薄壁構件漸進式電磁成形技術研究進展

摘要：

隨著我國高端制造業的發展，航空航天等眾多工業領域對薄壁構件的需求急劇增加。傳統的電磁成形憑借其高速率成形特性，已成功應用于某些關鍵輕質材料薄壁構件的生產制造中，但受到成形線圈和放電設備的限制，難以加工大尺寸、結構復雜的零件。近十幾年來，漸進式電磁成形技術逐漸被開發，并應用于大型薄壁構件的加工中，在此期間大量研究成果也隨之涌現。在簡述電磁成形技術原理及特點的基礎上，按照工藝形式將現有漸進式電磁成形技術劃分為兩大類：漸進式電磁復合成形和漸進式電磁直接成形；針對每類工藝從基本原理、技術方案以及應用成果等方面進行了研究現狀闡述；分析了漸進式電磁成形技術目前存在的主要問題，并對漸進式電磁成形技術的未來發展前景和研究方向進行了展望。

關鍵詞：薄壁構件；漸進式；電磁成形；漸進式電磁復合成形；漸進式電磁直接成形

中圖分類號：TG391

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.001

Research Progresses on Incremental EMF Technology for

Thin-walled Components

CHENG Xiao1 LI Rui2 ZOU Guisheng2 LIN Junfeng1，3 YU Haiping1，3

1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin，150001

2.Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084

3.National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals，Harbin Institute of Technology，

Harbin，150001

Abstract： With the development of China’s high-end manufacturing industries， the demands for thin-walled components in many industrial fields such as aerospace were increased dramatically. The high-speed forming characteristics， traditional EMF was successfully applied to the production of thin-walled components of some key lightweight materials. However， due to the limitations of forming coil and discharge equipment， it was difficult to process large-scale and complex structure parts. In the past decade， incremental EMF technology was developed and gradually applied to the large thin-wall components processing， where a large number of research results were emerged. On the basis of briefly describing the principle and characteristics of EMF technology， the existing incremental EMF technology was divided into two categories according to the processing form： incremental electromagnetic composite forming and incremental electromagnetic direct forming. The research status of each processes was expounded from the aspects of basic principle， technical scheme and application results. Thus the main problems existing in the incremental EMF technology were analyzed， then the future development prospects and research direction of the incremental EMF technology were prospected.

Key words： thin-walled component； incremental； electromagnetic forming（EMF）； incremental electromagnetic composite forming； incremental electromagnetic direct forming

收稿日期：2024-03-16

基金項目：國家自然科學基金（52175304，51675128）

0 引言

隨著高端制造業的發展，航空航天等領域對輕量化、壽命長、可靠性好的大型薄壁構件的要求越來越高，如飛機蒙皮、火箭燃料貯箱底以及進氣道等這些薄壁構件，除了具有壁厚與徑向尺寸相差懸殊的低剛度難加工結構外，還需要保證較高尺寸精度［1］。同時，構件常采用輕質高強度難變形材料，如鋁合金和鈦合金等，在室溫下塑性加工容易出現減薄開裂、起皺等失穩現象［2］。因此，結構與材料難成形的特點使得薄壁零件高效率、低成本生產制造極其困難，而現有成形工藝復雜，制造能力與成形精度偏低，難以滿足技術要求，成為先進裝備制造的一大難點［3］。

電磁成形是一種典型的高速率成形技術，它以洛倫茲力為作用載荷，可使坯料在高速率狀態下實現脹形、縮徑、校形以及翻邊等塑性變形［4］，憑借其高速率成形特性，在室溫下能大幅度提高難變形材料的成形極限，并且能夠抑制材料回彈、起皺以及出現裂紋。目前，電磁成形已在薄壁構件加工中獲得了較好的成形效果，但應用范圍基本都是小尺寸、結構簡單的零件，典型薄壁構件如手機外殼［5］、矩形吸能盒［6］以及燃料電池金屬雙極板［7］等。

隨著薄壁構件往大尺寸、結構復雜化、整體化的方向發展，傳統的電磁成形工藝逐漸滿足不了工業需求。傳統的電磁成形是在單次放電條件下使金屬材料發生變形，成形線圈難以匹配且設備放電能量有限［8］，很難實現大型構件的一次性整體成形。成形線圈尺寸需與大型構件相匹配才能具備更優的成形能力，然而，大尺寸成形線圈除了本身的設計與制造困難外，其結構強度和絕緣處理問題也難以承受放電時巨大電磁力的“反噬”［9］。另外，電磁成形設備放電能量利用率較低，一般不超過25%［6］，若在不提高能量利用率情況下盲目追求高的放電能量，會導致設備放電回路電流急劇增大，設備處于高負載狀態，會使放電過程的安全性降低和設備的使用壽命縮短［10］。于是，國內外學者結合傳統沖壓工藝、單點漸進成形和電磁成形等多種工藝優點提出了漸進式電磁成形方法。該方法在維持線圈尺寸和電磁成形設備不變的情況下，通過調節線圈放電次數和移動路徑，結合其他沖壓工藝或添加驅動凸模傳力等方式，“以小搏大”、“積小成大”，累加局部變形，實現大尺寸曲面或深腔整體構件的塑性加工，不僅拓寬了加工尺寸范圍，同時繼承了高速率成形的優點，保證了構件的成形精度。漸進式電磁成形技術的出現成為解決大型薄壁構件難成形問題的一個契機，也逐漸成為電磁成形技術未來發展的一個新的方向。

