張紅升 曹麗琴 郭 凱

(①燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004； ②燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島066004)

拉深是薄板成形的一種主要方式，而起皺和破裂是拉深過(guò)程中常見(jiàn)的兩種成形缺陷。影響成形缺陷的因素包括材料特性、潤(rùn)滑條件以及壓邊力等，其中壓邊方法和壓邊力的加載方式是抑制成形缺陷的主要手段，一直以來(lái)都是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。

傳統(tǒng)的機(jī)械壓邊包括剛性壓邊和彈性壓邊，剛性壓邊依靠壓力機(jī)滑塊的行程和位移來(lái)限定壓邊力，精確度較差。彈性壓邊借助彈性體作為力的傳遞介質(zhì)，但彈性體的壓縮量和彈性勢(shì)能的儲(chǔ)存一般只能隨拉深進(jìn)程遞增[5-6]。為了克服傳統(tǒng)壓邊的缺點(diǎn)，Gunnarsson L[7]和Siegert K等[8]分別開(kāi)發(fā)了氣彈簧壓邊和液壓壓邊方法，借助惰性氣體和液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓邊力的控制。余海燕等[9]更是進(jìn)一步將PID等控制技術(shù)與液壓壓邊技術(shù)有機(jī)結(jié)合，一定程度上提高了液壓控制的動(dòng)態(tài)性能。雖然氣壓或液壓壓邊方法可以提高成形質(zhì)量，但由于液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜, 具有較大的遲滯特性，因此壓邊力控制的實(shí)時(shí)性較弱，還需輔助以大量的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，成本較高。此外，為了改善拉深成形質(zhì)量，研究人員還研制了一些其他壓邊方法，如利用伺服電機(jī)和多桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)部分柔性化的改進(jìn)型機(jī)械壓邊方法等[10-11]。

隨著電磁技術(shù)和電控永磁技術(shù)的發(fā)展，將磁力作為壓邊力的來(lái)源，可以解決傳統(tǒng)機(jī)械壓力或液壓壓力方法控制不靈活、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。

圖1a為傳統(tǒng)壓邊方法中借助壓邊反力來(lái)施加壓邊力的受力分析圖。假設(shè)系統(tǒng)處于平衡的準(zhǔn)靜態(tài)，根據(jù)力的平衡條件可知：

F1=F2+F3

(1)

式中：F1來(lái)源于壓力機(jī)滑塊;F2是成形力;F3是壓邊反力。可以看出，在拉深過(guò)程中，F(xiàn)1消耗的功很大一部分用于維持壓邊反力F3，從節(jié)能角度來(lái)說(shuō)不合理。

圖1b為磁力壓邊的受力示意圖，由于不需要壓邊反力來(lái)維持壓邊力，可知壓邊力的大小與磁吸力大小相同。而由于壓邊力是由磁控系統(tǒng)獨(dú)立施加的，壓力機(jī)滑塊施加的力F1只需用于平衡成形力F2，即：

F1=F2

(2)

顯然，圖1b中的F1遠(yuǎn)小于圖1a中的F1。也就是說(shuō)，磁力壓邊方法不僅可以簡(jiǎn)化壓邊力的施加過(guò)程，還可降低壓力機(jī)的裝機(jī)功率要求。

綜上，采用磁力來(lái)施加壓邊力具有諸多優(yōu)點(diǎn)，而產(chǎn)生磁力的方式有電磁式和電控永磁式，還有磁吸力和磁斥力的不同。本文將從這幾方面入手，對(duì)磁力壓邊研究進(jìn)行全面的梳理和分析，旨在討論磁力壓邊方法的優(yōu)劣，以期對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 電磁壓邊方法

Seo Y R[12]開(kāi)發(fā)了一種電磁壓邊裝置，利用通電的電磁鐵和鐵磁性被吸板之間產(chǎn)生電磁吸力，為板坯成形過(guò)程提供壓邊力，這是電磁壓邊方法的概念首次被引入金屬成形領(lǐng)域。電磁壓邊裝置的力學(xué)模型和板坯受力情況如圖2所示，在板坯與被吸板、板坯與電磁鐵之間的接觸正應(yīng)力Fms和Fma作用下，板坯上的摩擦抗力可Fr用式(3)計(jì)算，當(dāng)Fr足夠大時(shí)可抑制板坯起皺。

