電磁制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

尹立孟 張麗萍 蘇子龍 姚宗湘 王剛 陳玉華 冉洋

摘要：電磁制造是一種涉及電磁學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)及表面物理化學(xué)等多學(xué)科交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)，在航空航天、軌道交通、能源化工、汽車船舶和電力電子等諸多領(lǐng)域的同質(zhì)金屬材料和異種金屬材料連接中有著廣泛的應(yīng)用前景。簡要介紹了電磁制造技術(shù)的基本原理和優(yōu)勢，重點(diǎn)闡述了電磁校形、電磁縮徑、電磁鉚接和電磁焊接等電磁制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步推動電磁制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造;電磁脈沖;航空航天;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG47? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0202-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.21

0? ? 前言

電磁制造是一種涉及電磁學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)及表面物理化學(xué)等多學(xué)科交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)，在同質(zhì)金屬材料和異種金屬材料的快速加工成形方面有著突出優(yōu)勢，被視為未來先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，電磁制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、能源化工、汽車船舶和電力電子等眾多領(lǐng)域。文中在簡要介紹電磁制造技術(shù)基本原理和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對電磁制造在航空航天領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對電磁制造技術(shù)今后一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，以期為推動電磁制造技術(shù)在工業(yè)工程中的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 電磁制造基本原理和優(yōu)勢

通常電磁制造裝備主要包括電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、放電回路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾個部分[1]。在電磁制造成形過程中，交流電先通過變壓器升壓，再經(jīng)過可控整流器輸出直流電流進(jìn)而對儲能電容器組進(jìn)行充電，儲能電容器組經(jīng)過十幾秒達(dá)到一定電壓時(shí)，脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號接通放電電路，產(chǎn)生瞬態(tài)交變電流，變化的電流產(chǎn)生強(qiáng)脈沖磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)，導(dǎo)電工件在變化的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在原始磁場中產(chǎn)生方向相反的高能磁場力，并快速沖擊另外一個工件，達(dá)到瞬時(shí)成形的效果。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，電磁制造技術(shù)的主要優(yōu)勢包括[2-4]：

（1）成形性能好。工件在電磁脈沖成形瞬時(shí)變形速率可達(dá)200 m/s以上，顯著提高了金屬成形極限。

（2）成形質(zhì)量高。電磁脈沖成形改進(jìn)了工件內(nèi)部應(yīng)變分布，抑制了起皺并減小了回彈，工件表面基本無損傷。

（3）生產(chǎn)效率高。電磁脈沖成形時(shí)間非常短，工件裝夾相對簡單，顯著提高了生產(chǎn)效率。

（4）綠色智能環(huán)保。電磁脈沖成形過程無煙塵和有毒氣體等產(chǎn)生，并可采用遠(yuǎn)程控制進(jìn)行生產(chǎn)，改善了工作環(huán)境。

2 航空航天電磁制造技術(shù)

目前航空航天對整體式、高精度、輕量化結(jié)構(gòu)件制造的要求進(jìn)一步增加，對于大尺寸、薄壁、深腔、復(fù)雜曲面和難變形的輕量化材料加工成形需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)加工和連接技術(shù)已經(jīng)難以滿足這些要求，電磁校形、電磁鉚接、電磁縮徑和電磁焊接等電磁制造技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 電磁校形技術(shù)

電磁校形技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是電磁成形中的有模成形，常見于管狀類和平板類等工件的加工成形，如形狀和尺寸精度的校準(zhǔn)。電磁校形不僅可以加工形狀簡單的零件，對于異型管、錐形物體等復(fù)雜形狀零件也同樣適用。當(dāng)采用電磁校形對不銹鋼和鈦合金等低導(dǎo)電率的材料加工成形時(shí)，通常需要在工件與線圈中間加上一層銅驅(qū)動片（厚度一般小于1 mm）來傳導(dǎo)電磁力。

