑性加工的一種新的工藝方法，深受各工業(yè)國(guó)的高度重視?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車工業(yè)、輕化工及儀器儀表、航空航天、兵器工業(yè)等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。電磁成形可廣泛應(yīng)用于平板成形、板材沖裁、沖孔、管材電磁脹形和縮徑、翻邊和連接、壓印和成形、多工序復(fù)合成形、組裝件的裝配、粉末壓實(shí)、電磁鉚接、電磁焊接及放射性物質(zhì)的封存等，對(duì)一些特殊零件是優(yōu)先選用的成形方法。如大型構(gòu)件的精密校形、膜片無(wú)毛刺沖裁、復(fù)雜外形管件加工、導(dǎo)彈卡箍成形、儀器艙校形、飛機(jī)透平發(fā)動(dòng)機(jī)艙成形⑶、扭矩軸及連桿裝配；汽車空氣調(diào)節(jié)儲(chǔ)存器、熱交換器、萬(wàn)向接頭架、凸輪、齒輪等與驅(qū)動(dòng)軸或萬(wàn)向軸管的連接；熔斷器、絕緣器等電子元件的裝配；核工業(yè)中燃料棒的成形、核廢料容器的密封；電磁鉚接已被泛用于波音737、747、767；而電磁粉末壓制為電磁成形技術(shù)在功能陶瓷行業(yè)、敏感元件和傳感器行業(yè)又開辟了廣闊的應(yīng)用前景。電磁成形是利用磁場(chǎng)力使金屬坯料變形的高速率成形方法。因?yàn)樵诔尚芜^(guò)程中載荷以脈沖的方式作用于毛坯，因此又稱為磁脈沖成形。電磁成形理論研究主要包括磁場(chǎng)力分析和磁場(chǎng)力作用下工件的變形分析，以及高速率條件下材料成形性的研究等。電磁成形過(guò)程涉及電動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、塑性動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及應(yīng)力波理論等多學(xué)科的內(nèi)容，由于多學(xué)科交叉的復(fù)雜性及多種高度非線性，使電磁成形理論研究變得非常復(fù)雜。隨著汽車、航空航天等制造業(yè)結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，高強(qiáng)度低成形性材料（如鈦、鋁、鎂合金等）應(yīng)用日益增加。由于電磁成形可以提高難成形材料的成形性并減小工件回彈，因此，可以克服這些材料的成形困難，促進(jìn)其在輕量化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。雖然從原理上講，電磁成形技術(shù)可以用于加工這些難成形材料的復(fù)雜[1][2][3]形狀工件，然而，這需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的成形系統(tǒng)來(lái)控制磁場(chǎng)和作用于工件上的磁場(chǎng)力在空間上的瞬時(shí)分布。這種系統(tǒng)復(fù)雜性使電磁成形工藝以往只局限于加工軸對(duì)稱形狀的工件。為了解決這一問(wèn)題、進(jìn)一步推廣電磁成形工藝應(yīng)用，廣大學(xué)者對(duì)電磁成形技術(shù)進(jìn)行了逐漸深入的理論研究。國(guó)內(nèi)外電磁成形技術(shù)的發(fā)展概況電磁成形技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)。20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家Kaptilap在脈沖磁場(chǎng)中做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，形成脈沖磁場(chǎng)的金屬線圈易脹大、脹破，這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們對(duì)電磁成形原理的思考。1958年，美國(guó)通用電力公司在日內(nèi)瓦舉行的第二次國(guó)際和平原子能會(huì)議上，展出了世界上第一臺(tái)電磁成形機(jī)。1962年，美國(guó)的Brower和Harrey發(fā)明了用于工業(yè)生產(chǎn)的電磁成形機(jī)。從此電磁成形引起各工業(yè)國(guó)的廣泛關(guān)注和高度重視，電磁成形技術(shù)的研究取得了不少的應(yīng)用成果，其中美國(guó)和前蘇聯(lián)在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。