崔曉輝，周向龍，杜志浩，喻海良，陳保國

（1.中南大學(xué)輕合金研究院，長沙 410083；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；3.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實驗室，長沙 410083；4.中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

隨著我國高速列車、大型飛機(jī)、新一代戰(zhàn)機(jī)、大運(yùn)載火箭對整體式、高精度、輕量化結(jié)構(gòu)件的要求增加，板材零件將進(jìn)一步向大尺寸、薄壁、深腔、復(fù)雜曲面以及難變形材料等方向發(fā)展。采用高性能輕質(zhì)合金的大型整體薄壁構(gòu)件是航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)葴p輕質(zhì)量、提高承載能力極限的主要技術(shù)方向。例如，飛機(jī)機(jī)體減重5kg，可增加飛機(jī)有效商載50kg；戰(zhàn)斗機(jī)為了提高機(jī)動性能和航程，結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)從三代飛機(jī)的32%～34%降低到四代機(jī)的27%～28%[1]；汽車減重10%，降低油耗8%，減少碳排放13%[2]。因此，輕量化已成為科技領(lǐng)域先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。

實現(xiàn)輕量化的兩個主要途徑分別為：結(jié)構(gòu)途徑和材料途徑。結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢為采用薄壁高筋、空心變截面和整體輕量化的結(jié)構(gòu)；而材料更多采用鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質(zhì)材料。在眾多的輕量化材料中，鋁合金具有良好的耐蝕性、可焊性、低密度和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，在航空航天等行業(yè)中得到了大量的應(yīng)用。但是鋁合金的變形性能較差，主要表現(xiàn)在兩個方面：（1）沖壓成形時金屬流動不均，容易產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷，這造成傳統(tǒng)沖壓工藝得到的鋁合金成形極限遠(yuǎn)低于鋼材；（2）鋁合金的彈性模量只有鋼材的1/3，這導(dǎo)致零件卸載后回彈量遠(yuǎn)大于鋼材，并難以控制成形精度。

電磁脈沖成形是一種利用脈沖磁場力對金屬工件進(jìn)行高速加工的方法，是未來制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。圖1 為平板電磁脈沖成形原理圖[4]。能量存儲在電容器中，放電開關(guān)瞬間閉合。電容、線圈以及放電電路構(gòu)成RLC振蕩電路，工作線圈中就會有瞬態(tài)的大交變電流流過，產(chǎn)生強(qiáng)的交變磁場，并穿透工件。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和趨膚效應(yīng)，此磁場會在金屬工件表面上得到與線圈電流方向相反的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流也會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，阻止線圈磁場穿透工件，從而使工件與線圈之間的磁場加強(qiáng)。線圈與工件之間產(chǎn)生隨時間變化的相互排斥磁場力。工件就在這種排斥磁場力的作用下發(fā)生高速變形。

研究表明材料在高速變形條件下能夠獲得高于傳統(tǒng)沖壓加工下的成形性能，并把這種較高成形性的現(xiàn)象稱為“高塑性”。材料在高速沖擊下，產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)加工方法準(zhǔn)靜態(tài)的變形行為而出現(xiàn)一種動態(tài)行為，即材料在變形彈性波、塑性波的沖擊下出現(xiàn)晶體孿生、組織相變、絕熱剪切等動力學(xué)行為，因而能夠有效提高難變形材料的成形極限、降低回彈[5–6]，為鋁合金材料的難加工問題提供了一個可靠的解決途徑。該技術(shù)在管件的脹形、縮徑、同軸零件的連接裝配或壓縮類封口等方面得到較多的應(yīng)用[7–8]，但在工業(yè)產(chǎn)品中的深殼、大尺寸板材的成形中應(yīng)用較少。

