電磁成形是一種利用脈沖電磁力實現金屬材料加工的高速成形技術。因其在輕質合金加工領域具有巨大潛力，美國能源部、歐盟框架計劃、中國國家重點基礎研究發展計劃等相繼資助電磁成形技術，期望通過該技術實現輕質合金在航空航天、汽車工業等領域的廣泛應用，提高各國高端成形加工技術水平。

縱觀其發展歷史，電磁成形的研究主要集中在兩個方面：①材料高速變形行為、材料成形極限等材料科學問題；②電磁場分布規律、電磁力控制策略等電磁技術問題。美國俄亥俄州立大學、德國多特蒙德工業大學、哈爾濱工業大學、武漢理工大學等率先開展了電磁成形技術研究，但因參與研究的學者都屬于材料科學與工程領域，導致電磁成形材料科學問題得到大力發展而電磁技術問題相對滯后。

電磁成形過程中，材料科學是揭示電磁成形過程中宏觀材料流動規律與微觀結構演變機理。宏觀上一般認為電磁成形提升材料的成形性能是源自慣性效應、模具作用、動態回復、高應變率等因素。

學者們認為，電磁成形時高速率工件的大動量與慣量改變了傳統靜態成形工件的應力分布，分散了整個工件的集中變形，抑制了局部縮頸，從而使金屬材料的成形能力獲得提高。同時，材料與模具間的高速沖擊亦能夠抑制材料內部孔隙缺陷的擴展，對提高材料的成形極限亦具有重要作用。

諶祺等利用電子背散射衍射和透射電子顯微鏡技術發現動態回復是鋁合金材料AA5083延展性顯著提升的又一影響因素。此外，大多數金屬材料的流變應力、加工硬化率、應變率敏感性、最大應力及其對應的應變均隨應變速率的增加而增大。

微觀方面，普遍認為電磁力驅動的高速變形下，位錯、攣晶以及絕熱剪切帶是控制材料變形的主要機制。F.W. Bach等發現電磁成形過程中純鋁呈現位錯增殖-位錯纏結-胞狀結構-亞晶形成等連續過程，表明位錯萌生與運動仍是控制高速變形的主要機制。

與位錯機制相比，高速變形下似乎更易誘導孿晶的形成。高應變率時位錯來不及以熱激活機制克服短程障礙，當位錯滑移難以進行時，晶體材料將以孿晶形式變形。P.J. Ferreira等研究發現，在高速變形條件下孿晶是奧氏體不銹鋼的主要變形方式。李建軍等基于晶體塑形力學和位錯理論的高速變形本構模型，將高速變形的宏觀流動行為和微觀演變機制耦合在一起，較好地表征了高速變形宏微觀變化規律。

李宏偉等定量描述了微觀缺陷（絕熱剪切帶和孔洞）演化對鋁合金力學行為的影響，進一步揭示了大應變、應變率范圍內絕熱剪切帶、孔洞演化規律。電磁成形過程中，宏觀材料流動規律與微觀結構演變機理逐漸清晰，為電磁成形工業應用奠定了材料理論基礎。

針對特定的加工需求，如何為工件提供合理的電磁力分布是電磁成形需要解決的關鍵問題。然而，因前期參與電磁成形研究的電磁領域學者相對較少，導致電磁技術問題的研究相對滯后，阻礙了電磁成形實現工業廣泛應用的進程。

2011年，國家脈沖強磁場科學中心（籌）（以下簡稱強磁場中心）李亮教授主持的“973計劃”項目“多時空脈沖強磁場成形制造基礎研究”啟動，帶動了一批電磁領域的學者對電磁成形技術進行深入廣泛的研究，電磁技術問題得到跨越式發展，項目研究成果豐富，發展了電磁成形技術內涵，開辟和引領了電磁成形技術的新方向。

基于該研究現狀，本文首先闡述了電磁成形基本原理和電磁力分布規律，其次重點分析了目前各項電磁成形新技術解決的電磁技術問題、實現的基本方案、電磁力分布特征、工件成形效果等內容，最后探討了為實現電磁成形工業化應用仍需解決的關鍵電磁技術問題。

