航空鈦合金管件端口電磁校形技術(shù)*

聶 鵬 ，李 聰 ?，王哲峰 ，朱樹峰

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136）

0 引言

鈦合金作為一種先進(jìn)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有機(jī)械性能優(yōu)異、熱強(qiáng)度和比強(qiáng)度高、抗腐蝕和韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是這種材料在室溫下的成形性較差，研制和加工是一個(gè)很大的技術(shù)難題，尤其我國(guó)在鈦合金管材制造、彎曲成形、管端口加工與連接等方面技術(shù)不完善［1］。

電磁成形是一種利用瞬間放電的超高能量來使金屬材料變形的高速率工藝方法。電磁成形具有模具簡(jiǎn)單、成形速度快、生產(chǎn)效率高、易與其他工藝相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，可以提高室溫下難成形材料的成形性能，抑制起皺，減少回彈［2-3］。基于鈦合金以上材料特性和電磁成形方法特點(diǎn)，將電磁成形技術(shù)應(yīng)用于鈦合金管件端口校形具有重要的研究意義與價(jià)值。

目前有關(guān)管件電磁成形的應(yīng)用與研究很多。見文獻(xiàn)［4-7］。相關(guān)學(xué)者的研究雖包含管件電磁成形的多個(gè)方面，但較少涉及電磁成形技術(shù)在小口徑鈦合金管件端口校形的應(yīng)用。本文采用帶鐵芯線圈，將有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)內(nèi)徑23 mm，壁厚1 mm的鈦合金TC4管件端口的電磁校形的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并以管件端口圓度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將有限元模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中管件端口校形實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，分析了線圈匝數(shù)、鐵芯對(duì)放電回路以及校形效果的影響規(guī)律。

1 航空鈦合金管件端口電磁校形原理

管件端口的電磁校形可以分為由外向內(nèi)縮徑校形和由內(nèi)向外脹形校形兩種方式。本文采用由內(nèi)向外脹形來校形，以此達(dá)到保證管件端口外表面圓度符合要求的目的。鈦合金管件端口電磁校形原理示意圖如圖1所示。電磁校形開始時(shí)，高壓開關(guān)K閉合，儲(chǔ)能電容C對(duì)螺線管線圈釋放脈沖電流并在線圈周圍形成一個(gè)強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)B。同時(shí)由于磁通量在臨近驅(qū)動(dòng)片上的迅速變化，驅(qū)動(dòng)片產(chǎn)生與線圈電流方向相反的感應(yīng)電流J，并形成與原磁場(chǎng)B方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)B’，B’的產(chǎn)生阻止了原始磁通穿過驅(qū)動(dòng)片，迫使磁感應(yīng)線在線圈與驅(qū)動(dòng)片的間隙內(nèi)密集。于是，間隙內(nèi)原磁場(chǎng)B與感應(yīng)磁場(chǎng)B’的軸向分量疊加，使驅(qū)動(dòng)片受到軸向電磁力Pz。而疊加的徑向分量則會(huì)產(chǎn)生徑向電磁力Pr，徑向電磁力Pr是電磁校形的關(guān)鍵。驅(qū)動(dòng)片受到巨大的徑向電磁力，其隨即產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)和變形并推動(dòng)TC4管件與外模具貼合，完成校形的全過程。

圖1 TC4管件端口電磁校形工裝示意圖

2 電磁校形仿真模型的建立與驗(yàn)證

應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft Maxwell的3D瞬態(tài)磁場(chǎng)分析單元對(duì)線圈瞬間放電進(jìn)行仿真分析。首先根據(jù)電磁校形原理和實(shí)際測(cè)量的參數(shù)結(jié)果建立放電回路模型，計(jì)算仿真出放電電流大?。蝗缓?，為了使模擬結(jié)果更加貼近實(shí)驗(yàn)情況，將仿真得到的電流直接通過線圈模型，使放電回路中的線圈與三維電磁場(chǎng)模型中的線圈耦合，同時(shí)，磁場(chǎng)分析中電流的互感作用反饋到外載放電回路中，又進(jìn)一步增加了放電回路電流波形的準(zhǔn)確性。