為了實現(xiàn)零件的精確制造，電磁脈沖輔助沖壓（Electromagnetically assisted sheet metal stamping）技術(shù)得到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。該方法將高速率的電磁脈沖成形的優(yōu)勢與普通沖壓成形工藝結(jié)合。1998年，美國俄亥俄州立大學(xué)的Vohnout 研究團(tuán)隊[9]選擇通用汽車ChevyCavalier的AA6111–T4 鋁合金車門內(nèi)板進(jìn)行電磁脈沖輔助成形試驗研究。首先采用普通沖壓技術(shù)得到零件的大致變形輪廓，然后用嵌入到?jīng)_頭里的電磁線圈成形工件的難變形部位（尖角、棱線等），以達(dá)到需要的形狀。與傳統(tǒng)沖壓工藝相比，電磁脈沖輔助沖壓能夠有效控制工件局部區(qū)域的成形能量、改善應(yīng)變分布、提高成形極限、加工柔性和精度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉大海[10]等提出了采用電磁輔助沖壓工藝來實現(xiàn)小圓角半徑筒形零件的成形，解決筒形件傳統(tǒng)拉深成形時底部圓角半徑越小，越易發(fā)生破裂這一問題。該工藝的思路為：首先采用圓角半徑較大的凸模成形出具有較大底部圓角的筒形件輪廓，然后再采用嵌有線圈的模具結(jié)構(gòu)對底部圓角部位放電再成形。與普通沖壓相比，電磁脈沖輔助成形工藝能顯著改善底部圓角成形問題，得到普通拉深方法難以得到的小圓角半徑筒形件，提高了材料的成形性。但在電磁脈沖輔助沖壓成形中，電磁線圈僅對工件的局部難變形區(qū)域放電校形，該方法沒有解決板料法蘭區(qū)域材料的流動問題，從而難以大幅度提高材料的成形深度。另外，變形主要是通過傳統(tǒng)沖壓來完成。因此該方法也無法適用于大型曲面板型零件成形。

板料的回彈是由于彎曲角內(nèi)外層的切向應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩引起，而彎曲角相對于零件的整體尺寸較小。因此，國內(nèi)外學(xué)者通過在板料的彎曲角部位設(shè)置線圈，通過脈沖磁場力實現(xiàn)局部加載，從而誘導(dǎo)局部變形來實現(xiàn)回彈控制。Iriondo 等[11–12]分別設(shè)計了L 形和U 形彎曲結(jié)構(gòu)，分別對AA5754 鋁合金和DP600 高強(qiáng)鋼材料的彎曲區(qū)域施加磁場力，證明脈沖磁場力有利于減小回彈。相比于鋁合金材料，高強(qiáng)鋼需要更大的磁場力才能消除回彈。劉大海等[13]設(shè)計了U 形件的磁脈沖輔助彎曲成形裝置，研究發(fā)現(xiàn)，增加放電能量和放電次數(shù)有助于消除回彈。Shang 等[14]設(shè)計了90°的V 形件電磁輔助彎曲系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著放電能量的增加，板料的回彈角逐漸減小，當(dāng)能量超過一定臨界值后，出現(xiàn)負(fù)回彈。雖然電磁成形能很好地抑制甚至消除回彈，但目前依舊很難在工業(yè)中發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用案例。這主要是因為傳統(tǒng)的磁脈沖回彈控制，是在沖壓成形的凸模中設(shè)置線圈，這會大幅度增加模具和線圈的制作難度，并降低模具的使用壽命。因此急需開發(fā)新的磁脈沖回彈控制方法。

圖1 平板電磁脈沖成形原理圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic sheet forming

鋁合金的高性能制造對我國先進(jìn)制造技術(shù)的突破至關(guān)重要，但零件的成形往往存在破裂、起皺、回彈等問題，這些問題往往相互存在，并相互制約。如何克服并解決這些問題，是擋在學(xué)者們面前的一個攔路虎。本文介紹了3 類典型零件的電磁成形實際案例：（1）筒形件拉深；（2）大型橢球零件分區(qū)制造；（3）V 形零件彎曲回彈控制。并且，在上述方法的基礎(chǔ)上，提出飛機(jī)蒙皮件的電磁成形新方法。

電磁脈沖成形技術(shù)新進(jìn)展

1 多向磁場力驅(qū)動材料按需流動——筒形件拉深

傳統(tǒng)的筒形件拉深成形工藝中，工件壁厚分布不均，拉裂缺陷常產(chǎn)生在壁厚變化最大處。而工件破裂的根本原因是拉深件側(cè)壁承力區(qū)承受過大拉應(yīng)力而引起破壞。為了提高材料的拉深深度，就要改變側(cè)壁傳力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，減小拉應(yīng)力數(shù)值，這就需要降低法蘭部位的拉深阻力。而為了降低法蘭部位的拉深阻力，可以通過降低法蘭區(qū)板料與模具的摩擦力或在法蘭區(qū)域施加一個徑向推力，來提高法蘭區(qū)域材料向凹模洞口的流動性。鑒于此，以流體為傳力介質(zhì)的板料充液拉深技術(shù)在國內(nèi)外迅速發(fā)展起來。

