邵子豪 吳偉業(yè) 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(yè)1,3汪晨鑫1,2邱 立1,2

（1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 宜昌 443002 2. 梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 宜昌 443002 3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司來安縣供電公司 滁州 239200）

針對(duì)傳統(tǒng)管件電磁脹形存在管件壁厚減薄嚴(yán)重和變形不均勻等問題，提出基于雙層凹型集磁器結(jié)構(gòu)的單線圈管件電磁成形方法，通過徑向電磁力場分布的調(diào)控和軸向電磁力的協(xié)同加載，為同時(shí)抑制管件壁厚減薄和改善變形均勻性提供了新的技術(shù)途徑。為驗(yàn)證該方法的有效性，基于電磁-結(jié)構(gòu)場耦合數(shù)值模型，對(duì)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(guān)鍵物理量的變化規(guī)律，研究集磁器的內(nèi)凹高度對(duì)管件成形行為的影響。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(kuò)大至2.31倍。

電磁成形 電磁力 集磁器 變形行為

0 引言

應(yīng)用輕質(zhì)合金材料是航空航天、汽車等領(lǐng)域提高裝備運(yùn)載能力、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑[1]。然而，以鋁合金為代表的輕質(zhì)合金材料在傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)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(zhì)量欠佳等問題[2]?；诿}沖電磁力驅(qū)動(dòng)金屬工件發(fā)生塑性變形的電磁成形技術(shù)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(yīng)用[3-10]。

管件電磁成形根據(jù)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(qū)動(dòng)線圈為管件加工提供電磁脹力，由于線圈在管件處產(chǎn)生的軸向磁通遠(yuǎn)大于徑向磁通，因此傳統(tǒng)管件脹形中管件主要受到徑向電磁力的作用，且呈現(xiàn)“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(xiàn)非均勻變形特征，且隨著管件變形量的增大，壁厚減薄嚴(yán)重，導(dǎo)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(tǒng)或改變線圈結(jié)構(gòu)的方式。歐陽少威等提出三線圈雙電源成形系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)線圈放電電壓，從而改變洛倫茲力分布，進(jìn)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(qū)域徑向電磁力的方法改善管件變形不均勻現(xiàn)象[16]。為了解決管件減薄問題，張驍?shù)忍岢鲈陔p線圈系統(tǒng)加載不同脈寬電流方法，結(jié)果表明當(dāng)管件變形深度相等時(shí)，通入長脈寬電流能有效改善管件減薄現(xiàn)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(xiàn)有大多數(shù)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(yán)重）。為了同時(shí)解決上述兩個(gè)問題，邱立等進(jìn)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(shí)現(xiàn)管件軸向流動(dòng)和徑向脹形同步進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，線圈配合困難，實(shí)際成形效果不理想。

針對(duì)上述問題，該文提出一種新型管件電磁成形方法，通過在驅(qū)動(dòng)線圈和加工工件之間引入雙層凹型結(jié)構(gòu)集磁器來調(diào)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(shí)改善管件壁厚減薄問題提供新的技術(shù)途徑。本文將系統(tǒng)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(tǒng)管件電磁脹形系統(tǒng)與基于雙層凹型集磁器的管件脹形對(duì)比示意圖如圖1a和圖1b所示。成形磁場源自內(nèi)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(guān)將電容器存儲(chǔ)的電能釋放至驅(qū)動(dòng)線圈，從而產(chǎn)生大脈動(dòng)電流；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，驅(qū)動(dòng)線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場；根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的脈沖強(qiáng)磁場會(huì)在驅(qū)動(dòng)線圈附近的工件上產(chǎn)生感應(yīng)渦流；此時(shí)工件在感應(yīng)渦流與線圈電流相互作用產(chǎn)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(tǒng)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(jìn)行，軸向材料難以流動(dòng)，導(dǎo)致管件壁厚不斷減薄，進(jìn)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(tǒng)管件脹形與雙層集磁器管件脹形對(duì)比

為了同時(shí)解決傳統(tǒng)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(tǒng)的核心在于：在線圈與管件之間引入具有雙層凹型結(jié)構(gòu)的新型集磁器，實(shí)現(xiàn)軸向電磁力-徑向電磁力雙向力場同時(shí)加載，改變傳統(tǒng)“兩端小，中間大”以及軸向電磁力過小的力場分布特征。

傳統(tǒng)集磁器和新型集磁器的三維結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2a和圖2b所示。二者相同點(diǎn)在于，都存在一個(gè)細(xì)縫，達(dá)到如圖2c所示的內(nèi)外截面渦流路徑調(diào)控的目的。