70年代初，前蘇聯(lián)專家研究了放電過(guò)程中毛坯變形對(duì)加工線圈和毛坯系統(tǒng)放電回路參數(shù)的影響，指出RLC回路只有在小變形時(shí)才能近似應(yīng)用；對(duì)電磁成形和靜力成形兩種條件下壓筋和成形半球時(shí)毛坯的極限變形程度進(jìn)行了比較，指出鋁合金、黃銅等電磁成形時(shí)的極限變形程度均高于靜力成形時(shí)的極限變形程度，認(rèn)為材料塑性提高是由于脈沖變形時(shí)變形分布更加均勻、材料強(qiáng)化降低等原因造成的；并于1979年研究了平板線圈的磁場(chǎng)分布，指出其分布的不均勻性（中心較弱，線圈1/2半徑處最強(qiáng)）是導(dǎo)致毛坯中心出現(xiàn)沖壓不足現(xiàn)象的主要原因。20世紀(jì)60年代中期，出現(xiàn)了儲(chǔ)能為50kJ、200kJ和400kJ的電磁成形機(jī)。20世紀(jì)70年代中期已有400多臺(tái)電磁成形機(jī)運(yùn)行于各種生產(chǎn)線上。到了20世紀(jì)80年代中期電磁成形已在美國(guó)和前蘇聯(lián)、日本等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。1994年MakotoMarata又研究了采用電極直接接觸進(jìn)行管料電磁脹形的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，研究了工作條件對(duì)電流和管料變形的影響，應(yīng)用有限元法對(duì)其脹形過(guò)程進(jìn)行了彈塑性分析。我國(guó)電磁成形技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，文革時(shí)期中斷。20世紀(jì)70年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開始研究電磁成形的基本理論和工藝，并在實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，于1986年成功研制出我國(guó)首臺(tái)生產(chǎn)用電磁成形機(jī)。目前國(guó)內(nèi)有多所高等院校和研究所開展了電磁成形技術(shù)的研究，并使之應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。電磁成形的基本原理電磁成形的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律。由定律可知變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在其周圍空間激發(fā)渦旋電場(chǎng)[4][5]所以當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場(chǎng)中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。在電磁成形過(guò)程中，磁場(chǎng)力是工件成形的動(dòng)力。[4][5]圖1板材電磁成形原理圖電磁成形原理如圖1所示，將電能儲(chǔ)存在高壓電容器中，當(dāng)高壓開關(guān)閉合時(shí)，電容器向線圈中快速放電（微秒級(jí)）從而在回路中產(chǎn)生急劇變化的電流，依據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，圓線圈周圍將產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。隨著電容器的不斷充放電，在圓線圈周圍將產(chǎn)生變化的脈沖磁場(chǎng)，當(dāng)脈沖磁場(chǎng)穿過(guò)工件時(shí)就會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）⑹⑺，因此，金屬工件就成為帶電體。依據(jù)電磁學(xué)知識(shí)可以知道，帶電的金屬工件處于急劇變化的磁場(chǎng)中就會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，當(dāng)這股磁壓力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬工件將發(fā)生相應(yīng)的塑性變形，達(dá)到成形金屬零件的目的。