板料充液拉深[15]是利用液體作為成形傳力介質(zhì)代替剛性凹模傳遞載荷，利用液池內(nèi)液體受到壓縮產(chǎn)生相對壓力使毛坯貼緊在凸模上，形成凸模形面所約束的形狀。與傳統(tǒng)沖壓成形相比，充液拉深成形零件表面質(zhì)量好、尺寸精度高、成形極限高，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、航空和航天等領(lǐng)域零部件的成形。為了提高充液拉深的成形極限，Nakamura 等[16]提出了“徑向推力液壓拉深”方法，將液池內(nèi)液體通過一定的旁路引至板料毛坯邊緣型腔內(nèi)，使板料邊緣在拉深過程中受到一定的徑向推力作用，“徑向推力”的出現(xiàn)減小了板料所受的拉應(yīng)力數(shù)值，大大地提高了板料抵抗破裂的能力。但是過大的液室壓力會導(dǎo)致曲面零件成形初期懸空區(qū)破裂。劉曉晶等[17]提出主動徑向加壓充液拉深。除充液室內(nèi)液體壓力作用外，通過獨(dú)立的液壓控制在成形坯料法蘭區(qū)施加主動徑向壓力，推動法蘭區(qū)板料向成形區(qū)域流動，配合凸模的拉深進(jìn)行變形。在合理的液室壓力和主動徑向壓力耦合加載路徑的作用下，可有效地抑制零件球底部的過度減薄，并最終獲得拉深比為2.66 的鋁合金球底筒形件。但是與傳統(tǒng)拉深工藝相比，充液拉深成形也有一些缺點(diǎn)，主要包括：（1）需要更大的拉深力和壓邊力，會顯著增加設(shè)備成本；（2）高壓下密封困難。

電磁推進(jìn)技術(shù)是利用磁場與電流之間的相互作用，產(chǎn)生電磁力來推進(jìn)或驅(qū)動物體，廣泛應(yīng)用于電磁炮、電磁彈射、磁懸浮列車等軍事、航空、交通等領(lǐng)域?；诖?，Cui 等[18]將傳統(tǒng)凸模沖壓、電磁脈沖成形和電磁推力技術(shù)結(jié)合在一起實施漸進(jìn)成形，提出了徑向電磁力驅(qū)動筒形件拉深的成形方法。圖2 為徑向側(cè)推電磁力和軸向反脹電磁力作用下的漸進(jìn)復(fù)合拉深過程。反脹線圈布置在凹模的圓角處，可使板料圓角區(qū)域發(fā)生反脹，最終配合凸模下壓實現(xiàn)筒形件深拉深。試驗發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜態(tài)沖壓得到板料最大拉深高度為19.3mm，板料最終直徑為191mm，如圖2（c）所示。經(jīng)過3 次放電（U=14000V）和4 次準(zhǔn)靜態(tài)拉深，板料最終的拉深高度提高了31%。

圖2 徑向力助推電磁反脹漸進(jìn)拉深Fig.2 Electromagnetic reverse bulging and incremental drawing by radial magnetic pressure

進(jìn)一步，F(xiàn)ang 等[19]提出了徑向側(cè)推電磁力和正向脹形電磁力作用下的漸進(jìn)復(fù)合拉深過程，如圖3 所示。該方法同樣將側(cè)推線圈布置在板料端部，不同的是把拉深線圈布置在凸模的底部，實現(xiàn)板料的電磁正向脹形。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，板料的最大拉深高度如圖2（c）所示。圖3（b）為經(jīng)過5 次放電和5 次準(zhǔn)靜態(tài)拉深過程，板料最終的拉深高度為42.86mm，成形高度比準(zhǔn)靜態(tài)拉深提高了116%。

