利用高速振動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，杜志浩，崔曉輝,2b,2c

（1.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324；2.中南大學 a.機電工程學院；b.輕合金研究院；c.高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

在飛機零部件中，蒙皮類零件廣泛用于機身、尾段、機翼、壓力艙以及引擎艙等關(guān)鍵部位，是構(gòu)成飛機氣動外形的薄板件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架的包覆件。在飛機飛行過程中，蒙皮與氣流相接觸，將承受的空氣作用力傳遞到相連的機身和機翼骨架上，受力復雜，因此，蒙皮的成形質(zhì)量直接影響飛機的飛行性能和使用壽命，是一個國家工業(yè)能力的重要體現(xiàn)。

拉伸成形是制造飛機蒙皮的主要工藝方法，簡稱拉形。拉形的成形過程為：在數(shù)控蒙皮拉伸機上，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，對板料繼續(xù)施加補拉。He 等[1]提出了多工步飛機蒙皮拉伸成形方法，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 鋁合金板材的實驗結(jié)果表明，多工步拉形具有較高的可靠性和較好的實用性。Peng 等[2]提出了拉形過程中夾緊的運動軌跡設(shè)計方法和求解算法，實驗和仿真結(jié)果均表明了該方法可以有效實現(xiàn)曲面零件的高精度縱向拉伸。針對飛機平尾蒙皮零件，謝洪志等[3]將由飛機蒙皮拉形工藝設(shè)計系統(tǒng)得到的鉗口運動軌跡導入有限元軟件中，分析拉形后的減薄和貼模情況。實驗得到零件無橘皮和無滑移線，但傳統(tǒng)拉形方法存在以下問題：拉形設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴，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題，柏玲磊等[4]提出了振動輔助飛機蒙皮拉伸成形方法。基于飛機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。研究表明，無振動的最大回彈值為2.1 mm，施加振動后最大回彈值為0.61 mm。因此，在拉伸成形過程中對零件施加振動是提高飛機蒙皮成形質(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力對金屬工件進行高速加工的方法，工件的瞬態(tài)變形速度可達300 m/s 以上。研究表明，材料在高速沖擊下，能夠有效提高難變形材料的成形極限、降低回彈[5—6]。美國俄亥俄州立大學的G.S.Daehn 教授團隊最先采用電磁復合成形研究脈沖電磁力控制板料回彈[7—8]，他們針對V 形、L 形和U 形彎曲件，分別設(shè)計了電磁輔助彎曲系統(tǒng)。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著放電能量的增加，板料的回彈角逐漸減小，當能量超過一定臨界值后，出現(xiàn)負回彈。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出現(xiàn)高速振動效應(yīng)，并認為高速振動效應(yīng)是降低回彈的主因。具體機理為：振動效應(yīng)導致彎曲處板料的內(nèi)外層反復出現(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。

針對大型板材的電磁脈沖成形，Cui 等[12]基于漸進成形的分層制造原理，在國際上首次提出了基于凹模電磁漸進成形工藝。Li 等[13]進行了大型鋁合金薄壁橢球零件的電磁漸進成形研究，研究表明8 工步放電設(shè)計方法可實現(xiàn)無缺陷成形。Su 等[14]采用數(shù)值仿真研究了線圈重疊率、線圈移動軌跡和放電電壓組合對工件變形均勻性的影響，設(shè)計了5 層電磁漸進成形方案，實現(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成形和拉形交替進行的復合成形方法，實現(xiàn)了直徑為700 mm，高度為150 mm 的橢球形零件制造，在整個成形過程中，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復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5 次拉形和10次放電，實現(xiàn)了長度為750 mm、高度為100 mm 的蒙皮制造。由于零件的回彈是通過電磁力局部加載消除，不需要復雜拉形設(shè)備沿板料的切向施加拉力，抑制了零件減薄，同時降低了對裝備要求，但多次的拉形和放電成形交替進行工藝使成形過程較為煩瑣。

文中提出帶彈性墊的蒙皮電磁漸進成形新方法。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)高速振動效應(yīng)，消除回彈。建立了有限元仿真模型，研究了有無彈性墊、線圈結(jié)構(gòu)和放電位置對蒙皮成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 無彈性墊的電磁成形結(jié)果

