板材電磁成形技術(shù)研究進展

金延野，于海平,2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱 150001）

高性能、輕量化、高精度與資源節(jié)約及環(huán)境友好一直是航空、航天、兵器、汽車等裝備制造業(yè)追求的目標(biāo)[1]。如何實現(xiàn)輕量化成為研究人員研究和開發(fā)的熱點。由于結(jié)構(gòu)材料輕量化是實現(xiàn)產(chǎn)品整體減重的重要方面，為此，輕質(zhì)鎂合金、鋁合金、鈦合金等材料，在制造業(yè)的各個領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[2]。

上述材料在室溫條件下成形極限偏低，難于成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。以鋁合金板材成形為例，普遍存在以下兩方面問題：①熱處理強化態(tài)鋁合金室溫塑性較差，難以在室溫條件下成形復(fù)雜形狀構(gòu)件；②回彈大，成形件的尺寸精確度難以保證[3]。以室溫典型傳統(tǒng)沖壓工藝為例，成形過程易出現(xiàn)拉裂、過度減薄、起皺等缺陷[4]。室溫成形性低的這一屬性限制了上述板材更廣泛的應(yīng)用，如何在室溫下獲得精密成形件，是金屬板材成形技術(shù)研究和發(fā)展的目標(biāo)。

以電磁成形為代表的室溫高速率成形是可以提高金屬板材室溫成形性能的重要工藝手段。室溫高速率成形的優(yōu)勢在于，板料在高速率變形過程中，慣性效應(yīng)促進應(yīng)變的均勻分布和分散頸縮；慣性和板料-模具高速碰撞導(dǎo)致成形后回彈很小，可顯著降低模具設(shè)計難度；另外，室溫成形可以降低裝備成本和能源成本，是一種高效、環(huán)境友好的成形技術(shù)[5]。

1 電磁成形技術(shù)原理及優(yōu)勢

1.1 電磁成形技術(shù)原理

電磁成形技術(shù)原理如圖1 所示[5]，電磁成形系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括：電容、導(dǎo)電線圈、開關(guān)和金屬板材或金屬管件等。首先，利用電源對電容進行充電，電容、放電電路以及導(dǎo)電線圈形成R-L-C回路在放電開關(guān)閉合的瞬間產(chǎn)生交變強電流，該電流在線圈和板料周圍空間產(chǎn)生磁場，板料表面感生強交變渦流與放電線圈電流方向相反，在交變渦流和交變磁場的作用下，板料與線圈產(chǎn)生相互排斥的洛倫茲力，該沖擊力使板料在瞬間發(fā)生快速變形，而后在逐漸衰減的磁場力和慣性力作用下繼續(xù)發(fā)生變形。

圖1 板材電磁脈沖成形原理[5]Fig.1 The principle of electromagnetic pulse (EMP) forming in sheet metal

1.2 電磁成形技術(shù)優(yōu)勢

板材電磁成形的主要優(yōu)勢如下[5]：①板料在高速率變形過程中，材料本構(gòu)會隨著高應(yīng)變速率效應(yīng)而改變，使材料成形極限提高；②慣性效應(yīng)作用使板料-模具高速碰撞導(dǎo)致回彈減小，而且慣性效應(yīng)可以促進變形均勻分布以及分散頸縮；③通過改變線圈設(shè)計來控制力的分布，同時也可以通過調(diào)節(jié)放電電壓以及電容參數(shù)來控制力-時間分布，有利于在實現(xiàn)變形過程中進行準(zhǔn)確調(diào)控；④成形過程中沒有凸模和板料之間的接觸摩擦影響，成形質(zhì)量高。

2 金屬板材電磁成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

磁脈沖成形技術(shù)早期主要應(yīng)用在具有對稱性工件的成形，如薄壁圓管脹形與縮徑、平板脹形等。國內(nèi)外幾個具有代表性的金屬板材磁脈沖成形研究分別為：1958 年，基于Kapitza[6]提出的強磁場技術(shù)，Harvey 和Brower[7]申請了金屬板材脈沖成形專利；20 世紀(jì)70 年代，Al-Hassani[8]利用不同類型螺旋線圈對鋁合金板材進行了電磁成形試驗，提出成形過程中，鋁合金板材所受壓力分布與放電線圈形狀有關(guān)；而后，Takatsu 等[9]在對鋁合金板材電磁成形試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)，在動態(tài)變形過程中，板材中心區(qū)變形晚于板材中心以外區(qū)域；在國內(nèi)，李春峰等[10]提出將電磁成形磁場力求解進行歸一化，研究了磁場力的求解方法，提出應(yīng)用有限元法求解磁場力；另外研究人員還發(fā)現(xiàn)[11—12]在高速電磁和準(zhǔn)靜態(tài)兩種方式成形過程中，材料微觀組織演化差異較大。

