劉維，孟正華，黃尚宇

（1.武漢理工大學 a.材料科學與工程學院；b.汽車工程學院，武漢 430000；2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070）

為了提高能源效率、降低燃油排放，輕量化一直是航空、航天、汽車等高端裝備制造業(yè)發(fā)展的主旋律。以鋁合金為代表的輕合金，因為其具有密度小、比強度和比剛度高、可回收利用等諸多優(yōu)點，在航空、航天、汽車等領域獲得了廣泛的應用，在應對全球能源短缺與環(huán)境污染的輕量化發(fā)展戰(zhàn)略中具有極為重要的作用[1]。航空、航天、汽車等領域中薄壁零件要求具有材料相對厚度小、形狀復雜、尺寸精度與表面質量要求高等特點；同時，鋁合金存在室溫成形性能較差、易產生破裂與褶皺、卸載后回彈大、表面易出現粗晶與劃傷等問題，會造成零件局部變形嚴重、壁厚分布不均勻、力學性能不高等缺陷，限制了鋁合金板料在航空、航天、汽車等領域中的廣泛應用[2]。針對鋁合金零件成形制造，國內外紛紛展開新工藝研究，以提高鋁合金板料成形性能與精度。

電磁成形（Electromagnetic forming，EMF）是一種利用脈沖電流通過線圈在其周圍產生瞬變磁場，導致附近導電金屬板料中形成感應渦流，從而通過線圈與板料之間的洛倫茲力驅動板料發(fā)生高速變形的成形方法[3]。該工藝能夠有效地提高鋁合金板料成形性能、控制板料成形回彈程度，且具有成形速率高（103～104s-1）、成形過程易精確控制、零件貼模性與表面質量高等許多優(yōu)點[4]。近年來，圍繞我國航空航天領域對高性能、高可靠性板管構件的重大需求，國內有關單位對電磁成形理論和技術進行了前沿探索與基礎創(chuàng)新研究[5]。越來越多的研究已經表明[6]，電磁成形技術的不斷發(fā)展，為鋁合金復雜零件精確成形帶來了新的突破，顯示了良好的應用前景。

1 鋁合金板料電磁成形工藝

1.1 沖壓/電磁成形復合工藝

電磁成形過程中，洛倫茲力隨著鋁合金板料的變形而急劇衰減，同時，由于設備能量及線圈強度等因素的限制，電磁成形常用于中小型板管類零件。為提高加工效率、充分發(fā)揮各種工藝方法的優(yōu)勢，將傳統(tǒng)沖壓與電磁成形結合起來形成復合工藝，即先通過沖壓預成形實現大型零件大部分的塑性變形，從而回避電磁成形難以加工大型零件的局限性，然后采用電磁成形完成零件局部特征（如小半徑圓角、凸臺、肋等）的精密成形或實現零件的回彈控制，已經獲得了國內外廣泛的研究[7]。

Vohnout[8]于1998 年提出了將傳統(tǒng)沖壓與電磁成形復合的研究思路，研究了鋁合金6111-T4 和5754-O板料準靜態(tài)與動態(tài)成形過程，實現了汽車鋁合金行李艙蓋與車門內板的成形試制。C.N.Okoye 等[9]分析了將電磁輔助沖壓技術用于板料漸進成形中，采用通用電磁成形線圈結構設計完成了盒形零件成形。Psyk等[10]在汽車AA5182 鋁合金內門板拉深成形之后，采用內嵌的3D 線圈進行電磁校形，獲得了更小的圓角半徑。Liu 等[11]在筒形件拉深成形基礎上，采用電磁輔助沖壓工藝，獲取了更小的底部圓角半徑。Shang等[12]對比了電磁輔助沖壓成形過程與傳統(tǒng)沖壓成形過程，如圖1 所示，通過合理內置線圈進行電磁成形，從而改善了板料沖壓的壁厚分布，提高了6111-T4 鋁合金零件的壁厚均勻性與極限拉深高度。Imbert 等[13]針對鋁合金V 形彎曲件圓角，先通過傳統(tǒng)沖壓工藝成形出較大圓角半徑20 mm，然后通過電磁成形獲取小圓角半徑5 mm，并分析了電磁復合成形板料應力與應變的分布[14]。M.K.Choi 等[15]運用拓撲優(yōu)化技術完成了電磁成形線圈結構設計，采用電磁校形獲得了拉深件圓角區(qū)更小的圓角半徑。

圖1 板料成形過程[12]Fig.1 Sheet metal forming processes

近年來，Noh 等[16]將兩個不同尺寸的平面螺旋線圈進行組合，形成兩步電磁成形工藝，完成了AA1100-O 鋁合金零件成形。Su 等[17]分別采用平面螺旋線圈與螺線管線圈，通過兩步電磁工藝實現了大尺寸鋁合金板件局部傾斜翻孔的預成形與校形。Yu 等[18]采用平面螺旋線圈與螺線管線圈進行兩步電磁成形，有效提高了長圓形翻孔的成形精度。