電磁成形設(shè)備與基本成形方法及特點(diǎn)在制造業(yè)中，設(shè)備和工藝是進(jìn)行生產(chǎn)的兩個(gè)必備要素。因此，電磁成形技術(shù)要應(yīng)用于生產(chǎn)中就離不開電磁成形設(shè)備和成形工藝，其應(yīng)用在很大程度上也取決于這兩個(gè)要素的發(fā)展水平。電磁成形設(shè)備組成及發(fā)展現(xiàn)狀自1958年美國(guó)通用電力公司在日內(nèi)瓦舉行的第二次國(guó)際和平利用原子能會(huì)議上展出的世界上第一臺(tái)電磁成形機(jī)到1962年美國(guó)的Brower和Harvey注冊(cè)的magneform電磁成形機(jī)以來(lái)，電磁成形設(shè)備的研究已經(jīng)有40多年的歷史。它的組成主要包括4大部分：①電源系統(tǒng)一一電磁成形設(shè)備的電源根據(jù)不同的情況它可以是直流電源也可以是交流電源；②儲(chǔ)能系統(tǒng)一一該部分主要有電容器組成，以提供有效的放電脈沖；③成形加工系統(tǒng)一一該系統(tǒng)主要由工作線圈及工裝組成；④輔助控制系統(tǒng)一一由操作臺(tái)、儀表、控制元器件、觸發(fā)電路等組成8］。其組成示意圖如圖2所示。[6][7][8]

P. 1IP. 1IftII源；LOZJ線圈輔助控制系統(tǒng)圖2電磁成形設(shè)備組成俶電冋辭 ■*A^d** ?■■Ir高壓整流Lj:H■―*7-4—電源故電開黃電源操柞電路誌厲賦嗣I指盤#1圖3電磁成形設(shè)備原理在設(shè)備組成的4部分中，電源和儲(chǔ)能電容是設(shè)備的關(guān)鍵部分。高效安全的電源是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的前提，而電容則是設(shè)備的核心。電容決定著設(shè)備的兩個(gè)主要的電參數(shù)：能量和頻率。其它兩部分是組成系統(tǒng)的重要輔助部分。對(duì)電磁成形設(shè)備的研究，到目前為止，國(guó)內(nèi)基本上是采用電源+工裝的方式進(jìn)行生產(chǎn)，而國(guó)外已經(jīng)制造出適用于大批量生產(chǎn)的電磁成形機(jī)。從可查到的資料看，電磁成形設(shè)備所能達(dá)到的最高有效儲(chǔ)能為500kJ,作用于工件上的瞬間最大壓力為20000MPa，加工速度為10?1000m/s，生產(chǎn)率可達(dá)10800件/h,可加工的零件的最大尺寸為1200mmx1000mmx6mm［9］。電磁成形加工的基本方法和特點(diǎn)3.2.1電磁成形加工的基本方法電磁成形加工在工業(yè)制造中的應(yīng)用方法很多，可廣泛用于管材的脹形、縮徑、沖孔翻邊和連接，板材沖裁、壓印和成形，組裝件的裝配，粉末壓實(shí)，電磁鉚接及放射性物質(zhì)的封存等。對(duì)管材的電磁成形加工［io］。管材成形是電磁成形技術(shù)中應(yīng)用較多的方面。主要有管坯自由脹形、有模成形、管的校形、管段翻邊、擴(kuò)口及管坯的局部縮徑、管段的縮口、異形管成形等。由于電磁成形時(shí)，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數(shù)30%?70%。壁厚變薄甚至破裂是管坯脹形的主要問(wèn)題?，F(xiàn)在該工藝已應(yīng)用于某些重要部件的收口成形及其校形。其示意圖如圖3所示。對(duì)于管材的加工還可以細(xì)分為內(nèi)向壓縮成形加工和外向脹形成形加工。當(dāng)工件處于線圈的內(nèi)部、模具的外部時(shí)，如圖4所示，工件將在電磁力的作用下向內(nèi)壓縮［11］,此方法可用于管材的縮頸等的加工。與此相反，當(dāng)工件處于線圈的外部、模具的內(nèi)部時(shí)，工件則發(fā)生外向的脹形該方法常用于管材的脹形、翻邊等的加工。開關(guān)圖4管材工件的電磁成形圖⑵對(duì)板材的電磁成形加工［12］，其示意圖如圖5所示。對(duì)金屬板材的平面成形加工，由于受設(shè)備能量的限制，對(duì)板材有一定的要求如材料的導(dǎo)電率、厚度等。圖5板材的電磁成形示意圖1.模具2.工件3.線圈4.磁力線該方法還可以實(shí)現(xiàn)板件的連續(xù)加工，使設(shè)備加工呈現(xiàn)柔性。平板毛坯成形可分為自由成形和有模成形兩種。前者主要用于精度要求不高的錐形件成形，后者[11]常用于壓印、壓凹、曲面零件成形和沖裁等。