漸進式電磁成形技術雖然起源于十幾年前，相應的基礎研究起步較晚，但工藝應用形式發展迅速。本文在簡述電磁成形技術原理及特點的基礎上，按照工藝形式，將現有漸進式電磁成形技術劃分為兩大類：漸進式電磁復合成形和漸進式電磁直接成形；針對每類工藝從基本原理、技術方案以及應用成果等方面進行了研究現狀闡述；分析了漸進式電磁成形技術目前存在的主要問題，并對漸進式電磁成形技術的未來發展前景和研究方向進行了展望。

1 電磁成形技術原理及特點

圖1為板材電磁成形工藝原理示意圖，閉合充電開關，通過充電電源對電容器進行充電，充電結束后，閉合放電開關，平板線圈中產生快速變化的大脈沖電流，并在周圍產生強脈沖磁場，從而使板坯產生感應渦流，渦流進而也產生磁場，兩磁場的相互作用產生的強大排斥力使板坯在短時間內受力變形貼至模具表面，完成塑性加工［11］。

與傳統沖壓成形工藝相比，電磁成形技術加工薄壁構件的優勢在于：材料在變形過程中處于高速率運動狀態，慣性效應促進應變均勻分布和延遲頸縮產生，進而提高材料室溫下成形性能［12］；無需機械接觸來完成加工過程，零件表面質量高；線圈結構適應性強，作為力場施加的源頭，可根據零件結構進行仿形和多級線圈設計，使力場“如影隨形”地加載至構件，屬于柔性加工技術［13］；另外，室溫下電磁成形技術可降低裝備和能源成本［6］。上述特點使得電磁成形技術無論是作為一種單獨的加工工藝，還是與其他沖壓工藝搭配形成復合加工工藝，都有巨大的應用潛力。

漸進式電磁成形技術的出現得益于電磁成形力場形位和大小靈活可控，通過設計多樣的線圈放電和移動策略，或借助沖壓工藝的變形能力，以拓展加工大尺寸、復雜特征的薄壁構件。為此，本文以電磁成形是否與傳統沖壓成形結合作為劃分依據，將漸進式電磁成形技術分為漸進式電磁復合成形和漸進式電磁直接成形，并對這兩類成形工藝的研究現狀逐一詳細闡述，進一步概括漸進式電磁成形技術的特點及亟待解決的問題。

2 漸進式電磁復合成形研究現狀

早在20世紀80年代，美國通用汽車公司將電磁成形技術視作一種先進制造技術，應用于汽車行業小尺寸零件生產［14］。隨著電磁成形技術不斷完善，可加工的小尺寸構件種類越來越多樣化，但對于大型構件的成形加工，電磁成形卻始終無法與傳統沖壓工藝在地位上比肩，主要原因在于脹形工藝屬性導致深腔構件加工時壁厚分布不均、工藝過程控制難以實現及工藝經濟性不高等。然而，采用傳統的沖壓工藝加工鋁合金、鎂合金、高強鋼等輕質高強度難變形材料，容易產生破裂、回彈、起皺等缺陷。針對上述問題，VOHNOUT［15］于1998年將電磁成形技術與傳統沖壓工藝相結合，首次提出電磁輔助沖壓的復合成形工藝，在沖壓模具中嵌入成形線圈，以沖壓工藝作為構件主要塑性變形手段，用電磁成形調控局部貼模精度，實現復雜薄壁構件的精密成形。與普通沖壓成形相比，電磁復合成形的優勢顯著［14］：材料室溫成形性能提高、改善了應變分布、抑制了起皺和回彈、更加綠色環保等。

后來，為了拓展大尺寸和深腔薄壁構件的加工應用，國內外學者在此基礎上優化線圈布置方式、增加線圈數量或放電次數，并結合拉深、多點柔性成形、拉形、翻孔、滾壓、擠壓等工藝演化出新的漸進加工形式。