為了解決傳統(tǒng)筒形件拉深成形時，零件底部圓角半徑越小，越易發(fā)生破裂這一問題。Cui 等[20]將多向磁脈沖成形方法和準(zhǔn)靜態(tài)沖壓結(jié)合在一起，采用沖壓得到圓角半徑較大的筒形零件，再采用嵌有線圈的模具結(jié)構(gòu)對底部圓角部位放電再成形（圖4）。當(dāng)只有圓角脹形線圈放電的情況下，研究發(fā)現(xiàn)隨著放電電壓的增加，板料的圓角半徑逐漸減小。但高電壓下，板料圓角與板料底部之間的過渡區(qū)域，板料厚度發(fā)生劇烈減薄，減薄率超過30%。但在脹形電磁力和徑向側(cè)推電磁力的共同作用下，板料與凹模圓角完美貼模。同時板料厚度最大減薄小于20%，遠(yuǎn)低于僅有圓角脹形線圈所得到的減薄量。

圖3 徑向力助推電磁正向脹形的漸進(jìn)復(fù)合拉深Fig.3 Electromagnetic positive bulging and incremental drawing by radial magnetic pressure

圖4 多向磁場力驅(qū)動筒形件變形Fig.4 Deformation for cylindrical parts by multi-direction magnetic forces

根據(jù)上述研究，將助推線圈布置在板料的端部，可在板料端部產(chǎn)生指向凹模洞口的徑向電磁力，改善了板料法蘭區(qū)域材料的流動性。該徑向電磁力有助于降低傳統(tǒng)拉深成形中板料易破裂位置的拉應(yīng)力數(shù)值，從而有效避免零件成形的斷裂，最終大幅度提高筒形件的拉深深度，并且改善零件的壁厚分布。

2 磁場力分區(qū)加載，制造大型構(gòu)件——大型橢球零件制造

傳統(tǒng)的電磁脈沖成形工藝，放電線圈和1 個在尺寸上與之相當(dāng)?shù)哪＞吲浜希幱诠潭ㄎ恢茫▓D1），通過1 次放電使金屬板料發(fā)生變薄的脹形變形。但是由于線圈尺寸和線圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及電容器容量的限制，傳統(tǒng)的電磁脈沖成形方法難以使大型板形零件在1 次放電中成形。基于金屬板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝，崔曉輝等[4，21]提出了電磁漸進(jìn)成形（Electromagnetic incremental forming，EMIF）方法。該技術(shù)的基本原理是放電線圈代替單點(diǎn)漸進(jìn)成形裝置中的剛性工具頭。放電線圈在計算機(jī)控制下按照一定的三維空間軌跡逐次移動到一個大型板件的各個局部位置，并通過線圈放電和磁場力使板料分布變形，形成一種針對大型板形件的分布式電磁漸進(jìn)成形工藝。

圖5 為平板電磁脈沖漸進(jìn)成形原理和試驗結(jié)果[21]。作為脈沖放電的電磁體在板料上沿著模具輪廓一步一步移動，每移動一步在一個位置連續(xù)兩次放電。第一次放電使板料接近模具輪廓，第二次放電對前一步校形，并使板料與模具精確貼合。該研究證明了電磁脈沖漸進(jìn)成形工藝采用小線圈和小能量設(shè)備能夠成形大尺寸板形零件。但該試驗中，線圈沒有在軸向移動，成形后零件的高度只有10mm。

為了進(jìn)一步提高零件的成形尺寸，張志武和崔曉輝等[22–23]將傳統(tǒng)板料拉形和電磁漸進(jìn)成形技術(shù)結(jié)合在一起實施復(fù)合成形，實現(xiàn)了大型、薄壁、曲面的鋁合金件的成形制造。新方法的成形原理為：用壓板和托板夾持住待變形板材，油缸向下移動，并帶動托板、壓板向下移動，使板料在第1 層被小幅度拉彎和繃緊，見圖6（a）的紅色虛線。隨后線圈移動到板料的拉彎區(qū)域并放電，實現(xiàn)板料與模具的貼合。圖6（b）為板料在第2 層被拉彎和放電后的示意圖。最終通過多層的成形實現(xiàn)大型零件制造。根據(jù)成形原理建立的試驗裝置如圖6（c）所示。試驗采用1mm 厚的鋁合金板材，板料直徑為1150mm。當(dāng)壓板和托板內(nèi)徑為475mm 的條件下，成形高度為60mm 時，板料出現(xiàn)明顯起皺。隨后采用“變壓邊結(jié)構(gòu)”的成形工藝，第一塊壓板和托板的內(nèi)徑R1=390mm，經(jīng)過6 次下拉和36 次放電，成形高度75mm，如圖6（d）所示。在圖6（d）的基礎(chǔ)上，將壓板和托板的內(nèi)徑調(diào)整為R2=475mm。再經(jīng)過5 次下拉，50 次放電，已成形部分的直徑達(dá)到700mm，高度150mm，并且已變形部分表面光滑，無起皺，見圖6（e）。在整個成形過程中，單次最大放電能量小于10kJ，所需工作臺的長寬高尺寸為1.4m×1.4m×1.2m。但如果采用上述的變壓邊結(jié)構(gòu)對板料進(jìn)行純拉形，板料褶皺明顯，見圖6（f）。

