鋁合金板料電磁成形工藝與理論的研究進展

劉維，孟正華，黃尚宇

（1.武漢理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.汽車工程學(xué)院，武漢 430000；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070）

為了提高能源效率、降低燃油排放，輕量化一直是航空、航天、汽車等高端裝備制造業(yè)發(fā)展的主旋律。以鋁合金為代表的輕合金，因為其具有密度小、比強度和比剛度高、可回收利用等諸多優(yōu)點，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)對全球能源短缺與環(huán)境污染的輕量化發(fā)展戰(zhàn)略中具有極為重要的作用[1]。航空、航天、汽車等領(lǐng)域中薄壁零件要求具有材料相對厚度小、形狀復(fù)雜、尺寸精度與表面質(zhì)量要求高等特點；同時，鋁合金存在室溫成形性能較差、易產(chǎn)生破裂與褶皺、卸載后回彈大、表面易出現(xiàn)粗晶與劃傷等問題，會造成零件局部變形嚴(yán)重、壁厚分布不均勻、力學(xué)性能不高等缺陷，限制了鋁合金板料在航空、航天、汽車等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用[2]。針對鋁合金零件成形制造，國內(nèi)外紛紛展開新工藝研究，以提高鋁合金板料成形性能與精度。

電磁成形（Electromagnetic forming，EMF）是一種利用脈沖電流通過線圈在其周圍產(chǎn)生瞬變磁場，導(dǎo)致附近導(dǎo)電金屬板料中形成感應(yīng)渦流，從而通過線圈與板料之間的洛倫茲力驅(qū)動板料發(fā)生高速變形的成形方法[3]。該工藝能夠有效地提高鋁合金板料成形性能、控制板料成形回彈程度，且具有成形速率高（103～104s-1）、成形過程易精確控制、零件貼模性與表面質(zhì)量高等許多優(yōu)點[4]。近年來，圍繞我國航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒏呖煽啃园骞軜?gòu)件的重大需求，國內(nèi)有關(guān)單位對電磁成形理論和技術(shù)進行了前沿探索與基礎(chǔ)創(chuàng)新研究[5]。越來越多的研究已經(jīng)表明[6]，電磁成形技術(shù)的不斷發(fā)展，為鋁合金復(fù)雜零件精確成形帶來了新的突破，顯示了良好的應(yīng)用前景。

1 鋁合金板料電磁成形工藝

1.1 沖壓/電磁成形復(fù)合工藝

電磁成形過程中，洛倫茲力隨著鋁合金板料的變形而急劇衰減，同時，由于設(shè)備能量及線圈強度等因素的限制，電磁成形常用于中小型板管類零件。為提高加工效率、充分發(fā)揮各種工藝方法的優(yōu)勢，將傳統(tǒng)沖壓與電磁成形結(jié)合起來形成復(fù)合工藝，即先通過沖壓預(yù)成形實現(xiàn)大型零件大部分的塑性變形，從而回避電磁成形難以加工大型零件的局限性，然后采用電磁成形完成零件局部特征（如小半徑圓角、凸臺、肋等）的精密成形或?qū)崿F(xiàn)零件的回彈控制，已經(jīng)獲得了國內(nèi)外廣泛的研究[7]。

Vohnout[8]于1998 年提出了將傳統(tǒng)沖壓與電磁成形復(fù)合的研究思路，研究了鋁合金6111-T4 和5754-O板料準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)成形過程，實現(xiàn)了汽車鋁合金行李艙蓋與車門內(nèi)板的成形試制。C.N.Okoye 等[9]分析了將電磁輔助沖壓技術(shù)用于板料漸進成形中，采用通用電磁成形線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計完成了盒形零件成形。Psyk等[10]在汽車AA5182 鋁合金內(nèi)門板拉深成形之后，采用內(nèi)嵌的3D 線圈進行電磁校形，獲得了更小的圓角半徑。Liu 等[11]在筒形件拉深成形基礎(chǔ)上，采用電磁輔助沖壓工藝，獲取了更小的底部圓角半徑。Shang等[12]對比了電磁輔助沖壓成形過程與傳統(tǒng)沖壓成形過程，如圖1 所示，通過合理內(nèi)置線圈進行電磁成形，從而改善了板料沖壓的壁厚分布，提高了6111-T4 鋁合金零件的壁厚均勻性與極限拉深高度。Imbert 等[13]針對鋁合金V 形彎曲件圓角，先通過傳統(tǒng)沖壓工藝成形出較大圓角半徑20 mm，然后通過電磁成形獲取小圓角半徑5 mm，并分析了電磁復(fù)合成形板料應(yīng)力與應(yīng)變的分布[14]。M.K.Choi 等[15]運用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)完成了電磁成形線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用電磁校形獲得了拉深件圓角區(qū)更小的圓角半徑。