由于平板毛坯磁脈沖力分布不均勻，從而影響成形質(zhì)量。自由成形零件的外形難控制，而有模成形存在零件的貼膜性差的問(wèn)題。橢圓線圈成形是平板毛坯加工的一種形式。根據(jù)橢圓形線圈磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)于長(zhǎng)形工件成形，選用橢圓形線圈優(yōu)于圓形線圈；而對(duì)于中心部位變形要求較高的零件，要選用圓形線圈，這是因?yàn)闄E圓線圈形狀使工件心部變形不足的程度比圓形線圈的嚴(yán)重。電磁沖裁。電磁沖裁裝置線圈放電時(shí)，磁場(chǎng)力使驅(qū)動(dòng)片向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滑塊組合件。沖頭在滑塊的驅(qū)動(dòng)下對(duì)工件進(jìn)行沖裁加工。電磁沖裁與普通沖裁相比，成形設(shè)備和模具簡(jiǎn)單，使用方便，成形率高，屬于高速成形。由于成形速度快，其工件的斷面質(zhì)量好，端面平整光滑，無(wú)圓角帶，幾乎沒有斷裂帶和毛刺。因此，電磁沖裁要優(yōu)于普通沖裁，如果能將其應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，必將電磁沖裁與普通沖裁相比，成形設(shè)備、模具簡(jiǎn)單，使用方便；成形效率高，屬于高速成形；由于成形速度快，其工件的斷面質(zhì)量好，斷面平整光滑，無(wú)圓角帶，幾乎沒有斷裂帶和毛刺。因而可得出結(jié)論，電磁沖裁要優(yōu)于普通沖裁，將其實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。電磁鉚接。電磁鉚接是基于電磁成形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種鉚接方法。放電開關(guān)閉合的瞬間，初級(jí)線圈中流經(jīng)一快速變化的沖擊電流，在線圈周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)使與初級(jí)線圈耦合的磁極線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生強(qiáng)的渦流斥力，即放大器的輸入力，此力在放大器中傳播時(shí)經(jīng)不斷的反射和透射，輸出一個(gè)波形和峰值，改變了的應(yīng)力再傳至鉚釘，使鉚釘在很短的時(shí)間內(nèi)完成塑性變形。電磁鉚接屬?zèng)_擊加載，加載速率高，應(yīng)變力大，材料的變形方式不同于壓鉚等準(zhǔn)靜態(tài)加載，因而電磁鉚接具有其他鉚接方法無(wú)法替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。80年代初我國(guó)開始研究電磁鉚接技術(shù)，已研制成功固定式和手提式電磁鉚接設(shè)備。但這些鉚接設(shè)備采用高電壓(4kV10kV),致使設(shè)備體積龐大，成本高，安全可靠性差，放電頻率高。高放電頻率導(dǎo)致鉚釘成形時(shí)間短，材料的應(yīng)變率高，鐓頭容易產(chǎn)生微裂紋，加之人們對(duì)高電壓的畏懼心理，所以限制了這一先進(jìn)工藝方法的應(yīng)用。國(guó)外從70年代初開始研究電磁鉚接技術(shù)，到80年代末，該技術(shù)在航空工業(yè)中已成為解決鉚接難題的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為消除高電壓鉚接時(shí)應(yīng)變率過(guò)大而導(dǎo)致鉚釘鐓頭出現(xiàn)微裂紋和剪切破壞，美國(guó)80年代末開始研究低電壓電磁鉚接技術(shù)，并申請(qǐng)了低壓鉚接專利，90年代初研制成功低壓電磁鉚接設(shè)備，開始在波音747、A320等飛機(jī)上應(yīng)用。低電壓鉚接方法解決了高電壓鉚接不能解決的許多問(wèn)題，使電磁鉚接技術(shù)很快得到廣泛應(yīng)用。（5） 電磁焊接。雖然很少見到有關(guān)電磁成形在焊接方面應(yīng)用的報(bào)道，但當(dāng)某些條件滿足時(shí)，電磁成形確實(shí)可以應(yīng)用于焊接。比如管與板之間的焊接，管與管之間的焊接以及薄板與厚板之間的焊接等。焊接所要求的條件包括清潔的表面，焊接時(shí)要有利于間隙中空氣的排出，要有足夠的能量和適當(dāng)?shù)念l率（使運(yùn)動(dòng)件達(dá)到一定的速度），運(yùn)動(dòng)件要以某一角度（而不是垂直的）向靜止件的表面撞擊等。