鋁合金板陣列微結構零件電磁沖擊液壓成形研究

顏子欽，趙鵬，朱玉德，陽光，王瀚鵬，徐勇，崔曉輝,*

鋁合金板陣列微結構零件電磁沖擊液壓成形研究

顏子欽1a，趙鵬1a，朱玉德2，陽光1b，王瀚鵬1b，徐勇3，崔曉輝1b,2*

（1.中南大學 a.機電工程學院 b.輕合金研究院，長沙 410083；2.恩普賽技術有限公司，湖北 襄陽 441021；3.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

解決室溫條件下因鋁合金塑性流動不均而導致的零件開裂和尺寸偏差等問題。利用高速沖擊提高材料成形極限以及流體均勻載荷精確控形的優勢，提出了電磁沖擊液壓工藝并實現了鋁合金陣列結構零件的成形，采用實驗手段研究了放電電壓和放電次數對零件貼模精度和厚度分布的影響。隨著放電電壓的增大，零件的成形深度增大。在單次放電8 kV下，板料最大成形深度達到模具深度的97%，連續3次放電8 kV后，零件通道填充率達到89.7%。建立了與物理實驗模型一致的電磁-流體-結構的多物理場耦合仿真模型，發現沖擊液體對板料施加的瞬態壓強超過200 MPa，板料最大變形速度達到40.5 m/s。模擬得到的板料變形輪廓與實驗結果一致，證明了多物理場耦合仿真模型的準確性。電磁沖擊液壓成形是一種新型的高速成形方法，能夠實現鋁合金陣列微結構零件的精確制造，為提高復雜薄壁難變形構件的成形性能和精度提供了新的技術手段。

電磁沖擊液壓；陣列微結構；高速率成形；多物理場耦合仿真；流固耦合

鋁合金具有較高的比強度和較好的耐腐蝕性，它制成的陣列微結構零件被廣泛應用于交通運輸行業[1]。沖壓成形是陣列微結構零件的主要成形方法之一。為了防止陣列微結構零件在沖壓過程中因模具誤差而產生尺寸誤差，各模具之間必須要保證極高的匹配精度。由美國戰略分析公司（Strategic Analysis Inc.）Mariko等[2]于2018年進行的評估可知，通常雙極板（典型陣列微結構零件）沖壓模具的制造時間需要數千小時，每套模具的成本高達60萬美元。因此，由沖壓成形制造的陣列微結構零件存在模具造價高、制造周期長的問題。

液壓成形采用流體代替凸模或凹模，具有單模具成形、表面光潔、回彈小、成形復雜零件能力強等優點。Abedrabbo等[3]建立了液壓成形過程中鋁板起皺行為的預測模型，獲得了最佳流體壓力分布。Palumbo等[4]通過移動模具調控液壓成形過程中的反作用力數值，提高了板材成形結果。Hosseinzade等[5]提出了一種將傳統沖壓成形與液壓成形相結合的成形工藝，將板料成形壓力同時作為板料壓邊力，將成形壓力降低為5.5 MPa。Hung等[6]建立了可提供1 230 MPa工作壓力的液壓系統并應用于雙極板微結構成形中。當工作壓力達到250 MPa時，不銹鋼微結構的成形深度達到0.351 mm，高度填充率可以達到88%。但是，更高的液壓力意味著更長的加壓時間。比如，當液壓力從60 MPa提高到250 MPa時，加壓時間會從4 min延長到20 min。此外，傳統液壓成形難以在室溫下提高材料的成形極限。綜上所述，沖壓成形與液壓成形在陣列微結構零件的制造中都取得了顯著成果，但是也仍然存在一些問題。