在漸進式電磁復合成形工藝中，電磁成形只作為輔助手段，沖壓變形占主導地位，兩種加工方式相輔相成，因此，如何合理設計沖壓成形與電磁成形的協調控制形式是漸進式電磁復合成形能夠獲得高成形質量構件的關鍵?，F有的調控形式主要有兩種：電磁力直接作用和電磁力間接驅動。電磁力直接作用是指在電磁復合成形中線圈直接對坯料放電，電磁力參與坯料的部分塑性變形。電磁力間接驅動則是指通過線圈放電驅動凸模成形坯料，使坯料的塑性變形全部由凸模接觸力完成。接下來，對這兩種調控形式應用以及工藝特點進行詳細分析。

2.1 電磁力直接作用

傳統沖壓成形應變分布不均勻是導致構件起皺或破裂的重要原因，而電磁成形能夠控制應變分布使其更加均勻［16］。早在2011年，SHANG等［17］首次將多步電磁成形工藝與沖壓工藝結合，通過在凸模底部嵌入單匝異形線圈，使成形線圈分多次放電，并與凸模漸進拉深過程交替進行來成形構件。此方法改善了6111鋁合金壁板件中應變分布的均勻性，將拉深極限高度從傳統沖壓工藝的44 mm提高到63.5 mm，工藝原理以及構件成形效果對比見圖2。LI等［18-19］對5052鋁合金板材的“沖壓預變形—電磁后成形”過程進行了大量理論、微觀以及工藝研究。單向拉伸、平面應變和雙向等拉應變路徑下的準靜態-動態復合實驗結果表明，材料的后續動態變形過程決定了復合成形過程最終塑性，且隨著準靜態預變形量增加，復合成形最終塑性也隨之提高。微觀分析結果表明，材料動態和準靜態的變形性質相似，不會產生特殊的組織結構，微觀機制均為位錯滑移。區別在于動態變形位錯滑移趨于多系開動，甚至出現明顯的交滑移現象，且位錯組態更均勻，因此表現出較高的塑性和強度。

CUI等［20-21］將電磁助推技術集成于圓筒形件拉深成形，提出了徑向電磁力漸進驅動沖壓成形的方法，通過在拉深件法蘭區、凹?；驂哼吶Φ膱A角內預埋助推線圈，使法蘭區材料更利于向模腔內流動。與傳統沖壓工藝相比，采用電磁助推沖壓工藝獲得的構件成形深度可提高31%，圖3a所示為凹模預埋助推線圈的工裝結構。FANG等［22］深入分析了電磁助推沖壓工藝下5052鋁合金筒形件的微觀變形機制，與傳統拉深件的微觀組織進行對比發現，此工藝下試件變形區的晶粒細化程度更高，亞晶界數量和位錯密度也更大。通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察到此工藝下構件的塑性變形皆由位錯滑移產生，由于位錯密度顯著增加，應變分布也更加均勻，圖3b～圖3e所示為兩種工藝的微觀組織對比結果。針對小批量或單個工件的模具制造成本高昂的問題，FENG等［23］提出了一種多點模具漸進式電磁成形方法，通過控制多點模具球頭的高度形成不同目標型面，再將橡膠墊置于坯料與多點模具球頭之間，對坯料漸進放電，獲得不同曲面形狀大尺寸構件。

傳統大型薄壁蒙皮成形后存在大量殘余應力，導致回彈現象明顯，而電磁成形構件尺寸精度較高的一個重要原因是有模高速率變形抑制回彈［25］。LONG等［26］為獲得大尺寸、小曲率方形薄壁蒙皮件，結合多點柔性成形和電磁成形提出了一種電磁疊加成形方法。將蒙皮置于凸模單元陣列上，采用平板線圈對其反向漸進放電，累加局部塑性變形量，最終使得回彈現象得到抑制。CUI等［27-29］提出了一種新型的大曲率半徑蒙皮復合成形方法，即將電磁成形技術與拉伸成形相結合，通過數值模擬確定線圈漸進放電路徑。為了提高加工效率，采用對稱布置的雙矩形平板線圈對拉伸凸模上的蒙皮反向漸進放電。研究發現板料在電磁力與彈性墊反彈力雙重作用下，應力出現明顯振蕩，最終回彈被明顯抑制，為大型薄壁曲面零件的精確制造提供了新思路。其工藝原理見圖4a，與準靜態成形試件成形的對比效果見圖4b。