1 電磁成形基本原理（略）

圖1 電磁成形基本原理

圖2 磁場力分布

驅動線圈是工件電磁力的施加者，電磁成形技術的革新往往以新型驅動線圈產生不同的電磁力分布為標志。為此，本文將目前涌現的諸多新技術劃分為改善電磁力分布的電磁成形技術、改變電磁力施加方式的電磁成形技術、與傳統機械加工相結合的電磁成形技術三大類別，逐一闡述評價，進一步介紹了目前影響電磁成形使用壽命的主要因素。

2 改善電磁力分布的電磁成形技術

1）板件勻壓力成形

前述表明，采用平板螺旋驅動線圈加工板件時，電磁力不均勻，導致板件成形效果較差。為此，G. S.Daehn等提出一種勻壓力驅動線圈，如圖3所示。勻壓力驅動線圈為一扁平的矩形線圈，板件置于勻壓力驅動線圈的一側，同時引入一U型導體與板件構成一個封閉回路，使勻壓力驅動線圈剛好位于封閉回路內部。

板件勻壓力成形與管件電磁成形原理較為類似，忽略邊緣效應時其電磁力分布明顯較為均勻（圖3所示）；同時這一耦合形式下的能量轉換效率亦得到一定程度的提升。

圖3 勻壓力線圈示意圖

基于勻壓力線圈的電磁力分布特性，S. Golowin等將其應用于燃料電池板的壓花成形，C. Weddeling等將其應用于電磁焊接，成形效果得到一定程度的提升。此外，邱立對這一技術進行了改進，提出一種高效率板件電磁成形方法及裝置，如圖4所示。

將扁平的矩形線圈改為正方形線圈，同時將原有的U型導體回路采用另外3塊待加工板件代替，這一改進方法可實現4塊金屬板件同時加工，提升了板件勻壓力成形技術的效率。

目前，板件勻壓力成形技術面臨的主要問題仍是如何有效地解決U型導體與板件之間因接觸導致的電弧燒蝕問題。

2）板件局部電磁力成形

傳統板件電磁成形過程中，平板螺旋驅動線圈幾乎覆蓋整個加工區域，導致板件中心區域變形量過大，板件變形效果差。為此，邱立等提出一種板件局部電磁力成形方法，其基本原理如圖5a所示。

采用平板螺旋驅動線圈實現板件成形時，因驅動線圈幾乎覆蓋整個板件，電磁力最大的區域出現在板件半徑1/2附近，這一區域受到的電磁力最大，變形速度最快。當這一區域的板件速度達到最大值后，將帶動板件其他區域加速。板件中心約束最小，導致其成形高度最大，最終板件為圓錐形輪廓。

板件局部電磁力成形時，驅動線圈的繞組主要集中在凹模邊緣附近區域，這一區域受到的電磁力最大。因這一區域遠離板件中心，其對板件中心的影響小，使得板件變形效果較好，呈圓柱形輪廓。

圖4 高效率板件電磁成形結構

圖5 電磁局部成形

圖5b、圖5c分別為傳統板件電磁成形與局部電磁成形工件輪廓圖。顯然，采用局部加載驅動線圈時，電磁力更為集中，工件中心區域電磁力小、變形量少，從而使板件整體變形更均勻，工件成形效果得到改善。

此外，因板件局部電磁力成形時電磁力集中在變形后的工件側壁處，這一區域的工件受到凹模的約束與驅動線圈的距離幾乎保持不變，多次加載時電磁力不會因距離變大而衰減嚴重，這為重復加載電磁力實現電磁拉深成形提供了一定的可能性。

目前，板件局部電磁力成形過程中，板件電磁力分布與成形效果之間的內在關聯仍需深入研究，此外，重復加載電磁力時需要考慮加工硬化與起皺等問題對板件的影響。

3）凹型驅動線圈管件電磁脹形

前述提及，管件電磁成形因其電磁力分布相對均勻而得到較為廣泛的工業應用，如管件脹形、鏈接、密封等。然而，采用螺線管驅動線圈實現管件電磁成形時，由于端部效應導致徑向電磁力軸向分布不均，管件軸向變形不均勻。為此，邱立等提出一種采用凹型驅動線圈削弱管件中部徑向電磁力以提高管件成形質量的方法，圖6a為凹型驅動線圈管件電磁成形基本原理。

