考慮磁場區影響的電控永磁壓邊方法

史 銳 秦泗吉 潘自給 陳浩東 李學洋

燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

0 引言

壓邊力控制技術是板材成形工藝和先進成形設備的共性關鍵技術之一，引發眾多學者持續關注和研究[1-3]。按照壓邊力的動力來源，可以將壓邊方法分為機械力壓邊、液壓或氣壓壓邊、磁力壓邊等，其中磁力壓邊方法在簡化工藝裝備、提高壓邊效果等方面有較好的應用前景，引起了研究人員的重視。

電磁壓邊最早由SEO[4]提出，使用通電線圈產生的電磁力作為壓邊力，實現了壓邊力的獨立加載及變壓邊力控制，但由于在模具內布置線圈，增加了模具設計的復雜程度。LAI等[5-6]改進了電磁壓邊方法，設計了一種專門用于電磁成形的脈沖電磁壓邊圈，利用脈沖電流產生的磁吸力進行壓邊，可實現壓邊力的獨立加載和控制。HUANG等[7-8]在此基礎上提出了使用脈沖電磁排斥力作為壓邊力的方法，精簡了模具結構，同時提高了壓邊效率。LI等[9-11]則將電磁壓邊技術應用于傳統的拉深工藝中，驗證了電磁壓邊技術應用在傳統沖壓領域的可行性。電磁壓邊需要對線圈持續通電，勢必出現成形過程發熱量大、成形工藝能耗高等問題。

QIN等[12-13]根據電控永磁(electro-permanent magnet，EPM)技術特點和拉深工藝中對壓邊力的加載要求，提出了電控永磁壓邊方法，該方法只需對控制線圈通入短暫的脈沖電流即可獲得持續、穩定的壓邊力。此外，將電控永磁技術和分塊壓邊方法結合，可取得良好的壓邊效果[14-15]。電控永磁壓邊方法通過控制電流改變可逆磁極的極性，以調控磁墊內部磁極單元的磁路變化，實現加載和卸載。通過改變磁場的強弱，控制電控永磁磁墊磁吸力的大小，可實現變壓邊力加載。電控永磁壓邊方法具有節能、結構集成化程度高且便于控制等優點，具有較好的應用前景。目前電控永磁壓邊主要采用磁場與成形區分開的設計方法，一定程度上使模具結構的橫向尺寸偏大，限制了該方法的應用推廣。此外，磁力間接作用于板坯，使得產生的有效壓邊力載荷不高。

采用電控永磁壓邊方法成形鐵磁性材料時，在磁場區和成形區重合的情況下，鐵磁性板坯會對磁場的分布產生影響，進而影響結構的變形、磁吸力與壓邊力大小及壓邊力分布等。本文采用磁場區和成形區重合的設計方法，針對所設計的壓邊和成形裝置，對鐵磁性板坯在電控永磁壓邊拉深成形過程中的模具結構變形、磁吸力變化、板坯厚度變化等進行分析，探討磁場對壓邊力分布和拉深成形過程的影響，驗證新壓邊方法的有效性和可行性。

1 考慮磁場區影響的電控永磁壓邊方法

1.1 電控永磁工作原理及模具設計

電控永磁磁墊內部由成對的磁極單元組成。磁極單元由永磁體、可逆永磁體、極芯和線圈繞組等組成。永磁體采用釹鐵硼永磁材料，能夠提供穩定可靠的磁場且不易被外加磁場改變?？赡嬗来朋w采用鋁鎳鈷永磁材料，其特點是剩磁高但矯頑力低，可通過外加磁場改變可逆永磁體的磁性。線圈纏繞在可逆永磁體上，通過改變通入激勵電流的大小產生外加磁場，從而改變可逆磁體的極性或調節磁感應強度的大小。磁極塊則是磁極單元的極芯，起導磁作用。