焊接的實(shí)現(xiàn)在于高速撞擊使材料表面產(chǎn)生瞬時(shí)劇烈變形（特別是當(dāng)以一定角度撞擊時(shí)），從而產(chǎn)生高溫甚至熔化，使兩塊材料焊合起來(lái)或通過(guò)擴(kuò)散連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)材料的焊接。（6） 電磁粉末壓制。粉末冶金是制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、功能材料的有效途徑，研究開發(fā)高密度、高性能、近終成形粉末制品的集成化技術(shù)，是推動(dòng)粉末材料應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵［13。用強(qiáng)沖擊壓制粉末材料是獲取高密度粉末冶金制品的有效方法，20世紀(jì)50年代，各國(guó)研究人員競(jìng)相研究爆炸成形，對(duì)于提高超硬粉末壓制密度起了很大作用，但由于爆炸成形工藝重復(fù)性差，自動(dòng)化程度低，限制了其應(yīng)用。電磁壓制成形也是高能率成形方法，且在成形能量與速度控制方面優(yōu)于爆炸成形。1976年，Clyeds等率先將電磁成形的思想引入粉末材料壓制，用放電壓制法壓制出棒料、條料及形狀更為復(fù)雜的制件，通過(guò)篩選粉末粒度，還能成功地制造出具有尖角的棒料和條料。此后Williams.J.D還嘗試過(guò)將難熔材料與低熔點(diǎn)金屬混合壓制以獲得高密度的制品，隨后各國(guó)學(xué)者也做過(guò)一些跟蹤研究。圖7電磁粉末壓制工裝圖1-座套2-線圈3-驅(qū)動(dòng)片4-放大器5-沖頭6-凹模分體式嵌套7-凹模8-粉末9-下模板10-螺栓11-導(dǎo)柱12-上模板13-螺母電磁成形加工的工藝特點(diǎn)非機(jī)械接觸性加工。電磁力是工件變形的動(dòng)力，它不同于一般的機(jī)械力，工件變形時(shí)施力設(shè)備無(wú)需與工件進(jìn)行直接接觸，因此工件表面無(wú)機(jī)械擦痕，也無(wú)需添加潤(rùn)滑劑，工件表面質(zhì)量較好。電磁成形是以磁場(chǎng)為介質(zhì)向坯料施加壓力，磁場(chǎng)能夠穿透非導(dǎo)體材料，實(shí)現(xiàn)非接觸加工，可直接對(duì)有非金屬涂層或表面已拋光的工件進(jìn)行加工，成形后零件表面質(zhì)量高。工件變形源于工件內(nèi)部帶電粒子受磁場(chǎng)力作用。因此，工件變形受力均勻，殘余應(yīng)力小，疲勞強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，加工后不影響零件的機(jī)械、物理、化學(xué)性能，也不需要熱處理。電磁成形屬高能率成形方法，與常規(guī)沖壓成形相比，可有效提高材料塑性變形能力。因此，對(duì)于塑性差的難成形材料，是一種理想的成形方法。加工精度高。電磁力的控制精確，誤差可在0.5%之內(nèi)。電磁成形時(shí)，零件以很高的速度貼膜，零件與模具之間的沖擊力很大，這不但有利于提高零件的貼膜性，而且可有效地減小零件彈復(fù)，顯著地提高零件成形精度。加工效率高，時(shí)間短，成本低，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。采用電磁成形方法可在一道工序中完成用常規(guī)成形方法多道工序才能完成的零件，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合工藝。因此，可有效地縮短生產(chǎn)周期，降低成本。電磁成形設(shè)備可實(shí)現(xiàn)工件的多步、多點(diǎn)、多工位成形，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化［14。污染輕。電磁成形過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生廢渣廢液等污染物，有利于環(huán)境的保護(hù)。