采用Abaqus/Explicite 軟件進行板料的準靜態(tài)沖壓模擬。在模擬過程中，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)變率對材料變形的影響，文中采用Cowper-Symonds 模型，其方程見式（1）[16]。AA3003-H14 鋁合金的準靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變方程如式（2）所示，材料的屈服強度為157 MPa。圖1a 為凸模上升140 mm 后板料上的變形結(jié)果。為了使沖壓過程中的材料能夠自由流動并避免板料破裂，壓板和支撐板之間的初始間距為2 mm。當凸模上升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，以及對比模擬和實驗結(jié)果，選擇板料上的特殊路徑1，如圖1b 所示。

式中：σ為動態(tài)流動應(yīng)力；σs為準靜態(tài)流動應(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)果導入到ANSYS 有限元分析軟件，進行電磁場分析。所采用的放電線圈為螺旋長方形結(jié)構(gòu)，見圖2a，其長度為150 mm，寬度為60 mm，導線截面為2 mm×5 mm。7000 V 電壓下，實測得到通過線圈的脈沖電流曲線如圖2b 所示。線圈放電后，20 μs 時刻下板材上的電磁力分布情況如圖2c 所示。線圈中間對應(yīng)板料上的電磁力比線圈邊部對應(yīng)板料上的要小。路徑1 上的電磁力存在2 個峰值，對應(yīng)線圈的兩側(cè)，分別為32.2 N 和31.5 N。

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

圖2 電磁場分析Fig.2 Electromagnetic field analysis

在電磁場模擬中，板料為實體單元；在變形場和回彈分析中，板料為殼單元。文獻[10,17]給出了如何將實體單元的電磁力轉(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)變幾乎沒有增加。與模具貼合的板料區(qū)域依舊無明顯塑性變形，這說明板料主要發(fā)生的是彈性變形。因此，采用無彈性墊的成形方法，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，板料上會產(chǎn)生1.5 mm 的鼓包。線圈中部對應(yīng)板料的節(jié)點編號為4910。4910 節(jié)點位移和速度與時間的變形曲線如圖4b 所示。在成形過程中4910 節(jié)點的速度和位移均出現(xiàn)了明顯的振蕩。4910 節(jié)點沿著z軸方向產(chǎn)生了一個最大1.43 mm 的波動，并在最終形成了一個高度為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 不銹鋼的電阻遠大于鋁板，被屏蔽線圈部分對應(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4910 的位移與速度隨時間的變化。節(jié)點4910 的速度和位移發(fā)生明顯振蕩，節(jié)點 4910 位移發(fā)生的最大波動僅為0.155 mm，而且變形結(jié)束后節(jié)點4910 的高度僅為0.13mm。與圖4b 相比，對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明顯鼓包，表面光滑。圖6b 為節(jié)點4910 的應(yīng)力和應(yīng)變與時間的關(guān)系。應(yīng)力隨時間先增大，后快速衰減。變形終了時，節(jié)點4910 的應(yīng)力為25 MPa，并且放電后，節(jié)點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出現(xiàn)高速振動，有利于降低材料內(nèi)部應(yīng)力，使材料的塑性應(yīng)變增加，從而抑制零件回彈。

圖6 節(jié)點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，回彈會越低。提取線圈放電所對應(yīng)的板料變形區(qū)域，可以看到板料表面光滑，無明顯鼓包，這說明電磁屏蔽手段能有效解決板料變形不均勻的問題。

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

圖8a 為線圈在板料上的6 個放電位置，每個位置連續(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，均會使線圈正對的板料區(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，對板料進行成形實驗研究。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最大儲能達到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線圈測量并顯示在示波器上。放電線圈吊裝在壓機上，并且可以沿著板材移動。圖9b 為準靜態(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 為實驗和模擬得到回彈后板料上的輪廓曲線，模擬結(jié)果與實驗一致，證明了文中模擬的正確性。

圖9 多次放電實驗結(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成形新方法，模擬和實驗結(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。通過對比實驗結(jié)果，仿真結(jié)果具有較高的分析精度。

2）在無彈性墊的條件下對板料進行沖擊，板料上的塑性應(yīng)變幾乎沒有變化。如果在模具和板料之間加入彈性墊，板料會在電磁力和彈性墊反彈力作用下出現(xiàn)高速振動現(xiàn)象，材料的塑性應(yīng)變增加，應(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。當線圈在6 個位置多次放電后，板料回彈明顯減低，零件表面光滑。