王 煜，張 松，龔 雄，錢文杰，熊艷艷

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

鋁合金壁板零件上翻邊孔的成形方法主要是利用大型雙動(dòng)液壓成形設(shè)備，通過(guò)常規(guī)預(yù)先制孔加多道次翻邊的工藝完成，需要一套具有凸凹模的大型成形工裝。采用傳統(tǒng)的工藝流程，不僅流程復(fù)雜，需用多套工裝模具，加工成本昂貴，并且生產(chǎn)條件惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大。另一方面，由于常用的高強(qiáng)鋁合金板材，室溫成形塑性較差，容易在成形過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。為了避免開裂，生產(chǎn)中經(jīng)常需要多次成形，中間工序要進(jìn)行打磨、修邊和退火處理（常導(dǎo)致粗晶現(xiàn)象發(fā)生），制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，致使生產(chǎn)效率低，成本高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

應(yīng)用電磁脈沖成形技術(shù)，針對(duì)運(yùn)載型號(hào)常見的難成形法蘭孔特征，開發(fā)工藝裝備、工裝模具，解決長(zhǎng)期存在的鋁合金壁板翻邊孔成形難題具有重要意義。與傳統(tǒng)加工工藝相比，電磁成形技術(shù)具有模具簡(jiǎn)單，設(shè)備通用性高，成形零件表面質(zhì)量好，成形精度高，回彈小，同時(shí)可大幅度提高材料的成形極限等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、兵器工業(yè)等領(lǐng)域。

1 電磁成形技術(shù)原理

電磁成形技術(shù)是利用磁場(chǎng)力（洛倫茲力）使金屬工件成形的一種高速率成形技術(shù)，因在成形過(guò)程中載荷以脈沖形式作用于工件，因此亦稱為磁脈沖成形技術(shù)。利用電源給高壓電容器充電，將電能儲(chǔ)存在電容器中，然后將開關(guān)閉合，在線圈中形成短脈沖高幅值的電流，使線圈周圍產(chǎn)生一個(gè)快速變化的脈沖磁場(chǎng)，該脈沖磁場(chǎng)會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的方向與線圈中電流的方向相反，在這兩個(gè)相反的電流磁場(chǎng)的相互作用下，工件與線圈間會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)力的相互作用，一般線圈固定，工件會(huì)在這股磁場(chǎng)力的作用下發(fā)生變形，在不同的模具下使工件成形為不同的形狀，從而達(dá)到成形金屬零件的目的[1]。

2 電磁成形工藝流程

針對(duì)航天器共底貯箱筒段壁板翻邊孔成形，材料利用LD10-CZ、LY19-CZ狀態(tài)，直接進(jìn)行翻邊成形。典型的工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 壁板、瓜瓣翻邊孔典型工藝過(guò)程

3 電磁成形研究方法

電磁脈沖成形過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的工藝研究手段難以進(jìn)行分析，需建立新型的研究手段。具體的研究手段包括以下幾個(gè)步驟：

1）局部特征電磁脈沖成形動(dòng)態(tài)變形行為研究。建立試驗(yàn)板材準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)變形本構(gòu)模型；建立電磁場(chǎng)-力場(chǎng)數(shù)值模擬模型；典型曲面殼體零件局部特征電磁脈沖變形行為與應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)特性研究，包括板殼件局部翻孔、筒殼壁側(cè)孔翻邊、筒殼端口翻邊成形等。

2）典型件局部特征電磁脈沖成形力場(chǎng)特性與設(shè)計(jì)。針對(duì)典型曲面件翻孔成形需求，以局部幾何特征的精確成形為目標(biāo)，對(duì)脈沖力場(chǎng)的時(shí)空特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脈沖磁場(chǎng)力幅值、分布的積極設(shè)計(jì)，從而決定電磁脈沖成形線圈的幾何結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步估算放電參數(shù)。基于數(shù)值模擬研究和理論分析結(jié)果，針對(duì)具體待成形材料和尺寸匹配，研究磁脈沖成形線圈匝數(shù)、截面尺寸、絕緣要求、匝間隙對(duì)成形效果的影響規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化，確定線圈結(jié)構(gòu)各參數(shù)值。

3）典型件局部特征成形工藝試驗(yàn)與尺寸精度控制。根據(jù)目標(biāo)件的尺寸精度要求，搭建工藝試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)工藝試驗(yàn)研究，分析工藝參數(shù)對(duì)變形的影響規(guī)律。研究?jī)?nèi)容具體包括電磁脈沖成形工裝和線圈結(jié)構(gòu)，針對(duì)筒形件翻邊孔，通過(guò)線圈結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)綜合考慮和匹配，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)件尺寸精度控制，總結(jié)并提出變形精度控制策略，為具體生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)[2]。