其基本思路在于：采用凹型線圈代替螺線管線圈，以減少驅動線圈中部的安匝數，使工件中部的磁通密度和感應渦流大為降低，進而減小工件中部的徑向電磁力。

圖6b為采用螺線管驅動線圈和凹型驅動線圈的徑向電磁力分布。采用螺線管線圈時，端部效應嚴重，工件中部的徑向電磁力最大，整體呈“單峰”分布；采用凹型線圈時，工件中部的徑向電磁力得到一定程度的削弱，兩端的徑向電磁力得到一定程度的增強，整體呈“凹型”分布。

圖6c為采用螺線管線圈和凹型線圈的管件變形輪廓，顯然“凹型”分布的徑向電磁力能有效改善管件軸向變形非均勻問題。然而，因為安匝數的減少，采用凹型螺旋管驅動線圈管件電磁成形時耦合效率降低，需要更大的能量才能實現相同的變形量。

圖6 凹型驅動線圈管件電磁脹形

3 改變電磁力施加方式的電磁成形技術

雖然板件勻壓力成形、板件局部電磁力成形、凹型驅動線圈管件電磁脹形等新型技術能解決某些電磁技術問題，但是這些改善電磁力分布的電磁成形技術并未從施加方式上有所突破。

2011年，賴智鵬等提出了多級多向脈沖強磁場成形方法，其通過多線圈與多電源系統的精確時序配合，在時間上形成多級、空間上形成多向的電磁力分布，為復雜、大尺寸及難變形零部件成形制造提供了有效手段。在這一思路的影響下，涌現出多種改變電磁力施加方式的電磁成形技術。

1）軸-徑雙向加載板件電磁成形

現有板件電磁成形技術中，電磁力主要施加于板件自由脹形區域內，且以軸向電磁力分量為主。此時，板件自由脹形區域先發生變形，然后帶動法蘭區域的板件向凹模內流動。因此，板件的變形以脹形為主，最終導致板件容易破裂、成形性能差。

改善這一加工問題的關鍵是增大法蘭區域的板件徑向流動性。基于此，賴智鵬等提出了一種軸-徑雙向加載板件電磁成形方法，其原理如圖7所示。

基于傳統單線圈電磁成形系統（線圈1），在板件法蘭區域處引入另一套驅動線圈（線圈2）；線圈1為自由脹形區域的板件提供軸向電磁力，線圈2為法蘭區域的板件提供徑向電磁力；因法蘭區域的徑向電磁力可有效促進這一區域板件的徑向流動，這一形式的電磁力施加方式能大幅提升板件電磁成形的成形性能。

圖7 軸-徑雙向加載板件電磁成形原理

針對厚度為1.5mm、直徑為130mm的AA1060-H24 鋁合金板，采用匝數為4◆10（軸向4層、徑向10層）的線圈1和匝數為5◆4（軸向5層、徑向4層）的線圈2分別為其提供軸向電磁力和徑向電磁力，利用兩套具有高精度光觸發晶閘管主放電開關的320μF電容電源系統實現板件軸向力和徑向力的時序調控。

圖8為傳統板件電磁成形與軸-徑雙向加載板件電磁成形的對比。單一軸向電磁力加載時，板件法蘭區域幾乎沒有發生塑性流動，變形量小，且極易發生破裂；軸向電磁力與徑向電磁力雙向加載時，板件法蘭區域存在明顯的塑性流動，這一變形方式使得板件變形量得到大幅提升，且有效抑制了材料破裂。顯然，通過改變電磁力加載方式可有效提升板件電磁成形的成形性能，實現了拉深系數高達3.25的筒形件成形，明顯優于傳統拉深工藝的極限拉深系數（2.0~2.2）。

