基于雙層凹型集磁器的管件電磁脹形電磁力特性及變形行為研究

邵子豪 吳偉業 汪晨鑫 邱 立

基于雙層凹型集磁器的管件電磁脹形電磁力特性及變形行為研究

邵子豪1,2吳偉業1,3汪晨鑫1,2邱 立1,2

（1. 三峽大學電氣與新能源學院 宜昌 443002 2. 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室 宜昌 443002 3. 國網安徽省電力有限公司來安縣供電公司 滁州 239200）

針對傳統管件電磁脹形存在管件壁厚減薄嚴重和變形不均勻等問題，提出基于雙層凹型集磁器結構的單線圈管件電磁成形方法，通過徑向電磁力場分布的調控和軸向電磁力的協同加載，為同時抑制管件壁厚減薄和改善變形均勻性提供了新的技術途徑。為驗證該方法的有效性，基于電磁-結構場耦合數值模型，對比探究有無雙層凹型集磁器下軸徑電磁力分布特性、管件壁厚減薄量以及軸向變形均勻性等關鍵物理量的變化規律，研究集磁器的內凹高度對管件成形行為的影響。仿真結果表明，與傳統管件電磁脹形方法相比，新方法下管件壁厚減薄量可從22.07%降低至8.30%，且軸向均勻性擴大至2.31倍。

電磁成形 電磁力 集磁器 變形行為

0 引言

應用輕質合金材料是航空航天、汽車等領域提高裝備運載能力、實現節能減排的重要途徑[1]。然而，以鋁合金為代表的輕質合金材料在傳統準靜態成形工藝下成形性能普遍較差，存在易破裂、回彈大和表面質量欠佳等問題[2]?；诿}沖電磁力驅動金屬工件發生塑性變形的電磁成形技術具有非接觸、高速率、單模具等特征，可以顯著提高材料的成形極限和改善成形性能，已在鋁合金板管件成形中得到廣泛應用[3-10]。

管件電磁成形根據電磁力加載方向與成形效果的差異可分為管件電磁脹形和管件電磁壓縮。在管件電磁脹形中，通常采用單驅動線圈為管件加工提供電磁脹力，由于線圈在管件處產生的軸向磁通遠大于徑向磁通，因此傳統管件脹形中管件主要受到徑向電磁力的作用，且呈現“兩端小，中間大”的分布特征[11-14]。這也使得管件變形行為往往呈現非均勻變形特征，且隨著管件變形量的增大，壁厚減薄嚴重，導致成形量受限。為了解決管件變形不均勻問題，研究人員主要通過采用多線圈系統或改變線圈結構的方式。歐陽少威等提出三線圈雙電源成形系統，通過調節線圈放電電壓，從而改變洛倫茲力分布，進而改善管件軸向變形不均勻問題[15]。邱立等提出通過凹型線圈削弱管件中部成形區域徑向電磁力的方法改善管件變形不均勻現象[16]。為了解決管件減薄問題，張驍等提出在雙線圈系統加載不同脈寬電流方法，結果表明當管件變形深度相等時，通入長脈寬電流能有效改善管件減薄現象[17]。邱立等提出雙線圈管件電磁脹形方案，通過雙線圈軸向壓縮和徑向脹形同步加載，從而改善管件壁厚減薄問題[18]。然而，現有大多數研究中所提方案均僅能改善管件電磁脹形單類問題（變形不均勻或減薄嚴重）。為了同時解決上述兩個問題，邱立等進一步提出了三線圈管件電磁脹形方案，通過軸徑向電磁力雙向加載，實現管件軸向流動和徑向脹形同步進行，有效減小管件電磁脹形過程中壁厚減薄量，且該方案采用凹型線圈結構可削弱管件中部電磁力，從而用于改善管件軸向變形非均勻問題[19]。但是多線圈軸向壓縮式管件電磁脹形工裝結構復雜，線圈配合困難，實際成形效果不理想。

針對上述問題，該文提出一種新型管件電磁成形方法，通過在驅動線圈和加工工件之間引入雙層凹型結構集磁器來調控管件中電磁力場分布，以期為解決管件軸向變形均勻性差的同時改善管件壁厚減薄問題提供新的技術途徑。本文將系統地闡述該成形方法原理，以及成形過程中管件的電磁力特性及變形行為等。

