磁脈沖成形技術的特點與應用

文/李良光·福建海源自動化機械股份有限公司

磁脈沖成形技術的特點與應用

文/李良光·福建海源自動化機械股份有限公司

李良光，高級工程師，主要研究機電液一體化的大型液壓成形裝備科學技術，擁有多項技術專利。

為有效地降低能耗和減小環境污染，材料和結構輕量化已成為現代結構設計的主流趨勢，以鋁合金為代表的輕質高強材料在汽車和航空航天等先進制造領域得到廣泛應用。與傳統鋼材相比，鋁合金的室溫成形性較差，卸載后回彈大，易出現扭曲變形及成形后潤滑的清理等問題，因而采用傳統沖壓工藝很難成形復雜形狀的零件。而磁脈沖成形技術能提高低成形性材料（如鋁、鎂、鈦合金等）的成形極限，是解決低塑性難成形材料室溫成形的有效途徑，是一種先進的塑性成形技術。隨著鋁合金在汽車輕量化方面的應用，大大推動了磁脈沖成形技術的發展，使磁脈沖成形技術的應用日益廣泛，越來越受到研究人員的關注。基于電磁感應定律，本文介紹了吸引力和排斥力產生的條件，對磁脈沖輔助成形、磁脈沖焊接和磁脈沖鉚接技術進行總結，最后對電磁成形技術的發展進行展望。

磁脈沖成形原理和特點

磁脈沖成形技術是20世紀60年代作為金屬零件的成形和裝配而發展起來的一種特種塑性成形方法，是目前應用最為廣泛的高能率成形技術之一。磁脈沖成形技術實際上是沖擊大電流技術在金屬壓力加工領域中的應用，其基本原理是利用磁場力使金屬坯料變形，從而實現對工件的加工。磁場力可分為排斥力和吸引力兩種，因此理論上采用電磁成形對坯料進行加工時，作用于坯料上的磁場力也可為排斥力和吸引力。

排斥力成形原理

排斥力成形就是使工件變形的方向背離線圈。排斥力成形中最常采用的線圈為螺線管線圈和平板線圈，以螺線管線圈縮徑成形為例，其原理如圖1所示。市電通過變壓器升壓，經整流元件和限流電阻對脈沖電容器組進行充電。放電時，接通高壓開關，脈沖電容器組將儲存的電能對成形線圈放電，線圈上流過瞬時強脈沖電流。當線圈中的電流迅速增大或突然衰減時，由于電磁感應的作用，與之相鄰的金屬坯料中就會產生相應的感應電流，同時也會形成相應的感應磁場。于是，坯料與線圈之間存在放電磁場與感應磁場相互作用，而使坯料受到很大的磁場力。如果坯料受力達到材料的屈服點，則坯料產生塑性變形。

圖1 電磁縮徑成形原理

吸引力成形原理

吸引力成形就是使工件變形的方向朝向線圈。產生吸引力有兩種方法，方法一為控制線圈電流的變化，即先在線圈內通過一個增長較慢的電流，建立起磁場并擴散到工件內部。然后將供給線圈的電源通過高壓開關突然短路，這時磁場突然衰減，工件內產生感應電流，它與線圈中衰減的電流方向一致，線圈和工件間產生很強的吸引力，使工件變形。方法二為利用輔助線圈，即當主線圈磁場衰減時，在輔助線圈中產生和工件中感應電流方向相同的感應電壓，當感應電壓達到一定數值時，輔助線圈由于其高壓開關短路而成為通路，于是在工件和輔助線圈中通過方向相同的感應電流，使它們相互產生吸力而使工件變形。

磁脈沖成形特點

由磁脈沖成形原理可知，與普通成形工藝相比，磁脈沖成形具有加載速率高、成形速度快等特點，可有效地減小零件彈復，能顯著提高零件的成形精度，具體而言：

⑴能量在瞬間作用于毛坯且無接觸，可實現非接觸加工，可直接對有非金屬涂層或表面已拋光的工件進行加工，提高成形后零件表面質量。

⑵工藝靈活，同一線圈可用于多種成形工藝。

⑶模具簡單，可單模成形，節約成本。

⑷可在一道工序中完成用常規成形方法多道工序才能完成的零件，利于實現復合工藝。

⑸可進行復合及混合加工，縮短加工周期。

⑹易于實現能量控制和生產自動化。

但是磁脈沖成形技術也具有如下局限性：

⑴坯料必須為導體，并且導體的電阻率應該盡可能的小，以便使感應電流較大。而對于電阻率高的材料，需要在工件表面涂一層導電性能好的材料，或需要用高導電率的材料作為“驅動體”。