圖2 傳統(tǒng)集磁器與雙層凹型集磁器對(duì)比

調(diào)控原理在于：當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈中通過逆時(shí)針脈沖電流時(shí)，由于電磁感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致集磁器內(nèi)壁產(chǎn)生順時(shí)針感應(yīng)電流；因?yàn)榧牌鲌A環(huán)上存在極窄斷縫，感應(yīng)電流不會(huì)在圓環(huán)內(nèi)壁形成閉環(huán)，而是通過斷縫一側(cè)從內(nèi)壁流至外壁，并在圓環(huán)外壁形成逆時(shí)針感應(yīng)電流；外壁感應(yīng)電流通過斷縫另一側(cè)流回至內(nèi)壁形成閉環(huán)，從而能夠產(chǎn)生脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)管件脹形。二者的不同點(diǎn)在于整體結(jié)構(gòu)上的差異性。傳統(tǒng)集磁器截面是一個(gè)橫截面為梯形且內(nèi)部高度遠(yuǎn)大于外壁的圓環(huán)，并且圓環(huán)存在一條極窄的斷縫。當(dāng)流過內(nèi)外壁總電流大小相等時(shí)，由于內(nèi)壁遠(yuǎn)高于外壁，會(huì)導(dǎo)致集磁器外壁電流密度遠(yuǎn)大于內(nèi)壁電流密度，主要起到增大磁場強(qiáng)度和加強(qiáng)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(jié)構(gòu)，具有兩大特征：①通過內(nèi)層凹型結(jié)構(gòu)，增大集磁器與管件中部區(qū)域的距離，從而達(dá)到削弱電磁力的目的，改變傳統(tǒng)“兩端小，中間大”帶來的變形不均勻問題；②通過外層凹型結(jié)構(gòu)，在管件端部區(qū)域形成帶流導(dǎo)體層，通過施加軸向電磁力，起到促進(jìn)端部材料流動(dòng)，進(jìn)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(shí)改善傳統(tǒng)管件脹形中存在的壁厚減薄和軸向變形不均勻問題，同時(shí)單驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)比多線圈軸向壓縮式管件脹形，線圈結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，方便實(shí)現(xiàn)。

2 基于雙層凹型集磁器的管件脹形過程分析

2.1 數(shù)值模型

對(duì)于基于雙層凹型集磁器的管件脹形系統(tǒng)來說，由于脹形系統(tǒng)中的螺線管線圈及成形管件均為軸對(duì)稱特征，并且具有縫隙結(jié)構(gòu)的雙層凹型集磁器也可以通過采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及約束截面電流為零的方法來實(shí)現(xiàn)等效模擬。因此，本文針對(duì)基于雙層凹型集磁器的管件脹形系統(tǒng)，通過構(gòu)建二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析。傳統(tǒng)管件脹形與基于雙層凹型集磁器管件脹形的二維結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)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(tǒng)的電磁-固體力學(xué)耦合有限元模型。該模型包括“全局常微分和代數(shù)微分方程”模塊、“磁場”模塊、“固體力學(xué)”模塊、“動(dòng)網(wǎng)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(jù)輸入?yún)?shù)在“全局常微分和代數(shù)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(jìn)行計(jì)算，通過單匝導(dǎo)線約束電流值，可考慮渦流效應(yīng)影響的非均勻電流分布特征。根據(jù)矢量磁動(dòng)勢方程，在“磁場”模塊求解出管件上感應(yīng)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(jù)“固體力學(xué)”模塊求解出管件脹形位移。

（4）通過“動(dòng)網(wǎng)格”模塊更新網(wǎng)格單元形狀，避免脹形過程中網(wǎng)格畸變。

（5）隨著管件脹形進(jìn)行，線圈與管件之間互感發(fā)生變化，從而導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢值發(fā)生變化，將新的感應(yīng)電動(dòng)勢值代入步驟（1），直至放電結(jié)束[20]。