目前，關(guān)于電磁校形技術(shù)的相關(guān)研究較多。Zhang等[5]研究了不同條件對成形效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)管件壁厚1 mm，趨膚深度0.9 mm時(shí)，管件電磁能量利用率最大，成形效果最好。張文忠等[6]研究發(fā)現(xiàn)采用電磁校形后明顯提高了鈹青銅波形彈簧的性能，電磁校形后的彈簧力值比采用手工方法校形提高了10%以上。聶鵬等[7]針對直徑300 mm、高600 mm、壁厚2 mm的大型航空鈦合金筒形件設(shè)計(jì)了一種電磁沖模校圓方法，并采用Ansoft Maxweu對校圓過程進(jìn)行數(shù)值模擬與驗(yàn)證，結(jié)果表明：相同放電電壓條件下，采用電磁沖模校圓方法較采用常規(guī)校圓方法所得的工件圓度平均值降幅增加20%以上，較好地保證了工件成形均勻性。李聰?shù)萚8]對航空鈦合金TC4管件端口進(jìn)行了電磁校形實(shí)驗(yàn)，研究了驅(qū)動片厚度、線圈匝數(shù)及鐵心、放電電壓和次數(shù)等關(guān)鍵工藝參數(shù)對鈦合金管電磁校形的影響，驗(yàn)證了電磁校形技術(shù)的有效性。此外，美國波音公司為解決飛機(jī)隔板外形拱起、零件錯配等問題，在其校形上引入了電磁成形技術(shù)，采用的電磁成形裝置經(jīng)濟(jì)高效，并且校形之后的隔板完整性良好，幾乎未對金屬材料或焊縫造成任何損壞。

2.2 電磁鉚接技術(shù)

電磁鉚接是基于電磁成形的新型鉚接方法，與普通機(jī)械沖壓力作用不同，鉚釘兩端受強(qiáng)脈沖磁壓力在瞬間完成塑性變形。同時(shí)，采用電磁制造工藝后鉚釘受力均勻分布，不易產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中，因而不易產(chǎn)生斷裂缺陷。

目前，國外已經(jīng)將電磁鉚接技術(shù)廣泛用于波音B737、B747、B767、B777等型號的飛機(jī)機(jī)翼自動化裝配，以及A320、A330、A340、A380、B787等型號飛機(jī)機(jī)翼壁板自動化裝配和金屬結(jié)構(gòu)鐓鉚型環(huán)槽鉚釘環(huán)圈的自動安裝上[9-17]。國內(nèi)電磁鉚接技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用時(shí)間相對較晚，張海軍等[18]對機(jī)翼整體油箱的密封鉚接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：電磁鉚接油箱各項(xiàng)漏源的漏率小于等于1×10-6 Pa·m3/s，電磁鉚接密封性良好。鄧將華等[19]建立了放電電流分析模型，探討了自激勵式電磁鉚接進(jìn)行大直徑鉚釘成形的可行性，研究發(fā)現(xiàn)自激勵式電磁鉚接能有效提高能量利用率，當(dāng)放電電壓為320 V時(shí)，可實(shí)現(xiàn)直徑10 mm的45鋼鉚釘?shù)某尚?。仇繼偉等[20]針對手工電磁鉚接存在的對中性問題，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)智能相機(jī)的三坐標(biāo)電磁鉚接托架系統(tǒng)，利用工業(yè)智能相機(jī)對鉚接孔進(jìn)行拍照，建立了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了電磁鉚接自動化控制與跟蹤。汪樂等[21]依據(jù)模擬仿真分析結(jié)果和鉚釘材料的流動趨勢，引入體積縮減系數(shù)來描述釘桿被壓入釘孔部分的體積，預(yù)測了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件鉚接過程中壓鉚力的大小，并與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明計(jì)算值與試驗(yàn)值的一致性較好。此外，國內(nèi)低壓電磁鉚接技術(shù)飛速發(fā)展并成功應(yīng)用于飛機(jī)的裝配連接中，使得飛機(jī)的裝配質(zhì)量提高，使用壽命延長，同時(shí)工人的勞動條件得到了極大改善。

2.3 電磁縮徑技術(shù)