如圖1所示，在充磁狀態下，磁力線大多經過被吸板，從而對外表現為較大的磁吸力。在退磁狀態下，由于可逆磁體極性改變，磁力線主要經過磁墊內部，經過被吸板的磁力線較少，從而對外表現為較小的磁吸力。

圖1 一對磁極單元充磁和退磁示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetization and demagnetization of a pair of magnetic pole units

采用電控永磁壓邊方法，磁墊是提供壓邊力載荷的關鍵部件。圖2a和圖2b分別為磁墊的兩種設計方式，即磁場區和成形區分開設計和重合設計。從圖中可以看出，在磁極單元數相同的情況下，或磁吸力大致相同的情況下，圖2b中的設計方式比圖2a中的結構更加緊湊，模具體積和質量明顯減小，結構剛度可進一步提高。

(a)方案1 (b)方案2圖2 兩種磁墊設計方案Fig.2 Two kinds of magnetic cushion designs

成形區和磁場區重合的電控永磁壓邊方法具有結構更緊湊、集成化程度更高、更節能等優點。但是在成形區和磁場區重合時進行鐵磁性板坯拉深成形，板坯在壓邊過程中受力情況更加復雜，同時受到結構載荷和磁力載荷共同作用，這給壓邊力的確定和工藝設計帶來了一定的困難。因此，需要對所涉及的磁場、結構、壓邊力分布以及對成形過程的影響等進行研究。

圖3為將磁場區和成形區重合設計的8磁極單元電控永磁壓邊拉深成形模具三維示意圖。凸模和凹模分別固定在上、下模座上，被吸板嵌套在凹模外部，底部由墊塊支撐保證被吸板上端面和凹模上端面在一個平面內。拉深成形時，對磁墊線圈繞組施加正向脈沖電流，磁墊充磁，被吸板在磁吸力的作用下壓住板坯，為拉深成形提供壓邊力。拉深結束后，凸模上行至一定位置至制件脫離凸模后，對壓邊磁墊線圈繞組施加反向脈沖電流，磁墊退磁，被吸板受到的磁吸力很小，壓力機滑塊帶動凸模、卸料螺釘帶動磁墊上行，制件由凹模脫離后可取出，拉深過程完成。壓邊力大小取決于電流大小、氣隙、板坯材料等多個因素，可以依據所需壓邊力大小，選擇合適的磁場等級。

1.上模座 2.導套 3.凸模 4.卸料螺釘 5.磁墊 6.磁極單元 7.導柱 8.凹模 9.墊塊 10.下模座圖3 電控永磁壓邊拉深模具三維示意圖Fig.3 3D structural diagram of EPM drawing die

1.2 考慮磁場區影響的受力分析

圖4a和圖4b分別為兩種磁墊設計方案的電控永磁壓邊的受力分析簡圖。當成形區和磁場區分離時，由于成形板坯未被磁化，壓邊力等于被吸板受到的磁吸力，即Fp=Fm，其中，Fp為拉深過程的壓邊力，Fm為磁墊對被吸板和凹模產生的磁吸力。當成形區和磁場區重合時，考慮磁場對板坯的影響時，壓邊力除了來自于磁墊對被吸板的磁吸力，還有來自于磁墊對鐵磁性成形板坯的磁吸力，即Fp=Fm1+Fm2，其中，Fm1為磁墊對被吸板和凹模產生的磁吸力，Fm2為磁墊對鐵磁性板坯所產生的磁吸力。可以看出，采用成形區和磁場區重合的設計方案拉深鐵磁性板坯時，磁場和板坯受到的壓邊力來源發生了變化，因此需要對壓邊力的大小和分布情況重新分析。

(a)成形區和磁場區分離(b)成形區和磁場區重合 1.壓力機滑塊 2.凸模 3.磁力壓邊裝置 4. 磁極單元 5.墊板 6.凹模 7.下模座圖4 電控永磁壓邊受力分析簡圖Fig.4 Force analysis of EPM blank holder

