高速率成形技術(shù)進(jìn)展

龐 桂 兵，張 赟 閣，趙 益 昕，卜 繁 嶺，趙 秀 君，張 志 金，丁 柏 順

（1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024；3.承德市城市污水處理有限責(zé)任公司，河北 承德 067000）

0 引 言

高速率成形技術(shù)指在極短的時(shí)間內(nèi)，將巨大能量通過介質(zhì)（空氣或水等）以高壓沖擊波作用于工件，使其在極高的速度下變形和緊貼模具而成形的一種加工方法。與機(jī)械沖壓成形技術(shù)、準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形技術(shù)等傳統(tǒng)成形技術(shù)相比，具有成形力量大、成形時(shí)間短、裝置簡單等特點(diǎn)。

高速動(dòng)車、航空航天、武器裝備等制造業(yè)結(jié)構(gòu)的輕量化要求對(duì)高強(qiáng)度難成形材料（如鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼等）應(yīng)用日益增加，高速率成形技術(shù)因其具有提高難成形材料成形性能和減小工件回彈的優(yōu)勢(shì)，顯示出越來越重要的應(yīng)用價(jià)值。高速率成形技術(shù)包括爆炸成形（Explosive forming）、電磁成形（Electromagnetic forming）和液電成形（Electrohydraulic forming）等［1］。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高速率成形技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，本文總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和近年來的研究進(jìn)展，歸納了相關(guān)研究成果及特點(diǎn)，討論了高速率成形對(duì)材料成形性的影響因素，對(duì)高速率成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 高速率成形技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.1 爆炸成形技術(shù)

爆炸成形是利用爆炸物質(zhì)在爆炸瞬間釋放出巨大的化學(xué)能使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形的高速率成形方法。爆炸瞬間釋放出的巨大化學(xué)能轉(zhuǎn)化為周圍介質(zhì)的高壓沖擊波，并以脈沖形式作用于毛坯，使其發(fā)生塑性變形。爆炸成形技術(shù)可將成形能量直接作用于金屬坯料，也可以通過空氣、水和砂等介質(zhì)傳播后作用于坯料。利用介質(zhì)傳播爆炸成形能量的成形方法主要用于板材和管件成形、壓印和翻邊等，直接作用于金屬坯料的爆炸成形主要用于脹形、擠壓、焊接、粉末壓實(shí)和表面強(qiáng)化等［2］。

爆炸成形技術(shù)作為高速率成形技術(shù)相較于傳統(tǒng)成形技術(shù)具有簡化的設(shè)備和模具，高速率成形帶來的低回彈率，以及可以對(duì)大型零件生產(chǎn)加工等特點(diǎn)。但是，爆炸成形多為戶外作業(yè)，受氣候環(huán)境影響嚴(yán)重，且自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率較低，只適合單件小批量生產(chǎn)；危險(xiǎn)性高、操作條件高，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

1.2 液電成形技術(shù)

1.2.1 液電成形原理

液電成形是在液中高壓放電產(chǎn)生沖擊波實(shí)現(xiàn)零件高速成形。

圖1是液電成形的電路原理。電源電壓經(jīng)升壓整流后形成高壓，對(duì)高壓電容器進(jìn)行充電，電容器電壓達(dá)到放電開關(guān)輔助間隙的擊穿電壓時(shí)，高壓脈沖電容所儲(chǔ)存的能量在放電電極上突然釋放，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，液體介質(zhì)發(fā)生解離和碰撞電離，形成放電通道，高壓電容器會(huì)瞬時(shí)向放電通道輸入巨大電能，使放電通道驟然膨脹，由液體介質(zhì)傳遞沖擊波向四周高速膨脹，實(shí)現(xiàn)零件高速成形。

圖1 高電壓沖擊電流發(fā)生裝置Fig.1 The current high voltage pulse generator

1.2.2 液電成形技術(shù)特點(diǎn)

（1）成形速度快。液中放電產(chǎn)生的爆炸沖擊力可達(dá)103～104MPa，產(chǎn)生的沖擊波傳播速度可達(dá)超音速，成形速度達(dá)每秒幾百米，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)成形技術(shù)成形速度的每秒幾米至幾十米。

（2）成形質(zhì)量高。高成形速率提高了材料的塑性變形性能和減小了材料回彈，液體介質(zhì)代替模具減小了零件表面磨損，因而，液電成形具有良好的成形精度和表面質(zhì)量。一般認(rèn)為液電成形技術(shù)精度可達(dá)到0.02～0.05 mm。圖2 是研究人員對(duì)比機(jī)械沖壓成形、準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形和液電成形V 型槽的實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形獲得的零件頂端半徑為1.75mm，而液電成形技術(shù)獲得的零件頂端半徑為0.8mm［3］。

