轴向压缩式管件磁脉冲胀形电磁力分布规律与材料成形实验研究

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与传统加工工艺相比,电磁成形具有两大优势:一是高应变率(103-105 s-1),可提高材料塑性变形能力,使材料成形极限提高5-10倍;二是非接触施力,成形件表面质量高,仅需要单模具,能减少变形过程中的应力集中。电磁成形技术能够应对轻质合金加工难的问题,成为目前轻质合金成形领域的研究热门。电磁成形主要分为管件成形和板件成形,其中管件成形主要有胀形、缩径和连接等工艺。对于管件磁脉冲胀形而言,现有技术一般采用圆柱状驱动线圈为工件提供电磁力,其载荷主要是环向涡流与轴向磁场作用产生的径向电磁力分量,当金属管件发生胀形时,管件因为变形半径增大,导致壁厚减薄、强度降低,难以满足现代工业对高强度及高性能零件的需求。  为解决传统管件磁脉冲胀形时工件壁厚减薄这一问题,本文采用径向电磁力与轴向电磁力同时加载的施力方式,创新地提出了轴向压缩式管件磁脉冲胀形方法。其基本思想在于:通过设计新型驱动线圈,在金属工件区域内同时产生轴向磁场和径向磁场;轴向磁场与感应涡流产生径向电磁力,径向磁场与感应涡流产生轴向电磁力;径向电磁力驱动工件发生胀形,轴向电磁力则驱动工件在轴向发生压缩。通过这一方法,金属工件在径向电磁力的作用下发生胀形的同时,亦在轴向电磁力的作用下发生轴向压缩;轴向压缩使工件材料及时补充到胀形减薄区,可有效减小工件壁厚的减薄量,提高工件成形性能和成形极限。  采用新的电磁力施加方式构建轴向压缩式管件磁脉冲胀形方法是本项目的重大创新。围绕这一方法,首先从电磁场理论与有限元仿真两个方面对工件磁感应强度和工件电磁力进行分析。其次,在保证其他参数条件不变的前提下,对电源系统参数以及线圈结构参数两个方面进行电磁力分布规律和工件壁厚减薄量的探究。最后依托华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心(筹),搭建轴向压缩式管件磁脉冲胀形的电磁成形实验,突破了现有单线圈电磁管件胀形所存在的壁厚严重减薄问题,实验验证了数值分析结果的有效性。  实验结果表明,在保证管件内壁具有相同胀形量的前提下,加入顶-底线圈后,管件端部在轴向电磁力作用下,材料流动量增多,使得管件高度减小为原来的2.31%,说明在相同胀形量的情况下,工件产生了轴向流动。
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