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電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種利用脈沖電磁力實現(xiàn)輕質(zhì)合金加工的高速成形技術(shù)。在電磁成形的過程中，通常采用電容器組對驅(qū)動線圈放電產(chǎn)生脈沖強電流，脈沖強電流產(chǎn)生脈沖磁場進而在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流與磁場共同作用產(chǎn)生洛倫茲力驅(qū)動金屬工件，最終實現(xiàn)加工成形。

相對于傳統(tǒng)成形技術(shù)，其具有以下顯著優(yōu)勢：①可明顯提升材料成形極限，有效減少零件回彈、起皺等[2]問題，成形精度高。②非接觸施力，避免了與材料直接接觸，可減少變形過程中的摩擦，有利于提高成形件的表面質(zhì)量。③洛倫茲力的方向及大小可通過僅改變驅(qū)動電路參數(shù)進行調(diào)控，靈活性遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)機械力。因此，EMF尤其適合鋁、鈦等輕質(zhì)合金的成形加工，被認(rèn)為是制造輕質(zhì)合金具有前途的技術(shù)之一。

圖1 電磁成形示意圖

近年來，電磁成形工藝發(fā)展較為迅速，成形方案復(fù)雜多變。如：改善洛倫茲力分布的電磁成形技術(shù)（板件勻壓力成形、板件局部電磁力成形等）、改善洛倫茲力施加方式的電磁成形技術(shù)（軸◆徑雙向加載管件電磁翻邊、管件成形均勻度優(yōu)化等），但在這些現(xiàn)有的研究中，研究重點多放在成形工藝及成形效果討論上，對變形的主導(dǎo)因素洛倫茲力，在成形過程中隨時間推移產(chǎn)生的復(fù)雜的動態(tài)過程及關(guān)系，并未仔細(xì)探究。

其實無論是探究成形工藝還是成形效果（如吸引式、排斥式成形），都是通過洛倫茲力隨時間的競爭關(guān)系最終呈現(xiàn)在工件的成形上，如具代表性的單脈沖電磁成形。

電磁成形工藝初期，使用單脈沖的電磁成形技術(shù)占據(jù)主流。由于在單脈沖電源條件下，工件上多以排斥式洛倫茲力主導(dǎo)，因此研究主要以排斥力成形為主。

如熊奇利用單脈沖電源對鋁合金大板件進行有限元模擬與成形實驗，完善了鋁合金大板件的排斥力成形；Cao Quanliang等利用在外電路中增加續(xù)流回路，在基本不改變成形效果的情況下，降低線圈溫升，優(yōu)化了單脈沖鋁合金板件的排斥力成形；而近期Ouyang Shaowei等提出了采用單脈沖低頻放電的吸引力成形方案，并驗證了方案的可行性，實現(xiàn)了單脈沖板件的吸引力成形，指出了前期的排斥力成形階段可能有助于板件后期的吸引力成形，且吸引力小于排斥力。

同樣是使用單脈沖電源進行放電，最終的成形效果卻完全不同。而現(xiàn)有研究并未對其動態(tài)過程進行系統(tǒng)分析，洛倫茲力的變化更未完全呈現(xiàn)。而在電磁成形的過程中，影響洛倫茲力變化的各個參數(shù)隨時間的動態(tài)變化關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致洛倫茲力在成形過程中，隨時間變化在板件上的競爭關(guān)系劇烈，最終導(dǎo)致板件在成形效果上呈現(xiàn)巨大差異。

因此，為了系統(tǒng)研究單脈沖電磁成形過程中，洛倫茲力隨時間的競爭關(guān)系，由于電磁成形實驗極其快速且過程中的數(shù)據(jù)變化通過實驗無法得到，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院等單位的研究人員通過建立已有實驗驗證的單脈沖方案下板件電磁成形仿真模型，對典型的單脈沖電磁成形進行分析，細(xì)化動態(tài)過程，通過調(diào)節(jié)外電路的參數(shù)著重分析：影響洛倫茲力變化的因素、成形過程中隨時間變化的洛倫茲力在鋁合金板件上的競爭關(guān)系，以及洛倫茲力的競爭對于成形效果的影響。

圖2 板件電磁成形方案示意圖

他們根據(jù)研究分析認(rèn)為，影響競爭關(guān)系的因素主要有以下兩點：

1）電流脈寬（力的差值）。在電容值很小的情況下，電流在上升沿階段變化極快，產(chǎn)生的排斥式與吸引式洛倫茲力相差一個或數(shù)個量級，排斥力在競爭關(guān)系中占絕對主導(dǎo)的地位。而在電容值慢慢變大的過程中，產(chǎn)生的洛倫茲力才具有可比性。在滿足吸引力成形的脈寬下，也并非電壓越大，變形越大，主要是在電壓變化的過程中，由于力的差值在變化，競爭關(guān)系也是會發(fā)生變化的，最終還是要觀察力的差值。

2）洛倫茲力波峰與波谷的尖銳度。在排斥力與吸引力相差較小的情況下，洛倫茲力波峰與波谷的尖銳度作為競爭關(guān)系中重要的因素，排斥力雖大于吸引力，但作用時波谷處變化緩慢；吸引力雖略小于排斥力，但波峰處變化較快，一般為吸引力占據(jù)主導(dǎo)，并最終呈現(xiàn)出吸引力形變。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“單脈沖電磁成形中洛倫茲力在時間上的雙向競爭關(guān)系及其對成形效果的影響”。本課題得到國家自然科學(xué)基金和武漢強磁場學(xué)科交叉基金的支持。