⑵工件形狀要求嚴格，以保證形成感應電流。

⑶大能量設備制造困難，難以滿足加工難變形材料或大型金屬工件的需要。

磁脈沖成形技術的應用

1958年，第一臺磁脈沖成形設備的展出，標志著磁脈沖成形技術的誕生。1962年，美國發明了用于工業生產的磁脈沖成形設備，意味著磁脈沖成形技術走上了工業化和實用化的道路。隨后，磁脈沖成形工藝及設備進入快速發展階段，出現了儲能為50kJ、200kJ和400kJ的磁脈沖成形設備。目前，磁脈沖成形設備已出現標準化和系列化。經過幾十年的發展，磁脈沖成形技術理論研究和工藝應用都取得了很大的發展。

根據磁場力方向的不同，磁脈沖成形技術可分為吸引力磁脈沖成形和排斥力磁脈沖成形。目前，研究工作主要集中于排斥力成形的研究，而對于吸引力成形的研究很少。鄧將華等研究表明通過控制成形線圈放電電流的變化可控制線圈產生的磁場以及工件中的感應磁場，最終實現工件受到磁場力方向的控制。電磁排斥力的產生，其放電電流為典型的震蕩衰減波形。而要產生吸引力，首先使流過加工線圈的電流緩慢增大，當電流上升到一定值，再使其以極大的電流變化率迅速減小，其放電電流為一”緩升-急降“的波形。吸引力成形可以彌補傳統電磁成形工藝的許多不足，將拓展電磁成形的應用，可解決排斥力難以解決的問題。如對直徑較小的管件進行脹形時，因為一般不容易制作出直徑太小的線圈，所以采用排斥力成形法就無法對其加工。而當采用吸引力成形時，線圈在管件外部，因此可以實現對小直徑管件的加工。又如汽車覆蓋件上的凹坑，如能用吸引力成形，則很容易解決該問題。諸如此類許多排斥力無法實現的加工工藝都可以通過采用吸引力成形進行解決。

基于排斥力原理的磁脈沖成形工藝得到了比較成熟的運用，常用于管狀毛坯和平板毛坯成形。比如管材脹形、縮徑、校形、沖孔和翻邊；板材沖裁、壓印和成形；粉末壓實等，對一些特殊零件是優先選用的方法。目前，磁脈沖成形技術廣泛應用于航空、航天、汽車、兵器、電子等領域，代表性的單位有Boeing、IBM、Toyota、Ford、Kodak、Chrysler、Audi等。以下主要介紹幾種個人認為比較有發展前景的工藝應用。

磁脈沖輔助沖壓成形

圖2 不同加工方法成形的車門內板

為解決汽車工業中鋁合金板材的室溫成形問題，1998年，美國學者V.J.Vohnout和G.S.Daehn提出了沖壓預成形與磁脈沖成形相結合的單步板材磁脈沖輔助沖壓成形方法。此方法的基本過程是：先進行板材的整體沖壓成形，并且絕大部分變形在此步完成，之后磁脈沖成形只用于最終局部難成形部位（如尖角、整形部位等）成形。該方法是將高速率的磁脈沖成形與準靜態的普通沖壓成形相結合的一種復合加工工藝，能有效控制工件局部的成形、改善應變分布、提高成形極限。采用該方法加工的通用Chevy Cavalier車型的AA6111-T4鋁合金車門內板如圖2所示，其中，鋁合金的普通沖壓預加工件與鋼質參照件相比，工件邊緣處存在較明顯的皺褶，凹槽底部圓角較平滑，棱線不明顯；磁脈沖輔助成形加工件與鋁合金的普通沖壓加工件相比，成形工件的彎角處貼模良好，尺寸線清晰，邊緣處皺紋消失，成形性提高。上述試驗說明把磁脈沖成形工藝與普通沖壓成形工藝相結合是可行的，能夠有效地解決難成形材料室溫成形的難題。隨著汽車輕量化的發展，磁脈沖成形技術日益受到關注，具有廣闊的應用前景。國內哈爾濱工業大學近些年也開展了該方面的研究工作。

但是，沖壓預成形與磁脈沖成形相結合的單步板材磁脈沖輔助沖壓成形方法限于模具材料強度、成形設備電容器的電容量和高壓絕緣能力、線圈結構強度等因素，很難進行大面積板材的單步磁脈沖輔助成形。隨后，J.H.Shang和G.S.Daehn等進一步發展了磁脈沖輔助成形技術，形成多步磁脈沖輔助成形技術。其基本過程是：把線圈嵌入到普通沖壓模具的適當位置，在板材普通沖壓過程中，利用多次小能量電磁脈沖放電（而非單次高能脈沖放電）提高材料的成形性和直接控制應變分布，從而大幅度提高材料的成形能力。圖3為分別通過普通沖壓和多步磁脈沖輔助成形的AA6111-T4鋁合金盒形件。采用傳統的沖壓設備成形的拉深件（圖3的1B處）的最大深度為44mm，而采用復合成形條件下拉深件（圖3的A6處）的最大深度為63.5 mm。