圖2 不同成形方式實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)比Fig.2 Contrast experiment devices of different forming ways

（3）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。液電成形的成形能量由電容儲(chǔ)存電能提供，因此，成形能量可通過電容器的電容和充電電壓來控制，易于實(shí)現(xiàn)，且重復(fù)性好，有利于生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化。

（4）設(shè)備通用性強(qiáng)。液電成形設(shè)備主體是一套電器裝置，成形部分只需凸?；虬寄Ｆ渲兄唬淖兎烹娫?shù)及模具即可完成多種加工。設(shè)備不需要運(yùn)動(dòng)部分，維護(hù)簡單。

1.3 電磁成形技術(shù)

1.3.1 電磁成形原理

電磁成形是利用電流通過線圈所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)力使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形的高能率成形方法。在成形過程中載荷以脈沖方式作用于毛坯，因此又稱為磁脈沖成形［4］。

圖3是金屬板材零件電磁成形過程。電磁成形的放電元件是空氣中的磁感線圈。電磁成形過程中先由充電回路向電容器充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到輔助間隙的擊穿電壓時(shí)，電容器放電，磁感線圈中通過強(qiáng)脈沖電流，線圈空間產(chǎn)生均勻的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)近乎正交于零件表面，所以金屬坯料靠近磁感線圈的位置會(huì)最先發(fā)生形變。當(dāng)磁場(chǎng)力大于金屬坯料的屈服應(yīng)力時(shí)，金屬坯料發(fā)生塑性變形［5］。

圖3 金屬板材電磁成形過程Fig.3 Electromagnetic sheet metal forming process

電磁成形技術(shù)通過控制電流的方式，可使工件受到背離工件的脈沖力向背離線圈的方向變形，也可以產(chǎn)生吸引力使工件朝向線圈變形。同時(shí)，電磁成形不僅可以通過線圈放電使工件成形，也可直接將電流導(dǎo)通到工件上使之變形，但這要求工件和工作回路具有較小的電感。對(duì)于電磁成形技術(shù)，材料導(dǎo)電性的高低決定了電磁成形的加工效率，如銅、鋁和低碳鋼等材料導(dǎo)電性優(yōu)良，則電磁成形加工效率高。

1.3.2 電磁成形技術(shù)特點(diǎn)

電磁成形技術(shù)與液電成形技術(shù)類似，具備成形速度快、零件成形質(zhì)量高、能量易于控制和設(shè)備通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于電磁成形技術(shù)放電過程不需要液體介質(zhì)傳壓，因此電磁成形可在真空條件下成形工件，不會(huì)造成介質(zhì)污染。電磁成形技術(shù)利用磁場(chǎng)力成形，磁場(chǎng)力可以穿過非導(dǎo)體材料，可對(duì)有非金屬涂層或放在容器內(nèi)的工件進(jìn)行成形加工。

電磁成形不適于直接加工低導(dǎo)電性材料，生產(chǎn)中常用退火純銅作為驅(qū)動(dòng)片以提高導(dǎo)電性。與液電成形技術(shù)相同，電磁成形也存在能量利用率低的問題。但與液電成形技術(shù)可采用多電極組連用以加工大型工件不同，目前電磁成形技術(shù)仍然不能突破設(shè)備容量的限制，只能加工厚度較小的中小型零件。

1.3.3 電磁成形技術(shù)應(yīng)用

高強(qiáng)度難成形性材料在現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)輕量化的廣泛應(yīng)用促使了電磁成形技術(shù)近年來的飛速發(fā)展。電磁成形常用于管坯脹形、管坯縮頸和平板毛坯成形，也可以用于電磁鉚接、電磁連接和電磁粉末致密等領(lǐng)域。從原理上講，電磁成形技術(shù)可以成形復(fù)雜形狀的工件，然而這需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的成形系統(tǒng)來控制磁場(chǎng)和磁場(chǎng)力的瞬時(shí)分布。這使電磁成形工藝以往只限于加工軸對(duì)稱形狀的工件。隨著研究者對(duì)電磁成形技術(shù)相關(guān)理論，特別是對(duì)等效RLC 回路、有限元計(jì)算、通用軟件的耦合場(chǎng)數(shù)值模擬和電磁成形材料成形性等方面的深入研究［6］，以及對(duì)電磁成形過程中磁場(chǎng)、磁場(chǎng)力變化以及工件變形對(duì)磁場(chǎng)及磁場(chǎng)力影響等方面的探索，電磁成形技術(shù)應(yīng)用正拓展至更廣泛的領(lǐng)域。