圖1 板料成形過程[12]Fig.1 Sheet metal forming processes

近年來，Noh 等[16]將兩個不同尺寸的平面螺旋線圈進行組合，形成兩步電磁成形工藝，完成了AA1100-O 鋁合金零件成形。Su 等[17]分別采用平面螺旋線圈與螺線管線圈，通過兩步電磁工藝實現(xiàn)了大尺寸鋁合金板件局部傾斜翻孔的預(yù)成形與校形。Yu 等[18]采用平面螺旋線圈與螺線管線圈進行兩步電磁成形，有效提高了長圓形翻孔的成形精度。

E.Iriondo 等[19]針對高強鋁合金和高強鋼彎曲件的回彈問題，采用平面線圈實現(xiàn)了電磁校形，如圖2所示，并分析了電磁力、沖擊模具、感應(yīng)電流等引起塑性變形對回彈的抑制作用[20]。針對飛機鈑金件傳統(tǒng)制造存在流程復(fù)雜的問題，Woodward 等[21]將電磁校形與橡皮墊成形相結(jié)合，完成了復(fù)雜鈑金件成形，降低了大部分回彈，消除了起皺缺陷，實現(xiàn)了難成形局部特征精密成形，與液壓成形和橡皮墊成形相比，電磁成形簡單曲面零件回彈降低了87%。劉大海[22]對U形件電磁輔助彎曲成形研究表明，脈沖電磁力對彎曲角部位應(yīng)力-應(yīng)變分布的直接影響及脈沖電磁力驅(qū)動板坯對模具的沖擊作用能夠有效抑制零件回彈。胡建華等[23]采用均勻壓力線圈對沖壓預(yù)變形5023 鋁合金曲面試件進行了電磁校形試驗，結(jié)果表明在低電壓下多次放電可以逐步減小回彈量，在較高電壓下一次放電即可基本消除回彈。Cui 等[24]對V 形彎曲件電磁校形過程進行了有限元模擬，通過電磁脈沖驅(qū)動板料撞擊模具，改變了其應(yīng)力狀態(tài)，對回彈控制與反向彎曲產(chǎn)生了重要影響。Liu 等[25]采用隨形均勻壓力線圈對鋁合金曲面試件進行了電磁校形，結(jié)果表明脈沖磁壓力能夠有效提高試件的等效塑性應(yīng)變水平，降低試件內(nèi)外層表面的應(yīng)力值，從而大大減小了試件回彈，提高了成形精度。Liu 等[26]進一步研究了均勻壓力線圈結(jié)構(gòu)、放電電壓、模具間隙對鋁合金曲面試件回彈控制的影響，提高了其成形精度。為了避免傳統(tǒng)電磁輔助沖壓中線圈往往鑲嵌于凸模之中這一問題，Cui 等[27]將電磁成形線圈放置在凹模圓角處，通過電磁力反向加載，對彎曲件進行回彈控制。

1.2 大尺寸零件電磁成形工藝

電磁成形技術(shù)的不斷發(fā)展，將為航空航天領(lǐng)域中鋁合金大尺寸板管件精確成形制造帶來新的突破。Cui 等[28]針對傳統(tǒng)電磁成形零件尺寸受限這一問題，將電磁成形與單點漸進成形相結(jié)合，提出了電磁漸進成形工藝，如圖3 所示，驗證了大尺寸板坯件和長直壁管件電磁漸進成形的可行性。在電磁漸進成形工藝基礎(chǔ)上，Cui 等[29]進一步提出了電磁漸進成形與拉伸成形的復(fù)合工藝，有效降低了大尺寸零件的壁厚減薄現(xiàn)象。熊奇等[30]建立了多線圈多電源時序控制系統(tǒng)，針對大型鋁合金板件提出了分步電磁成形工藝，通過逐步降低線圈與工件間距來提高成形效率。Guo 等[31]分析了飛機整體壁板的噴丸成形、蠕變時效成形與壓彎成形等工藝特點，對電磁漸進成形中放電電壓、放電位置、加載路徑等工藝參數(shù)進行了研究，運用電磁漸進成形技術(shù)完成了2A12-T4 鋁合金單曲率網(wǎng)格式高筋條整體壁板成形試驗。Li 等[32]針對電磁漸進成形過程，研究了其成形缺陷產(chǎn)生機理及控制方法，最終實現(xiàn)了大型鋁合金曲面零件精確成形。Long 等[33]利用電磁成形具有環(huán)境友好、單模成形、成本低、回彈小、成形性能高、能夠產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層等優(yōu)點，將噴丸成形、漸進成形、多點成形與電磁成形進行組合，提出了Electromagnetic superposed forming（EMSF）工藝，實現(xiàn)了小曲率蒙皮的成形試制。Fang等[34]通過移動平面螺旋線圈位置，對鋁合金板料產(chǎn)生連續(xù)局部電磁成形，從而完成最終鋁合金零件多步電磁成形。