已有文獻報道，高速變形能使鋁合金成形極限顯著提升[7-8]，該效應被稱為高塑性（Hyperplasticity）。高速成形是利用瞬間釋放的高能率沖擊能量對材料進行塑性加工的成形方法，主要包括電磁成形[9]與爆炸成形[10]。此外，以液體作為傳力介質的沖擊液壓成形可以使材料在極短的時間內完成塑性變形，能夠將液壓成形中的柔性特性與沖擊成形中的高速特性有機結合，受到了國內外的廣泛關注。Broomhead等[11]利用高速落錘打擊液室從而將載荷傳遞給板材的實驗方法，研究了板材雙向拉伸應力狀態下的動態斷裂行為。Kosing等[12]設計制造了通過落錘打擊液體獲得脈沖峰值的高速水壓沖床，并進行了板材和管材成形極限的研究。郎利輝等[13]開發出一種沖擊充液復合成形工藝，并通過實驗證實了通過高速載荷成形某些局部小特征的可行性。Liu等[14]研究了管材在沖擊液壓成形過程中的變形規律并分析了管材成形性提高的機理。Ma等[15]針對沖擊液壓成形下的成形極限測試方法、固-液-固傳載特性以及沖擊液壓成形設備的設計和制造等方面，開展了系統研究，驗證了在沖擊液壓載荷作用下存在壓力倍增效應。此外，設計并制造了基于新型氣-液復合動力源的沖擊液壓成形設備。文獻[16-18]采用固-液耦合有限元模擬優化與成形實驗相結合的方式，針對航空領域典型框體類零件、深腔回轉體類筒形零件、盤形零件等多種復雜鈑金零件進行了定量化工藝設計與實驗驗證。

針對高速沖擊能提高材料成形極限和流體均勻載荷精確控形的優勢，Yan等[19]提出了電磁沖擊液壓工藝并分析了5052鋁合金在電磁沖擊液壓成形中的自由脹形行為。與傳統液壓成形相比，5052鋁合金板材在電磁沖擊液壓工藝下的成形極限高度能夠提高31.1%，但所成形的零件結構較簡單。基于電磁沖擊液壓成形的優勢，本文進行了陣列微結構零件電磁沖擊液壓成形研究，分析了放電電壓與放電次數對板料成形質量的影響。

1 實驗

本文設計的簡易陣列微結構模具和結構尺寸如圖1所示，實驗裝置包括沖頭、液室和模具等。電磁儲能設備的最大能量為200 kJ，電容為640 μF。電磁沖擊液壓成形的原理如下：當線圈中通過大密度的脈沖電流時，驅動板上會產生感應電流與電磁力，電磁力驅動沖頭與液體促使板料發生快速的塑性變形。通道為寬度2 mm、深度1 mm的半圓形結構。整個模具共包含11條通道結構。

圖1 電磁沖擊液壓成形裝置與尺寸

2 結果與分析

選擇0.5 mm的5052鋁合金薄板進行實驗，不同放電條件下的實驗結果如圖2所示。當放電電壓為6 kV時，隨著放電次數的增加，零件成形深度無明顯提升。當放電電壓為7 kV和8 kV時，隨著放電次數的增加，變形后零件逐漸靠近模具底面。當放電次數達到3時，零件底部與模具幾乎接觸。

不同電壓單次放電后板料的變形輪廓如圖3a所示。當放電電壓從6 kV提升到7 kV時，通道成形深度從0.63 mm增到0.84 mm，成形高度提高了33.3%。當放電電壓為8 kV時，通道最大成形深度達到0.97 mm，與7 kV相比，成形深度提高了15.5%。多次放電工藝條件下的板料輪廓如圖3b～d所示。當放電電壓為6 kV時，連續1、2、3次放電后，板料深度分別為0.63、0.67、0.7 mm，零件成形深度僅小幅度提升。當放電電壓提升到7 kV時，連續1、2、3次放電后，板料成形高度分別為0.85、0.89、0.96 mm。當放電電壓為8 kV時，單次放電后板料已非常接近模具，多次放電后板料成形深度小幅度提升。因此，放電電壓為8 kV和連續3次放電后零件貼模性較好。

3 電磁沖擊液壓成形陣列結構零件的質量評估

當放電電壓為8 kV時，3次放電可以得到成形貼模性較好的零件。本節在該實驗條件下，從通道填充率、板料變形后厚度分布和硬度變化等方面，對所得樣品進行分析，對工藝成形效果進行評估。填充率示意圖如圖4所示。將成形前板料下表面與模具2個陣列結構上表面構成的封閉區域面積定義為0，成形后封閉區域的面積定義為1，定義通道填充率為(0?1)/0。

