電磁脈沖成形技術在鋁合金壁板翻邊孔上的應用與研究

王 煜，張 松，龔 雄，錢文杰，熊艷艷

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

鋁合金壁板零件上翻邊孔的成形方法主要是利用大型雙動液壓成形設備，通過常規預先制孔加多道次翻邊的工藝完成，需要一套具有凸凹模的大型成形工裝。采用傳統的工藝流程，不僅流程復雜，需用多套工裝模具，加工成本昂貴，并且生產條件惡劣，勞動強度大。另一方面，由于常用的高強鋁合金板材，室溫成形塑性較差，容易在成形過程中產生裂紋。為了避免開裂，生產中經常需要多次成形，中間工序要進行打磨、修邊和退火處理（常導致粗晶現象發生），制造工藝相當復雜，致使生產效率低，成本高，工人勞動強度大。

應用電磁脈沖成形技術，針對運載型號常見的難成形法蘭孔特征，開發工藝裝備、工裝模具，解決長期存在的鋁合金壁板翻邊孔成形難題具有重要意義。與傳統加工工藝相比，電磁成形技術具有模具簡單，設備通用性高，成形零件表面質量好，成形精度高，回彈小，同時可大幅度提高材料的成形極限等優點，可廣泛應用于航空航天、汽車制造、兵器工業等領域。

1 電磁成形技術原理

電磁成形技術是利用磁場力（洛倫茲力）使金屬工件成形的一種高速率成形技術，因在成形過程中載荷以脈沖形式作用于工件，因此亦稱為磁脈沖成形技術。利用電源給高壓電容器充電，將電能儲存在電容器中，然后將開關閉合，在線圈中形成短脈沖高幅值的電流，使線圈周圍產生一個快速變化的脈沖磁場，該脈沖磁場會在金屬工件中產生感應電流，感應電流的方向與線圈中電流的方向相反，在這兩個相反的電流磁場的相互作用下，工件與線圈間會產生很大的磁場力的相互作用，一般線圈固定，工件會在這股磁場力的作用下發生變形，在不同的模具下使工件成形為不同的形狀，從而達到成形金屬零件的目的[1]。

2 電磁成形工藝流程

針對航天器共底貯箱筒段壁板翻邊孔成形，材料利用LD10-CZ、LY19-CZ狀態，直接進行翻邊成形。典型的工藝過程如圖1所示。

圖1 壁板、瓜瓣翻邊孔典型工藝過程

3 電磁成形研究方法

電磁脈沖成形過程機理復雜，依靠傳統的工藝研究手段難以進行分析，需建立新型的研究手段。具體的研究手段包括以下幾個步驟：

1）局部特征電磁脈沖成形動態變形行為研究。建立試驗板材準靜態、動態變形本構模型；建立電磁場-力場數值模擬模型；典型曲面殼體零件局部特征電磁脈沖變形行為與應力-應變場特性研究，包括板殼件局部翻孔、筒殼壁側孔翻邊、筒殼端口翻邊成形等。

2）典型件局部特征電磁脈沖成形力場特性與設計。針對典型曲面件翻孔成形需求，以局部幾何特征的精確成形為目標，對脈沖力場的時空特性進行系統研究，進而實現脈沖磁場力幅值、分布的積極設計，從而決定電磁脈沖成形線圈的幾何結構，并進一步估算放電參數。基于數值模擬研究和理論分析結果，針對具體待成形材料和尺寸匹配，研究磁脈沖成形線圈匝數、截面尺寸、絕緣要求、匝間隙對成形效果的影響規律，通過優化，確定線圈結構各參數值。

3）典型件局部特征成形工藝試驗與尺寸精度控制。根據目標件的尺寸精度要求，搭建工藝試驗平臺，進行系統工藝試驗研究，分析工藝參數對變形的影響規律。研究內容具體包括電磁脈沖成形工裝和線圈結構，針對筒形件翻邊孔，通過線圈結構、工藝參數和模具結構綜合考慮和匹配，實現目標件尺寸精度控制，總結并提出變形精度控制策略，為具體生產提供工藝指導[2]。