圖8 板件成形效果圖

2）軸向壓縮式管件電磁脹形

通常，管件電磁成形分為管件電磁壓縮和管件電磁脹形。對于管件電磁脹形而言，現有技術一般采用螺線管驅動線圈為管件提供電磁力，其載荷主要是環向渦流與軸向磁場作用產生的徑向電磁力分量；當發生脹形時，管件因為變形半徑增大，導致其壁厚減薄、強度降低，難以滿足現代工業對高強度及高性能零件的需求。

為解決這一問題，邱立等采用徑向電磁力與軸向電磁力同時加載的施力方式，創新地提出了軸向壓縮式管件電磁脹形，如圖9所示。其基本思想在于：通過設計新型驅動線圈，在金屬工件區域內同時產生軸向磁場和徑向磁場；軸向磁場與感應渦流產生徑向電磁力，徑向磁場與感應渦流產生軸向電磁力；徑向電磁力驅動工件發生脹形，軸向電磁力則驅動工件在軸向發生壓縮。

通過這一方法，金屬工件在徑向電磁力的作用下發生脹形的同時，亦在軸向電磁力的作用下發生軸向壓縮；軸向壓縮使工件材料及時補充到脹形減薄區，可有效減小工件壁厚的減薄量，提高工件成形性能和成形極限。

圖9 軸向壓縮式管件電磁脹形原理

針對直徑為50mm、壁厚為1mm的1060鋁合金管件，分析了采用不同驅動線圈時的軸向電磁力與管件壁厚減薄量，如圖10所示。顯然，隨著軸向電磁力的增加，管件壁厚減薄量逐漸減小。特別地，當軸向電磁力增大到一定程度時，管件壁增厚。

崔曉輝等指出，通過引入軸向電磁力，材料塑性流動顯著增大，同時拉應力減小，這一特點是管件成形性能和成形極限得以提高的主要原因。目前，軸向壓縮式管件電磁脹形面臨的主要技術難點在于，細長型管件成形時因軸向電磁力的擠壓容易發生變形失穩、畸變等問題。

圖10 采用不同驅動線圈時軸向電磁力與管件壁厚減薄量

3）吸引式板管件電磁成形

傳統電磁成形中，驅動線圈源電流與感應渦流方向相反，工件由電磁斥力驅動實現成形。然而，實際中某些加工無法通過電磁斥力實現，如汽車凹痕的不拆卸修復、微小型管件脹形等。因此亦有學者探索研究吸引式板管件電磁成形。

曹全梁等提出一種基于雙頻電流法的吸引式板件電磁成形，基本電路如圖11a所示。在同一驅動線圈，分別通入一長脈沖電流和一短脈沖電流，且滿足以下條件：長脈沖電流和短脈沖電流方向相反；短脈沖電流幅值小于長脈沖電流幅值，以保證合成磁場不發生反向；短脈沖電流的變化率足夠快，使其產生的感應渦流密度大于長脈沖電流產生的感應渦流密度。

此時，合成的驅動線圈電流與合成的感應渦流方向相同，即可產生電磁吸力驅動板件成形；同時，當短脈沖電流在長脈沖電流幅值最大時刻通入時，可獲得相對較大的電磁吸力。

針對1mm厚的AA1060鋁板，采用2880μF電容電源產生長脈沖電流，當長脈沖電流達到峰值時采用160μF電容電源產生短脈沖電流，放電電流如圖11b所示，驅動線圈與板件之間將產生電磁吸力，驅動板件發生變形，最大變形量為4.7mm，如圖11c所示。

熊奇等將這一思路引入管件成形，提出基于雙頻電流法的吸引式管件電磁成形。仿真研究表明，在電磁吸力的驅動下，直徑為20mm的管件最大形變量約為3.7mm。顯然，吸引式板管件電磁成形能滿足某些特殊加工需求，然而其研究尚處于初步階段，如何產生足夠大的電磁吸力仍是這一技術需要克服的主要技術難點。