電磁成形的有限元分析電磁成形涉及電學(xué)、電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和塑性動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容，由于電學(xué)、電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性和塑性動(dòng)力學(xué)本身的不完善，特別是由于電磁成形過(guò)程中電學(xué)過(guò)程和力學(xué)過(guò)程的交互影響，使電磁成形的理論研究復(fù)雜而困難，應(yīng)用解析法來(lái)精確求解該過(guò)程幾乎是不可能的.而隨著有限元理論的日趨完善，使用有限元軟件來(lái)模擬電磁成形過(guò)程中的電參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、變形過(guò)程已成為諸多方法中的首選［15。分析方法選取有限元分析電磁問(wèn)題時(shí)首先要選擇分析方法，ANSYS有3種分析方法：磁標(biāo)勢(shì)法、磁矢勢(shì)法、基于單元邊的分析法。2D模型要用二維單元來(lái)表示結(jié)構(gòu)的幾何形狀。雖然所有的物體都是三維的，但在實(shí)際計(jì)算時(shí)首先要考慮能否將它簡(jiǎn)化成2D平面對(duì)稱或軸對(duì)稱問(wèn)題，這是因?yàn)?D模型建立起來(lái)更容易，運(yùn)算起來(lái)也更快捷。本文采用基于節(jié)點(diǎn)的分析法中的磁矢勢(shì)法來(lái)模擬2-D瞬態(tài)場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力。網(wǎng)格剖分分析電磁脹形磁場(chǎng)力時(shí)，在成形線圈較近區(qū)域一般選用四邊形8節(jié)點(diǎn)或三角形6節(jié)點(diǎn)單元，每節(jié)點(diǎn)具有2個(gè)自由度，矢量磁位A和電流。矢量磁位前已述及，電流是載壓線圈中每匝中的電流值，用于給線圈施加電壓載荷。對(duì)成形線圈、管件、模具選取映射四邊形網(wǎng)格進(jìn)行剖分比較合適，映射網(wǎng)格是指網(wǎng)格的形狀是規(guī)則的，這樣易于讀取線圈、管件、模具上的磁場(chǎng)力。對(duì)于在此區(qū)間的空氣，可以選取自由網(wǎng)格剖分，減小工作量。在距離成形線圈較遠(yuǎn)的區(qū)域選用四邊形4節(jié)點(diǎn)或8節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)單元INFIN110,為提高精度，采用映射網(wǎng)格剖分。除此之外，對(duì)管件進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，在透人深度內(nèi)要有一層以上的單元，根據(jù)測(cè)得的放電電流頻率計(jì)算透人深度5的公式為：式中f-放電電流頻率，Hz；式中卩-管件的絕對(duì)磁導(dǎo)率;p-管件的電阻率，□?m。磁場(chǎng)力模擬及工藝參數(shù)分析為了論述方便，在以后的章節(jié)中統(tǒng)一定義磁場(chǎng)力表示剖分單元或節(jié)點(diǎn)受力單位N；磁壓力表示單位面積受力，單位MPa。電磁校形時(shí)磁場(chǎng)力分布脹形、校形時(shí)管件受力相似：管件端部均受到徑向外脹力、軸向下壓力；而其它部分則只受到徑向外脹力。校形時(shí)模具內(nèi)表面附近受到的磁壓力以徑向外脹力為主，端部受到軸向下壓力、徑向外脹力，其余部分僅受到徑向外脹力。從模擬的數(shù)值結(jié)果看，脹形、校形時(shí)管件受到的最大外脹力均出現(xiàn)在管件中部，最大力的幅值接近。模具中內(nèi)表面及端部受力相對(duì)較大。電磁校形時(shí)渦流分布對(duì)電流模擬結(jié)果進(jìn)行分析，管件中的電流沿厚度方向呈衰減趨勢(shì)，管件、模具內(nèi)側(cè)第一層單元電流最大，這是由于集膚效應(yīng)，臨近效應(yīng)引起的。管件中感生出的最大電流值相同，分布也基本相同。管件中感生電流密度幅值與線圈中電流密度幅值的比值約為6：1，可見管件中感生出強(qiáng)大的渦流。模具中感生的渦流相對(duì)較小，其幅值與線圈中的電流密度幅值的比值約為1：3。同時(shí)模具中有渦流存在也說(shuō)明了校形時(shí)會(huì)有一部分磁場(chǎng)能消耗在模具加熱上。由楞次定律可知，模具中的電流是由線圈中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與管件中感生電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)耦合后引起的。