圖3 電磁漸進成形[28]Fig.3 Electromagnetic incremental forming

為了避免鋁合金板料拉深變形中破裂失效的問題，F(xiàn)ang 等[35]提出了電磁脈沖輔助逐步拉深工藝，在圓筒形拉深件法蘭區(qū)和底部區(qū)分別增加助推線圈和拉深線圈，極大改善了應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，提高了零件拉深高度。Fang 等[36]進一步將法蘭區(qū)輔助線圈、圓角線區(qū)圈和拉深底部線圈進行組合，提出了電磁脈沖輔助漸進拉深工藝，提高了鋁合金筒形件的極限拉深比。Lai 等[37]建立了雙線圈電磁成形系統(tǒng)，對拉深件法蘭區(qū)施加徑向洛倫茲力，從而獲得具有更高拉深比的鋁合金深拉深件。

2 多物理場數(shù)值模擬與材料本構(gòu)建模

2.1 多物理場耦合數(shù)值模擬

由于電磁成形速度非常之快，難以直接觀察板料的變形過程，并且板料受到電磁場、力場、位移場、溫度場等多物理場耦合作用，試驗測試較為困難，因此，電磁場-力場-溫度場多物理場耦合數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究電磁成形中板料變形過程的一種常用方法，對板料電磁成形工藝研究具有十分重要的意義。

J.Unger 等[38]自主開發(fā)了電磁成形過程3D 有限元模擬程序，提出了網(wǎng)格劃分策略、電磁與結(jié)構(gòu)單元的數(shù)據(jù)傳遞方法、電磁分析的終止條件，極大降低了數(shù)值分析時間成本。P.L'Eplattenier 等[39]介紹了LS-DYNA 軟件中電磁成形模塊，如圖4 所示，采用有限元與邊界元相結(jié)合的方法進行電磁場分析，實現(xiàn)了3D 電磁場-力場-溫度場多物理場耦合數(shù)值模擬，考慮了零件變形與溫度變化對電磁參數(shù)的影響。H.Yu 等[40]針對管件電磁成形，采用ANSYS 軟件實現(xiàn)了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形對電磁場的影響。G.Bartels 等[41]采用ANSYS 軟件模擬了管件電磁成形過程，對比分析了2D 軸對稱電磁場-力場松散耦合與順序耦合的有限元結(jié)果，順序耦合由于考慮了變形與電磁力的相互影響而具有更好的預(yù)測結(jié)果。I.Perez 等[42]針對電磁脹形過程，采用Maxwell 3D 與Pam-Stamp 2G 軟件實現(xiàn)了電磁場-力場松散耦合有限元模擬，并與SysMagna與Pam-Stamp 2G 軟件的電磁場-力場順序耦合有限元模擬進行了對比，發(fā)現(xiàn)松散耦合模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為匹配，且其計算時間較短，因此更適合用于工業(yè)模擬。C.L.Kuo 等[43]采用COMSOL Multiphysics軟件實現(xiàn)了電磁場-力場-溫度場耦合有限元模擬，考慮了焦耳熱效應(yīng)引起溫度升高現(xiàn)象及其對零件成形質(zhì)量以及線圈壽命的影響。Dmitry Chernikov 等[44]運用LS-DYNA 及其電磁分析專用模塊EM，研究了電磁成形過程中電渦流焦耳熱、塑性變形功以及板料與模具的撞擊所產(chǎn)生的溫度升高效應(yīng)。X.Cui 等[45]采用ANSYS 軟件實現(xiàn)了3D 電磁場-力場-溫度場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形對電磁場的影響，并分析了零件中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)。X.Cui 等[46]采用ANSYS 軟件完成了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，分析了放電過程中第2 個半波電流對電磁成形模擬精度的影響。Q.Cao 等[47]采用COMSOL Multiphysics 軟件實現(xiàn)了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形與速率對電磁參數(shù)的影響。