圖11 吸引式電磁成形

4 與傳統機械加工相結合的電磁成形技術

雖然純電磁力驅動的電磁成形技術優勢明顯，但其在加工大型板件方面存在難點，目前文獻[60]顯示純電磁力加工的板件直徑最大為1378 mm。其主要原因在于，加工大型板件時需要足夠大的電容電源與驅動線圈，這導致線圈電感和電容增大、放電等效脈沖變長，不利于產生脈沖電磁力。

此外，雖然出現了諸多改善電磁力分布和改變電磁力加載方式的電磁成形技術，但因電磁力分布完全取決于磁場與渦流分布，控制難度大。因此，諸多學者采用電磁成形與傳統機械加工相結合的方式，提出板件電磁漸進成形、電磁輔助成形、柔性加載式電磁驅動成形等一系列新技術。

1）板件電磁漸進成形

采用純電磁力單次加載很難實現大型板件的加工。為此，莫健華[65]申請了專利“板材動圈電磁漸進成形方法及其裝置”，提出一種板件電磁漸進成形方法。其基本思路為：采用小型驅動線圈在大型板件局部產生電磁力，使板件局部發生變形；移動驅動線圈的位置，進行下一次電磁力的施加與局部變形；通過控制驅動線圈的放電路徑，能夠實現大型板件的電磁加工，如圖12所示。

圖12 板件電磁漸進成形

針對直徑為240mm的AA3003板件，莫健華等[66-68]采用直徑為100 mm的平板螺旋驅動線圈對其進行電磁漸進成形。實驗結果表明，通過選擇合理的放電路徑，可采用小型驅動線圈實現大型板件的成形加工。

進一步地，李建軍等將電磁漸進成形發展為兩步電磁成形，并應用于大型板件局部翻邊。顯然，板件電磁漸進成形能夠提升電磁成形加工能力，使其為加工大型板件加工提供了新的思路。然而，這一方法需要多次放電才可實現加工，工序相對復雜。此外，放電路徑的選擇對板件成形性能影響較大，這亦是板件電磁漸進成形未來的一個重要研究方向。

2）電磁脈沖輔助沖壓成形

電磁成形能夠改善材料成形性能，傳統沖壓成形則具有強大的加工能力，為同時具備這兩種優勢，J. Shang等率先提出了電磁脈沖輔助沖壓成形新技術，如圖13a所示。

該技術是板件電磁成形與傳統沖壓成形相結合的復合塑性加工技術，首先，板件在凸模的作用下發生整體變形；其次，采用預先嵌在凸模內部的驅動線圈對板件難成形區域進行局部電磁力施加與矯形。電磁脈沖輔助沖壓成形中，傳統沖壓使得板件整體變形量大，電磁成形使得板件局部成形精度高，具有明顯加工優勢。

圖13 電磁脈沖輔助沖壓成形

針對厚度為1mm的Al 6111-T4鋁合金板件，采用傳統沖壓板件成形與電磁脈沖輔助沖壓板件成形的對比實驗，如圖13b所示。傳統沖壓成形時，板件最大成形深度為44mm（圖13b中的1B板件），而在引入了脈沖電磁力作為輔助載荷時，電磁脈沖輔助沖壓成形板件的最大成形深度達到63.5mm（圖13b中的A6板件），成形深度提高了44%。

顯然，通過在沖頭底部嵌入驅動線圈，通入較小的放電能量便可多次向難成形區域施加脈沖電磁力，避免了單次施力過大產生破裂的風險，板件應變分布得到改善，成形精度大大提高。目前，電磁脈沖輔助沖壓成形工藝較為成熟，但針對特定的加工需求如何配置傳統沖壓與電磁成形還需進一步探索與研究。

3）柔性加載式電磁驅動成形

電磁成形過程中，電磁力的分布直接影響著工件變形行為和成形性能。電磁力是由工件處的磁場與工件內部的感應渦流相互作用產生的。然而，感應渦流在工件內部的分布是難以精確控制的，這導致現有電磁成形技術電磁力加載靈活度不高，無法滿足不同工件的電磁力需求。

