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電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種在線圈中通以脈沖大電流來產(chǎn)生脈沖磁場，進(jìn)而在金屬材料中感應(yīng)渦流密度，渦流密度和磁場共同作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而驅(qū)動工件發(fā)生塑性變形的一種高速率成形方法。該技術(shù)能顯著提高鋁、鎂等輕質(zhì)合金的成形極限，抑制起皺，減小回彈，在輕質(zhì)合金的加工上具有巨大潛力。目前，這一技術(shù)廣泛地應(yīng)用于金屬管件和板件的電磁脹形、電磁壓縮、電磁沖壓和電磁焊接等工藝。

通常，電磁成形使用螺線管線圈作為驅(qū)動線圈，由其產(chǎn)生的脈沖磁場和在工件上產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密度共同作用產(chǎn)生電磁力。理論上，電磁力的方向及大小可通過僅改變驅(qū)動電流參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，靈活性遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)機(jī)械力。

但是目前大量的研究仍普遍專注于排斥式電磁力成形。這主要是由于現(xiàn)有的電磁成形電流加載方式非常單一，工件上的渦流密度和磁場高度耦合，在楞次定律作用下，其產(chǎn)生的電磁力幾乎都為排斥力。這種局限性既沒有發(fā)揮出電磁力靈活調(diào)控的特點(diǎn)，也極大地制約了電磁成形技術(shù)的應(yīng)用場景。

因此，鄧將華等研究了平板線圈放電波形對工件上電磁力的影響，提出了采用緩慢上升沿、加速下降沿的脈沖電流波形來產(chǎn)生吸引式電磁力的方案。基于這一研究，曹全梁等和熊奇等相繼開展了板件和小管件的電磁吸引力成形研究。他們通過雙電源系統(tǒng)分別產(chǎn)生長、短脈寬的電流，驅(qū)動同一線圈，產(chǎn)生出符合上述特點(diǎn)的電流波形，進(jìn)而將產(chǎn)生的吸引式電磁力用于鋁合金成形，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。這些研究充分體現(xiàn)了電磁成形靈活調(diào)控的特點(diǎn)，拓展了電磁成形在凹痕修復(fù)和微小管件成形領(lǐng)域的應(yīng)用。

然而，單線圈方案要求兩套電源的放電參數(shù)嚴(yán)格匹配，否則難以產(chǎn)生符合要求的合成電流波形。同時(shí)，其能量利用效率也較低。Ouyang Shaowei等提出采用內(nèi)、外同軸放置的雙線圈模型來改善這一問題。兩個(gè)線圈分別接入兩套電源，并通以不同脈寬的電流，以長脈寬電流來提供變化相對緩慢的背景磁場，以短脈寬電流所產(chǎn)生的快速變化的磁場來提供所需的感應(yīng)渦流密度，進(jìn)而產(chǎn)生需要的吸引力，并通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了管件吸引力脹形的可行性。

圖1 雙線圈吸引式板件成形系統(tǒng)

雙線圈方案相對于單線圈方案更加靈活，然而也帶來了新的問題。在單線圈方案中，工件上產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密度方向在同一時(shí)間是保持一致的。然而，在雙線圈方案中，則會同一時(shí)間在工件的不同位置存在方向相反的感應(yīng)渦流密度，進(jìn)而導(dǎo)致電磁力分布不一致，在工件整體區(qū)域受吸引力作用時(shí)，其局部區(qū)域仍然存在排斥力并最終導(dǎo)致成形件上產(chǎn)生凹痕。這種渦流競爭現(xiàn)象是雙線圈方案的固有屬性，無法忽略，如何消除其對成形效果的影響也亟待研究。

為了解決這一問題，三峽大學(xué)的科研人員系統(tǒng)性研究了渦流競爭產(chǎn)生的原因和機(jī)制，通過建立雙線圈方案下的板件吸引力電磁成形仿真模型，對多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的線圈所產(chǎn)生的渦流密度現(xiàn)象進(jìn)行研究，力圖闡明渦流密度與線圈結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，并分析了其對成形效果的影響。

圖2 雙線圈吸引式板件成形仿真模型

圖3 板件吸引式成形仿真算法流程

他們最后發(fā)現(xiàn)，通過改變線圈L（通入長脈寬電流）的層數(shù)可以降低渦流競爭對成形形狀的影響，可有效提高板件的軸向位移，并最終消除板件凹痕，改善成形效果：1）增大線圈L的層數(shù)，可有效增大板件上的磁通密度，進(jìn)而增大板件的軸向位移，有效避免板件上凹痕區(qū)域的出現(xiàn)；2）線圈L的軸向?qū)訑?shù)要大于線圈S的軸向?qū)訑?shù)，或增大線圈L的電流，才能使板件上的磁通密度滿足吸引力成形的要求；3）線圈L的徑向?qū)訑?shù)要稍大于線圈S的徑向?qū)訑?shù)，能較好地優(yōu)化板件吸引力成形的均勻度。

研究人員證實(shí)了方案2可有效避免雙線圈吸引式板件電磁成形由于渦流密度競爭而引起的凹痕現(xiàn)象，為雙線圈吸引式板件電磁成形提供了更佳的實(shí)施方案。但需要注意的是，本方案中用到的脈沖電流脈寬較長，其帶來的焦耳熱不可忽略，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對線圈的溫升加以考慮以免影響使用壽命。同時(shí)，由于線圈溫升還會隨環(huán)境因素、使用情況以及材料熱力學(xué)性能等參數(shù)的變化而變化，其影響因素較多，未來將對這部分內(nèi)容做進(jìn)一步研究。

以上研究成果發(fā)表在2021年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“雙線圈吸引式板件電磁成形過程中的渦流競爭問題”，作者為熊奇、楊猛 等。