圖2 不同電壓條件下的實驗結果

圖3 不同放電工藝條件下的輪廓對比

圖4 填充率示意圖

在放電電壓8 kV條件下，3次放電所得零件各通道的填充率如圖5所示。可以看到，最大通道填充率為0.935，最小通道填充率為0.883。板料成形填充率平均值為0.897，標準差為0.014 6，表明各通道成形較為均勻。

圖5 陣列微結構零件的填充率

選擇板料上3個特殊節點并分析其硬度，如圖6所示。3次放電后試樣橫截面如圖6b所示。原始板材厚度為0.5 mm，成形后板料減薄最嚴重的區域出現在流道側壁區域，其中厚度最小為0.37 mm，厚度減薄率為26%。頂部區域厚度無明顯變化。底部厚度為0.45 mm，減薄率為10%。使用HV-1000維氏硬度計對電磁液壓成形后的零件進行截面硬度測量，結果如圖6c所示。為保證測量的準確性，在同一區域多次測量并取其平均值。原始材料平均硬度為68HV，成形后頂部區域平均硬度提升至79.16HV，側壁區域平均硬度提升至85.54HV，硬度最大提高了25.8%。

圖6 特殊節點位置（a）、流道截面厚度（b）和硬度測試（c）

4 電磁沖擊液壓成形陣列結構零件的有限元分析

數值模擬技術作為一種先進的研究手段，可以在塑性加工中評估和預測材料的變形和工藝可行性，達到節約生產成本、縮短研發周期的目的[20]。電磁沖擊液壓成形數值仿真模型與其中主要部件的網格劃分如圖7所示。將模具定義為剛體，單元類型為R3D4單元。根據模具方向劃分板料變形區域網格尺寸。在平行于通道方向，由于網格變化小，將網格尺寸設置為0.5 mm，而在垂直于通道方向，網格變形較大，為保證計算的準確性，將網格尺寸設置為0.18 mm。板料單元類型為S4R殼單元，將液體流動區域設置為歐拉網格。

液體壓力分布圖如圖8所示。在10 μs時刻，液體底部壓力增大，液體壓力以沖擊波的形式向上傳遞。在180 μs時刻，液體與板料發生接觸。在230 μs時刻，沖頭在電磁力作用下持續上升，液體內部壓力繼續增大，陣列結構特征初步成形。在280 μs時，隨著沖頭的上升和沖擊波的不斷疊加，高壓區域從中心區域向外圍擴散，使板料各個位置的貼模性都得到提升。液體壓強最大可達210 MPa。

當放電電壓為8 kV時，電磁液壓沖擊成形的實驗結果和模擬結果如圖9所示。可以看到，模擬與實驗所得零件的截面輪廓大致一致。板料最大位移分別為0.97 mm和0.975 mm。在2個陣列結構的間隙，中部區域板料與模具表面接觸，圓角處板料形成曲線輪廓。通過截面可以明顯看出，板料在通道兩側壁的減薄最為嚴重。

3個節點速度隨時間變化的曲線如圖10a所示。在180 μs時，液體接觸板料，板料開始變形。在液體壓力的作用下，節點在190 μs時的速度為26.9 m/s，節點在初始狀態下與模具表面接觸，在液體沖擊作用下撞擊模具表面產生微小的反彈，產生一個與壓力方向相反的速度。節點對應模具側壁區域，變形速度為13.3 m/s。之后各節點速度隨著液體流動導致的壓力的變化而變化。在280 μs時，模具下表面液體壓力逐漸穩定，此時節點的變形速度達到峰值，速度為40.5 m/s；節點靠近模具表面，速度為10.2 m/s。節點與模具產生碰撞，在10 μs內速度迅速下降。在290～500 μs期間，液體內部存在較大壓強，板料貼合模具表面，板料變形結束。3個特殊節點位移隨時間變化的曲線如圖10b所示。在290 μs時刻，各節點位移均達到最大值，節點的最大位移為0.95 mm，節點的最大位移為0.53 mm。在以液體為傳力介質進行成形時，液體壓力持續時間較長，使成形后板料在持續壓力作用下具有更高的貼模精度。