1 基于雙層凹型集磁器管件電磁脹形原理

傳統管件電磁脹形系統與基于雙層凹型集磁器的管件脹形對比示意圖如圖1a和圖1b所示。成形磁場源自內置的螺線管線圈，其脹形工作過程如下所述：電容器電源充電；通過開關將電容器存儲的電能釋放至驅動線圈，從而產生大脈動電流；根據法拉第電磁感應定律，驅動線圈周圍空間會產生脈沖強磁場；根據電磁感應定律，變化的脈沖強磁場會在驅動線圈附近的工件上產生感應渦流；此時工件在感應渦流與線圈電流相互作用產生的脈沖電磁力作用下加速變形，完成加工過程。如前所述，由于傳統管件電磁脹形的脹形力以徑向電磁力為主，隨著管件徑向脹形的進行，軸向材料難以流動，導致管件壁厚不斷減薄，進而造成管件破裂；由于固有的電磁力分布的局限性，而無法滿足均勻管件脹形的目的。

圖1 傳統管件脹形與雙層集磁器管件脹形對比

為了同時解決傳統管件脹形中存在的成形管件壁厚減薄和軸向變形非均勻的問題，本文提出基于雙層凹型集磁器的管件脹形成形方法。該成形系統的核心在于：在線圈與管件之間引入具有雙層凹型結構的新型集磁器，實現軸向電磁力-徑向電磁力雙向力場同時加載，改變傳統“兩端小，中間大”以及軸向電磁力過小的力場分布特征。

傳統集磁器和新型集磁器的三維結構示意圖分別如圖2a和圖2b所示。二者相同點在于，都存在一個細縫，達到如圖2c所示的內外截面渦流路徑調控的目的。

圖2 傳統集磁器與雙層凹型集磁器對比

調控原理在于：當驅動線圈中通過逆時針脈沖電流時，由于電磁感應會導致集磁器內壁產生順時針感應電流；因為集磁器圓環上存在極窄斷縫，感應電流不會在圓環內壁形成閉環，而是通過斷縫一側從內壁流至外壁，并在圓環外壁形成逆時針感應電流；外壁感應電流通過斷縫另一側流回至內壁形成閉環，從而能夠產生脈沖電磁力驅動管件脹形。二者的不同點在于整體結構上的差異性。傳統集磁器截面是一個橫截面為梯形且內部高度遠大于外壁的圓環，并且圓環存在一條極窄的斷縫。當流過內外壁總電流大小相等時，由于內壁遠高于外壁，會導致集磁器外壁電流密度遠大于內壁電流密度，主要起到增大磁場強度和加強管件局部電磁力的效果。但是與之不同的是，本文中的集磁器采用雙層凹型結構，具有兩大特征：①通過內層凹型結構，增大集磁器與管件中部區域的距離，從而達到削弱電磁力的目的，改變傳統“兩端小，中間大”帶來的變形不均勻問題；②通過外層凹型結構，在管件端部區域形成帶流導體層，通過施加軸向電磁力，起到促進端部材料流動，進而降低管件壁厚減薄程度，如圖2d所示。顯然雙層凹型集磁器管件電磁脹形可以同時改善傳統管件脹形中存在的壁厚減薄和軸向變形不均勻問題，同時單驅動線圈結構對比多線圈軸向壓縮式管件脹形，線圈結構相對簡單，方便實現。

2 基于雙層凹型集磁器的管件脹形過程分析

2.1 數值模型

對于基于雙層凹型集磁器的管件脹形系統來說，由于脹形系統中的螺線管線圈及成形管件均為軸對稱特征，并且具有縫隙結構的雙層凹型集磁器也可以通過采用軸對稱結構以及約束截面電流為零的方法來實現等效模擬。因此，本文針對基于雙層凹型集磁器的管件脹形系統，通過構建二維軸對稱模型進行分析。傳統管件脹形與基于雙層凹型集磁器管件脹形的二維結構及參數對比如圖3所示。