電磁縮徑技術(shù)是航空航天高端裝備先進(jìn)制造的主要應(yīng)用技術(shù)之一。Haratmeh等[22]采用ABAQUS/Explicit模擬了AA6061-T6管電磁縮徑過程，對不同放電電壓下管件變形位移數(shù)據(jù)和厚度變化量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)放電電壓和線圈參數(shù)等工藝參數(shù)對鋁管的有模縮徑成形影響較大。Shrivastava等[23]研究了工件厚度、外加能量和工藝參數(shù)對AA6061鋁管電磁成形行為的影響，采用40 kJ的電容器組分別對壁厚為1 mm、1.7 mm和2.4 mm的AA6061鋁合金管進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工件中間壁厚變形效率最高，并且有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。Yu等[24]從磁壓力的角度分析了集磁器對工件電磁縮徑成形過程的影響。結(jié)果表明，集磁器工作面越長工件受力面越長，管件受到磁壓力越小。王哲峰等[25]針對螺旋槽集磁器參數(shù)、電壓與3003鋁合金最大減徑量之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，得知錐度對渦流損耗有較大影響，集磁器錐度越大，渦流損耗越大，管件徑向變形量越小，并對鋁合金管件進(jìn)行了縮頸試驗(yàn)，實(shí)際成形效果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。Bahmani等[26]采用有限元軟件MAXWELL進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析電磁成形中集磁器的使用對磁場分布的影響，研究沖擊電磁成形過程中的磁場分布，發(fā)現(xiàn)三維模擬磁場比二維模擬磁場最大磁場強(qiáng)15%左右。劉春宇等[27]利用Ansoft Maxwell電磁場模擬軟件對3003鋁合金管件縮徑變形進(jìn)行了模擬仿真，研究結(jié)果表明：放電電壓增大，管件所受電磁力增大;管件長度越長，電磁力越大;管件越薄，磁通量和能量的損失越多。

2.4 電磁焊接技術(shù)

電磁脈沖焊接技術(shù)具有常溫生產(chǎn)、一次成型、生產(chǎn)效率高、環(huán)保無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)。Hahn等[28]采用電磁脈沖搭接焊接5005A鋁合金與6060鋁合金，結(jié)果表明，在焊接接頭冶金連接區(qū)域內(nèi)，其界面呈波浪狀，附近晶粒存在明顯細(xì)化現(xiàn)象。Zhang等[29]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁脈沖焊接電容器組放電能量達(dá)到6.4 kJ時(shí)，6061/6061和Cu/Cu界面處的晶粒尺寸約為50 nm，晶內(nèi)位錯密度增加，晶粒尺寸急劇減小，并且界面硬度增加。Kore等[30]實(shí)現(xiàn)了Mg/Al異種薄板電磁脈沖焊接，發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)較高的沖擊速度將會產(chǎn)生射流，可以去除待焊金屬表面的氧化層，進(jìn)而提高焊縫質(zhì)量。蘇德智等[31]研究了1060鋁合金與Cu板電磁脈沖焊接，結(jié)果表明，板件焊接時(shí)存在最優(yōu)的工件間隙區(qū)間，當(dāng)放電電壓增加時(shí)，焊縫寬度與接頭強(qiáng)度也會隨之增加;鋁板與線圈錯開距離大于3 mm時(shí)，焊縫由原先扁平橢圓形焊縫變?yōu)閱螚l連接帶的焊縫。陳樹君等[32]建立了電磁脈沖焊接動力學(xué)模型，該模型可以用來推導(dǎo)1050/AZ31與5A03/5A06電磁脈沖焊接所需的充電電壓，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為數(shù)值建模與仿真模擬研究提供了理論基礎(chǔ)。

值得指出的是，電磁脈沖焊接在連接導(dǎo)電性較好的異種金屬時(shí)，無論是焊接接頭性能還是生產(chǎn)效率都表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。加之航空航天領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)輕量化及產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高，因此電磁脈沖焊接在航空航天鋁合金、鎂合金和鈦合金同種材料及異種材料的焊接領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 總結(jié)與展望

