- 頭條三峽大學電氣學院熊奇團隊在電磁成形技術研究上取得新成果2022-12-22 作者：熊奇、周麗君 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電磁成形技術是一種利用洛倫茲力驅動金屬材料發生高速變形的先進制造技術。與傳統靜態成形工藝相比，電磁成形因其極高的應變速率能顯著地改善輕質合金材料的成形性能。同時，相比傳統機械力或液壓力，電磁成形所利用的洛倫茲力能夠在時間和空間上靈活調控，因而具備更豐富的工藝潛能。然而，現有研究多將重點放在金屬工件的成形方式及效果上，對其最主要部分——洛倫茲力，在電磁成形過程中隨時間的變化過程及復雜的競爭關系并未系統分析。 因此，三峽大學電氣與新能源學院、國家脈沖強磁場科學中心（華中科技大學）、三峽大學湖北省輸電線路工程技術研究中心、國網安徽電力有限公司濉溪供電公司的研究人員熊奇、周麗君、楊猛、張露露、李哲，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，針對典型的單脈沖電磁成形過程，細化電磁成形過程中各個物理量之間的動態變化關系，研究了成形過程中隨時間變化洛倫茲力在鋁合金板件上的競爭關系及對成形效果的影響，闡明了隨時間變化的洛倫茲力的競爭關系，對所呈現成形效果的影響及原因進行了分析，更加深刻全面地理解電磁成形技術過程。
電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種利用脈沖電磁力實現輕質合金加工的高速成形技術。在電磁成形的過程中，通常采用電容器組對驅動線圈放電產生脈沖強電流，脈沖強電流產生脈沖磁場進而在金屬工件中產生感應渦流，渦流與磁場共同作用產生洛倫茲力驅動金屬工件，最終實現加工成形。
相對于傳統成形技術，其具有以下顯著優勢：①可明顯提升材料成形極限，有效減少零件回彈、起皺等[2]問題，成形精度高。②非接觸施力，避免了與材料直接接觸，可減少變形過程中的摩擦，有利于提高成形件的表面質量。③洛倫茲力的方向及大小可通過僅改變驅動電路參數進行調控，靈活性遠勝于傳統機械力。因此，EMF尤其適合鋁、鈦等輕質合金的成形加工，被認為是制造輕質合金具有前途的技術之一。
圖1 電磁成形示意圖
近年來，電磁成形工藝發展較為迅速，成形方案復雜多變。如：改善洛倫茲力分布的電磁成形技術（板件勻壓力成形、板件局部電磁力成形等）、改善洛倫茲力施加方式的電磁成形技術（軸◆徑雙向加載管件電磁翻邊、管件成形均勻度優化等），但在這些現有的研究中，研究重點多放在成形工藝及成形效果討論上，對變形的主導因素洛倫茲力，在成形過程中隨時間推移產生的復雜的動態過程及關系，并未仔細探究。
其實無論是探究成形工藝還是成形效果（如吸引式、排斥式成形），都是通過洛倫茲力隨時間的競爭關系最終呈現在工件的成形上，如具代表性的單脈沖電磁成形。
電磁成形工藝初期，使用單脈沖的電磁成形技術占據主流。由于在單脈沖電源條件下，工件上多以排斥式洛倫茲力主導，因此研究主要以排斥力成形為主。
如熊奇利用單脈沖電源對鋁合金大板件進行有限元模擬與成形實驗，完善了鋁合金大板件的排斥力成形；Cao Quanliang等利用在外電路中增加續流回路，在基本不改變成形效果的情況下，降低線圈溫升，優化了單脈沖鋁合金板件的排斥力成形；而近期Ouyang Shaowei等提出了采用單脈沖低頻放電的吸引力成形方案，并驗證了方案的可行性，實現了單脈沖板件的吸引力成形，指出了前期的排斥力成形階段可能有助于板件后期的吸引力成形，且吸引力小于排斥力。
同樣是使用單脈沖電源進行放電，最終的成形效果卻完全不同。而現有研究并未對其動態過程進行系統分析，洛倫茲力的變化更未完全呈現。而在電磁成形的過程中，影響洛倫茲力變化的各個參數隨時間的動態變化關系復雜，導致洛倫茲力在成形過程中，隨時間變化在板件上的競爭關系劇烈，最終導致板件在成形效果上呈現巨大差異。
因此，為了系統研究單脈沖電磁成形過程中，洛倫茲力隨時間的競爭關系，由于電磁成形實驗極其快速且過程中的數據變化通過實驗無法得到，三峽大學電氣與新能源學院等單位的研究人員通過建立已有實驗驗證的單脈沖方案下板件電磁成形仿真模型，對典型的單脈沖電磁成形進行分析，細化動態過程，通過調節外電路的參數著重分析：影響洛倫茲力變化的因素、成形過程中隨時間變化的洛倫茲力在鋁合金板件上的競爭關系，以及洛倫茲力的競爭對于成形效果的影響。
圖2 板件電磁成形方案示意圖
他們根據研究分析認為，影響競爭關系的因素主要有以下兩點：
1）電流脈寬（力的差值）。在電容值很小的情況下，電流在上升沿階段變化極快，產生的排斥式與吸引式洛倫茲力相差一個或數個量級，排斥力在競爭關系中占絕對主導的地位。而在電容值慢慢變大的過程中，產生的洛倫茲力才具有可比性。在滿足吸引力成形的脈寬下，也并非電壓越大，變形越大，主要是在電壓變化的過程中，由于力的差值在變化，競爭關系也是會發生變化的，最終還是要觀察力的差值。
2）洛倫茲力波峰與波谷的尖銳度。在排斥力與吸引力相差較小的情況下，洛倫茲力波峰與波谷的尖銳度作為競爭關系中重要的因素，排斥力雖大于吸引力，但作用時波谷處變化緩慢；吸引力雖略小于排斥力，但波峰處變化較快，一般為吸引力占據主導，并最終呈現出吸引力形變。
本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“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”。本課題得到國家自然科學基金和武漢強磁場學科交叉基金的支持。