為了分析基于雙層凹型集磁器的管件脹形電磁力特性和變形行為，本文采用COMSOL軟件建立了電磁管件脹形系統的電磁-固體力學耦合有限元模型。該模型包括“全局常微分和代數微分方程”模塊、“磁場”模塊、“固體力學”模塊、“動網格”模塊，其仿真流程如圖4所示。

圖4 管件電磁脹形仿真流程

仿真流程具體步驟如下：

（1）根據輸入參數在“全局常微分和代數微分方程”模塊中求解出線圈電流。

（2）由步驟（1）得到的線圈電流，將線圈電流代入“磁場”模塊中進行計算，通過單匝導線約束電流值，可考慮渦流效應影響的非均勻電流分布特征。根據矢量磁動勢方程，在“磁場”模塊求解出管件上感應渦流和磁場分布以及洛倫茲力。

（3）將步驟（2）中得到的洛倫茲力加載到管件上，根據“固體力學”模塊求解出管件脹形位移。

（4）通過“動網格”模塊更新網格單元形狀，避免脹形過程中網格畸變。

（5）隨著管件脹形進行，線圈與管件之間互感發生變化，從而導致感應電動勢值發生變化，將新的感應電動勢值代入步驟（1），直至放電結束[20]。

“全局常微分和代數微分方程”模塊中涉及的電路方程為

將“全局常微分和代數微分方程”模塊中計算得到的線圈電流代入“磁場”模塊，其中涉及的電磁方程為

將“磁場”模塊中計算得到的數據代入“固體力學”和“動網格”模塊中進行進一步計算。本模型采用直徑75 mm、壁厚2 mm、高度64.2 mm的AA6061-O鋁合金管材，對比分析傳統管件電磁脹形壁厚減薄量和軸向變形非均勻性。

AA6061-O鋁合金管材的本構方程[21]為

2.2 管件渦流及電磁力特性分析

由于集磁器存在斷縫，內外壁感應電流通過斷縫形成回路，并且因為內外壁電流反向，新型集磁器內壁感應電流密度為負，而外壁感應電流密度則為正。通過仿真圖5a可得，175 μs時線圈電流達到峰值，取峰值時刻數據對電流和磁場情況進行說明。雙層凹型集磁器表面感應電流密度二維分布如圖5b所示，集磁器內壁端部感應電流為正值，而內壁中部區域感應電流為負值，外壁感應電流主要集中在集磁器端部區域，而集磁器中間區域外壁感應電流密度則相對較小。管件上的感應渦流與新型集磁器感應電流所產生的磁場相互作用時，由于雙層凹型集磁器外壁中間區域感應電流密度相對較小，從而管件中部受到的徑向電磁力也相對較小，從而能夠提高管件軸向均勻性。

由于在傳統管件脹形系統中引入新型集磁器，相較于傳統管件脹形而言，改變了管件成形區域磁場分布，從而進一步改變了管件成形區域力場分布。圖6和圖7分別為傳統管件脹形與基于新型集磁器管件脹形在成形管件縱軸向中心線處徑向磁感應強度與軸向電磁力分布。傳統螺線管線圈管件徑向磁感應強度在管件端部區域幾乎為零，基于新型集磁器管件電磁脹形管件徑向磁感應強度顯著增加。徑向磁感應強度的強弱決定管件軸向電磁力大小，當徑向磁感應強度增加時，相應軸向電磁力同步增大，由仿真數據得出新型集磁器管件脹形端部區域軸向電磁力數值約為傳統管件脹形端部區域軸向電磁力數值的3.68倍。

圖6 管件徑向磁感應強度

圖7 管件軸向電磁力密度

根據上述仿真數值可得，管件端部軸向電磁力顯著提升，進一步分析管件端部電磁力隨時間的變化。由于脹形系統結構對稱，為了簡化計算量，只分析管件上表面軸向電磁力隨時間的分布，結果如圖8所示。管件上表面端部軸向電磁力為負值，即軸向電磁力方向為由上端部指向管件中部，隨時間分布新型集磁器管件脹形軸向電磁力峰值約為傳統管件脹形峰值的3.60倍。