Fr=ηFma+η(Fma+Fms)

(3)

圖3所示為基于所設(shè)計(jì)電磁壓邊方法的折彎模具，由于可以靈活、準(zhǔn)確地控制施加在電磁鐵上的電流，因此也就可以靈活、準(zhǔn)確地控制壓邊力。

此套壓邊裝置僅靠磁力無(wú)法提供足夠大的壓邊力，因此增加了拉延筋結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格意義上來(lái)講，此模具無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的電磁壓邊。

李昊等[13-14]在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖4所示的新型電磁壓邊系統(tǒng)，能夠完全依靠電磁吸力來(lái)施加壓邊力，不再需要其他輔助措施和手段。磁吸力和壓邊力的大小是通過(guò)電壓控制的電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)的。

Cui Y H等[15]在圖5所示模具上布置了3個(gè)功能線圈，不僅能得到理想的磁場(chǎng)線分布，實(shí)現(xiàn)了軸對(duì)稱拉深件的電磁壓邊，還使得模具具有部分電磁輔助成形功能。

如圖6所示，線圈1產(chǎn)生的磁力可以被分解為F1r和F1z，并作用于凹模圓角處的板坯上。F1z的作用是使板坯反向彎曲，而F1r可以推動(dòng)板坯材料向中心流動(dòng)。與此同時(shí)，線圈2和線圈3在板坯法蘭外緣處產(chǎn)生作用力，由于2個(gè)線圈的方向一致，在可以施加壓邊力的同時(shí)，磁力的徑向分量F2r可以推動(dòng)板坯邊緣處的材料向內(nèi)流動(dòng)。也就是說(shuō)，在3個(gè)線圈共同作用下，既可以在法蘭區(qū)域施加壓邊力，又可以在不同位置推動(dòng)板坯材料的合理流動(dòng)，提升板坯成形性能。

從圖7成形模擬結(jié)果的對(duì)比可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)壓邊方法，電磁壓邊施加的壓邊力分布更加合理，從而使得板坯邊緣材料的徑向流動(dòng)更加充分，進(jìn)而獲得更加均勻的應(yīng)力分布，極大地減小了拉深件在凸模圓角處的拉應(yīng)力和厚度減薄率。

2 脈沖電磁壓邊方法

2.1 基于電磁吸力的脈沖電磁壓邊方法

由于采用電磁線圈提供壓邊力，需要線圈截面尺寸較大、能耗也較高。并且電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)受所使用的鐵磁材料飽和磁場(chǎng)的限制，即使再增加電流強(qiáng)度，產(chǎn)生的磁力也是有限的。如果要增大磁吸力必將增大線圈截面尺寸，給模具設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困擾，且能耗和發(fā)熱量非常大。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Lai Z P等[16]設(shè)計(jì)了一種新的磁力壓邊系統(tǒng)，利用兩個(gè)攜帶高頻脈沖電流的空芯線圈之間產(chǎn)生的脈沖電磁力來(lái)施加壓邊力。相對(duì)于常規(guī)電磁壓邊，脈沖電磁壓邊可以獲得更大的、可精確控制的壓邊力。

雖然脈沖壓邊方法中線圈之間產(chǎn)生的磁吸力突破了鐵磁性材料的飽和磁場(chǎng)的限制，但同時(shí)其強(qiáng)大的磁場(chǎng)會(huì)成形區(qū)產(chǎn)生加大的影響，如圖8a所示。為了解決此問(wèn)題，Lai Z P等[17]調(diào)整了線圈的纏繞方法和電流方向，如圖8b所示，子線圈1a/2a所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和子線圈1b/2b所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在中間成形區(qū)具有相反的方向，從而可以相互抵消。也就是說(shuō)，隨著遠(yuǎn)離線圈，磁場(chǎng)快速衰減。

由于空芯線圈不受鐵磁材料飽和場(chǎng)的限制，也極大降低了線圈的溫升過(guò)熱問(wèn)題，脈沖電磁模式可以產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)，施加更大的壓邊力。因此，脈沖電磁壓邊可以在尺寸更小，結(jié)構(gòu)更緊湊的模具上實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。