從電流的方向來(lái)看，模具中的感生電流與線圈中的電流同向與管件中的感生電流反向，由此推斷出模具中的電流主要是由管件中的電流誘發(fā)的，這是由于管件中的電流密度大，且距離模具近，故對(duì)模具的影響大。電磁成形存在問(wèn)題及解決辦法5.1電磁成形技術(shù)的局限性單一的電磁成形工藝很難獲得深拉深工件；不是所有的金屬材料可以用該技術(shù)直接加工，低電導(dǎo)率的材料需用高導(dǎo)電率的材料做“驅(qū)動(dòng)體”；電磁成形工藝對(duì)工件形狀有嚴(yán)格的要求，以保證形成感應(yīng)電流；對(duì)工件的幾何尺寸有嚴(yán)格的要求。解決辦法電磁成形設(shè)備盡管已成為定形產(chǎn)品，但是還可以不斷改進(jìn)。如采用多路放電技術(shù)，提高設(shè)備的安全性和可靠性。高比容電容器的使用，可使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)提高設(shè)備能力。還可以在設(shè)備中加入加熱和檢測(cè)裝置，以利于大形實(shí)體工件的加工、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄和處理。近年來(lái)，有關(guān)電磁成形過(guò)程中的脈沖磁場(chǎng)及磁場(chǎng)力及其作用下工件的變形理論、電磁-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)理論研究日趨增加，提出了許多新的計(jì)算方法和理論。隨著有限元法及無(wú)網(wǎng)格法、邊界元法在耦合場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展以及人們對(duì)脈沖力作用下工件變形性能的深入認(rèn)識(shí)，許多困擾著人們的電磁成形問(wèn)題都將迎刃而解，電磁成形工藝將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。6展望新世紀(jì)要求塑性加工向著更精、更省、更凈的方向發(fā)展，追求高效率、高質(zhì)量、低消耗、低成本，成形過(guò)程要求綠色無(wú)污染。成形工件(毛坯)將由近凈成形無(wú)余量的凈成形發(fā)展[16,產(chǎn)品開發(fā)周期要短，生產(chǎn)工藝應(yīng)具備快速市場(chǎng)響應(yīng)能力，而電磁成形技術(shù)具有單位能量小、效能高、材料微觀變形均勻、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，正順應(yīng)了這一發(fā)展要求，可以預(yù)見，電磁成形技術(shù)必將會(huì)成為金屬塑性加工中的重要方法之一，將在眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。電磁成形加工作為一種新型的金屬塑性加工技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的冷鍛、溫鍛和熱鍛等加工方法，它以其獨(dú)特的加工特點(diǎn)展現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，全球性的能源和環(huán)境危機(jī)的日益凸現(xiàn)，為此在2004年世界工程師大會(huì)上，徐匡迪院士在《發(fā)展中國(guó)家新型工業(yè)化道路》一文中提出“4R”(Reduce，Reuse，Recycle，Remanufacture)理論。該理論的第一條就是"Reduce(減量化)"，其含義就是要求制造過(guò)程中控制零件的重量，盡量減少產(chǎn)品的重量，大力提倡使用輕質(zhì)金屬如鋁、鎂等合金。電磁成形技術(shù)對(duì)于此類金屬的加工有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是在鋁材加工中，電磁成形技術(shù)和其它工藝相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工?？梢灶A(yù)見，電磁成形技術(shù)必將會(huì)成為金屬塑性加工中的重要方法之一。目前電磁成形工藝在航空航天工業(yè)的應(yīng)用情況好于一般工業(yè)。這主要是航空航天工業(yè)中使用了大量的鋁合金，而電磁成形適合應(yīng)用于鋁合金等高導(dǎo)電性的材料。在其他行業(yè)(如