圖8 管件軸向電磁力密度（管件上端部）

圖9和圖10分別為傳統管件脹形和新型集磁器管件軸向磁感應強度分布和相應的徑向電磁力分布規律。對于傳統管件脹形，管件軸向內表面上軸向感應強度呈現凹形分布且管件中部磁感應強度最大；對于新型集磁器管件脹形，管件軸向內表面上軸向磁感應強度呈現凸形分布，并且由于新型集磁器凹陷部分增大了集磁器與管件之間的距離，因此管件中部磁感應強度相對較小。反映到徑向電磁力，表現為傳統管件脹形軸向內表面上的徑向電磁力呈現凸形分布，且管件中部徑向電磁力最大；新型集磁器管件脹形軸向內表面上的徑向電磁力呈現凹形分布，且管件中部徑向電磁力削弱。

圖9 管件軸向磁感應強度

圖10 管件徑向電磁力密度

2.3 基于雙層凹型集磁器管件脹形有效性分析

本節對傳統管件脹形和基于雙層凹型集磁器管件脹形進行了對比分析。為了增強對比，成形管件高度和驅動線圈高度保持一致，且通過調節放電電壓使得兩類成形模式下，管件最大變形量保持基本一致。其中，螺線管線圈（傳統）管件脹形時線圈電壓設置為5.5 kV，新型集磁器管件脹形時線圈電壓設置為6.5 kV。

圖11給出了兩類管件脹形系統下管件上端部材料軸向流動隨成形時間的變化情況。可以看出，較傳統管件脹形，雙層凹形集磁器作用下，管件上端部材料流動效果更為顯著。這主要是由于集磁器的引入使得管件所受到的軸向電磁力得到顯著提升（見圖8），促進了管件端部材料流動。管件端部材料流動的不同，進一步導致兩類管件脹形系統下管件減薄特性存在顯著差異，如圖12所示?？梢酝瞥?，管件壁厚減薄量由傳統管件脹形的22.07%減小至新型集磁器管件脹形的8.30%，這也充分證明了新型集磁器可以有效地降低壁厚減薄。

圖11 管件端部材料軸向流動隨時間的變化（管件上端部）

圖12 管件中心壁厚隨時間的變化

同時，為了驗證新型集磁器是否能夠有效解決傳統管件軸向變形非均勻問題，對兩類管件脹形系統下管件的變形過程及形貌進行了進一步分析。圖13給出了脹形過程中管件內表面徑向位移的變化?？梢钥闯觯瑐鹘y管件脹形過程中管件形貌一直呈現凸形結構；而在雙層凹形集磁器管件脹形系統中，由于管件中心區域成形力較?。ㄒ妶D10），因此在成形開始時間段呈現凹型形貌，但隨著變形過程的推進，在兩邊較大變形區域的帶動下，最終形成較為均勻的成形區域。

圖14給出了兩類管件脹形系統下管件的最終成形輪廓?？梢钥闯觯瑢τ陔姶帕Τ尸F“凸形”分布的螺線管線圈而言，管件存在明顯的變形不均勻現象；對于電磁力呈現“凹形”分布的新型集磁器來說，管件中部變形量明顯減小，呈現均勻變形特征。為了進行定量比較，使用r來比較二者管件變形均勻度。其中，r定義為管件軸向上能達到最大徑向脹形量90%的區域。對于傳統管件脹形，r=27.8 mm；當采用雙層凹形集磁器時，r=64.2 mm。通過數據可以直觀地看出，雙層凹形集磁器的引入，可以顯著改善管件軸向變形不均勻問題。

圖14 傳統管件和雙層凹形集磁器管件脹形的最終輪廓

3 新型集磁器凹陷高度對管件成形影響

在前文模型構建基礎上，進一步探究新型集磁器內凹高度對管件脹形影響。在保持驅動線圈、成形管件以及初始放電電壓5.5 kV一致的前提下，通過改變新型集磁器內凹高度，以新型集磁器凹陷8 mm為起點，探究了不同集磁器凹陷高度下（16 mm、32 mm、64 mm）管件徑、軸向電磁力特性以及軸向變形均勻性和壁厚減薄的變化規律。