在電磁力直接作用于坯料過程中，線圈作為電磁力施加源頭，其結構與布置方式能夠靈活設計，既能集成于模具，又能單獨使用。當模具與線圈組成整體時，線圈跟隨沖壓凸模運動，采用一套模具能夠同時實現沖壓成形和電磁成形，簡化了工裝結構。當線圈單獨使用時，其分布位置與數量能夠靈活調控，提高了工藝柔性和生產效率。另外，這種電磁力直接作用坯料的復合成形方式能夠有效改善應變分布不均勻的缺陷，提高材料流動性并抑制回彈，為如今工業生產遇到的某些難點問題提供有效解決思路，如深腔件應變分布不均勻、小批量構件加工成本高昂以及大型薄壁蒙皮件回彈問題嚴重等，具有極大的生產應用前景。

2.2 電磁力間接驅動

電磁力直接作用坯料的調控形式雖然有諸多優點，但線圈與模具的集成化步驟大大增加了復合模具的制作難度和成本。為了避免線圈與鋼制模具直接接觸，還需要在銅線的外圍進行絕緣處理，因此，該復合凸模使用壽命不長［24］，并且在電磁力直接作用坯料的調控形式下，沖壓成形與電磁成形漸進交替進行，工序數量較多，導致工藝流程復雜。因此，有學者提出電磁力間接驅動的漸進式電磁復合成形工藝，該工藝在不改變沖壓成形工裝的前提下，將沖壓動力源從傳統的液壓或油壓變為電磁力，通過電磁成形力場賦予沖壓工具高速率運動特性，使坯料在高速率成形狀態下實現塑性加工，既滿足沖壓成形構件的加工需求，又能提高室溫下材料的成形性能［30］。

CAO等［31］提出一種圓筒形件的電磁力驅動凸模漸進拉深成形方法，工裝如圖5a所示。將7 mm厚的銅板作為驅動板置于線圈與凸模之間，采用線圈對驅動板兩次漸進放電，使施加于驅動板上的電磁力傳遞至凸模，進而使得凸模向下漸進拉深板坯運動。經過兩次漸進拉深，成功獲得拉深系數為2的5052圓筒形拉深件，也驗證了新工藝有益于促進構件法蘭區材料流動并降低減薄率。圖5b和圖5c所示分別為一次拉深和二次拉深的構件成形效果。

翻孔作為金屬板材和管材的基本成形工藝，在薄壁構件的翻孔特征塑性成形中應用廣泛。采用普通凸模進行翻孔，容易在低塑性、難成形板材的變形區產生破裂，因此，傳統的翻孔工藝常采用多道次工序降低變形程度或施加工序間熱處理來改善材料的翻孔成形性［32］。為提高翻孔效率、降低成本、簡化工裝，馬伯洋［33］設計了漸進式電磁驅動鋼模翻孔工裝，如圖6a所示。在14.9 kJ放電能量下，分三步漸進驅動凸模實現2219-T4態鋁合金板料的軸向翻孔，實驗結果表明，此方法可降低等效塑性應變，使應變分布更加均勻，提高翻孔成形質量，得到的翻孔件如圖6b所示。相比于準靜態鋼模成形，在相同的應變分布情況下，電磁漸進驅動鋼模條件下材料延伸率仍可提高，延遲翻孔邊緣的開裂。相比于磁脈沖翻孔成形，電磁漸進驅動鋼模條件下翻孔變形區雙軸拉伸應變區域擴大，平面應變區域縮小，且整體徑向應變大幅減小。除了傳統凸模外，氣體［34］、彈性介質［35］、水［36］等皆可作為驅動介質成形坯料，但這些工藝的成形件結構均較為簡單，電磁成形僅一步即可實現。

在電磁力驅動凸模成形中，線圈一般布置在凸模后方，用于提供成形力，二者漸進運動趨勢基本相同。凸模結構能夠基于構件成形特征隨意更換，且制作方便。線圈放電與凸模向下沖壓基本同時發生，因此這種電磁復合成形只存在沖壓工序，只是坯料的變形狀態從準靜態成形轉為高速率成形，同時也繼承了高速率成形的優點。從成形效果來看，相較于傳統拉深、翻孔成形，凸模高速率成形不僅能夠有效提高沖壓件成形極限，抑制過度減薄以及開裂，而且可提高生產效率。然而，凸模高速率成形需要巨大動能，只有輸出高的放電能量才能實現凸模高速沖壓，因此電磁力驅動凸模成形對電磁成形設備依賴性較高。另一方面，隨著放電能量的提高，線圈的結構強度與絕緣處理面臨著極大考驗，并且在短時間內多次放電，線圈溫度會顯著升高［37］，其使用壽命將縮短。因此，若將漸進式電磁復合成形應用于工業化生產，則高耐用性能成形線圈的設計和研制工作亟需開展。