圖4 多物理耦合數(shù)值模擬Fig.4 Multi-physical fields coupling numerical simulation

2.2 鋁合金板料本構(gòu)建模

材料成形的高精度數(shù)值模擬嚴(yán)重依賴于準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型，而材料本構(gòu)模型的建立離不開合理反映工藝條件的力學(xué)實驗。電磁成形中，鋁合金板料在脈沖電磁力作用下發(fā)生高速率變形（應(yīng)變速率高達103s-1以上），其變形行為與準(zhǔn)靜態(tài)變形行為具有明顯差異[48]；同時，變形過程中難以進行實驗測試，多物理場耦合數(shù)值模擬成為一種必不可少的研究方法，因此，高速率本構(gòu)建模是電磁成形工藝研究的必要前提條件。目前，一般采用分離式霍普金森拉桿試驗獲取材料高應(yīng)變速率的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線[49]，但這往往存在分離式霍普金森拉桿試件裝夾困難、試驗曲線波動難以消除、誤差較大等問題[50]。

由于管材電磁成形具有簡單易行的獨特優(yōu)勢，目前已有研究采用電磁脹管或脹環(huán)試驗，建立材料的高應(yīng)變速率本構(gòu)模型。Kleiner 等[51]基于Bézier 曲面提出了高應(yīng)變速率硬化模型，分別對鋁合金AA6060 與AA5754 管材開展不同加載條件下的電磁擴徑與縮徑試驗，通過對比模擬與試驗得到的位移-時間及速度-時間曲線，實現(xiàn)了硬化模型參數(shù)的逆向識別。Henchi等[52]基于電磁脹環(huán)試驗，通過對比模擬與試驗的速度-時間曲線，實現(xiàn)了Johnson-Cook 本構(gòu)模型的逆向識別。Li 等[53]將應(yīng)變速率敏感型電致塑性模型引入到高應(yīng)變速率本構(gòu)模型中，并通過電磁脹環(huán)試驗中應(yīng)變速率-時間曲線的解析與試驗結(jié)果對比，確定了其本構(gòu)模型的參數(shù)。盡管這些方法已經(jīng)獲得了良好的研究效果，但其僅適用于管件或圓環(huán)試件，不便用于平面板料試件的高應(yīng)變速率本構(gòu)建模。

Chu 等[54]采用平面螺旋線圈與由集磁器驅(qū)動的鋁合金板料圓形試件撞擊凸模，通過材料參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)試件應(yīng)變實驗值與模擬值之間誤差最小化，獲取了高應(yīng)變速率流動應(yīng)力曲線，但是，試件撞擊凸模過程中強烈的非線性接觸問題，不利于基于數(shù)值模擬的逆向識別。Noh 等[55]采用平面螺旋線圈進行圓形板料的電磁脹形實驗，通過最小化試件截面輪廓實驗測量與數(shù)值模擬之間的誤差，實現(xiàn)了鋁合金板料Cowper-Symonds 高應(yīng)變速率硬化模型的參數(shù)識別。

3 鋁合金板料成形性能與微觀組織演變

Imbert 等[56]對AA5754 鋁合金板料電磁自由脹形與有模脹形進行了對比，采用 Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）損傷模型對電磁成形過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明電磁有模脹形中板料與模具之間的相互作用能有效抑制損傷、提高成形性能。M.S.Dehra[57]開展了管件和環(huán)件電磁脹形實驗，分析了慣性、模具撞擊、本構(gòu)行為變化以及動態(tài)失效模式對高速成形極限的影響。針對電磁輔助沖壓變形特點，C.Li 等[58]對5052-O 鋁合金板料開展了單向拉伸變形路徑下準(zhǔn)靜態(tài)預(yù)變形與后續(xù)電磁成形實驗，結(jié)果表明準(zhǔn)靜態(tài)-動態(tài)成形極限明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)成形極限，略高于動態(tài)成形極限。D.Liu 等[59]將液壓脹形實驗與電磁脹形實驗結(jié)合，對鋁合金5052-O 板料進行了雙向等拉路徑下準(zhǔn)靜態(tài)預(yù)變形與后續(xù)電磁成形實驗，其成形極限也得到了顯著提高。金淳等[60]對不同熱處理狀態(tài)下的2219 鋁合金板進行單向拉伸、平面應(yīng)變與等雙拉變形路徑下的準(zhǔn)靜態(tài)成形與電磁成形極限實驗，電磁成形可有效提高板料成形極限。Su 等[61]對AA2219-O 鋁合金板料進行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸變形、電磁成形、機械高速拉伸實驗研究，發(fā)現(xiàn)電磁成形極限明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸變形極限，而略高于機械高速拉伸變形極限。Zeng 等[62]針對基于均勻壓力線圈的鋁合金板料電磁成形過程，研究了放電電壓、沖擊距離與預(yù)變形水平對板料變形損傷的影響，發(fā)現(xiàn)模具對板料的高接觸壓力能有效抑制塑性損傷。