根據(jù)上述研究，采用小尺寸線圈和小放電能量就可以實現(xiàn)大尺寸零件的成形制造，從而降低了成形設(shè)備的要求。并且對于橢球型零件的成形，拉形和電磁成形的復(fù)合工藝可以有效解決板料的起皺問題。

圖5 平板電磁脈沖漸進(jìn)成形Fig.5 Electromagnetic incremental forming for flat sheet

3 高頻振蕩效應(yīng)降低回彈——V形零件彎曲回彈控制

在電磁脈沖控制回彈方面，Cui等[24–25]以國內(nèi)外學(xué)者已發(fā)表的V 形和U 形彎曲回彈試驗為基礎(chǔ)。數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜態(tài)彎曲后板料彎曲角的內(nèi)外側(cè)分別受切向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力。但電磁線圈放電后板料彎曲處在電磁力作用下達(dá)到最大變形量后，隨后會出現(xiàn)位移的高頻振蕩效應(yīng)。該效應(yīng)導(dǎo)致板料的彎曲角內(nèi)外層應(yīng)力發(fā)生明顯振蕩，使板料的切向應(yīng)力大幅度減小，并且放電能量越大，切向應(yīng)力降低越明顯。當(dāng)放電能量超過臨界值，板料上的切向應(yīng)力方向甚至發(fā)生改變。因此，電磁脈沖成形后，彎曲后板料的回彈被減小甚至消除，實現(xiàn)了零件的精確成形制造。

基于上述研究，Cui 等[26]設(shè)計了新穎的電磁力反向加載的回彈控制新方法。圖7（a）為過去所有學(xué)者們采用的磁脈沖回彈校形示意圖。當(dāng)凸模下壓一定的距離后，嵌入在凸模內(nèi)的電磁線圈放電，最終實現(xiàn)板料的回彈校形。因此，整個的凸模下壓方向和電磁力的作用方向一致。但該凸模的制作，需要先在傳統(tǒng)鋼制凸模的圓角區(qū)域挖槽，將金屬線圈嵌入到此槽內(nèi)。為了避免金屬線圈與鋼制凸模接觸，還需要在金屬線圈的外圍包裹一定厚度的絕緣材料。因此該復(fù)合凸模使用壽命低，并且難以適合于高強(qiáng)度和厚板成形，導(dǎo)致磁脈沖成形技術(shù)難以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。圖7（b）為電磁力反向加載的回彈控制方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，不對傳統(tǒng)的沖壓模型進(jìn)行更改，只需在板料彎曲角的底部布置線圈，實現(xiàn)回彈校形。

圖8（a）為中南大學(xué)自主開發(fā)的電磁成形試驗裝備。整個試驗設(shè)備包含200kJ 電磁成形試驗機(jī)、100t液壓機(jī)、洛夫羅斯線圈和示波器等。圖8（b）為成形裝置。當(dāng)凸模下壓到一定位置后，凸模固定不動。隨后線圈放電。圖8（c）為準(zhǔn)靜態(tài)和線圈放電后的試驗結(jié)果。圖8（d）～（f）分別為線圈放電后板料中心節(jié)點(diǎn)的速度、位移、3 向主應(yīng)力，以及板料彈性和塑性應(yīng)變能隨時間變化曲線。通過試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，電磁力反向加載條件下板料彈性應(yīng)變能、板料上的切向應(yīng)力等都隨放電電壓的增加而降低，這最終導(dǎo)致板料回彈角隨放電電壓增加而降低。由于整個試驗過程中，不需要更改凸模和凹模結(jié)構(gòu)，從而為磁脈沖降低回彈在工業(yè)上的應(yīng)用提供了一種有效的方法。