2 磁場分析及板坯接觸應力分析

2.1 電控永磁磁墊的磁場分析

采用Maxwell軟件對兩種8磁極單元磁墊充磁的磁場進行有限元分析。磁極單元零件所采用的材料屬性見表1，極芯、磁軛和被吸板材料選用工業純鐵或低碳鋼，其中AlNiCo和NdFeB的磁場強度H和磁感應強度B的關系曲線為非線性的磁滯回線，常溫下的磁滯回線(B-H曲線)見圖5。由表1可以看出，NdFeB的矯頑力遠大于AlNiCo的矯頑力，在外加線圈磁場的作用下，前者的磁性基本不變，這有利于保證電控永磁磁墊工作的穩定性。

表1 磁墊材料Tab.1 Magnetic cushion materials

(a)AlNiCo

(b)NdFeB圖5 永磁材料B-H曲線Fig.5 B-H curve of permanent magnet materials

通過改變線圈脈沖電流的電流強度大小可得到磁墊表面不同的磁感應強度值。在磁場未達到飽和前，通入的脈沖電流越大，磁墊表面的磁感應強度就越大，磁吸力就越大。在實際拉深實驗時，可以根據所需壓邊力大小設置合適的磁場等級。

對于鐵磁性板坯的成形，當成形區和磁場區重合時，需要考慮板坯磁性的影響。選取鐵磁性的鋼板ST16材料進行了有限元分析，板坯厚度為0.8 mm，板坯直徑為110 mm，板坯的相對磁導率為300。

圖6為充磁狀態下考慮成形板坯磁化影響時被吸板表面的磁感應強度圖。方案1采用成形區和磁場區分離的設計(圖6a)，成形板坯所在區域受到磁場的影響較小，磁通密度較小。方案2采用成形區和磁場區重合的設計(圖6b)，成形板坯所在區域的磁通密度明顯增大，導致成形區域內的磁感應強度產生很大變化。若兩種情況下的橫向尺寸相同，由于板坯的磁性，成形區和磁場區重合時穿過磁墊上表面的磁通量顯著增大。

(a)方案1 (b)方案2圖6 加入板坯后被吸板表面磁感應強度分布Fig.6 The magnetic induction density distribution of the surface of the suction plate after adding the sheet

2.2 磁力壓邊裝置結構變形分析

采用電控永磁方法進行壓邊時，磁場所產生的磁吸力使得壓邊圈與板坯緊密接觸，實現壓邊，其壓邊力的大小和分布與磁墊和模具結構形狀有關，因此需要對磁墊和模具結構進行靜力學分析。

采用ANSYS Maxwell和ANSYS Static Structural進行模擬分析，其幾何模型包括磁墊、板坯和被吸板。取板坯直徑D=110 mm、厚度t=0.8 mm，磁墊和被吸板之間的間隙由板坯厚度決定。有限元分析的載荷條件為：以Maxwell計算的磁力等級為16的磁吸力作為體載荷施加在被吸板，磁墊和板坯、板坯和被吸板均為有摩擦接觸。通過模擬分析板坯上的壓邊力分布和電控永磁裝置的變形情況。

有限元結構分析得到的被吸板在充磁工況下的結構變形情況如圖7所示，被吸板變形沿中心向四周逐漸增大，方案1變形最大值為0.0922 mm，方案2變形最大值為0.0606 mm。顯然，方案2被吸板的結構變形明顯減小，剛度明顯提高。分析可知，由于8磁極單元磁墊的磁極單元數較小，與磁墊相匹配的被吸板的厚度與橫向尺寸相比較大，而由磁力產生的接觸壓力引起的結構變形較小，每一次計算結構變形引起的磁吸力大小變化相對較小，在分析時僅采用單向耦合的分析方法就能夠得到相對精確的分析結果。當結構較復雜，特別是結構剛度較小時，前后兩次計算結構變形的變化較大，需要進行磁場-結構雙向耦合分析，以保證分析的準確性。