當(dāng)前電磁校形、電磁鉚接、電磁縮徑以及電磁焊接等電磁制造技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外工業(yè)工程諸多領(lǐng)域，航空航天作為我國戰(zhàn)略尖端工業(yè)和軍民融合重要領(lǐng)域，電磁制造技術(shù)因其在異種材料加工成形中的顯著優(yōu)勢，將發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。展望電磁制造技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展，以下幾個方面的問題值得關(guān)注。

（1）電磁制造技術(shù)涉及電磁學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科交叉，并且電磁制造加工成形過程非常復(fù)雜，因此相關(guān)基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究有待進(jìn)一步持續(xù)深入展開。

（2）我國電磁制造裝備的研發(fā)能力尚有待進(jìn)一步提高，特別是航空航天大功率電磁脈沖成形專用設(shè)備的研發(fā)迫在眉睫。

（3）電磁制造加工成形相關(guān)工藝、設(shè)備以及電磁制造產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測等方面的標(biāo)準(zhǔn)亟待深入研究、統(tǒng)一確定。

（4）電磁制造技術(shù)在綠色環(huán)保、高質(zhì)高效、異質(zhì)材料成形等方面的優(yōu)勢突出，非常有必要加快其在更多工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] Psyka V， Rischa D， Kinsey B L， et al. Electromagneticforming—A review[J]. Journal of Materials ProcessingTechnology， 2011， 211（5）： 787-829.

[2] Xu Z， Cui J， Yu H， et al. Research on the ImpactVelocity of Magnetic Impulse Welding of Pipe Fitting[J]. Material and Design， 2013（49）： 736-745.

[3] 李春峰， 于海平. 電磁成形技術(shù)理論研究進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報(bào)， 2005， 12（5）： 1-7.

[4] Panshikarh M. Computer modeling of electromagneticforming and impact welding[D]. The Ohio State： Graduate School of The Ohio State University， 2000.

[5] Zhang X， Wang Z， Song F. Finite element simulationof the electromagnetic piercing of sheet metal[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2004， 151（13）： 350-354.

[6] 張文忠， 董占國， 陳浩， 等. 鈹青銅波開彈簧磁脈沖精密校形工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)， 2006（6）： 22-25.

[7] 聶鵬， 馮志超， 王哲峰. 大型鈦合金筒形件電磁沖模校圓研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2019（8）： 82-86， 40.

[8] 李聰. 航空管件電磁校形技術(shù)研究[D]. 遼寧： 沈陽航空航天大學(xué)， 2018.

[9] Batygin Y V， Daehn G S. The pulse magnetic fields forprogressive techno logies[M]. Kharkov， Columbus， 1999.

[10] Shribman V， Stern A， Livshitz Y， et al. Magnetic pulsewelding produces high-strength aluminum welds[J]. Welding Journal， 2002， 81（4）： 33-37.

[11] Peter Z， John H， Steve H. Design of the automatic?electromagnetic riveting assembly cell[J]. 1990， 90： 902045.

[12] Peter Z， Todd R， Peter V. A two tower riveting machine?with a true z axis[J]. 2004， 1： 2807.

[13] 鄧將華， 李春峰. 電磁鉚接技術(shù)研究概況及發(fā)展趨勢[J]. 鍛壓技術(shù)， 2006， 31（5）：10-14.

[14] Naoya H， Tsuyoshi O， Michael A， et al. One PieceBarrel Fastening[J]. SAE Tech. Pap.， 2007（1）： 3913.

[15] 谷斌. 民機(jī)先進(jìn)連接制造技術(shù)概況[J]. 硅谷， 2014（2）： 1-2.

[16] 曹增強(qiáng). 電磁鉚接技術(shù)在大飛機(jī)制造中的應(yīng)用初探[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2008， 29（3）： 716-720.

[17] 馬興海， 劉琦. 電磁鉚接技術(shù)在航天產(chǎn)品上的應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)， 2009（4）： 40-43.

[18] 張海軍， 左洪福， 許國康， 等. 電磁鉚接工藝在機(jī)翼整體油箱上的應(yīng)用[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2005， 26（6）： 834-837.