圖15給出了不同集磁器凹陷高度下管件變形后的徑向位移。可以看出，相較于傳統管件脹形，引入具有不同凹陷高度的集磁器，管件脹形軸向不均勻性問題均可得到顯著改善；但隨著新型集磁器凹陷高度不斷增加，管件整體徑向位移呈下降趨勢。

圖15 新型集磁器凹陷高度對管件脹形徑向位移的影響

此外，從仿真數據可以看出，當集磁器凹陷達到32 mm時，管件脹形已具有很好的均勻性，進一步增大集磁器內凹高度，管件軸向均勻性反而變差，但是總體仍顯著優于傳統管件脹形。圖16給出了不同集磁器凹陷高度下管件中心壁厚的變化情況，表明增大集磁器內凹高度有助于增大管件壁厚。進一步，圖17給出了不同集磁器凹陷高度下管件端部材料流動和壁厚減薄量的變化情況?？梢钥闯觯S著引入的集磁器凹陷高度不斷增加，管件壁厚減薄量呈減小趨勢，與圖16管件中心壁厚變化情況相對應；但是集磁器凹陷高度達到32 mm時，管件端部材料流動反而減小，這是因為集磁器凹陷過大時，管件變形量減小（見圖15），從而導致管件端部材料流動相應減少。

圖16 新型集磁器內壁凹陷高度對管件中心壁厚的影響

圖17 管件上端部材料流動與壁厚減薄量對比

為了解釋上述管件軸向變形均勻性和壁厚減薄的變化特性，進一步對管件所受徑向電磁力和軸向電磁力進行分析。圖18給出了不同集磁器凹陷高度下管件所受的徑向電磁力特性?？梢钥闯觯S著集磁器凹陷高度的增加，管件所受徑向電磁力呈減小趨勢，這很好地解釋了圖15中隨著集磁器凹陷高度不斷增加徑向位移卻逐步減小的現象。對于圖15中出現集磁器凹陷超過32 mm之后，管件均勻性變差的現象，這與管件端部所受軸向電磁力特性有關。圖19給出了不同集磁器凹陷高度下管件所受的軸向電磁力特性。一方面可以看出，引入集磁器后管件上端部受到的軸向電磁力均向下，這有助于促進管件軸向流動而抑制管件壁厚減??；另一方面可以看出，隨著集磁器凹陷高度的增加，與徑向電磁力逐漸變小不同，管件端部所受軸向電磁力增大，這也使得當凹陷高度過大時，管件軸向電磁力對管件變形行為的影響較大，易在端部較大軸向電磁力的作用下形成凸形彎曲特征，造成軸向變形均勻性一定程度的降低。

圖18 新型集磁器凹陷高度對管件徑向電磁力的影響

圖19 新型集磁器凹陷高度對軸向電磁力的影響

4 結論

針對傳統螺線管線圈管件脹形中存在的管件壁厚減薄和軸向變形非均勻的問題，本文提出基于單驅動線圈和雙層凹型集磁器管件電磁脹形方案，并探究了集磁器內凹高度對管件脹形特性的影響。研究表明，通過在線圈和管件之間引入該類新型集磁器，一方面管件端部可形成顯著軸向壓縮電磁力，促進端部材料流動，進而可抑制成形過程中管件壁厚減薄；另一方面，凹型集磁器結構下管件中部區域的徑向電磁力變小，可避免傳統管件成形中出現的“兩端小，中間大”現象，顯著提升變形均勻度。與此同時，研究指出增大集磁器內凹高度有助于提升管件壁厚減薄抑制效果，在一定范圍內能夠增大成形管件軸向均勻度，但是隨著集磁器內凹高度不斷增加，成形管件軸向均勻度反而會略微降低，但是仍顯著優于傳統管件脹形。值得一提的是，該方案采用單個驅動線圈，工裝結構非常簡單，集磁器結構參數可以根據具體的成形需求進行設計和調整。后續將構建相關實驗系統，從實驗層面進一步驗證所提新型管件電磁脹形方法的實際效果。

[1] Zhou Bo, Liu Bo, Zhang Shengen. The advancement of 7XXX series aluminum alloys for aircraft structures: a review[J]. Metals, 2021, 11(5): 718.

[2] Psyk V, Risch D, Kinsey B L, et al. Electromagnetic forming—a review[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211(5): 787-829.