4 電磁脈沖成形仿真分析過(guò)程

基于多物理場(chǎng)有限元分析平臺(tái)ANSYS和電磁成形電磁-力場(chǎng)的耦合本質(zhì)，對(duì)磁脈沖翻邊成形進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。不考慮工件的變形計(jì)算磁場(chǎng)力的大小和分布，把求得的磁場(chǎng)力作為載荷施加到翻邊工件，研究脈沖磁場(chǎng)力作用下翻邊板坯的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，討論主要參數(shù)對(duì)翻邊成形效果的影響。選擇基于動(dòng)力顯式求解方法的ANSYS/LS-DYNA模塊對(duì)磁脈沖翻邊成形過(guò)程進(jìn)行分析，該模塊具有高度非線性動(dòng)力學(xué)（應(yīng)力/位移）瞬態(tài)分析能力?；诖琶}沖翻邊成形電磁-力場(chǎng)松散耦合模型的思路，把磁場(chǎng)模擬分析得到的磁壓力作為邊界條件代入到ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行變形分析[3]。如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 不同電壓下終態(tài)等效應(yīng)變圖（t=300μs）

通過(guò)仿真分析，針對(duì)鋁合金板材磁脈沖翻邊孔成形過(guò)程，建立了磁場(chǎng)-力場(chǎng)有限元分析模型，磁場(chǎng)部分采用隱式算法，而變形部分采用顯示算法，考慮了高速率變形過(guò)程的慣性效應(yīng)。

在磁脈沖翻邊過(guò)程中，磁場(chǎng)力作用于全部變形區(qū)，同時(shí)其高速率變形的特點(diǎn)一并促進(jìn)了材料的徑向流動(dòng)，有利于改善減薄，提高直壁高度。隨著放電能量提高，有利于材料的徑向流動(dòng)、圓角貼膜，但是，對(duì)于直壁邊緣貼膜程度，存在最佳參數(shù)，在本研究條件下，放電電壓介于8.5kV～12kV之間[4]。如圖3所示，在放電參數(shù)不變的條件下，隨預(yù)制孔直徑增大，待變形區(qū)的面積減小，翻邊孔成形貼模性提高，內(nèi)邊緣減薄幅度減小。

5 鑒定試驗(yàn)過(guò)程和驗(yàn)證結(jié)果

以鋁合金筒段壁板試驗(yàn)件進(jìn)行φ120翻孔，成形效果如圖4所示。通過(guò)試驗(yàn)，材料為L(zhǎng)Y19-CZ時(shí)，模具圓角為15mm，預(yù)制孔為φ95.2、成形電壓10kV時(shí)，翻邊孔尺寸滿足要求。

圖4 φ120 成形效果圖

按照生產(chǎn)該型壁板的材料狀態(tài)及條件，選做同曲率板材進(jìn)行翻孔試驗(yàn)，LD10-CZ板材，厚度4.5mm，按照?qǐng)D紙曲率彎曲變形坯料截取試樣。按照試件優(yōu)化后的工藝參數(shù)，型面匹配線圈和模具（線圈匝數(shù)與平板試驗(yàn)同），產(chǎn)品的加工5所示。

圖5 筒段壁板鑒定件

對(duì)成形的工藝鑒定件進(jìn)行外觀檢測(cè)、形位尺寸檢測(cè)均滿足要求，在后續(xù)工藝鑒定件時(shí)效過(guò)程中，將初始試件隨爐進(jìn)行了人工時(shí)效，時(shí)效后分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和翻邊孔區(qū)域金相組織檢測(cè)。

為了分析高速率成形對(duì)于材料內(nèi)部組織的影響，對(duì)工藝鑒定件進(jìn)行了金相組織分析，并測(cè)評(píng)了組織的晶粒度級(jí)別。經(jīng)測(cè)驗(yàn)標(biāo)定，晶粒度級(jí)別為6、7級(jí)，符合變形組織要求。且經(jīng)組織評(píng)定，變形區(qū)域、母材區(qū)域組織在熱處理后基本一致，未產(chǎn)生因電磁脈沖高速成形導(dǎo)致的組織畸變等缺陷。同時(shí)，為了考證電磁脈沖成形對(duì)2219鋁合金在成形過(guò)程中的內(nèi)部組織變化，對(duì)成形后未時(shí)效狀態(tài)的試件進(jìn)行了切片，如圖6所示，評(píng)定了翻邊區(qū)域與母材區(qū)域的組織變化情況，未發(fā)現(xiàn)明顯的晶?；僛5]。如圖7所示。

圖6 微觀組織取樣區(qū)域及高度切片測(cè)量示意圖

圖7 翻邊孔金相組織

電磁脈沖成形工藝為新工藝，成形方式為非接觸式成形。在成形工藝參數(shù)穩(wěn)定、預(yù)開孔處理質(zhì)量符合工藝要求的前提下，電磁脈沖成形成形質(zhì)量可控，成形合格率可達(dá)100%，工藝穩(wěn)定性較好。電磁成形屬于高電壓，設(shè)備本身要求接地電阻不大于1Ω，成形過(guò)程要求防護(hù)周邊3米以外即可屏蔽電磁輻射，無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常見的難成形法蘭孔特征，通過(guò)電磁脈沖成形技術(shù)的應(yīng)用與研究，能夠解決長(zhǎng)期存在的鋁合金壁板翻邊孔成形難題。而且具有模具簡(jiǎn)單、設(shè)備通用性高、成形零件表面質(zhì)量好、成形精度高回彈小，同時(shí)可大幅度提高材料的成形極限等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛運(yùn)用于航天運(yùn)載器筒段壁板翻邊孔成形生產(chǎn)，并可推廣至航空、汽車、兵器工業(yè)等其他領(lǐng)域。