我們已知在單一成形系統(tǒng)的常規(guī)電磁場(chǎng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的洛倫茲力具有受約束的空間分布，可控性較差，導(dǎo)致所主導(dǎo)的變形模式局限于工件的拉伸。而此脈沖模具兼具脈沖電磁成形功能與常規(guī)準(zhǔn)靜態(tài)成形工藝相比，具有自約束和方便制造的優(yōu)點(diǎn)，在施加足夠的脈沖壓邊力的同時(shí)，能夠改善成形性和減少回彈。

2.2 基于電磁斥力的脈沖電磁壓邊方法

目前已知提高工件材料流動(dòng)的方法有兩種，一種是傳統(tǒng)板坯成形過(guò)程中，通過(guò)控制壓邊力的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)[1,18]，另一種是在高速成形過(guò)程中由附加線圈施加的徑向洛倫茲力來(lái)增加板坯材料的平面內(nèi)徑向流動(dòng)[19]。而脈沖電磁壓邊的理念是用足夠大的脈沖強(qiáng)度和合適的脈沖寬度的脈沖電磁力代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓邊力來(lái)源，以提高板坯材料的有益流動(dòng)。

Lai Z P等[16-17]提出的利用脈沖電磁吸力施加壓邊力的系統(tǒng)，突破了溫度升高和飽和磁通的限制，能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁力高得多的壓邊力。在此基礎(chǔ)上，Huang Y J等[20]提出了一種基于電磁斥力的機(jī)械和電磁混合形式的磁力壓邊方法，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械壓邊力的再分配，實(shí)現(xiàn)板坯材料的有效流動(dòng)。

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生電磁斥力有兩種方法[21]：一種如圖10a所示，當(dāng)一個(gè)高密度電流以相反的方向流過(guò)兩個(gè)平行線圈時(shí)，根據(jù)安培力定律，兩個(gè)線圈之間會(huì)產(chǎn)生排斥力。類似的，當(dāng)采用一個(gè)導(dǎo)電環(huán)代替其中一個(gè)線圈時(shí)，脈沖磁場(chǎng)和導(dǎo)電環(huán)上的感應(yīng)渦流之間的相互作用同樣會(huì)產(chǎn)生互斥的洛倫茲力，如圖10b所示。比較兩種方法可以看出，后者只使用了一個(gè)線圈，不僅可以節(jié)省成本，還可以進(jìn)一步減小模具尺寸。

Huang Y J等[22]基于第2種方法設(shè)計(jì)了圖11所示壓邊系統(tǒng)，主要由脈沖電容器激勵(lì)的高強(qiáng)壓邊線圈和作為壓邊圈的銅環(huán)組成。當(dāng)通入脈沖電流時(shí)，在脈沖磁場(chǎng)和感應(yīng)渦流的作用下，可以產(chǎn)生利用電磁斥力的脈沖壓邊力，并施加于工件的法蘭區(qū)域。

已知一個(gè)線圈的電感與線圈匝數(shù)的平方和電流的脈沖寬度呈成正比關(guān)。因此，對(duì)于給定的放電系統(tǒng)，通過(guò)選擇不同的壓邊線圈參數(shù)，可以輕松獲得不同類型的長(zhǎng)脈沖或短脈沖壓邊力。同時(shí)，壓邊力的大小是可控的，它取決于電力系統(tǒng)的放電能量。由于實(shí)驗(yàn)裝置中的電容器組是固定的，因此可通過(guò)控制壓邊線圈的放電電壓來(lái)調(diào)節(jié)壓邊力數(shù)值。不同電壓下脈沖壓邊力的大小如圖12所示，所產(chǎn)生的壓邊力的大小隨電壓的平方線性增加。

相對(duì)于早期的基于磁吸力的脈沖方法，新壓邊裝置中脈沖洛倫茲力是由脈沖磁場(chǎng)與感應(yīng)渦流的相互作用產(chǎn)生的，具有更集中的磁場(chǎng)分布和更小的總電感，顯示出更高的效率。圖13a為電壓分別為0(即純機(jī)械壓邊)和2 kV條件下成形的工件。可以看出，在沒(méi)有電磁斥力作用下，法蘭區(qū)域會(huì)出現(xiàn)褶皺。而當(dāng)電壓增加至2 kV時(shí)，起皺基本被抑制，這驗(yàn)證了基于電磁斥力的脈沖電磁壓邊方法的有效性。