目前，電磁成形技術(shù)提高材料成形性能宏觀與微觀機制可以歸結(jié)為3 點：①慣性效應(yīng)作用[13—14]，研究人員發(fā)現(xiàn)，慣性效應(yīng)的存在可以推遲頸縮的發(fā)展；②材料本構(gòu)行為變化[15]，研究人員發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)金屬的本構(gòu)行為會隨著應(yīng)變速率的提高發(fā)生改變，并且材料的應(yīng)變速率敏感性也會隨著應(yīng)變速率的提高而提高[16]；③微觀組織結(jié)構(gòu)的變化[17]，以鋁合金為例，研究人員發(fā)現(xiàn)，相對于準(zhǔn)靜態(tài)變形，動態(tài)變形產(chǎn)生的位錯滑移帶窄且密，并且位錯多系開動，出現(xiàn)明顯的交滑移現(xiàn)象。

2.1 鋁合金板材電磁成形研究現(xiàn)狀

鋁合金板材電磁成形研究方面，Golovashchenko[18]采用圓形和矩形平板線圈分別對電磁成形過程6111-T4 和AA5754 兩種車用鋁合金的成形極限進行研究，結(jié)果如圖2 所示。同時，Golovashchenko 等[19]還采用單匝異形線圈成形了復(fù)雜車身覆蓋件的預(yù)成形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了圓角的充填，結(jié)果如圖3 所示。Kamal等[20—21]結(jié)合了一種勻壓力線圈與單匝異形線圈進行電磁拉深與微壓印，實現(xiàn)了手機金屬外殼的敏捷制造，如圖4 所示。

圖2 AA6111-T4 和AA5754 鋁合金電磁成形成形極限[18]Fig.2 FLD of electromagnetic forming of AA6111-T4 and AA5754

圖3 6016-T4 鋁合金圓角填充后車身覆蓋件[19]Fig.3 Cover panel filled with AA6016-T4 fillet

圖4 2219-O 鋁合金電磁成形手機外殼[20]Fig.4 Forming a cellphone case with AA2219-O

隨著構(gòu)件尺寸和形狀復(fù)雜度的不斷提升，國內(nèi)外學(xué)者提出了電磁輔助沖壓成形和電磁漸進成形等創(chuàng)新工藝方法和技術(shù)。Vohnout 等[22]首次提出電磁輔助成形概念，即采用沖壓工藝對板料先進行預(yù)成形，再使用嵌入凸模的線圈進行放電，最終實現(xiàn)局部難貼模結(jié)構(gòu)的成形。Shang 和Daehn 等[23—24]通過在凸模中預(yù)埋單匝異形線圈輔助沖壓成形，提高了鋁合金非對稱壁板件中應(yīng)變分布的均勻性，與傳統(tǒng)工藝相比，可實現(xiàn)的拉深深度增大了21%。在國內(nèi)，李春峰等[25—27]對電磁漸進成形過程進行了大量理論與工藝研究。通過單向拉伸、平面應(yīng)變和雙向等拉條件的準(zhǔn)靜態(tài)-動態(tài)復(fù)合實驗，揭示了準(zhǔn)靜態(tài)預(yù)變形對材料后續(xù)動態(tài)變形行為及成形極限的影響規(guī)律；研究了電磁輔助沖壓過程中放電參數(shù)和次數(shù)對拉深件底部圓角半徑及成形深度的影響規(guī)律，并通過對U 形件電磁輔助V 彎成形進行研究，揭示了電磁力對回彈的抑制作用。黃亮等[28]在研究大型鋁合金板料電磁翻邊過程中發(fā)現(xiàn)，先變形區(qū)材料的慣性拉拽作用使法蘭區(qū)板料發(fā)生顯著塑性流動從而進入凹模腔，當(dāng)壓邊力不足時法蘭區(qū)會產(chǎn)生起皺；通過合理調(diào)整壓邊裝置施加到法蘭部分的壓邊力，得到了成形良好的大型復(fù)雜型面鋁合金翻邊件，整個翻邊件貼膜性良好，滿足成形要求，結(jié)果如圖5 所示。崔曉輝等[29]采用平板螺線圈對電磁成形過程中板材局部厚度減薄的影響規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)由于慣性作用，板料中心區(qū)邊緣是雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，凹模圓角區(qū)是單向拉應(yīng)力，且局部材料流動受阻，該區(qū)域更容易發(fā)生過度減薄。方春平等[30]利用小尺寸線圈和較小的放電能量作用于板料產(chǎn)生局部變形，通過局部變形積累的方式實現(xiàn)了小曲率、大尺寸航空航天結(jié)構(gòu)件的成形。熊威人等[31]對2024-T3 航空鋁合金板材進行了電磁V 彎成形和傳統(tǒng)機械V 彎成形研究，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)機械V 彎成形，電磁V彎試件有更大區(qū)域的金屬材料參與變形，結(jié)果如圖6所示。嚴(yán)思梁[4]采用理論建模、有限元數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，對鋁合金大型薄壁構(gòu)件電磁漸進成形的宏微觀機理進行了系統(tǒng)研究，精確預(yù)測了應(yīng)變率大范圍變化下微缺陷演化-應(yīng)力響應(yīng)之間的關(guān)系，同時，建立了5A06 鋁合金大型薄壁構(gòu)件電磁漸進成形三維有限元模型。于海平等[32]通過兩步電磁成形，即一步成形，一步校形，對航天使用的長圓孔進行翻邊，最終實現(xiàn)了翻邊高度以及貼膜精度都顯著提高，如圖7 所示。