2 高速率成形技術(shù)研究進(jìn)展

高速成形在20世紀(jì)60年代曾引發(fā)眾多研究者關(guān)注，但是，低碳鋼是當(dāng)時(shí)制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料，其室溫下成形性能較好，高速率成形技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用［7］。近年來，由于航空航天、高速動(dòng)車、武器裝備等制造業(yè)結(jié)構(gòu)輕量化和精密化的要求，以及對(duì)鈦合金、鋁合金等高強(qiáng)度、難成形材料的應(yīng)用日益增加，高速率成形技術(shù)再次進(jìn)入科研人員的視野。

目前，報(bào)道較多的工作主要集中于兩方面：一是高速率成形技術(shù)的加工工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，如結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)成形加工的混合成形加工方法；另一是探索高速率成形技術(shù)對(duì)材料成形性的影響。

2.1 混合成形加工

限制高速率成形技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素是加工循環(huán)時(shí)間較長。傳統(tǒng)的沖壓成形工藝成形時(shí)間長、準(zhǔn)備時(shí)間短，一個(gè)循環(huán)周期一般2～12s；高速率成形技術(shù)成形時(shí)間短、準(zhǔn)備時(shí)間長，一個(gè)循環(huán)周期往往需要1～2 min。研究人員發(fā)現(xiàn)將準(zhǔn)靜態(tài)成形和高速率成形相結(jié)合，能有效減少加工循環(huán)時(shí)間［8］。

20世紀(jì)60年代，研究人員提出利用液壓成形與液電成形或爆炸成形結(jié)合，縮短加工循環(huán)周期［9］。Daehn等［10－11］先使用雙面模具和靜態(tài)液壓成形對(duì)汽車門內(nèi)板毛坯進(jìn)行預(yù)成形，再進(jìn)行電磁成形，提高了車門內(nèi)板的精度。在后續(xù)的研究中，又通過液壓預(yù)成形和電磁成形聯(lián)合加工，提高了6111－T4等鋁合金的成形性。Risch等［12］研究了采用與傳統(tǒng)沖壓工藝相結(jié)合的方法成形汽車門外板拉手凹槽。這些研究證明了混合成形加工的優(yōu)勢(shì)，但由于材料的難成形性等因素，預(yù)成形往往難以滿足高速成形要求，因此研究人員對(duì)混合成形加工技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。

Golovashchenko［13］在預(yù)成形過程中使關(guān)鍵區(qū)域和周圍相鄰區(qū)域之間形成金屬累積，再通過液壓成形或者高速成形完成最終成形，顯然高速成形更具優(yōu)勢(shì)。研究人員通過數(shù)值模擬分析零件成形的斷裂機(jī)理。圖4是加大模腔入口半徑防止該區(qū)域在高速成形過程中發(fā)生斷裂的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最大的應(yīng)變發(fā)生在模腔底部轉(zhuǎn)角處，因而需要在此部位形成金屬累積，以使材料在模腔底部順利延展。

圖4 入口處半徑較大模腔模型的測(cè)試結(jié)果Fig.4 Simulation results of the model of the large radius cavity at the entrance

Luckey等［14］進(jìn)行的類似實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種成形方法顯著提高了低延展性鋼的成形性能，但對(duì)于高延展性材料，效果不明顯。

Golovashchenko等［15］在研究鋁合金成形過程中，采用預(yù)成形或者中間步驟完成關(guān)鍵區(qū)域成形，成形效果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)預(yù)成形的關(guān)鍵是控制金屬積累。

圖5 經(jīng)過預(yù)成形的6016－T4鋁合金金屬板Fig.5 Aluminum 6016－T4blank after preform step

Liu等［16］采用混合成形加工5754－O 鋁合金，其中預(yù)成形使用常被用于液壓脹形試驗(yàn)的雙軸模式，高速率成形采用電磁成形。圖6是成形極限與預(yù)成形應(yīng)變之間關(guān)系，樣品成形極限隨預(yù)成形應(yīng)變提高而提高。認(rèn)為雖然觀測(cè)到混合成形有利于提高成形性能，但成形性的提高主要還是來源于高速率成形步驟。

Gillard等［17］對(duì)強(qiáng)度較高的雙相鋼采用液壓預(yù)成形和液電成形聯(lián)合成形。研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合成形與液電成形技術(shù)相比，材料成形性能并沒有明顯提升，但與傳統(tǒng)成形技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖6 成形極限和預(yù)成形應(yīng)變間的關(guān)系Fig.6 The relationship between limit strain and pre－strain

2.2 材料高速率成形性能

鈦合金、鋁合金和高強(qiáng)度鋼的室溫成形性能較差，提高成形溫度雖可提高材料成形性能但會(huì)會(huì)降低零件強(qiáng)度，并帶來額外的能量損耗而增加成本。近年來，大量研究證實(shí)高速率成形能有效提高材料的室溫成形性［18－20］。