“全局常微分和代數(shù)微分方程”模塊中涉及的電路方程為

將“全局常微分和代數(shù)微分方程”模塊中計(jì)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(jì)算得到的數(shù)據(jù)代入“固體力學(xué)”和“動(dòng)網(wǎng)格”模塊中進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)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(duì)比分析傳統(tǒng)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(gòu)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(nèi)外壁感應(yīng)電流通過斷縫形成回路，并且因?yàn)閮?nèi)外壁電流反向，新型集磁器內(nèi)壁感應(yīng)電流密度為負(fù)，而外壁感應(yīng)電流密度則為正。通過仿真圖5a可得，175 μs時(shí)線圈電流達(dá)到峰值，取峰值時(shí)刻數(shù)據(jù)對(duì)電流和磁場情況進(jìn)行說明。雙層凹型集磁器表面感應(yīng)電流密度二維分布如圖5b所示，集磁器內(nèi)壁端部感應(yīng)電流為正值，而內(nèi)壁中部區(qū)域感應(yīng)電流為負(fù)值，外壁感應(yīng)電流主要集中在集磁器端部區(qū)域，而集磁器中間區(qū)域外壁感應(yīng)電流密度則相對(duì)較小。管件上的感應(yīng)渦流與新型集磁器感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場相互作用時(shí)，由于雙層凹型集磁器外壁中間區(qū)域感應(yīng)電流密度相對(duì)較小，從而管件中部受到的徑向電磁力也相對(duì)較小，從而能夠提高管件軸向均勻性。

由于在傳統(tǒng)管件脹形系統(tǒng)中引入新型集磁器，相較于傳統(tǒng)管件脹形而言，改變了管件成形區(qū)域磁場分布，從而進(jìn)一步改變了管件成形區(qū)域力場分布。圖6和圖7分別為傳統(tǒng)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(yīng)強(qiáng)度與軸向電磁力分布。傳統(tǒng)螺線管線圈管件徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度在管件端部區(qū)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(yīng)強(qiáng)度顯著增加。徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱決定管件軸向電磁力大小，當(dāng)徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度增加時(shí)，相應(yīng)軸向電磁力同步增大，由仿真數(shù)據(jù)得出新型集磁器管件脹形端部區(qū)域軸向電磁力數(shù)值約為傳統(tǒng)管件脹形端部區(qū)域軸向電磁力數(shù)值的3.68倍。

圖6 管件徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖7 管件軸向電磁力密度

根據(jù)上述仿真數(shù)值可得，管件端部軸向電磁力顯著提升，進(jìn)一步分析管件端部電磁力隨時(shí)間的變化。由于脹形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為了簡化計(jì)算量，只分析管件上表面軸向電磁力隨時(shí)間的分布，結(jié)果如圖8所示。管件上表面端部軸向電磁力為負(fù)值，即軸向電磁力方向?yàn)橛缮隙瞬恐赶蚬芗胁?，隨時(shí)間分布新型集磁器管件脹形軸向電磁力峰值約為傳統(tǒng)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(tǒng)管件脹形和新型集磁器管件軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和相應(yīng)的徑向電磁力分布規(guī)律。對(duì)于傳統(tǒng)管件脹形，管件軸向內(nèi)表面上軸向感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)凹形分布且管件中部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大；對(duì)于新型集磁器管件脹形，管件軸向內(nèi)表面上軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)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(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較小。反映到徑向電磁力，表現(xiàn)為傳統(tǒng)管件脹形軸向內(nèi)表面上的徑向電磁力呈現(xiàn)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(nèi)表面上的徑向電磁力呈現(xiàn)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(yīng)強(qiáng)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(jié)對(duì)傳統(tǒng)管件脹形和基于雙層凹型集磁器管件脹形進(jìn)行了對(duì)比分析。為了增強(qiáng)對(duì)比，成形管件高度和驅(qū)動(dòng)線圈高度保持一致，且通過調(diào)節(jié)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(tǒng)）管件脹形時(shí)線圈電壓設(shè)置為5.5 kV，新型集磁器管件脹形時(shí)線圈電壓設(shè)置為6.5 kV。

圖11給出了兩類管件脹形系統(tǒng)下管件上端部材料軸向流動(dòng)隨成形時(shí)間的變化情況?？梢钥闯?，較傳統(tǒng)管件脹形，雙層凹形集磁器作用下，管件上端部材料流動(dòng)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(jìn)了管件端部材料流動(dòng)。管件端部材料流動(dòng)的不同，進(jìn)一步導(dǎo)致兩類管件脹形系統(tǒng)下管件減薄特性存在顯著差異，如圖12所示。可以推出，管件壁厚減薄量由傳統(tǒng)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(dòng)隨時(shí)間的變化（管件上端部）