3 電控永磁壓邊方法

圖14為包含2個(gè)磁極單元的電控永磁吸盤(pán)在加載和卸載時(shí)的磁力線分布示意圖?？赡娲朋w采用軟磁性永磁材料制作，通過(guò)其外部纏繞的線圈可改變磁極方向。硬磁材料制作的主磁體的磁性較強(qiáng)，且磁極方向穩(wěn)定。包含導(dǎo)磁體在內(nèi)的所有零部件都被樹(shù)脂澆筑于兼做磁軛的殼體內(nèi)，樹(shù)脂還具有隔磁的作用。

如圖14a所示，在加載狀態(tài)下，可逆磁體頂部的極性方向與相鄰的主磁體的相同，此時(shí)，N極發(fā)出的磁場(chǎng)線只有借助外部鐵磁性被吸板才能回歸S極。在磁場(chǎng)線的作用下，被吸板將被牢固的吸附在磁極單元上。向纏繞于可逆磁體的線圈中通入瞬時(shí)(約20 ms)的低強(qiáng)度直流電流后，可改變可逆磁極的磁極方向。此時(shí)磁場(chǎng)線如圖14b所示，可逆磁體頂部極性與相鄰主磁體的相反，磁場(chǎng)線只在磁極單元內(nèi)部閉合，故而對(duì)外表現(xiàn)為無(wú)磁狀態(tài)。圖15為有磁和無(wú)磁狀態(tài)下的有限元模擬，驗(yàn)證了理論的正確性。

3.1 基于電控永磁技術(shù)的磁力壓邊方法

如前所述，電磁壓邊方法需要持續(xù)供電，能耗較高，發(fā)熱量也非常大，再加之具有較大的線圈截面尺寸，給模具設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難[11-21]。

Qin S J等[23]提出了一種采用電控永磁技術(shù)的壓邊方法，將壓邊力的動(dòng)力、傳動(dòng)和執(zhí)行部件都集于一體，構(gòu)成一個(gè)集成壓料板—“磁墊”(圖16)，在成形過(guò)程中可方便地實(shí)現(xiàn)跟隨運(yùn)動(dòng)。

圖17為基于電控永磁壓邊技術(shù)的正裝拉深模具，其拉深工藝如下：

壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)凸模向下運(yùn)動(dòng)，磁墊在重力作用下同步下行。當(dāng)壓料板接觸板坯時(shí)，向磁墊通入瞬時(shí)脈沖電流使其進(jìn)入有磁狀態(tài)，在磁吸力的作用，板坯被壓邊圈壓緊。隨后凸模下行完成拉深成形。

成形結(jié)束后，壓力機(jī)帶動(dòng)凸模上行，當(dāng)拉深制件即將與凸模分離時(shí)，向磁墊通入反向脈沖電流，使其進(jìn)入無(wú)磁狀態(tài)，此時(shí)磁墊和被吸板之間的磁吸力幾乎為零。隨著凸模繼續(xù)上行，磁墊復(fù)位，整個(gè)拉深程結(jié)束。

電控永磁壓邊方法中，可以通過(guò)改變瞬時(shí)的直流電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)壓邊力大小。此方法可以獨(dú)立加載壓邊力，不會(huì)對(duì)壓力機(jī)滑塊產(chǎn)生反作用力，也不受壓力機(jī)滑塊速度和位置的影響。顯然，這種方法可以大幅度降低壓力機(jī)的裝機(jī)功率的要求。

此外，壓邊力是由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)施加的。所以，在壓邊力施加過(guò)程中，并無(wú)額外的能量消耗。

3.2 電控永磁徑向分塊壓邊方法

鑒于電控永磁技術(shù)在磁力壓邊方面的優(yōu)越性, 張紅升等[24]將其與分塊壓邊方法相結(jié)合, 設(shè)計(jì)了一種基于電控永磁技術(shù)的徑向分塊壓邊裝置，如圖18所示。