圖3 AA6111-T4盒形拉深件

磁脈沖焊接

磁脈沖焊接是磁脈沖成形技術應用于焊接領域的一項重要突破，是一種新型焊接工藝，由于其工作環境良好而備受關注。其原理是將磁脈沖焊接設備中存貯的電能通過放電回路轉化為金屬材料的動能，再利用兩種材料的高速碰撞實現金屬的冶金結合，為異種金屬的復合提供了一種新的技術手段。帶有集磁器結構的磁脈沖焊接工藝的基本原理如圖4所示。當電容器充電后，閉合放電開關，此時在放電回路的線圈內通過瞬間變化的電流，同時在集磁器和外管內部產生感應電流，在外管與集磁器之間產生強度很大的磁場。由于外管中流過巨大的感應電流，因此外管受到強大磁場力作用產生一定的速度。當外管所受應力達到其屈服強度時，外管發生縮徑變形而與內管（基管）發生高速撞擊，與內管緊密結合在一起，從而實現連接。在撞擊角度和撞擊速度匹配合適的條件下，在碰撞點有熔融的金屬流脫離并噴射出來，該金屬流會清除金屬表面污物和氧化物，接觸面在幅值巨大的磁壓力作用下緊密結合，形成冶金連接。

圖4 磁脈沖焊接原理

與傳統的焊接工藝相比，磁脈沖焊接技術具有以下優勢：

⑴工藝靈活，可用于材料性能差異大、熱膨脹系數差大的材料的焊接，避免了常規焊接的不足。

⑵焊接在微秒級時間內完成，生產效率高。

⑶焊接過程無塵煙，無強光傷害，綠色環保。

⑷焊接過程放電能量可實現計算機控制，精度高，重復性好，易于實現自動控制。

⑸焊接接頭強度高，無需進行后續熱處理，節省工序。

⑹焊接接頭氣密性好，耐腐蝕性好。

⑺可用于熔點相差很大的異種金屬之間的焊接，應用范圍廣泛。

由于設備能量的限制，早期的工作僅能實現異種金屬的連接，難以實現冶金結合。隨著磁脈沖成形設備的發展，大能量磁脈沖成形設備在磁脈沖連接工藝中取得了重大進步，逐步實現了焊接效果。作為一種新型的焊接技術，該技術在國外已用于工業生產，取得了良好的效益，而在國內則剛剛起步，具有廣闊的應用前景。

磁脈沖鉚接

磁脈沖鉚接是磁脈沖成形技術的一種重要應用，它是將電磁能轉化為機械能使鉚釘發生塑性變形的一種新型鉚接工藝，其原理如圖5所示。與磁脈沖成形的最大區別在于增加了驅動片和放大器。放電開關閉合瞬間，在初級線圈中產生一快速變化的沖擊電流，在其周圍產生強磁場。強磁場使與之耦合的驅動片產生感應電流，進而產生渦流磁場。兩磁場相互作用產生的渦流排斥力在放大器中不斷反射和透射，輸出一波形和峰值改變了的應力，這一應力使鉚釘在短時間內完成塑性變形。由于渦流斥力在放大器中以應力波的形式傳播，因此，磁脈沖鉚接亦稱為應力波鉚接。

圖5 磁脈沖鉚接原理示意圖

與傳統鉚接相比，磁脈沖鉚接具有以下優勢：

⑴可用于屈強比高、應變速率敏感型材料鉚釘的鉚接，是實現復合材料干涉配合鉚接的理想工藝方法之一。

⑵釘孔間隙較大或夾層材料厚度較大時可實現干涉配合。

⑶后坐力小，手持式鉚槍可用于大直徑鉚釘的鉚接。

⑷鉚接力可精確控制，鉚接工藝質量穩定，鉚釘變形均勻。

⑸雙槍鉚接系統可用于無頭鉚釘的鉚接。

⑹鉚接噪聲低，可以改善勞動條件。

磁脈沖鉚接作為一種新型的鉚接工藝，是解決鈦合金與復合材料結構連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成形的有效途徑，具有廣闊的應用前景。如空客和波音系列飛機其最新產品A380、B787的制造中均采用了這一先進技術。磁脈沖鉚接技術的發展經歷了高電壓鉚接、低電壓鉚接和自動化鉚接三個階段。美國的EI公司是專門從事磁脈沖鉚接設備研究的廠家，其產品主要為手持式磁脈沖鉚接設備和自動化鉚接裝配系統。國內在該方面的研究起步較晚，目前哈爾濱工業大學、西北工業大學、武漢理工大學、福州大學和一些研究所也在致力于磁脈沖工程應用方面的研究。

結束語

磁脈沖成形具有高效率、高質量、低消耗、低成本等成形優勢，符合綠色制造環保節能的要求，也是材料加工者追求的目標。經過幾十年的發展，已成為一種應用最為廣泛的高能率成形技術。目前，該技術在國外已廣泛應用于工業生產，形成專門從事該技術的企業，如磁脈沖焊接和磁脈沖鉚接技術。而國內的研究還停留于實驗室階段，在工程化的道路上任重道遠。隨著同行對磁脈沖成形技術研究的深入，將涌現出更多新型的成形工藝，其應用領域將不斷拓展，在先進制造技術領域將發揮越來越重要的作用。