圖5 成形良好的大型復(fù)雜型面鋁合金翻邊件[28]Fig.5 Hole flanging part of aluminum alloy with large complicated profiles

圖6 V 形圓角外徑相同的V 彎試件[31]Fig.6 Formed parts by V-bending with the same outer radius of V-shaped corner

圖7 長圓孔翻邊成形件[32]Fig.7 Elongated hole flanging part

材料高速變形力學(xué)響應(yīng)之所以與準(zhǔn)靜態(tài)有較大差異，其本質(zhì)是材料的微觀組織和缺陷在較大應(yīng)變速率范圍內(nèi)存在復(fù)雜的演化行為。Smerd 等[33]通過斷口形貌觀測分析了AA5754 和AA5182 兩種鋁合金的動態(tài)損傷與斷裂機理，結(jié)果如圖8 所示。Pérez-Bergquist等[34]發(fā)現(xiàn)對AA5059，AA5083，AA7039 鋁合金而言，剪切局部化在動態(tài)變形試樣中較為顯著，且在剪切過程早期出現(xiàn)的滑移帶會導(dǎo)致絕熱剪切帶內(nèi)部出現(xiàn)機械再結(jié)晶，如圖9 所示。華中科技大學(xué)馬慧娟等[35]通過霍普金森拉壓桿實驗，分析了不同應(yīng)變速率對5A02-O態(tài)鋁合金變形行為和微觀組織演化的影響，TEM 結(jié)果表明高應(yīng)變速率導(dǎo)致高密度位錯、小尺寸的位錯胞，位錯墻出現(xiàn)平行的位錯線，并且位錯分布更加均勻。

圖8 AA5754 和AA5182 沿TD 方向不同應(yīng)變速率條件下頸縮和斷裂區(qū)組織形貌[33]Fig.8 Morphology of necking and fracture zone under different strain rates along the TD direction for AA5754 and AA5182

圖9 5083 鋁合金沿剪切帶明場結(jié)果[34]Fig.9 Bright field images along the shear zone of AA5083

目前，對于鋁合金板材電磁成形微觀組織演變方面，劉大海等[36]對比了AA5052-O 材料準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)成形微觀組織結(jié)果，其中動態(tài)變形采用的即為電磁成形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同于準(zhǔn)靜態(tài)變形的位錯單向滑移機制，電磁成形位錯出現(xiàn)顯著交叉滑移現(xiàn)象，如圖10所示。李寧等[37]分別通過高速電磁成形和高速機械成形兩種方式對AA5052 鋁合金變形機制進行了研究，使用TEM 手段表征了兩種成形過程中位錯滑移情況，結(jié)果表明，機械驅(qū)動高速成形時，位錯呈現(xiàn)平行分布，表現(xiàn)為平面滑移塑性變形機制；電磁成形時，位錯以位錯胞與地毯式位錯形貌呈現(xiàn)，表現(xiàn)為波滑移塑性變形機制，如圖11 所示。另外，李寧等[38]對純鋁電磁脹形過程中微觀組織演化進行了分析研究，結(jié)果表明，電磁成形可以促進Goss and Rotated Goss 織構(gòu)，如圖12 所示。

圖10 不同變形方式下位錯分布的TEM 結(jié)果[36]Fig.10 TEM photographs of dislocation distribution from different deformation modes

圖11 變形后的5052 鋁合金TEM 結(jié)果[37]Fig.11 TEM micrographs of the deformed AA5052

圖12 電磁脹形純鋁工件不同應(yīng)變比條件下的{100}方向極圖和φ2=45o的取向分布函數(shù)圖[38]Fig.12 {100} Pole figures and φ2=45o orientation distribution function sections for the specimens deformed by EMF with different strain ratios