圖7是液電成形和準(zhǔn)靜態(tài)成形鋁合金的成形極限對(duì)比［21］，液電成形的成形性能明顯提高。Balanethiram 等［22－23］利用液電成形技術(shù)成形無 間隙原子鐵材料，結(jié)果表明，液電成形的極限變形是準(zhǔn)靜態(tài)成形的3.5倍。運(yùn)用類似方法成形無氧銅和鋁合金，結(jié)果表明，對(duì)鋁合金而言，液電成形的極限變形是準(zhǔn)靜態(tài)成形的5.5倍，對(duì)高無氧銅是3倍。分析拉伸試樣縮頸前后的速率分布情況得出的結(jié)論是，成形性提高來源于成形速率而非應(yīng)變速率。

圖7 6016－T4鋁合金液電成形極限Fig.7 The limit strain of Aluminum 6016－T4

Golovashchenko等［24］在比較了鋁、銅、鋼和鈦合金等幾種材料的成形性能后發(fā)現(xiàn)，自由成形能夠使材料的局部變形增加40%～90%，電磁成形鋁合金極限變形是傳統(tǒng)成形的2.5 倍。Seth等［25］通過電磁成形對(duì)低碳低合金鋼進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相較于準(zhǔn)靜態(tài)成形，材料成形極限提高4～20倍。

Hu等［26］進(jìn)行的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)證明，低速加工時(shí)，材料成形性的提高與速度無關(guān)；當(dāng)成型速率超過某一臨界值時(shí)，成形性能顯著提高，而速率超過另一臨界值（稱為Von－Karman速率）時(shí)，成形性則會(huì)降低；進(jìn)行的環(huán)件脹形實(shí)驗(yàn)卻沒有受到Von－Karman速率的影響。Hu 認(rèn)為高速率成形技術(shù)提高成形性原因是慣性通過穩(wěn)定變形、阻礙頸縮生長。但是，高速率成形的成形過程復(fù)雜且影響因素較多，研究人員通過實(shí)驗(yàn)、建模和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了大量的后續(xù)研究。目前，一般認(rèn)為高速率成形提高材料成形性的主要原因是慣性、高速?zèng)_擊以及應(yīng)變速率的增加［27］。

最近，研究人員應(yīng)用高速成像和數(shù)字相關(guān)技術(shù)量化研究高速率成形過程［28－30］。Rohatgi等利用液電成形技術(shù)自由成形鋁合金材料，獲得了成形過程中板材位移、速度、應(yīng)變和應(yīng)變率等數(shù)據(jù)，表明高速成像和數(shù)字相關(guān)技術(shù)能夠觀測(cè)到板材上不同位置的獨(dú)特變形過程。圖8 是成形5182－O鋁合金時(shí)，通過高速成像拍攝到的金屬變形情況。研究人員分別通過自由成形和錐形模具兩種方式成形5182－O 鋁合金和DP600鋼，并對(duì)所形成的圓頂?shù)捻旤c(diǎn)的速度、應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)變路徑進(jìn)行量化分析。發(fā)現(xiàn)由于模具的聚焦作用，錐形模具能使材料獲得更大應(yīng)變。高速成像和數(shù)字技術(shù)對(duì)研究材料高速變形條件下的材料成形性能已顯示出價(jià)值。

圖8 液電成形板材的變形照片F(xiàn)ig.8 A photograph of an EHF－deformed sheet

3 展 望

高速率成形技術(shù)的發(fā)展突破了在其出現(xiàn)伊始時(shí)只能成形小型零件的限制，在多項(xiàng)領(lǐng)域取得了實(shí)用性進(jìn)展。但是，要推進(jìn)高速率成形技術(shù)在新材料加工、汽車制造和航空航天等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，仍需要對(duì)于高速率成形機(jī)理、工藝、過程、裝備等進(jìn)行深入的研究和分析。

近年來，對(duì)高應(yīng)變速率下材料的變形情況的研究，研究人員提出了許多新的解釋和理論。隨著高速成像技術(shù)、數(shù)字相關(guān)技術(shù)和有限元計(jì)算的廣泛應(yīng)用，高速率成形技術(shù)的過程、機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)一步被明確，為其工業(yè)化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

同時(shí)，高速率成形技術(shù)的發(fā)展也為解決其他領(lǐng)域的問題提供了新的思路。例如液中放電技術(shù)在管道清污、水下探測(cè)、醫(yī)療、清洗、除垢方面已有相關(guān)研究工作，作為海底勘探等特殊場(chǎng)合下的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力提供源，也顯示出應(yīng)用價(jià)值。

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