2.1 放電回路的建立

圖2 Maxwell Circuit外加載放電回路

利用電路插件Maxwell Circuit建立放電回路，如圖2所示。根據(jù)等效放電回路可知電容為電源部分，激勵(lì)載荷為電容兩端的充電電壓，電容器負(fù)極接地從而使負(fù)極節(jié)點(diǎn)電壓為0 V作為邊界條件。各個(gè)電參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況進(jìn)行設(shè)置。

2.2 三維有限元模型的建立

由于鈦合金管件在電磁校形中主要依靠驅(qū)動(dòng)片的高速運(yùn)動(dòng)撞擊來間接實(shí)現(xiàn)校形目的，并且鈦合金集膚深度大，電阻率高，因此，本文在建模分析時(shí)不考慮鈦合金管件，只對(duì)線圈、驅(qū)動(dòng)片以及鐵芯建立模型仿真。所建立帶鐵芯線圈結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)模型如圖3所示，其中線圈一端均與管件端口對(duì)齊，不同匝數(shù)的線圈匝密度一定。

圖3 三維電磁場(chǎng)模型

對(duì)其模型分析單元采用四面體單元，網(wǎng)格劃分采用設(shè)置最大邊值來自適應(yīng)劃分。以所建模型為基準(zhǔn)，創(chuàng)建如圖3所示的真空長(zhǎng)方形作為計(jì)算區(qū)域，超出此長(zhǎng)方體的范圍默認(rèn)其中無磁場(chǎng)存在。由于實(shí)際電磁校形過程為微秒級(jí)，因此，將仿真時(shí)間設(shè)置為500 us，時(shí)間步長(zhǎng)為5 us。各部件磁場(chǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 各部件電磁場(chǎng)參數(shù)

2.3 仿真模型的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程中電壓為7 000 V，采用羅氏線圈對(duì)放電電流進(jìn)行測(cè)量［8］。12匝帶鐵芯線圈在7 000 V電壓下放電電流測(cè)量結(jié)果與仿真得到的放電電流波形如圖4所示?？芍瑢?shí)驗(yàn)放電電流與仿真電流大約都在20 us處達(dá)到峰值，之后以120 us為振蕩周期呈現(xiàn)出震蕩衰減的形式。然而由于實(shí)驗(yàn)過程中伴隨有放電回路電阻的熱損耗，以及磁場(chǎng)滲入驅(qū)動(dòng)片所做的消耗功等，導(dǎo)致實(shí)際放電過程存在能量的損失，所測(cè)得電流波形將會(huì)與理想中電流波形形成差異，逐漸偏離并加速衰減。因此，實(shí)驗(yàn)所測(cè)電流的第一個(gè)峰值比仿真電流小3.95%，并且隨時(shí)間遞增，峰值差異變大。另外，由于電磁成形過程主要集中在第一個(gè)周期的1/2波形，后續(xù)電流感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力對(duì)成形結(jié)果影響很小［9］。因此，本文主要研究分析0 us～60 us時(shí)間段，該仿真具有合理性。

3 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

3.1 線圈匝數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響

圖4 實(shí)驗(yàn)與仿真放電電流波形

圖5 線圈匝數(shù)對(duì)放電電流的影響

模擬線圈匝數(shù)為8匝、10匝、12匝時(shí)放電回路電流曲線如圖5所示。由圖5可知，放電電流波形呈現(xiàn)震蕩衰減形式，匝數(shù)的不同導(dǎo)致峰值與放電頻率有所差異，但放電電流基本都在3個(gè)震蕩周期完成后釋放完畢。隨著線圈匝數(shù)的增加，放電回路電流峰值顯著下降，震蕩頻率隨之減緩，震蕩周期延長(zhǎng)。這是因?yàn)樵褦?shù)越多，線圈電阻與電感越大，電阻增加主要導(dǎo)致放電電流峰值減小，電感增加使放電電流震蕩頻率減緩，延長(zhǎng)了震蕩周期［10］，對(duì)放電電流峰值影響不明顯。

其中，根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知設(shè)備利用率與電流峰值成正比，說明增加線圈匝數(shù)引起的電流峰值下降，將導(dǎo)致成形效率降低；震蕩頻率減緩一方面使放電電流在首個(gè)放電周期有效作用時(shí)間增長(zhǎng)，提高電磁力對(duì)驅(qū)動(dòng)片所做的有用功和管件的變形能，有益于鈦管的校形。另一方面使得磁場(chǎng)滲入管件的深度變大，增加了磁場(chǎng)的能量損耗，一定程度又制約了管件的校形。因此，線圈匝數(shù)對(duì)管件校形的影響是放電電流峰值與震蕩頻率共同作用的結(jié)果，歸根到底是線圈電阻與電感共同作用的結(jié)果。