2.2 其他合金板材電磁成形研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60 年代，Wood[39]通過爆炸脹形的方法測試了TC4 鈦合金在不同變形速度下的極限應(yīng)變，結(jié)果表明，TC4 鈦合金在較高成形速度下極限應(yīng)變得到了提高。近年來，李奮強等[40]通過電磁脹形的方法，采用平面螺旋線圈并增加鋁合金板驅(qū)動環(huán)節(jié)，獲得了TC4 鈦合金脹形條件下的成形極限，結(jié)果表明，采用鋁合金作為驅(qū)動板后，TC4 鈦合金板材成形性能有了顯著提高。于海平[41]采用勻壓式電磁輔助彎曲成形的方法，對TA32 鈦合金板材進行了研究，實驗示意圖如圖13 所示。結(jié)果表明，電磁輔助彎曲成形方法可以有效提高彎曲件的成形精度，如圖14 所示。

圖13 勻壓式電磁輔助彎曲成形示意[41]Fig.13 Schematic diagram of uniform pressure electromagnetic-assisted bending

圖14 TA32 鈦合金電磁輔助彎曲成形件[41]Fig.14 Formed parts of electromagnetic-assisted bending of TA32

在鎂合金方面，準(zhǔn)靜態(tài)下鎂合金板材室溫成形性能較差，常發(fā)生脆性斷裂。徐俊瑞等[42]進行了AZ31鎂合金板材的室溫磁脈沖成形研究，對比準(zhǔn)靜態(tài)成形結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電磁成形可顯著提高鎂合金板材的成形能力，結(jié)果如圖15 所示。

圖15 AZ31 鎂合金板材磁脈沖室溫成形極限圖[42]Fig.15 FLD of the AZ31 magnesium alloy deformed by EMF

李寧等[43]對純銅進行了電磁成形實驗，結(jié)果如圖16 所示，通過對脹形件的變形行為和微觀組織演化進行分析，結(jié)果表明與其他高速率變形觀察到的形變孿晶不同，電磁成形純銅板材呈現(xiàn)出非孿晶變形機制。于海平[44]對金屬銅板材進行了圓孔翻邊，通過數(shù)值模擬和實驗揭示了電磁翻邊的高度高于剛性沖頭翻邊高度的原因——在電磁翻邊過程中，在模具圓角處產(chǎn)生了“拉彎”效應(yīng)，擴大了應(yīng)變區(qū)域，因此相同條件下，電磁翻邊的高度明顯高于剛性沖頭翻邊成形高度，如圖17 所示。

圖16 電磁脹形純銅金屬板[43]Fig.16 Pure Cu sheet deformed by EMF

圖17 電磁翻邊和剛性沖頭翻邊金屬銅板[44]Fig.17 Copper metal plates of electromagnetic flanging and rigid punch flanging

3 結(jié)語

對金屬板材電磁成形近年來的研究內(nèi)容和研究成果進行了梳理和總結(jié)。將國內(nèi)外不同時期具有代表性的研究進行匯總。從研究現(xiàn)狀可以看出，金屬板材電磁成形已經(jīng)從一步成形逐漸向漸進成形和多步成形方向轉(zhuǎn)變，成形精度以及可靠性都有顯著提高；微觀組織演化方面的表征手段也具有多樣性，TEM 和EBSD 表征手段都參與到組織分析中，從微觀層面對金屬板材電磁成形進行更全面的表征和分析。

綜上所述，在金屬板材電磁成形日趨成熟的今天，如何能夠繼續(xù)擴大電磁成形技術(shù)在板材成形方面的應(yīng)用已經(jīng)成為目前研究人員研究的重點。根據(jù)目前板材電磁成形方面的研究現(xiàn)狀，后續(xù)研究內(nèi)容可以從兩個角度入手：一方面是成形材料的突破，以鋁合金材料為例，目前電磁成形技術(shù)主要應(yīng)用于軟態(tài)5×××系和6×××系鋁合金成形，對于航空航天領(lǐng)域較為關(guān)注的高強鋁合金材料，如時效強化態(tài)2×××系列鋁合金在電磁成形方面的研究幾乎沒有，包括AA2214-T4/T6，AA2219-T6，AA2195-T4 等，其中，鋁鋰合金屬于典型的可熱處理強化鋁合金，具有較為復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)，因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)將電磁成形技術(shù)應(yīng)用于鋁鋰合金的板材成形方面，將進一步擴大鋁鋰合金板材的應(yīng)用范圍，對航空航天領(lǐng)域具有重要意義；另一方面是成形工藝的突破，目前電磁成形技術(shù)已經(jīng)非常成熟，對于形狀更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，如何能夠使電磁成形技術(shù)在鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形方面發(fā)揮最合適、最互補的作用，將是未來研究人員研究和開發(fā)的重點，如單一電磁成形、電磁輔助（復(fù)合）沖壓等向多時空電磁力場復(fù)合成形、沖壓輔助（復(fù)合）電磁成形，通過高速率電磁成形與常規(guī)沖壓成形位置轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)一系列成形新方法和思路創(chuàng)新。