(a)方案1

(b)方案2圖7 被吸板變形分布Fig.7 Deformation distribution of the suction plate

2.3 壓邊力大小及分布

由于鐵磁性板坯的相對磁導率較大，板坯所在區域的磁阻較低，磁墊對被吸板的磁吸力會有一定程度的增大，在進行鐵磁性板坯的拉深成形時，鐵磁性材料受到的磁吸力被視為壓邊力的一部分。考慮板坯磁化后，不僅板坯本身受到了明顯的磁吸力，且被吸板受到的磁吸力也相應增大。方案1選取非磁性板坯和磁性板坯的壓邊力分別為13.0 kN和13.3 kN，方案2選取非磁性板坯和磁性板坯的壓邊力分別為13.7 kN和19.1 kN。也就是說，在考慮板坯的磁性后，成形區和磁場區重合的電控永磁磁墊提供了更大的初始壓邊力。

圖8為分別選取非磁性板坯和磁性板坯在兩種電控永磁壓邊方法下的接觸壓力分布云圖。由圖8a、圖8b可以看出，方案1中接觸壓力主要作用于成形板坯的外緣，由于成形區和磁場區分離，板坯磁性對接觸壓力的分布沒有影響。圖8c、圖8d中，方案2在考慮了板坯的磁性后，接觸壓力的分布有明顯不同，接觸壓力作用區域面積有所增大，顯然這種情況更有利于壓邊力的施加和板坯的成形。

(a)方案1，非磁性板坯，Fp=13.0 kN

(b)方案1，磁性板坯，Fp=13.3 kN

(c)方案2，非磁性板坯，Fp=13.7 kN

(d)方案2，磁性板坯，Fp=19.1 kN圖8 板坯接觸壓力分布Fig.8 Contact pressure distribution on the sheet

圖9為圖8所示的接觸壓力沿板坯徑向的數值對比圖。從圖9中可以看出，采用方案1成形兩種板材的接觸壓力分布在數值上基本相同。而采用方案2在選取非鐵磁性板坯時，在距板坯中心40～45 mm時已經有了一定的接觸壓力，這可能是由于去掉單獨設置的成形區，磁極單元布置區域向內擴展，從而使接觸壓力區域增大。在選取磁性板坯后，這種效應進一步擴大，使其接觸壓力增大，且接觸壓力區域也進一步增大。

圖9 接觸壓力平均值沿徑向分布Fig.9 Radial distribution of average contact pressure

可以發現，新的壓邊方法所產生的壓邊力作用的區域和單位面積的壓邊力值都增大了，顯然這更有利于壓邊力的加載，即在相同的磁場等級下，采用成形區和磁場區重合的設計方案，其壓邊效果可能會更好。實際的壓邊效果需要通過有限元分析和實驗來進一步驗證。

3 成形過程分析

3.1 電控永磁磁墊

根據前文理論分析和有限元模擬分析結果，制作了電控永磁磁墊及控制器。磁墊磁力通過控制器控制，控制器共設置16個等級，分別對應不同的脈沖電流。磁力等級和電流強度的對應關系如圖10所示。

圖10 磁力等級與電流強度對應關系Fig.10 The relationship between magnetic force level and current intensity

由上文可知，采用電控永磁壓邊方法時，磁墊和被吸板之間的磁吸力不僅受到磁力等級的影響，還受到氣隙大小的影響，其磁吸力隨磁力等級和氣隙的變化曲線如圖11所示。

圖11 磁吸力隨磁力等級和氣隙的變化曲線Fig.11 Magnetic force variations with magnetic force level and air gap