圖12 管件中心壁厚隨時(shí)間的變化

同時(shí)，為了驗(yàn)證新型集磁器是否能夠有效解決傳統(tǒng)管件軸向變形非均勻問題，對(duì)兩類管件脹形系統(tǒng)下管件的變形過程及形貌進(jìn)行了進(jìn)一步分析。圖13給出了脹形過程中管件內(nèi)表面徑向位移的變化。可以看出，傳統(tǒng)管件脹形過程中管件形貌一直呈現(xiàn)凸形結(jié)構(gòu)；而在雙層凹形集磁器管件脹形系統(tǒng)中，由于管件中心區(qū)域成形力較小（見圖10），因此在成形開始時(shí)間段呈現(xiàn)凹型形貌，但隨著變形過程的推進(jìn)，在兩邊較大變形區(qū)域的帶動(dòng)下，最終形成較為均勻的成形區(qū)域。

圖14給出了兩類管件脹形系統(tǒng)下管件的最終成形輪廓?？梢钥闯?，對(duì)于電磁力呈現(xiàn)“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(xiàn)象；對(duì)于電磁力呈現(xiàn)“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(xiàn)均勻變形特征。為了進(jìn)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(dá)到最大徑向脹形量90%的區(qū)域。對(duì)于傳統(tǒng)管件脹形，r=27.8 mm；當(dāng)采用雙層凹形集磁器時(shí)，r=64.2 mm。通過數(shù)據(jù)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(tǒng)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(duì)管件成形影響

在前文模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究新型集磁器內(nèi)凹高度對(duì)管件脹形影響。在保持驅(qū)動(dòng)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(nèi)凹高度，以新型集磁器凹陷8 mm為起點(diǎn)，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(guī)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(tǒng)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(duì)管件脹形徑向位移的影響

此外，從仿真數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)集磁器凹陷達(dá)到32 mm時(shí)，管件脹形已具有很好的均勻性，進(jìn)一步增大集磁器內(nèi)凹高度，管件軸向均勻性反而變差，但是總體仍顯著優(yōu)于傳統(tǒng)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(nèi)凹高度有助于增大管件壁厚。進(jìn)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(dòng)和壁厚減薄量的變化情況?？梢钥闯?，隨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(duì)應(yīng)；但是集磁器凹陷高度達(dá)到32 mm時(shí)，管件端部材料流動(dòng)反而減小，這是因?yàn)榧牌靼枷葸^大時(shí)，管件變形量減?。ㄒ妶D15），從而導(dǎo)致管件端部材料流動(dòng)相應(yīng)減少。

圖16 新型集磁器內(nèi)壁凹陷高度對(duì)管件中心壁厚的影響

圖17 管件上端部材料流動(dòng)與壁厚減薄量對(duì)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(jìn)一步對(duì)管件所受徑向電磁力和軸向電磁力進(jìn)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(xiàn)象。對(duì)于圖15中出現(xiàn)集磁器凹陷超過32 mm之后，管件均勻性變差的現(xiàn)象，這與管件端部所受軸向電磁力特性有關(guān)。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(jìn)管件軸向流動(dòng)而抑制管件壁厚減薄；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(dāng)凹陷高度過大時(shí)，管件軸向電磁力對(duì)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(duì)管件徑向電磁力的影響

圖19 新型集磁器凹陷高度對(duì)軸向電磁力的影響

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)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(nèi)凹高度對(duì)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(jìn)端部材料流動(dòng)，進(jìn)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(jié)構(gòu)下管件中部區(qū)域的徑向電磁力變小，可避免傳統(tǒng)管件成形中出現(xiàn)的“兩端小，中間大”現(xiàn)象，顯著提升變形均勻度。與此同時(shí)，研究指出增大集磁器內(nèi)凹高度有助于提升管件壁厚減薄抑制效果，在一定范圍內(nèi)能夠增大成形管件軸向均勻度，但是隨著集磁器內(nèi)凹高度不斷增加，成形管件軸向均勻度反而會(huì)略微降低，但是仍顯著優(yōu)于傳統(tǒng)管件脹形。值得一提的是，該方案采用單個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，工裝結(jié)構(gòu)非常簡單，集磁器結(jié)構(gòu)參數(shù)可以根據(jù)具體的成形需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整。后續(xù)將構(gòu)建相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)層面進(jìn)一步驗(yàn)證所提新型管件電磁脹形方法的實(shí)際效果。

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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 “l(fā)arge 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(xué)基金資助項(xiàng)目（51877122）。

2022-12-12

2023-04-01

邵子豪 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶懦尚巍-mail：shaozihao1999@163.com

邱 立 男，1984年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姶懦尚?。E-mail：Doctor_QiuL@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）