3 漸進式電磁直接成形研究現狀

漸進式電磁復合成形本質上是一種復合工藝，通常借助電磁成形設備和沖壓設備完成加工，因此工裝復雜、成本高，再加上沖壓成形與電磁成形涉及的工藝參數各不相同，兩種工藝的配合實施方案還需要精細設計，因此，對于一些變形方式單一的大型薄壁構件加工，采用漸進式電磁直接成形更加合適。CUI等［38］在單點漸進思想基礎上演化出了漸進式電磁直接成形方法，原理是利用小尺寸線圈按照一定的三維空間軌跡逐次移動到加工工件的各個局部位置，通過多道次放電逐步累積不均勻形變，形成一種分布式電磁成形方法。漸進式電磁直接成形方法與電磁成形技術一脈相承，它集成了單點漸進成形和電磁脈沖成形兩種工藝優點，將電磁成形從漸進式電磁復合成形工藝中獨立出來，突破傳統電磁成形只能加工小尺寸構件的限制，并且簡化了加工設備和工裝。

經過10余年的發展，一些學者基于漸進式電磁直接成形方法思想和目標件加工特征，通過調節線圈數量和結構、放電次數、移動路徑等手段演化出了多種加工形式，主要應用于薄壁板和長直管（筒）材的脹形、縮徑以及連接等。薄壁板材漸進式電磁直接成形主要加工大型薄壁曲面件，長直管（筒）材壁上的幾何特征采用漸進式電磁直接脹形和縮徑則易于實現。在漸進式電磁直接連接方面，目前已實現具有大范圍冶金連接界面的異種金屬管-管以及板-板連接應用。

3.1 薄壁板材漸進式電磁直接脹形

大尺寸薄壁曲面構件是板材漸進式電磁直接成形的主要加工目標，主要變形方式為脹形，工藝原理如圖7所示［39］。采用成形線圈在大型板件局部產生電磁力，進而產生局部變形；再移動成形線圈的位置，對板件施加下一次電磁力并產生局部變形；通過控制成形線圈沿徑向、環向和軸向的移動路徑，使坯料完全脹貼至模具，最終實現大型板件的電磁成形加工［40］。

漸進式電磁直接成形過程是一個具有復雜時空動態邊界的多物理場耦合問題，涉及多工藝參數協調控制，工件的動態力學行為、微觀組織演變和缺陷演化易受不同工藝條件影響，導致成形構件易產生起皺、隆起、壁厚不均勻、成形精度差等問題［41］，因此，需要對大型薄壁構件漸進式電磁直接成形過程從材料的多物理耦合場動態力學響應、微觀變形機制、工藝參數優化等方面深入開展研究。CUI等［42-43］采用直徑為100 mm的平板螺旋驅動線圈對直徑為240 mm的3003鋁合金板進行漸進放電，并采用順序耦合法、“生死單元法”和空氣網格隨移技術對板料整個成形過程進行3D有限元模擬分析，模擬路線和結果見圖8，最終采用漸進式電磁直接成形工藝加工大尺寸板件可行性得到了驗證。熊奇［8］對直徑為1380 mm的5083鋁合金板件進行三次漸進放電，由于工件變形過程中累積加工硬化，三次放電電壓依次增大，最終獲得了表面質量較好、無起皺缺陷、深160 mm的曲面構件，實物見圖9a。

NOH等［44］利用兩種不同尺寸的平板螺旋線圈，采用兩步電磁成形的方法加工具有中間塊特征的錐形件，成形效果如圖9b所示。實驗結果表明，與單步磁脈沖成形相比，兩步電磁成形更能抑制構件起皺失穩，且貼模精度更高。汪志強等［45］將有限元方法與實驗相結合，研究了線圈層數、匝間距以及層間距等線圈結構參數對大型5754鋁合金板料漸進式電磁直接成形均勻性影響規律，并最終提出了一種非等間距線圈結構，可使構件在漸進成形過程中獲得連續均勻的塑性變形。LIU等［46］提出了基于雙層間隔移動策略的雙線圈漸進式電磁直接成形大型板材零件的方法，在雙線圈系統的第二層成形電壓高于第一層成形電壓50%條件下，可使構件獲得更好的成形質量。為了獲得成形均勻性好的大型2219鋁合金薄壁曲面件，SU等［47］將線圈按特定的運動軌跡在同一水平高度上旋轉漸進放電，研究了線圈重疊系數、移動策略和放電電壓等工藝條件對構件成形均勻性的影響。GUO等［39］采用成形線圈對網格壁板分兩步放電，實驗結果表明，在合適的放電路徑和電壓參數組合方案下可獲得成形效果好的構件，網格壁板最終貼模效果如圖9c所示。汪強昆［48］利用勻壓線圈對0.1 mm厚的TA1鈦雙極板進行漸進式電磁直接成形，研究結果表明，在加速距離為2 mm、線圈重疊率為15%、驅動銅片厚度為0.3 mm的條件下，采用4.05 kJ放電能量在每個放電區域連續放電三次，成功制得了流道深度為0.4 mm、流道深寬比為0.53、尺寸為485 mm×195 mm×0.1 mm的鈦雙極板，構件成形效果見圖9d。