圖8 電磁力反向加載回彈控制Fig.8 Springback control by magnetic force reverse loading

飛機(jī)蒙皮件制造

現(xiàn)代飛機(jī)制造中，蒙皮是構(gòu)成飛機(jī)氣動外形的關(guān)鍵零件，其成形質(zhì)量直接關(guān)系到飛機(jī)的氣動性能和使用壽命。蒙皮主要采用拉伸成形工藝制造，在數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)上，兩端鉗口施加拉力和彎矩，使板材緩緩貼合模具型面。在蒙皮拉成形方式中，拉力主要由材料夾持框下移提供，從而讓蒙皮毛料大面積包緊下模型面。在此之后，為減少成形后回彈，繼續(xù)施加補(bǔ)拉。

傳統(tǒng)拉形方法存在以下問題：（1）大型設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸巨大、價格昂貴。國內(nèi)拉伸成形設(shè)備以進(jìn)口為主，歐美等發(fā)達(dá)國家掌握設(shè)備制造的核心技術(shù)；（2）由于蒙皮厚度薄，導(dǎo)致拉形后蒙皮受力不均、出現(xiàn)回彈大、破裂或起皺等不足，嚴(yán)重影響了成形效率與飛行器的效能，并且為了消除回彈，需要加大拉形力，這必然造成零件因拉應(yīng)力過大而過度減薄，極大影響使用性能；（3）當(dāng)模型面特殊，蒙皮與模型表面無法完全貼合時，需要工人近距離作業(yè)，對回彈和褶皺進(jìn)行抹平和修復(fù)，不僅成形效率不高，而且具有一定危險性。根據(jù)上一節(jié)所述電磁成形的新進(jìn)展，提出了磁場力分區(qū)加載的飛機(jī)蒙皮件制造技術(shù)，最終為大尺寸、薄壁高性能鋁合金的精確制造提供新途徑。

本節(jié)所采用的模具為單曲率結(jié)構(gòu)，模具的曲面長500mm、高100mm，如圖9 所示。按照高度將模具等分為5 層，每層高度為20mm。采用雙線圈放電，每個線圈放電位置與凸模中心線距離一致。所提出的蒙皮件的磁場力分區(qū)成形過程如下：

（1）凸模先上升20mm，對板料小幅度拉彎，如圖9（a）中的紅色虛線所示。隨后線圈移動到放電位置并放電。實現(xiàn)第一層板料與模具的貼合。線圈邊緣與模具中心線的距離定義為R，在每一層線圈的放電位置如表1 所示。

（2）凸模再次上升20mm 后，線圈移動到待放電位置并放電。實現(xiàn)第二層板料與模具的貼合。

（3）重復(fù)執(zhí)行步驟（2），直到凸模上升100mm 及線圈放電后，最終實現(xiàn)板料的整體制造。

根據(jù)圖9 所示的成形原理，設(shè)計的蒙皮件成形試驗裝置如圖10所示。將凸模安裝在壓力機(jī)的下油缸上，油缸上升會使板料彎曲變形。采用壓板和托板加緊板料，并將板料放置在凸模上。線圈移動機(jī)構(gòu)安裝在壓力機(jī)滑塊上，線圈能夠沿X軸和Z軸平移，并繞Y軸旋轉(zhuǎn)。采用3003 鋁合金，材料的屈服強(qiáng)度為157.8MPa，板料的長寬厚分別為750mm×150mm×1mm。放電線圈數(shù)量為2 個，沿板料中線對稱布置。線圈在每一層連續(xù)放電兩次，兩次放電電壓均為5000V。

圖9 磁場力分區(qū)加載蒙皮件成形示意圖Fig.9 Schematic diagram of electromagnetic partitioning forming

表1 每一層線圈的放電位置RTable 1 Discharge position R of each layer of coil

圖10 蒙皮件的電磁分區(qū)成形裝置Fig.10 Electromagnetic partitioning forming device for skin parts