[3] Li Xiaoxiang, Cao Quanliang, Lai Zhipeng, et al. Bulging behavior of metallic tubes during the electromagnetic forming process in the presence of a background magnetic field[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 276: 116411.

[4] Ouyang Shaowei, Li Changxing, Du Limeng, et al. Electromagnetic forming of aluminum alloy sheet metal utilizing a low-frequency discharge: a new method for attractive forming[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 291: 117001.

[5] 邱立, 李彥濤, 蘇攀, 等. 電磁成形中電磁技術問題研究進展[J]. 電工技術學報, 2019, 34(11): 2247-2259. Qiu Li, Li Yantao, Su Pan, et al. Research on electromagnetic problems in electromagnetic forming process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2247-2259.

[6] Tang Yinghao, Li Xiaoxiang, Zhang Yi, et al. Design of pulsed magnet for adjusting the residual stress field in large-size aluminum alloy rings[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2022, 32(6): 1-5.

[7] Pawar S, Kore S D. Electromagnetic forming and perforation of Al tubes[J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(12): 5999-6007.

[8] Qiu Li, Yu Yijie, Wang Ziwei, et al. Analysis of electromagnetic force and deformation behavior in electromagnetic forming with different coil systems[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2018, 57(3): 337-345.

[9] Li Zhangzhe, Han Xiaotao, Cao Quanliang, et al. Design, fabrication, and test of a high-strength uniform pressure actuator[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 1-5.

[10] Li Xiaoxiang, Cao Quanliang, Lai Zhipeng, et al. Bulging behavior of metallic tubes during the electromagnetic forming process in the presence of a background magnetic field[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 276: 116411.

[11] 熊奇, 周麗君, 楊猛, 等. 單脈沖電磁成形中洛倫茲力在時間上的雙向競爭關系及其對成形效果的影響[J]. 電工技術學報, 2022, 37(14): 3453-3463. Xiong Qi, Zhou Lijun, Yang Meng, et al. The two-way competitive relationship of Lorentz force in time in single pulse electromagnetic forming and its influence on forming effect[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(14): 3453-3463

[12] Yu Haiping, Xu Zhidan, Fan Zhisong, et al. Mechanical property and microstructure of aluminum alloy-steel tubes joint by magnetic pulse welding[J]. Materials Science and Engineering: A, 2013, 561: 259-265.

[13] 熊奇, 朱鑫輝, 趙翔, 等. AZ31鎂合金管件電磁吸引式成形動態特性研究[J]. 電工技術學報, 2023, 38(10): 2577-2588, 2636. Xiong Qi, Zhu Xinhui, Zhao Xiang, et al. Research of dynamic characteristics in electromagnetic attraction forming of AZ31 magnesium alloy tube[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2577-2588, 2636.

[14] 張望, 王于東, 李彥濤, 等. 基于雙向電磁力加載的管件電磁翻邊理論與實驗[J]. 電工技術學報, 2021, 36(14): 2904-2911. Zhang Wang, Wang Yudong, Li Yantao, et al. Theory and experiment of tube electromagnetic flanging based on bidirectional electromagnetic force loading[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 2904-2911.

[15] Ouyang Shaowei, Wang Chen, Li Changxing, et al. Improving the uniformity and controllability of tube deformation via a three-coil forming system[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 114(5/6): 1533-1544.

[16] Qiu Li, Li Yantao, Yu Yijie, et al. Electromagnetic force distribution and deformation homogeneity of electromagnetic tube expansion with a new concave coil structure[J]. IEEE Access, 2019, 7: 117107-117114.

[17] Zhang Xiao, Ouyang Shaowei, Li Xiaoxiang, et al. Effect of pulse width of middle-coil current on deformation behavior in electromagnetic tube forming under two-stage coils system[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 110(5/6): 1139-1152.

[18] 邱立, 楊新森, 常鵬, 等. 雙線圈軸向壓縮式管件電磁脹形電磁力分布規律與管件成形性能研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(14): 2855-2862.Qiu Li, Yang Xinsen, Chang Peng, et al. Electromagnetic force distribution and forming performance in electromagnetic tube expansion process with two coils[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2855-2862.