在鋁合金大型薄壁構件漸進式電磁直接成形的材料宏微觀變形機制研究方面，嚴思梁［41］考慮鋁合金電致塑性應力下降現象，提出大應變、強脈沖電流作用下鋁合金高速變形應力響應模型，并在應變速率大范圍變化下建立了微缺陷演化-應力響應之間的關系，發現減小放電工位夾角、增大線圈軸向位移對構件周向成形深度均勻性的提高作用較為顯著［49］。LI等［50］基于應力波傳遞行為揭示了大型鋁合金薄壁橢球零件的漸進式電磁直接成形起皺失穩機制，建立了放電位置、電壓、板坯的幾何形狀等工藝參數與缺陷的關系。ZHANG等［51］通過有限元模擬分析了薄壁橢球零件在漸進式電磁直接成形過程中的動態變形行為，揭示了放電電壓與放電位置對變形行為的影響規律。

3.2 長直管（筒）件漸進式電磁直接脹形

管材具有軸對稱結構，電磁成形時沿徑向變形均勻。長直管件軸向尺寸較大，適合沿一維方向漸進式電磁直接成形。長直管件的管壁在漸進放電脹形后呈波浪狀，波浪的波峰與波谷之差越小，說明管件成形均勻性越好。趙健等［52］提出長直管件漸進式電磁直接成形方法，對外徑89 mm、壁厚2.5 mm、長度200 mm的3003鋁合金管三次漸進放電加工，通過優化線圈漸進重疊區域和成形順序，分別得到了管壁變形區均勻性最佳以及成形效率最高的工藝參數方案。崔曉輝［53］針對鋁合金長直管件的漸進式電磁直接成形過程開展了順序耦合有限元分析，引入重疊率δ、均勻性η來量化分析線圈相鄰放電重疊情況和管件變形均勻性。在線圈放電三次條件下，采用“先兩邊后中間”的跳動放電方式調節放電區域的重疊率δ為50%，可獲得均勻性η僅為1.3%的最佳管壁變形區域。金屬波紋管是一種常見的補償、換熱及柔性連接元件，王煜等［54］提出了一種用于成形管壁波紋的漸進式電磁直接脹形裝置，采用電機和絲杠的組合方案控制線圈對管壁沿軸向漸進放電，直至變形區材料全部脹貼至模具，從而獲得成形難度大、成形質量好的波紋管。

采用電磁成形實現大型薄壁構件的支撐裝配是漸進式電磁直接成形技術的一種新的應用拓展。為保證高速運行條件下某塊體拼裝結構的穩定性，秦必聰［3］提出了在塊體內型面采用輕質、整體金屬環殼件實現徑向支撐的思路，基于漸進式電磁直接成形的裝配工藝原理見圖10a。通過成形線圈沿軸向漸進放電，使得金屬環殼件脹貼支撐弱剛度拼裝結構，兩者形成非連接效果的裝配體；根據拼裝結構內型面對線圈進行仿形設計，研制了一套壁厚0.5 mm的5A06鋁合金薄壁環殼件漸進式電磁裝配工裝；對放電電壓、放電次數、支撐坯殼-拼裝材料內型面初始間隙等參數進行優化，并建立成形筋高度、支撐環剛度以及對塊體材料沖擊力等參數指標體系，用于評價支撐環殼件的裝配效果；最終確定了采用三步漸進電磁脈沖成形可獲得結構剛度優良、支撐效果良好的環殼-拼裝體裝配件，支撐環殼件實物如圖10b所示。

3.3 長直管件漸進式電磁直接縮徑

薄壁螺旋管是石油、化工、核能領域內一種典型的熱交換元件，具有優異的熱交換性能。為實現換熱系統輕量化、小型化，螺旋管必須滿足細徑、薄壁、高精度、高表面質量的要求，以強化傳熱過程、降低材料消耗、提高系統運行穩定性和可靠性。丁曉圓［55］基于變形“以小搏大”的思想，將有限元仿真和試驗相結合，通過線圈沿模具軸向的漸進換位移動與電磁縮徑成形，對厚度為0.3 mm、長度為500 mm的薄壁不銹鋼管壁施加徑向脈沖磁場力，獲得了深0.784 mm、減薄率約為5%的螺旋槽。圖11a所示為成形后的螺旋管件，圖11b和圖11c所示分別為不同放電電壓下變形區的壁厚和硬度分布測量結果。