圖11（a）為對板料進(jìn)行純拉形，凸模上升高度為100mm?？梢园l(fā)現(xiàn)拉形后板料上的等效塑性應(yīng)變主要集中在壓板所對應(yīng)的板料區(qū)域，板料大部分區(qū)域發(fā)生的是彈性變形。因此當(dāng)模具和壓板卸載后，板料必然發(fā)生非常大的回彈。圖11（b）為多次拉形+放電后，板料上的等效塑性應(yīng)變分布。相比于圖11（a），圖11（b）中板料不但與模具較好貼合，同時板料上發(fā)生了大范圍的塑性變形。也就是說，通過電磁成形方式，使原來純拉形后板料上的彈性變形轉(zhuǎn)化為了塑性變形。而塑性變形量越大，最終必然會導(dǎo)致板料上的回彈大幅度降低。圖11（c）為純拉形100mm 后，板料沿Z軸的回彈結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)板料發(fā)生了明顯的回彈。而經(jīng)過多次拉形+放電后，回彈后板料端部沿Z軸抬起4.6mm，如圖11（d）所示。而由于板料的長度達(dá)750mm，因此多次拉形+放電后，板料的回彈被大幅度抑制。

圖12（a）為不同層拉形以及放電后板料的變形輪廓?？梢园l(fā)現(xiàn)：（1）不同層板料被拉形后，板料待變形區(qū)域與模具輪廓之間存在較大的距離。但上一層線圈放電使板料與模具已貼合區(qū)域，經(jīng)過拉形后被小幅度拉開，從而使已貼模區(qū)域的板料與模具僅有微小的間距。（2）拉形后雖然使板料與模具之間的貼模性變差，但是在每一層線圈放電后，板料與模具均達(dá)到完全貼合。因此，采用多次的“拉形+放電”工藝，可以實現(xiàn)板料的高精度制造。圖12（b）為成形高度均為100mm 的情況下，純拉形和多次拉形+放電工藝下板料上的等效塑性應(yīng)變分布。可以發(fā)現(xiàn)純拉形主要發(fā)生彈性變形，而多次拉形+放電工藝下板料整體發(fā)生了明顯的塑性變形。

圖11 蒙皮件的整體變形結(jié)果Fig.11 Deformed sheet for skin parts

圖12 板料的變形輪廓和等效塑性應(yīng)變分布Fig.12 Deformation profiles and equivalent plastic strain on sheet metal

圖13（a）和（b）為純拉形和磁場力分區(qū)加載后板料最終的變形和回彈結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)純拉形板料出現(xiàn)明顯回彈，當(dāng)采用磁場力分區(qū)加載后，板料的回彈大幅度降低，板料與模具貼合部位的表面輪廓光滑。當(dāng)將板料放置于模具上，板料與模具之間的間隙不超過1.5mm。圖13（c）為磁場力分區(qū)加載的模擬和試驗所得到的變形輪廓對比，可以發(fā)現(xiàn)模擬方法能精確預(yù)測板料變形結(jié)果。

由于在傳統(tǒng)的蒙皮拉形中，施加的補(bǔ)拉力是沿板料的切向方向，這就需要復(fù)雜的拉形機(jī)構(gòu)。而新方法并不需要沿板料切向施加大的拉力用于消除回彈，回彈是通過電磁成形方法解決，因此本文所提出的新方法并不需要復(fù)雜的拉形結(jié)構(gòu)（圖10），這也成為新方法的一大優(yōu)勢。

結(jié)論

本文以筒形件拉深、大型橢球零件制造、V 形零件彎曲回彈控制3 個典型零件的成形問題，介紹了近幾年電磁成形所出現(xiàn)的新技術(shù)和新現(xiàn)象。主要包含有：（1）多向磁場力驅(qū)動材料按需流動；（2）磁場力分區(qū)加載，制備超大型構(gòu)件；（3）高頻振蕩效應(yīng)降低回彈。

圖13 試驗結(jié)果Fig.13 Experimental results

并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了大型薄壁鋁合金飛機(jī)蒙皮件的成形方法和試驗裝置。通過研究發(fā)現(xiàn)，板料被純拉形后主要發(fā)生彈性變形，而電磁成形使彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，最終大幅度地降低了板料變形后的回彈，實現(xiàn)了蒙皮件的精確制造。