拉深成形過(guò)程中, 工件法蘭邊緣厚度最大，絕大部分壓邊力都集中在此區(qū)域。在臨界起皺狀態(tài)下,法蘭內(nèi)部將由于缺少有效壓邊而失穩(wěn)，壓邊效果不理想。電控永磁徑向分塊壓邊方法將壓邊圈分成3個(gè)壓邊環(huán), 每個(gè)壓邊環(huán)可以對(duì)不同區(qū)域?qū)嵤┆?dú)立有效的壓邊，從而獲得分布更加合理的壓邊力，有助于提高板坯的拉深成形效果。

由圖19和圖20所示的數(shù)值模擬和拉深實(shí)驗(yàn)可知，整體壓邊的法蘭外圍承受了過(guò)多的壓邊力, 限制了板坯材料合理的平面內(nèi)流動(dòng), 不利于提高拉深件的成形高度。與此同時(shí)，法蘭內(nèi)部又缺少足夠的壓邊力而起皺。而采用分塊壓邊方法, 各獨(dú)立的壓邊圈可單獨(dú)加載壓邊力，較小的壓邊力就可以有效壓邊，對(duì)抑制板坯起皺、提高工件的成形極限都有一定的積極作用。

3.3 應(yīng)用于非鐵磁性板坯的電控永磁壓邊方法

無(wú)論是Qin S J還是張紅升等設(shè)計(jì)的成形模具，在板坯成形區(qū)都沒(méi)有設(shè)置磁極單元。李憲賓[25]設(shè)計(jì)了適用于非鐵磁性板坯的電控永磁壓邊裝置，如圖21所示。由于不需要考慮板坯磁化的問(wèn)題，整個(gè)磁墊除了凸模通孔處外，都設(shè)置為磁場(chǎng)區(qū)，既可以增大單位面積上的磁吸力，又避免了由于中間成形區(qū)域沒(méi)有壓邊力而使得板坯發(fā)生翹曲的可能。

圖22為AA6061板坯的拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖22a中施加合適的壓邊力后，獲得了拉深比非常大的成形制件，而圖22b和22c分別為壓邊力過(guò)大和過(guò)小時(shí)的成形制件，具有明顯的成形缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上研究進(jìn)展可以看出，電磁壓邊和電控永磁壓邊方法的可行性已通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法被驗(yàn)證了，在壓邊效果上可以達(dá)到甚至優(yōu)于普通壓邊方法。此外，磁力壓邊可以和傳統(tǒng)機(jī)械壓邊、分塊壓邊技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，有效地改善板坯的成形效果。

常規(guī)電磁壓邊、脈沖電磁壓邊和電控永磁壓邊的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。可以看出，相較于電磁壓邊，從能耗和安全角度來(lái)說(shuō)，電控永磁壓邊方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 壓邊方法的對(duì)比

圖23為機(jī)械壓邊、電磁壓邊和電控永磁壓邊方法的能耗對(duì)比，其中電磁壓邊選擇節(jié)能性較好的脈沖電磁方法進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，相較于其他2種方法，電磁壓邊的能耗最高。而電控永磁壓邊的能耗只占機(jī)械壓邊的40%以下，更是不到脈沖電磁壓邊能耗的5%，也就是說(shuō)，相對(duì)于高耗能的電磁壓邊方法，電控永磁壓邊的節(jié)能率高達(dá)95%以上?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，壓邊力越大、拉深高度越高，電控永磁壓邊的節(jié)能效果越好，也不會(huì)出現(xiàn)電磁壓邊中的溫升過(guò)熱問(wèn)題。

與此同時(shí)，電磁壓邊方法也有其自身優(yōu)點(diǎn)，如可采用斥力提供壓邊力、更好地與機(jī)械壓邊方法相結(jié)合等。

目前，由于可獨(dú)立加載壓邊力、且更容易實(shí)現(xiàn)壓邊力的控制等特點(diǎn)，磁力壓邊方法正在蓬勃發(fā)展。磁力壓邊的效果受多種因素的影響，如電流和電壓大小、電容器轉(zhuǎn)化率、氣隙寬度和磁極單元布置等等。 因此，如何面向未來(lái)市場(chǎng)針對(duì)成形工業(yè)高質(zhì)量、高效率、高效益和輕量化的需求，圍繞磁力壓邊新工藝、新技術(shù)以及影響因素開(kāi)展研究，也值得進(jìn)一步探索。