[19] 邱立, 余一杰, 聶小鵬, 等. 管件電磁脹形過程中的材料變形性能問題與電磁力加載方案[J]. 電工技術學報, 2019, 34(2): 212-218. Qiu Li, Yu Yijie, Nie Xiaopeng, et al. Study on material deformation performance and electromagnetic force loading in electromagnetic tube expansion process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(2): 212-218.

[20] Cao Quanliang, Li Liang, Lai Zhipeng, et al. Dynamic analysis of electromagnetic sheet metal forming process using finite element method[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 74(1): 361-368.

[21] Ouyang Shaowei, Li Xiaoxiang, Li Changxing, et al. Investigation of the electromagnetic attractive forming utilizing a dual-coil system for tube bulging[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 49: 102-115.

Electromagnetic Force and Formability Analysis of Tube Electromagnetic Bulging Based on Double-Layer Concave Magnetic Field Shaper

Shao Zihao1,2Wu Weiye1,3Wang Chenxin1,2Qiu Li1,2

（1. College of Electrical Engineering and New Energy China Three Gorges University Yichang 443002 China 2. Hubei Provincial Key Laboratory for Operation and Control of Cascaded Hydropower Station Yichang 443002 China 3. State Grid Anhui Electric Power Co. Ltd Lai'an County Power Supply Company Chuzhou 239200 China）

Electromagnetic forming technology has significant advantages over mechanical processing technology in the processing of light alloy materials and is an important way to realize energy saving and emission reduction in aerospace, automobile manufacturing and other fields. However, the traditional electromagnetic tube expansion process has the defects of serious wall thinning and uneven axial deformation. Based on the traditional electromagnetic tube expansion system, this paper proposed a novel type of double-layer field shaper to regulate the distribution of magnetic field and electromagnetic force.

The new field shaper structure can adjust the radial electromagnetic force distribution characteristic from “small at the ends, large in the middle” mode to “large at the ends, small in the middle” mode. And the smaller axial electromagnetic force at the end of the tube can be adjusted to a larger electromagnetic force. The adjustment of the radial electromagnetic force field distribution can weaken the radial electromagnetic force in the middle of the formed tube, thus changing the deformation shape of the tube and improving the characteristics of uneven axial deformation of the tube; the adjustment of the axial electromagnetic force field distribution can promote the flow of the material at the end of the tube to the middle area, compensating for the reduction of the wall thickness of the tube due to radial expansion, thus suppressing the wall thickness thinning phenomenon of the tube. To verify the effectiveness of the double-layer field shaper, the finite element model of electromagnetic coupling structure for the electromagnetic tube expansion system was established by using COMSOL software. In this paper, the change laws of the key physical quantities, such as, the electromagnetic force distribution, the axial deformation uniformity and the wall thickness thinning amount were compared and studied under the condition with or without field shaper. On this basis, the influence of the inner cavity depth of the field shaper on the forming effect of tubes was further explored.

The simulation results show that the new field shaper structure improves the axial uniformity by 2.31 times compared with the traditional expansion process, and reduces the wall thickness thinning from 22.07% to 8.30%. The effectiveness of the new field shaper structure in improving the wall thickness thinning and uneven axial deformation of tubes was verified. In addition, increasing the concave height of field shaper is helpful to restrain the wall thinning of tubes, and increase the axial uniformity in a certain range. However, with the further increase of the concave height of field shaper, the radial and axial force fields in the tube forming area are further regulated, the axial uniformity will slightly decrease, but it is still significantly better than the traditional tube expansion effect. It is worth mentioning that the bulging method proposed in this paper adopts single drive coil with simple structure and convenient toolingcompared to multi-coil electromagnetic forming systems. The actual effect of the bulging method will be further verified from the experimental level in the future.

Electromagnetic forming, electromagnetic force, magneticfield shaper, deformation behavior

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222324

TM154

國家自然科學基金資助項目（51877122）。

2022-12-12

2023-04-01

邵子豪 男，1999年生，碩士研究生，研究方向為電磁成形。E-mail：shaozihao1999@163.com

邱 立 男，1984年生，博士，副教授，研究方向為電磁成形。E-mail：Doctor_QiuL@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）