3.4 漸進式電磁直接連接

電磁連接技術是在電磁成形技術基礎上發展起來的一種先進特種連接技術，它集成了高速率成形和固相連接技術的優點，尤其適用于異種金屬材料的冶金連接。

該技術在短時間內將電磁成形設備中存儲的電能轉化為金屬材料的動能，通過金屬材料之間的高速率變形碰撞實現機械或冶金連接［56］。從20世紀80年代末至今，哈爾濱工業大學［57-58］、湖南大學［59-60］、武漢理工大學［61-62］等多所研究單位對電磁連接技術開展了大量研究，成果多應用于管-管、管-軸以及板-板等結構件連接方面。由于早期電磁成形設備放電能量有限，致使材料的變形動能不高，異種金屬連接質量僅能達到機械結合的強度。后來，隨著高性能成形設備開發、理論研究日益深化以及有限元分析方法廣泛應用，金屬件的電磁連接逐漸實現了冶金連接效果，但也僅限于通過單個線圈一次放電的方式產生小范圍冶金連接。隨著被連接件尺寸的增大，小范圍的連接界面逐漸適應不了生產需求，漸進式電磁直接成形技術不斷發展并獲有效應用后，開始有學者考慮采用漸進放電的方式擴大電磁連接范圍。

范治松［63］針對鋁和鋼長直管連接，提出一種雙金屬復合管的漸進式磁脈沖直接連接加工方法，該方法利用通入脈沖強電流的成形線圈瞬間激發的強洛倫茲力驅動鋁合金管件發生高速變形，從而與鋼管高速撞擊，進而實現界面機械咬合與冶金結合；通過成形線圈的軸向進給與多道次放電可以逐次累積局部變形，在雙金屬管中形成較大范圍的界面可靠結合。圖12a所示為雙金屬復合管漸進式電磁直接縮徑連接的工藝原理。通過管件漸進式磁脈沖直接脹形和縮徑變形的方式成功制備了內襯型Al/Fe 雙金屬管和外包覆型Al/Fe雙金屬管，其中磁脈沖縮徑變形引入集磁器工裝改變磁場空間分布，從而控制復合管的協調變形行為，獲得了比冶金結合效果更好的異種金屬復合界面，圖12b所示為內襯Al/Fe復合管試樣。鄭勇等［64］以CLA16F/M鋼模擬燃料元件為應用背景，開展了大長徑比雙金屬復合管漸進式電磁直接連接規律研究，通過優化工藝參數，試件避免了失穩起皺與壁厚不均勻的缺陷。

傳統金屬板磁脈沖線性焊接區長度很容易達到幾百毫米，但寬度卻僅為幾毫米。德國學者PSYK等［65］提出了一種異種金屬板材漸進式電磁直接連接方法對鋁板漸進放電，然后疊加多個相鄰連接區，從而擴大與銅板連接區寬度，其工藝原理如圖13a［66］所示。改變線圈漸進距離和放電次數獲得不同連接強度冶金界面，對連接件開展剝離和抗鑿實驗，結果表明連接區寬度至少18 mm才能獲得高連接強度界面，而異種金屬板材漸進電磁直接連接方法可行性也得到驗證，圖13b和圖13c所示分別為剝離和抗鑿實驗的連接件失效結果。

3.5 漸進式電磁直接成形工藝控制策略

線圈是漸進式電磁直接成形的力場施加來源。由以上研究現狀可知，如何依據目標構件特征設計合理的線圈數量、結構、放電參數以及移動路徑，對構件成形效果的影響極大。

對于板材的漸進式電磁直接脹形，一般采用平板線圈和勻壓線圈，其中平板線圈應用較為廣泛。當坯料尺寸足夠大時，采用對稱分布的雙線圈系統能夠提高加工效率。對于大型薄壁曲面件加工，采用多層平板線圈，通過調節匝間距、層數以及層間距等線圈結構參數，能夠改善隨漸進放電次數增加坯料變形不均勻的現象。采用螺旋線圈是實現管（筒）材漸進式電磁直接成形的不二選擇，一般僅用單個線圈即可。另外，螺旋線圈幾何形狀需基于管（筒）坯輪廓仿形設計，從而實現管壁均勻變形。

板材的漸進放電方向是多維的，而管（筒）材一般僅需單向漸進放電即可，因此板材的漸進式電磁直接成形工藝參數更多，包括放電電壓與次數、線圈轉動角度、軸向移動距離等。隨著漸進層數的增加，逐漸增大放電電壓可使構件獲得更好的成形質量。另外，減小線圈轉動角度、增大線圈軸向位移可提高周向成形深度均勻性。管（筒）材的漸進式電磁直接成形工藝參數主要有放電電壓與次數、放電順序以及重疊率。其中，重疊率對成形管（筒）件的均勻性影響較大，一般取50%左右較為合適。

