脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造技術(shù)研究.pdf

1、輕量化是航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域提高運(yùn)載器件承載極限能力、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑,采用輕合金材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑之一。然而,輕合金板在室溫下成形塑性較低,采用傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行加工效果并不理想。電磁成形技術(shù)是一種高速率成形方法,能大幅改善金屬成形性能,有望成為替代傳統(tǒng)加工技術(shù)加工輕合金材料的新興技術(shù)。然而,傳統(tǒng)電磁成形驅(qū)動(dòng)線圈強(qiáng)度差,產(chǎn)生的工件電磁力有限。為此,本論文將脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用于電磁成形,能提高驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度,發(fā)

2、展為脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造技術(shù)。圍繞脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形技術(shù),開(kāi)展了工件電磁力、運(yùn)動(dòng)工件的電磁感應(yīng)過(guò)程、動(dòng)態(tài)電磁結(jié)構(gòu)耦合、系統(tǒng)優(yōu)化及成形實(shí)驗(yàn)等方面的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　工件電磁力是工件變形的載荷,其大小分布直接影響到工件的變形行為及成形效果。研究表明,工件受到的電磁力由兩個(gè)分量合成:驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)工件的電磁力和工件對(duì)其自身的電磁力,并由此修改了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形平均電磁壓強(qiáng)估算公式。
　　脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形過(guò)程中,主電路變化的電流產(chǎn)生的感生

3、電動(dòng)勢(shì)及工件運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)共同決定了運(yùn)動(dòng)工件中的渦流分布,進(jìn)而影響到工件的電磁力和成形速度。論文首先分析了動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)對(duì)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形系統(tǒng)的影響,指出正是因?yàn)閯?dòng)生電動(dòng)勢(shì),才實(shí)現(xiàn)了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形過(guò)程中電能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換。然后以平面螺旋線圈驅(qū)動(dòng)工件的加速過(guò)程為物理原型,重點(diǎn)研究工件位移和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)對(duì)成形速度的影響。當(dāng)成形速度較小(小于100m/s)時(shí),工件位移對(duì)成形速度幾乎沒(méi)有任何影響,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)占主導(dǎo)作用;當(dāng)成形速度較大(

4、大于200m/s)時(shí),工件位移與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)同時(shí)影響成形速度。研究表明,分析脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形過(guò)程時(shí),必須考慮動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)對(duì)成形速度的影響。
　　論文在系統(tǒng)介紹脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形電磁結(jié)構(gòu)耦合物理過(guò)程的基礎(chǔ)上,分別采用松散耦合法和順序耦合法兩種電磁結(jié)構(gòu)有限元模型,分析了管件及板材脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形的變形行為。板材脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形時(shí),因工件約束不對(duì)稱(chēng)和電磁力分布不均勻,板材自由成形貼模性差。為此,提出了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)成形技術(shù),詳盡地闡明了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)

5、成形的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明,脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)成形能有效提高脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形效率,解決貼模性差的問(wèn)題,是一項(xiàng)具有發(fā)展?jié)摿Φ某尚渭夹g(shù)。
　　基于以上理論分析,論文提出了一套脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形系統(tǒng)優(yōu)化方案,優(yōu)化設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)線圈的幾何尺寸、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形系統(tǒng)放電脈寬及驅(qū)動(dòng)線圈強(qiáng)度等。設(shè)計(jì)中,兼顧了工件獲得的電磁力與線圈本身的強(qiáng)度兩個(gè)方面,引入了線圈能力系數(shù),優(yōu)化了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形系統(tǒng)的加工能力;分析了線圈電感對(duì)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形的影響,確定了線圈的匝數(shù);采用脈

6、沖強(qiáng)磁場(chǎng)分層加固技術(shù),加強(qiáng)了線圈的機(jī)械強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)線圈的設(shè)計(jì)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,高強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)線圈能有效提高脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形系統(tǒng)的加工能力。
　　作者在國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心(籌)搭建了一套25kV/200kJ脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形裝置,并開(kāi)展了相關(guān)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形實(shí)驗(yàn)研究。脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形方面,研究了管材脹形、平面螺旋線圈自由脹形、成形極限及電磁塑性流動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。其中,塑性流動(dòng)成形實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了20mm的電磁塑性流動(dòng)成形區(qū)域,為今后電磁板材研