下頁圖6為采用不同匝數(shù)線圈驅(qū)動(dòng)片受最大電磁體積力時(shí)的分布圖。從中可以看出徑向電磁力在線圈中部達(dá)到最大值，線圈匝數(shù)越少，最大徑向電磁力越大，并且其對(duì)應(yīng)位置隨著匝數(shù)的減少向管件端口下移；隨著匝數(shù)的增多，徑向電磁力沿軸向分布長(zhǎng)度增加，作用面積變大，分布更加均勻。

綜上所述，線圈匝數(shù)對(duì)電磁校形過程的影響相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施情況如電容、驅(qū)動(dòng)片的參數(shù)設(shè)置以及校形端口的具體要求，合理選擇線圈匝數(shù)。選擇合理的線圈匝數(shù)有利于提高成形效率，改善校形效果。

圖6 線圈匝數(shù)對(duì)電磁力的影響

3.2 鐵芯對(duì)仿真結(jié)果的影響

放電電壓一定時(shí)，帶鐵芯線圈與不帶鐵芯線圈放電回路的電流曲線如圖7所示。從中可以看到帶鐵芯線圈放電回路電流峰值下降，放電周期變長(zhǎng)，由85 us變?yōu)?10 us，延長(zhǎng)1/4周期，震蕩頻率顯著減小。分析可得鐵芯加入使線圈自感系數(shù)明顯增大，導(dǎo)致放電回路中電參數(shù)發(fā)生變化，于是對(duì)放電電流產(chǎn)生上述影響。

圖7 鐵芯對(duì)放電電流的影響

圖8 鐵芯對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

鐵芯的插入雖然使放電電流峰值降低，一定程度上降低了成形效率，但是由于鐵芯有很高的磁導(dǎo)率，它將減少漏磁，增大最大磁通量，顯著提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖8所示。無論是否有鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度都在線圈半徑附近達(dá)到最大值，并且隨著時(shí)間的變化磁感應(yīng)強(qiáng)度呈波浪狀周期遞減，其遞減周期為各自放電電流周期的一半；有鐵芯線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯大于不帶鐵芯線圈，尤其在第一個(gè)周期更為突出。

由于20 us時(shí)刻，線圈放電電流處于最大值，感應(yīng)電流的分布規(guī)律此時(shí)同樣更加明顯，因此，本文對(duì)20 us時(shí)刻驅(qū)動(dòng)片內(nèi)感應(yīng)渦流進(jìn)行分析，帶鐵芯線圈與不帶鐵芯線圈感應(yīng)渦流矢量圖如下頁圖9所示。此時(shí)感應(yīng)渦流在驅(qū)動(dòng)片上的流動(dòng)方向與線圈中的電流流向相反，感應(yīng)渦流密度由中間向兩端逐漸遞減，帶鐵芯線圈驅(qū)動(dòng)片內(nèi)感應(yīng)渦流密度可達(dá)6.4×1010A/m2，遠(yuǎn)高于不帶鐵芯線圈。

圖9 鐵芯對(duì)感應(yīng)渦流的影響

根據(jù)安培定律，電磁力計(jì)算公式如下［12］：

F=J×B

式中，J為電流密度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由上述結(jié)果可知，帶鐵芯線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流密度均大于不帶鐵芯線圈，于是可得到驅(qū)動(dòng)片受到帶鐵芯線圈的電磁力將顯著大于不帶鐵芯線圈。這也與仿真得到的電磁體積力結(jié)果相符，如圖10所示。

但是鐵芯在增大驅(qū)動(dòng)片所受電磁力的同時(shí)自身也消耗部分能量見圖11，在電磁成形系統(tǒng)放電的過程中，鐵芯內(nèi)部能量可達(dá)1.6×108J/m3。