[19] 鄧將華， 程溧， 王林峰. 自激勵式電磁鉚接放電電流分析[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2017， 38（5）： 264-272.

[20] 仇繼偉， 曹增強(qiáng). 基于工業(yè)智能相機(jī)的自動化電磁鉚接對中定位技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)， 2019， 62（15）： 49-54.

[21] 汪樂， 田威， 張霖， 等. 基于仿真分析的壓鉚力預(yù)測模型[J]. 航空制造技術(shù)， 2017（22）： 56-60.

[22] Haratmeh H E， Arezoodar A F， Farzin M. Numeri-cal and experimental investigation of inward tube electromagnetic forming[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 88（5-8）： 1-11.

[23] Shrivastava A， Telang A， Jha A K， et al. Effect of?thickness and energy on electromagnetic compressionof AA6061 tube[J]. Journal of the Brazilian Socie-ty of Mechanical Sciences and Engineering， 2020， 42（7）： 1-14.

[24] Yu H， Li C， Zhao Z， et al. Effect of field shaper onmagnetic pressure in electromagnetic forming[J]. Journal of Materials Processing Tech.， 2005， 168（2）： 245-249.

[25] 王哲峰， 劉春宇， 高鐵軍. 基于集磁器的鋁合金管件的電磁縮徑研究[J]. 沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 36（6）： 33-38.

[26] Bahmani M A， Niayesh K， Karimi A. 3D Simulation?of magnetic field distribution in electromagnetic forming systems with field-shaper[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2009， 209（5）： 2295-2301.

[27] 劉春宇， 王哲峰， 高鐵軍. 基于集磁器的航空管件的參數(shù)研究[J]. 濱州學(xué)院學(xué)報(bào)， 2018， 34（6）： 20-24.

[28] Hahn M， Weddeling C， Lueg-Althoff J， et al. Analy-tical approach for magnetic pulse welding of sheet connections[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2016（230）： 131-142.

[29] Zhang Y， Babu S S， Daehn G S. Interfacial ultrafine-grained structures on aluminum alloy 6061 joint and copper alloy 110 joint fabricated by magnetic pulse welding[J]. Journal of Materials ence， 2010， 45（17）： 4645-4651.

[30] Kore S， Imbert J， Zhou Y， et al. Electromagneticpulse welding of magnesium to aluminium sheets[M]. Welding and Joining of Magnesium Alloys， WoodheadPublishing， 2010.

[31] 蘇德智， 王義峰， 冉洋， 等. 鋁-銅平板磁脈沖焊接工藝研究[J]. 熱加工工藝， 2018， 47（23）： 237-241.

[32] 陳樹君， 劉愷洛， 夏雨， 等. 磁脈沖焊接的數(shù)學(xué)模型[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 38（12）： 1839-1842.

Application of electromagnetic manufacturing technology in aerospace

YIN Limeng1， ZHANG Liping1， SU Zilong1， YAO Zongxiang1，

WANG Gang1， CHEN Yuhua2， RAN Yang3

（1.School of Metallurgy and Materials Engineering， Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331， China; 2.School of Aviation Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China; 3.Chongqing Institute of Optics and Mechanics， Chongqing， 401122， China）

Abstract： Electromagnetic manufacturing is an advanced manufacturing technology involving electromagnetics， dynamics， materials science， thermodynamics and surface physical chemistry. It has broad application prospects in the connection of similar and dissimilar metal materials in many fields such as aerospace， rail transit， energy and chemical industry， automobiles and ships， and power electronics. This paper briefly introduces the basic principles and advantages of electromagnetic manufacturing technology， and focusing on the research progress and application status of advanced electromagnetic manufacturing technologies such as electromagnetic shaping， electromagnetic reduction， electromagnetic riveting， and electromagnetic welding in the field of aerospace and aviation. Finally， the future and development trends of electromagnetic manufacturing technology were described， in order to further promote the wide application and rapid development of electromagnetic manufacturing technology to provide reference.

Key words： advanced manufacturing; electromagnetic pulse; aerospace; research status; development trends