圖7 仿真模型及網格劃分

圖8 液體壓力分布

圖9 電磁沖擊液壓成形實驗模擬對比

放電電壓為8 kV條件下各通道成形深度實驗與模擬的對比曲線如圖11所示。可以看到，各通道成形深度差異不大，在模擬結果中，各通道深度分布在0.98 mm左右，最大深度為0.996 mm，最小深度為0.981 mm；實驗測得通道最小成形深度為0.94 mm，最大成形深度為0.99 mm。模擬與實驗結果均表明此工藝可用于陣列結構成形，且成形效果較好。

圖10 特殊點的速度曲線（a）及其位移曲線（b）

圖11 8 kV放電電壓下成形深度模擬與實驗對比

5 結論

將電磁沖擊液壓成形技術應用于薄板陣列結構成形中。通過實驗和模擬探究了放電電壓和放電次數對成形結果的影響，得出以下結論：

1）隨著放電電壓的增大，零件的成形深度大幅度提升。當放電電壓為8 kV時，板料最大成形深度達到0.97 mm（模具深度為1 mm）。

2）隨著放電次數的增多，零件的成形深度小幅度提升。當放電電壓為8 kV時，3次放電的零件貼模性最好，樣品與模具底部發生接觸。對8 kV放電電壓下3次放電后所得零件進行評估，整體通道填充率可以達到89.7%。

3）建立了電磁沖擊液壓成形有限元模型。通過模擬發現液體壓強可達210 MPa，板料變形速度可達40.5 m/s。實驗與模擬結果吻合，證明了有限元模型的準確性。

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Experimental Study on Electromagnetic Impact Hydraulic Forming of Aluminum Alloy Sheet Array Micro-structure Parts

YAN Ziqin1a, ZHAO Peng1a, ZHU Yude2, YANG Guang1b, WANG Hanpeng1b, XU Yong3, CUI Xiaohui1b,2*

(1.a. College of Mechanical and Electrical Engineering, b. Light Alloy research Institute, Central South University, Changsha 410083, China; 2. EMPuls Technology Co., Ltd., Hubei Xiangyang 441021, China; 3. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The work aims to solve the problems such as cracks and dimensional deviations caused by uneven plastic flow of aluminum alloy material at room temperature. Using the advantages of high speed impact to improve the forming limit of materials and precise shape control of uniform fluid load, an electromagnetic impact hydraulic technology was put forward and the forming of aluminum alloy array structure parts was realized. The effects of discharge voltage and discharge times on the accuracy and thickness distribution of the parts were studied through experiments. With the increase of discharge voltage, the forming depth of the part increased. Under discharge voltage of 8 kV, the maximum forming depth of sheet reached 97% of the die depth, and the filling rate of parts channel reached 89.7% after three consecutive discharges of 8 kV. A multi-physical coupling simulation model of electromagnetic-fluid-structure was established, which was consistent with the physical experiment model. It was found that the transient pressure exerted by the impact liquid on the plate exceeded 200 MPa, and the maximum sheet deformation velocity reached 40.5 m/s. The deformation profile of sheet obtained by simulation was consistent with the experimental results, which proved the accuracy of the multi-physics coupling simulation model. Electromagnetic impact hydraulic forming is a new high-speed forming method, which can realize the precise manufacturing of aluminum alloy array micro-structure parts, and provide a new technical means to improve the formability and accuracy of complex thin-wall refractory components.

electromagnetic impact hydraulic forming; micro array-structure; high speed impact forming; multi-physics coupling simulation; fluid-structure interaction

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.012

TG391

A

1674-6457(2024)03-0123-08

2024-01-08

2024-01-08

國家自然科學基金（52275394）；中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室項目（ZZYJKT2020-02）

The National Natural Science Foundation of China (52275394)；The Project of State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University (ZZYJKT2020-02)

顏子欽，趙鵬，朱玉德, 等. 鋁合金板陣列微結構零件電磁沖擊液壓成形研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 123-130.

YAN Ziqin, ZHAO Peng, ZHU Yude, et al. Experimental Study on Electromagnetic Impact Hydraulic Forming of Aluminum Alloy Sheet Array Micro-structure Parts[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 123-130.

（Corresponding author）