4 電磁脈沖成形仿真分析過程

基于多物理場有限元分析平臺ANSYS和電磁成形電磁-力場的耦合本質，對磁脈沖翻邊成形進行有限元數值模擬分析。不考慮工件的變形計算磁場力的大小和分布，把求得的磁場力作為載荷施加到翻邊工件，研究脈沖磁場力作用下翻邊板坯的動態變形過程，討論主要參數對翻邊成形效果的影響。選擇基于動力顯式求解方法的ANSYS/LS-DYNA模塊對磁脈沖翻邊成形過程進行分析，該模塊具有高度非線性動力學（應力/位移）瞬態分析能力。基于磁脈沖翻邊成形電磁-力場松散耦合模型的思路，把磁場模擬分析得到的磁壓力作為邊界條件代入到ANSYS/LS-DYNA中進行變形分析[3]。如圖2所示。

圖2 模型網格劃分示意圖

圖3 不同電壓下終態等效應變圖（t=300μs）

通過仿真分析，針對鋁合金板材磁脈沖翻邊孔成形過程，建立了磁場-力場有限元分析模型，磁場部分采用隱式算法，而變形部分采用顯示算法，考慮了高速率變形過程的慣性效應。

在磁脈沖翻邊過程中，磁場力作用于全部變形區，同時其高速率變形的特點一并促進了材料的徑向流動，有利于改善減薄，提高直壁高度。隨著放電能量提高，有利于材料的徑向流動、圓角貼膜，但是，對于直壁邊緣貼膜程度，存在最佳參數，在本研究條件下，放電電壓介于8.5kV～12kV之間[4]。如圖3所示，在放電參數不變的條件下，隨預制孔直徑增大，待變形區的面積減小，翻邊孔成形貼模性提高，內邊緣減薄幅度減小。

5 鑒定試驗過程和驗證結果

以鋁合金筒段壁板試驗件進行φ120翻孔，成形效果如圖4所示。通過試驗，材料為LY19-CZ時，模具圓角為15mm，預制孔為φ95.2、成形電壓10kV時，翻邊孔尺寸滿足要求。

圖4 φ120 成形效果圖

按照生產該型壁板的材料狀態及條件，選做同曲率板材進行翻孔試驗，LD10-CZ板材，厚度4.5mm，按照圖紙曲率彎曲變形坯料截取試樣。按照試件優化后的工藝參數，型面匹配線圈和模具（線圈匝數與平板試驗同），產品的加工5所示。

圖5 筒段壁板鑒定件

對成形的工藝鑒定件進行外觀檢測、形位尺寸檢測均滿足要求，在后續工藝鑒定件時效過程中，將初始試件隨爐進行了人工時效，時效后分別進行力學性能測試和翻邊孔區域金相組織檢測。

為了分析高速率成形對于材料內部組織的影響，對工藝鑒定件進行了金相組織分析，并測評了組織的晶粒度級別。經測驗標定，晶粒度級別為6、7級，符合變形組織要求。且經組織評定，變形區域、母材區域組織在熱處理后基本一致，未產生因電磁脈沖高速成形導致的組織畸變等缺陷。同時，為了考證電磁脈沖成形對2219鋁合金在成形過程中的內部組織變化，對成形后未時效狀態的試件進行了切片，如圖6所示，評定了翻邊區域與母材區域的組織變化情況，未發現明顯的晶粒畸變[5]。如圖7所示。

圖6 微觀組織取樣區域及高度切片測量示意圖

圖7 翻邊孔金相組織

電磁脈沖成形工藝為新工藝，成形方式為非接觸式成形。在成形工藝參數穩定、預開孔處理質量符合工藝要求的前提下，電磁脈沖成形成形質量可控，成形合格率可達100%，工藝穩定性較好。電磁成形屬于高電壓，設備本身要求接地電阻不大于1Ω，成形過程要求防護周邊3米以外即可屏蔽電磁輻射，無安全風險[6]。

6 結語

針對常見的難成形法蘭孔特征，通過電磁脈沖成形技術的應用與研究，能夠解決長期存在的鋁合金壁板翻邊孔成形難題。而且具有模具簡單、設備通用性高、成形零件表面質量好、成形精度高回彈小，同時可大幅度提高材料的成形極限等優點。可廣泛運用于航天運載器筒段壁板翻邊孔成形生產，并可推廣至航空、汽車、兵器工業等其他領域。