3.2 成形模擬對比

為對比兩種設計方案的壓邊效果，基于兩種方案在磁力等級為6時的壓邊力分布，使用Dynaform軟件進行成形過程模擬，坯料單元為BT(Belyschko-Lin-Tsay)殼單元，材料模型采用Hollomon本構模型，板坯與模具、壓邊圈的摩擦因數均設為0.06。選取ST16材料的板坯，強度系數為679 MPa，硬化指數為0.34，厚向異性系數為2.413，直徑為110 mm，厚度為0.8 mm。凹模和凸模直徑分別為52 mm和50 mm，凹模和凸模的圓角半徑均為4 mm。

圖12為兩種設計方案有限元模擬的成形圖，可以看出，在磁力等級為6時，方案1模擬件出現了輕微的起皺，而方案2模擬件沒有明顯的起皺。這表明在相同的磁力等級下，方案2對起皺的抑制效果更好。

(a)方案1 (b)方案2圖12 兩種方案的模擬結果Fig.12 Simulation results of the two schemes

3.3 實驗驗證

為驗證新壓邊方法的可行性，設計制作了圖13所示的磁力壓邊裝置，并進行了實驗。實驗是在H1F80伺服壓力機上進行的。布置好實驗裝置后，通過控制器通入充磁電流，磁墊充磁后提供拉深所需的壓邊力。拉深完成后，再通入反向脈沖電流退磁。退磁后，磁墊不再提供壓邊力，此時可進行卸料等操作。

1.上模座 2.夾具 3.凸模 4.磁墊 5.被吸板和凹模 6.下模座 7.墊塊圖13 拉深實驗裝置Fig.13 Experimental setup for deep drawing

設置磁墊磁力等級分別為2、4、6，拉深高度H為24 mm，拉深實驗所得成形件如圖14a所示。當磁力等級為2時，由于磁墊產生的壓邊力較小，不足以抑制起皺，法蘭區出現了明顯的起皺；磁力等級為4時，磁墊提供的壓邊力增大，起皺趨勢減緩，但仍有微弱起皺；磁力等級為6時，成形件法蘭區無明顯起皺，成形件成形效果較好。有限元模擬與實驗結果基本一致。此外，在磁力等級為6時又成形了不同高度的制件，照片如圖14b所示，成形制件均無明顯起皺和破裂。

(a)磁力等級分別為2、4、6，H為24 mm

(b)磁力等級為6，H分別為19、24、29 mm圖14 拉深成形件Fig.14 Drawn parts

為進一步探究采用電控永磁壓邊裝置的拉深成形效果，采用應變掃描系統獲取6磁力等級下的應變數據，并與模擬結果進行比較。圖15為實驗件和模擬件的徑向、周向和厚向應變對比圖。從圖中可以看出，法蘭區域產生徑向拉伸、周向壓縮的變形。成形件在筒底區和凸模圓角區的徑向應變和周向應變均大于0，處于雙向受拉的狀態，有限元模擬得到的應變分布與實測結果基本一致。

圖15 成形件應變分布Fig.15 Strain distribution of the formed parts

對于選定的板坯，實驗和有限元模擬結果都表明，將成形區和磁場區重合所設計的磁力壓邊裝置在采用較小磁力等級(磁力等級為6)的情況下，該磁力壓邊裝置能夠有效抑制起皺，起到了良好的壓邊效果。

4 結論

(1)本文提出了將成形區和磁場區重合的電控永磁壓邊方法，設計了8磁極單元的電控永磁磁墊及拉深模具。

(2)與成形區和磁場區分離的電控永磁磁墊設計方案相比，在相同磁極單元數量和磁場等級的前提下，按新方法設計的模具結構更緊湊、壓邊力加載裝置的剛度明顯提高，所產生的壓邊力大小和分布更合理。

(3)對成形過程的有限元模擬結果表明，采用新的設計方法對鐵磁性板坯的拉深成形有更好的壓邊效果。拉深成形實驗驗證了新的電控永磁壓邊方法的可行性和有效性，有限元模擬結果與實測得到的應變分布結果基本一致。