1 引 言电磁成形属于高能率成形技术 ,它是利用金属坯料在脉冲磁场中受力的作用而发生变形的一种成形方法 ,可应用于航空、航天、汽车制造等领域<1,2 > ,但由于对其理论研究不足 ,使得电磁成形的工艺参数难以确定。电磁成形的理论分析包括磁场力分析和冲击力作用下工件的变形分析<3> ,这两部分相辅相成 ,其中磁场力分析结果直接用于工件变形分析。本文论述了求解电磁成形磁场力的各种方法及特点 ,认为电磁胀形磁场力分析是平板线圈成形和集磁器作用下磁场力分析的基础 ,后者可以通过前者的适当变换得到 ;有限元方法求解磁场力精度高 ,随着大型有限元软件的应用 ,电磁成形磁场力的研究必将进入一个崭新的阶段。收稿日期 :2 0 0 0 0 3 2 52 电磁成形磁场力研究的归一化电磁成形磁场力的研究 ,根据所使用线圈的不同 ,分为平板线圈理论分析和螺线管线圈理论分析两部分。平板线圈可视为半径不同的单匝螺线管线圈的叠加<4 ,5> :集磁器可以看成是两个电流方向相反的单匝螺线管线圈<6 > 。可见 ,螺线管线圈—工件系统的磁场力分析是电磁成形磁场力分析的基础 ,其他的平板线圈和各种形状的集磁器都可以在螺线管线圈理论分析的基础上通过适当的变换得到。平板线圈磁场力计算所采用的模型如图 1所示<4 > 。其中将螺旋线圈按照周长相等的原则近似处理为同心圆形式 ,即多个单匝螺线管线圈叠加。图 1 平板线圈按等周长原则等效处理<4 >ａ)平板线圈加工示意及结构图 ;ｂ)等效处理后平板线圈Ｆｉｇ 1 Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｈａｎｄｌｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｐｌａｎｅｃｏｉｌ3 电磁胀形磁场力分析方法目前 ,对电磁胀形磁场力的研究有以下 4种方法 :3 1 等效电路法将成形线圈和工件等效为一次回路和二次回路 ,求出等效电感、放电电流 ,再根据能量守恒原理求解磁场力 (如图 2所示 )。电磁胀形时作用于管坯上的磁场力ｐ为<1,2 > :图 2 等效电路图Ｆｉｇ 2 Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｐ =12ｄＬ2ｄｒｉ22 - ｄＭｄｒｉ1ｉ22πｒｌ0 (1)式中 Ｌ2 ———管坯等效电感ｒ———管坯的半径ｉ1———电磁成形瞬间的线圈电流ｉ2 ———电磁成形瞬间的管坯感生电流Ｍ———成形线圈与管坯之间的互感系数ｌ0 ———管坯的轴向长度在这种方法中 ,ｉ2 (感生电流 )的求解极其复杂 ,因而采用这种方法进行磁场力计算的报道很少。3 2 等效磁路法认为线圈、管坯无限长 ,在忽略端部效应的前提下根据式 (2 )求解磁场力ｐ<8> 。目前大多采用这种方法确定电磁胀形时的工艺参数<7～ 9> 。ｐ=μ02ｉｃ2 ｂａ4 (2 )式中 μ0 ———真空磁导率ｉ———放电电流ｃ———螺线管线圈的匝间距ｂ———螺线管线圈的外半径ａ———管坯的内半径ｐ———作用于管坯上的磁场力正如学者ＳｕｎｇＨｏＬｅｅ所指出的 ,此公式在磁感应强度Ｂ的计算中 ,假定磁场是均匀分布且管坯与成形线圈之间没有漏磁通 ,因而计算得到的最大磁场力和达到最大值的时间均有误差<3,10 > 。3 3 解析法Ｍａｘｗｅｌｌ方程组是描述一切电磁现象的基本定律 ,求解这个方程组可以得到一切电磁参数的解析解 ,包括磁场力<4 > ,但求解过程过于复杂。3 4 有限元方法分析电磁场特性可知它满足拉普拉斯场条件 ,完全可以采用有限元方法求解<11> 。近年来国外出现的关于通过编制有限元程序计算电磁胀形时的磁场力的报道<3,5,10 > :对求解区网格剖分 ,给出合适的边界条件 ,求解可以得到线圈与工件之间的磁感应强度 ,进而得到作用于工件上的磁场力。与前几种方法比较 ,它的计算结果与实验结果基本吻合。如ＳｕｎｇＨｏＬｅｅ等 ,采用有限元方法分析了管坯电磁胀形时的磁场力<3,10 > ,进行了 5倍加工区以内的场剖分 ,在设定的边界条件下得到求解结果。目前 ,我们采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件求解电磁胀形时的磁场力 ,在计算精度和方便程度上都比上述几种方法有了很大的提高。尤其是采用远场单元来模拟线圈的远场场景<12 > ,使分析结果更接近于实测值<13> 。采用ＡＮＳＹＳ求解不带工件的磁场场景如图 3所示 ,电磁胀形时的磁场场景如图 4所示。还可进一步得到线圈与工件任意一点的受力 ,尤其是工件端部受力情况 ,如图 5所示。图 3 无工件胀形线圈磁力线图Ｆｉｇ 3 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｌｉｎｅｓｗｉｔｈｏｕｔｗｏｒｋｐｉｅｃｅ图 4 管坯胀形时磁力线图Ｆｉｇ 4 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｌｉｎｅｓｗｉｔｈｗｏｒｋｐｉｅｃｅ图 5 管坯胀形受力图Ｆｉｇ 5 Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｉｎｔｕｂｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ4 结 论1)电磁胀形磁场力分析是研究电磁成形磁场力的基础 ,平板线圈、集磁器都可以看成是螺线管线圈的适当变换。2 )有限元方法求解磁场力精度高 ,随着大型有限元分析软件的进一步应用 ,电磁成形磁场力研究必将进入一个崭新的阶段电磁成形磁场力的研究@李春峰$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001
@赵志衡$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001
@李建辉$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001
@李忠$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001电磁成形;;磁场力;;有限元;;平板线圈;;螺线管线圈电磁成形属于高能率成形 ,磁场力分析是其理论分析的基础 ,研究结果直接用于工件变形分析、确定电磁成形的工艺参数。本文通过分析电磁胀形的特点提出磁场力求解的归一化 ,阐述了电磁胀形磁场力求解的几种方法和各自特点。不同求解方法的对比表明 ,有限元方法求解磁场力最接近胀形实测情况。随着大型有限元分析软件的应用 ,电磁成形磁场力的研究必将进入一个崭新阶段<1> (日 )佐野利男等 ,常乐译 电磁力超高速塑性加工法 国外金属加工 ,1988,2 :2 0～ 2 5
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@李建辉$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001
@李忠$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!150001电磁成形;;磁场力;;有限元;;平板线圈;;螺线管线圈电磁成形属于高能率成形 ,磁场力分析是其理论分析的基础 ,研究结果直接用于工件变形分析、确定电磁成形的工艺参数。
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