劉大海[22]針對電磁輔助沖壓成形進行研究發(fā)現(xiàn)，5052 鋁合金板材動態(tài)變形增塑效果隨著準(zhǔn)靜態(tài)預(yù)變形水平的提高而增加，其動態(tài)變形位錯滑移趨于多系開動，且位錯形態(tài)更加均勻。黃瀾濤[63]研究了鋁合金板料電磁成形過程中電塑性效應(yīng)、熱塑性效應(yīng)及高應(yīng)變速率強化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鋁合金板料伸長率的提高是電流與溫度共同作用的結(jié)果，并揭示了電磁脹環(huán)中鋁合金變形的主要微觀機理是晶內(nèi)變形。Li 等[64]針對5052 鋁合金板料進行電磁成形與機械高速成形實驗，發(fā)現(xiàn)機械力的平面分布導(dǎo)致了平面滑移，而電磁力的空間分布引發(fā)了波狀滑移。Fang 等[65]對比了鋁合金板料傳統(tǒng)拉深成形與電磁輔助漸進拉深成形，發(fā)現(xiàn)兩者的塑性變形微觀機理均為位錯滑移，但后者顯著提高了工件顯微硬度與位錯密度，且其局部滑移帶與等軸晶提高了塑性。Wang 等[66]對電磁脹形后5052 鋁合金試件進行了疲勞試驗分析，其疲勞強度提高主要歸因于電磁脹形引起了應(yīng)變硬化及其位錯密度增加對裂紋尖端的屏蔽效應(yīng)。

4 結(jié)語

航空航天鋁合金板件形狀尺寸復(fù)雜、成形性能低、成形精度與使役性能要求高，對現(xiàn)有的板料成形技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。電磁成形能夠有效提高鋁合金板料成形極限、顯著降低零件回彈，因此，將電磁成形與漸進成形、溫?zé)岢尚?、剛模成形、軟模成形、多點成形、噴丸成形等工藝相結(jié)合，提出了多種電磁復(fù)合成形新工藝，可為難成形鋁合金板件高性能精確成形帶來新的突破。通過不同電磁成形實驗設(shè)計，揭示了材料動態(tài)變形行為與成形極限，并建立了高應(yīng)變速率本構(gòu)模型，為電磁成形工藝多物理場耦合數(shù)值分析提供了必要的材料模型。

電磁成形中線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定了電磁力的空間分布及鋁合金板料的變形過程，必須針對各類鋁合金板件的形狀特征及其成形工藝特點，設(shè)計合理的線圈結(jié)構(gòu)。同時，鋁合金板料電磁成形機理是其工藝研究的重要理論基礎(chǔ)，因此，必須進一步解耦并定量分析高應(yīng)變速率、塑性功升溫、感應(yīng)電流、沖擊模具等多物理場效應(yīng)對鋁合金板料成形性能與組織缺陷的作用規(guī)律，建立高應(yīng)變速率、溫度、電流、法向壓應(yīng)力等多因素相關(guān)型塑性與損傷本構(gòu)模型，為電磁復(fù)合成形全流程多物理場耦合數(shù)值模擬分析提供精準(zhǔn)的理論模型。另外，航空裝備關(guān)鍵構(gòu)件的主要失效模式為疲勞，而電磁成形中鋁合金板料微觀組織與位錯、微空洞與損傷累積、應(yīng)變硬化狀態(tài)、殘余應(yīng)力等在多物理場耦合作用下將發(fā)生復(fù)雜變化，對構(gòu)件抗疲勞性能產(chǎn)生重要影響，因此，為了將電磁復(fù)合成形工藝應(yīng)用于航空制造中，就必須進一步研究電磁成形構(gòu)件的抗疲勞性能。