4 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)設(shè)計(jì)的電磁成形機(jī)，電壓范圍為0 kV～10 kV，最大放電能量20 kJ，由5個(gè)82 uF的并聯(lián)電容為其充電。實(shí)驗(yàn)用管件材料為鈦合金TC4，管件內(nèi)徑23 mm，壁厚1 mm。校形模具采用低導(dǎo)電率材料45號(hào)鋼。校形線圈由耐電壓近萬伏，橫截面尺寸2×3 mm2的紫銅漆包線繞制而成，線圈周圍包裹上絕緣膠帶起到絕緣與固定的作用。驅(qū)動(dòng)片、管件之間以及線圈、鐵芯之間分別加入杜邦紙來進(jìn)行絕緣。采用寬25 mm的紫銅箔作為驅(qū)動(dòng)片纏繞在鈦合金管件端口內(nèi)壁，并將其焊接成一個(gè)完整圓環(huán)。鈦合金管件及驅(qū)動(dòng)片的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如下頁圖12所示。

圖10 鐵芯對(duì)電磁力的影響

圖11 鐵芯內(nèi)部能量圖

圖12 鈦合金與驅(qū)動(dòng)片真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖13 電磁校形前后管件端口外觀對(duì)比

鈦合金管件端口電磁校形前后的形貌對(duì)比如圖13所示，校形前圓度值達(dá)到0.8，經(jīng)過校形圓度值下降到0.3以內(nèi)，可知校形后鈦管的圓度得到明顯改善。為提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)過程中利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)將鈦管端口區(qū)域表面沿軸向進(jìn)行如圖14所示劃分，其中L1～L5分別距管件端口邊緣 0 mm、4 mm、8 mm、12 mm、16 mm，分別測(cè)量L1～L5位置處的圓度，選取5次測(cè)量的平均值作為校形后平均圓度。圖15為不同匝數(shù)帶鐵芯線圈電磁校形后圓度測(cè)量值。表2為每組實(shí)驗(yàn)最終的圓度平均值。

圖14 圓度測(cè)量示意圖

圖15 不同匝數(shù)帶鐵芯線圈校形后圓度值

根據(jù)圖15可以看出管件在線圈中部對(duì)應(yīng)的區(qū)域，電磁校形后圓度最小。相比于其他線圈，8匝線圈校形后在距管端4 mm位置處圓度最小，說明線圈匝數(shù)減少導(dǎo)致管件的最大變形增加，有利于管件在校形中更好地貼模。隨著匝數(shù)的增加，管件校形后在各個(gè)位置的圓度值差異逐漸減小，此時(shí)管件端口的變形更加均勻。

表2 每組實(shí)驗(yàn)圓度測(cè)量平均值

如表2結(jié)果顯示經(jīng)過電磁校形后的鈦合金焊接管件端口圓度平均值明顯降低，線圈匝數(shù)會(huì)影響電磁校形最終效果。在本文條件下線圈匝數(shù)為10匝時(shí)，校形后管件端口的圓度最小。線圈內(nèi)帶有鐵芯校形后的圓度平均值明顯低于無鐵芯情況，說明帶有鐵芯可以使鈦合金管件所受電磁力變大，提高電磁校形的效果。由于電磁力大小又受鐵芯飽和磁通的限制［13］，因此，在未達(dá)到飽和磁通時(shí)，鐵芯的增加可以使電磁力和校形效果在一定程度上提高。

5 結(jié)論

本文研究了基于電磁成形技術(shù)的TC4管件端口校形的方法。通過有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，得出小直徑線圈匝數(shù)以及鐵芯對(duì)電磁校形的影響，對(duì)以后航空管件端口電磁校形的發(fā)展具有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）線圈匝數(shù)增加，放電回路電流峰值顯著下降，震蕩頻率隨之減緩。選擇合理的線圈匝數(shù)有利于提高成形效率，改善校形效果。2）隨著線圈匝數(shù)的增多，最大徑向電磁力降低，校形后的最大變形量減少，同時(shí)徑向電磁力作用范圍沿軸向增加，管件端口變形更加均勻。3）鐵芯的增加使線圈自感系數(shù)增大，導(dǎo)致放電回路電流峰值下降，放電周期延長(zhǎng)。在未達(dá)到鐵芯飽和磁通的情況下，鐵芯的增加提高了磁感應(yīng)強(qiáng)度及感應(yīng)渦流密度，進(jìn)而增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)片所受電磁力，雖鐵芯本身有一定能量消耗，但總體上帶鐵芯線圈的校形效果明顯優(yōu)于無鐵芯情況。