漸進式電磁直接成形方法自問世以來，一直受到國內外學者的廣泛關注，其研究成果絕大部分出自國內。基于以上漸進式電磁直接成形研究現狀，歸納出以下三個特點：

（1）漸進式電磁直接成形僅將線圈作為成形工具，不僅繼承了傳統電磁成形的優點，而且采用分布式加工方法，降低了對高放電能量成形設備的依賴性。在加工應用方面，推進了傳統電磁成形向更大加工尺寸拓展，目前已在大型薄壁板材、長直管（筒）材的脹形、縮徑以及連接等塑性加工中獲得了眾多應用成果，如大型薄壁曲面件脹形、長直管（筒）壁上微特征縮徑成形，以及異種金屬管-管或板-板的大范圍冶金連接等。

（2）在漸進式電磁直接成形中，可基于不同金屬構件形狀特點，通過設計線圈數量和結構、放電參數以及工位參數等工藝條件，獲得靈活的、高效的、均勻的漸進成形力場，這對改善構件成形質量有重要幫助［67］。同時，隨著短時間內漸進放電次數的增加，線圈使用壽命也會加速縮短。

（3）相較于電磁漸進復合成形，漸進式電磁直接成形的工序與工裝雖然更加簡單，但涉及的工藝參數依然繁多，如放電次數、放電能量以及線圈工位等，并且坯料表面渦流、電磁力時空分布及自身結構剛度隨漸進次數累積而顯著改變，導致構件的宏微觀變形行為極為復雜，坯料的變形行為難以精準預測。目前，普遍采用試驗與有限元分析方法改善構件成形效果，花費成本高且不夠高效，因此，建立可用于漸進式電磁直接成形的相關模型，將坯料宏微觀變形行為與工藝條件聯系起來進而指導工業生產，是未來漸進式電磁直接成形方法工業化應用亟需解決的問題。

4 結語

隨著航空航天、汽車等行業的發展，零件結構往大尺寸、輕量化、綠色環保方向發展已是大勢所趨。技術的發展應面向工業需求與時俱進，經過十幾年的發展，漸進式電磁成形技術已被證明對此類構件的塑性加工具有得天獨厚的優勢，未來也必會開發出更多工藝形式。在持續推進輕量化構件大尺寸、結構復雜化、整體化成形的同時，結合信息化、自動化、智能化技術提高生產效率，具有極其寬廣的應用前景。

盡管漸進式電磁成形技術已在多種薄壁構件的加工中取得了一系列成果，但還有不少問題制約著該技術的發展，后續可從下面幾點著手解決：

（1）隨著薄壁構件的尺寸不斷增大，漸進式電磁成形中線圈在短時間內的放電次數將會越來越多，線圈無論是集成于模具還是單獨使用，都會存在復合模具以及線圈壽命不高的情況，因此高耐用性成形線圈設計和研制工作需要取得新的突破。

（2）無論是漸進式電磁復合成形還是漸進式電磁直接成形，都有各自適合的應用范圍，應根據具體零件的結構特點進行工藝匹配。另外，基于目標件結構，通過設計合適的線圈數量和結構、放電參數以及移動路徑等工藝條件，獲得靈活的、高效的、均勻的漸進成形力場，是提高構件成形質量和加工效率的有效手段。

（3）漸進式電磁直接成形技術雖然已將工序和工裝簡化，但仍涉及材料復雜的宏微觀動態變形行為以及工藝參數協調控制，任意一種條件的改變都會對構件的最終成形效果產生影響。建立用于指導工業化生產的漸進式電磁直接成形技術相關模型，進而減少試驗試錯成本和提高生產效率，是未來漸進式電磁直接成形工業化應用亟需解決的問題。

（4）除了通過優化工藝條件提高漸進式電磁直接成形的加工效率外，設計合適的工藝自動控制策略也是另一種實現高效加工的可行方法。漸進式電磁成形技術涉及眾多工藝參數，如放電電壓、放電次數以及移動路徑等，這些參數大部分都屬于既定的線圈放電和移動控制策略，易于實現自動化控制。若開發相匹配的漸進式電磁成形技術數控裝備，減少人工操作步驟，不僅可大幅提高加工效率，還能保證構件的加工精度和工藝穩定性。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

程 嘯，男，1996年生，博士研究生。研究方向為薄壁殼體電磁脈沖成形。E-mail：potentialcheng@163.com。

于海平（通信作者），男，1974年生，教授、博士研究生導師。研究方向為電磁脈沖成形、電液成形、塑性變形連接等。E-mail：haipingy@hit.edu.cn。