基于此，邱立等提出一種柔性加載式電磁驅動成形技術，其在工件與驅動線圈之間引入一個由不同半徑、不同截面、不同材料的導體環構成的柔性線圈，驅動線圈與柔性線圈的相互作用產生脈沖電磁力驅動板件成形，通過柔性線圈的結構與材料改變感應渦流的分布，進而實現電磁力分布的調控。

圖14為采用不同柔性線圈時工件的電磁力分布及工件變形輪廓。顯然，采用柔性線圈能夠改變電磁力分布，為解決“如何針對特定的加工需求實現電磁力的柔性調控”提供了可能性。目前，柔性加載式電磁驅動成形面臨的主要技術難點在于電磁力的重復加載問題。

圖14 不同柔性線圈電磁力分布及工件變形輪廓

5 高壽命電磁成形技術探索

電磁力施加方式的創新能夠解決某些電磁技術問題，推動了電磁成形技術的快速發展。然而，要使其達到工業化應用程度，必須實現高壽命電磁成形技術。電磁成形過程中，驅動線圈在為工件提供電磁力的同時，其自身亦處于高電壓、大電流、高應力等極其嚴苛的工作條件，結構強度與溫升問題導致其使用壽命非常有限。顯然，解決結構強度與溫升問題是實現高壽命電磁成形技術的關鍵。

結構強度方面，S. Golovashchenko研究表明，驅動線圈的結構破壞往往發生在曲率半徑較小的內環，建議通過引入加固提升線圈強度。邱立等將脈沖強磁場技術應用于驅動線圈，采用分層加固技術繞制的高強度緊湊型驅動線圈較好地解決了結構強度問題。

溫升問題方面，S. Gies等研究發現，電磁成形過程中50%以上的能量以焦耳熱的形式消耗在驅動線圈，驅動線圈表面最高溫度達到 92℃，內部溫升更是高達178℃，嚴重影響了驅動線圈的使用壽命。S. Golovashchenko等提出通過強制空氣對流的方法可有效促進驅動線圈散熱過程，降低溫升，然而這一方法僅適用于散熱條件較好的驅動線圈，對于高強度緊湊型驅動線圈結構降溫效果較差。

曹全梁等提出采用續流回路串聯功率電阻的新型電路結構，可在不影響成形效率的情況下減少驅動線圈內部的焦耳熱，研究顯示，驅動線圈的焦耳熱損耗由4.62 kJ降低至2.07 kJ，效果顯著。

總體而言，目前或采用分層加固技術解決驅動線圈結構強度問題，或采用強制空氣對流促進單層結構驅動線圈散熱，但卻無法同時解決結構強度與溫升問題；長壽命的驅動線圈是電磁成形實現工業化廣泛應用的前提，如何同時解決驅動線圈結構強度與溫升問題亦將是今后的研究熱點之一。

結論

自1958年G.W.Brower和D.F.Harvey首次將電磁感應定律應用于金屬成形，電磁成形技術已有60年的發展歷史。2011年中國國家重點基礎研究發展計劃“多時空脈沖強磁場成形制造基礎研究”的啟動，標志著電磁成形中電磁技術問題深入研究的開端。

本文從電磁成形基本原理及電磁力分布出發，主要闡明了改善電磁力分布、改變電磁力施加方式、與傳統機械加工相結合等三大類別的電磁成形新技術；針對每一類別的單個技術，從需要解決的電磁技術問題入手，介紹了該技術的基本原理與實現方案，并通過實驗或仿真驗證了其成形效果，最后分析了這一技術存在的技術難點與未來的研究方向。

電磁技術問題的深入研究帶動了電磁成形技術跨越式發展，其成形優勢得到驗證，作用機理逐步明確，應用場景日漸豐富，但其實現工業化應用仍需克服兩大技術難題：一是針對工件加工需求提供靈活的柔性電磁力加載；二是解決高強度緊湊型驅動線圈溫升問題實現高壽命電磁成形技術。將來，電磁成形技術作為一種特色明顯、優勢突出的高端制造技術，有望突破傳統機械加工工藝目前所面臨的瓶頸，促進前沿制造產業向智能、高效、輕柔和清潔的方向變革。