E.Iriondo 等[19]針對高強鋁合金和高強鋼彎曲件的回彈問題，采用平面線圈實現了電磁校形，如圖2所示，并分析了電磁力、沖擊模具、感應電流等引起塑性變形對回彈的抑制作用[20]。針對飛機鈑金件傳統(tǒng)制造存在流程復雜的問題，Woodward 等[21]將電磁校形與橡皮墊成形相結合，完成了復雜鈑金件成形，降低了大部分回彈，消除了起皺缺陷，實現了難成形局部特征精密成形，與液壓成形和橡皮墊成形相比，電磁成形簡單曲面零件回彈降低了87%。劉大海[22]對U形件電磁輔助彎曲成形研究表明，脈沖電磁力對彎曲角部位應力-應變分布的直接影響及脈沖電磁力驅動板坯對模具的沖擊作用能夠有效抑制零件回彈。胡建華等[23]采用均勻壓力線圈對沖壓預變形5023 鋁合金曲面試件進行了電磁校形試驗，結果表明在低電壓下多次放電可以逐步減小回彈量，在較高電壓下一次放電即可基本消除回彈。Cui 等[24]對V 形彎曲件電磁校形過程進行了有限元模擬，通過電磁脈沖驅動板料撞擊模具，改變了其應力狀態(tài)，對回彈控制與反向彎曲產生了重要影響。Liu 等[25]采用隨形均勻壓力線圈對鋁合金曲面試件進行了電磁校形，結果表明脈沖磁壓力能夠有效提高試件的等效塑性應變水平，降低試件內外層表面的應力值，從而大大減小了試件回彈，提高了成形精度。Liu 等[26]進一步研究了均勻壓力線圈結構、放電電壓、模具間隙對鋁合金曲面試件回彈控制的影響，提高了其成形精度。為了避免傳統(tǒng)電磁輔助沖壓中線圈往往鑲嵌于凸模之中這一問題，Cui 等[27]將電磁成形線圈放置在凹模圓角處，通過電磁力反向加載，對彎曲件進行回彈控制。

1.2 大尺寸零件電磁成形工藝

電磁成形技術的不斷發(fā)展，將為航空航天領域中鋁合金大尺寸板管件精確成形制造帶來新的突破。Cui 等[28]針對傳統(tǒng)電磁成形零件尺寸受限這一問題，將電磁成形與單點漸進成形相結合，提出了電磁漸進成形工藝，如圖3 所示，驗證了大尺寸板坯件和長直壁管件電磁漸進成形的可行性。在電磁漸進成形工藝基礎上，Cui 等[29]進一步提出了電磁漸進成形與拉伸成形的復合工藝，有效降低了大尺寸零件的壁厚減薄現象。熊奇等[30]建立了多線圈多電源時序控制系統(tǒng)，針對大型鋁合金板件提出了分步電磁成形工藝，通過逐步降低線圈與工件間距來提高成形效率。Guo 等[31]分析了飛機整體壁板的噴丸成形、蠕變時效成形與壓彎成形等工藝特點，對電磁漸進成形中放電電壓、放電位置、加載路徑等工藝參數進行了研究，運用電磁漸進成形技術完成了2A12-T4 鋁合金單曲率網格式高筋條整體壁板成形試驗。Li 等[32]針對電磁漸進成形過程，研究了其成形缺陷產生機理及控制方法，最終實現了大型鋁合金曲面零件精確成形。Long 等[33]利用電磁成形具有環(huán)境友好、單模成形、成本低、回彈小、成形性能高、能夠產生殘余壓應力層等優(yōu)點，將噴丸成形、漸進成形、多點成形與電磁成形進行組合，提出了Electromagnetic superposed forming（EMSF）工藝，實現了小曲率蒙皮的成形試制。Fang等[34]通過移動平面螺旋線圈位置，對鋁合金板料產生連續(xù)局部電磁成形，從而完成最終鋁合金零件多步電磁成形。

圖3 電磁漸進成形[28]Fig.3 Electromagnetic incremental forming

為了避免鋁合金板料拉深變形中破裂失效的問題，Fang 等[35]提出了電磁脈沖輔助逐步拉深工藝，在圓筒形拉深件法蘭區(qū)和底部區(qū)分別增加助推線圈和拉深線圈，極大改善了應力-應變狀態(tài)，提高了零件拉深高度。Fang 等[36]進一步將法蘭區(qū)輔助線圈、圓角線區(qū)圈和拉深底部線圈進行組合，提出了電磁脈沖輔助漸進拉深工藝，提高了鋁合金筒形件的極限拉深比。Lai 等[37]建立了雙線圈電磁成形系統(tǒng)，對拉深件法蘭區(qū)施加徑向洛倫茲力，從而獲得具有更高拉深比的鋁合金深拉深件。

2 多物理場數值模擬與材料本構建模

2.1 多物理場耦合數值模擬

由于電磁成形速度非常之快，難以直接觀察板料的變形過程，并且板料受到電磁場、力場、位移場、溫度場等多物理場耦合作用，試驗測試較為困難，因此，電磁場-力場-溫度場多物理場耦合數值模擬已經成為研究電磁成形中板料變形過程的一種常用方法，對板料電磁成形工藝研究具有十分重要的意義。

J.Unger 等[38]自主開發(fā)了電磁成形過程3D 有限元模擬程序，提出了網格劃分策略、電磁與結構單元的數據傳遞方法、電磁分析的終止條件，極大降低了數值分析時間成本。P.L'Eplattenier 等[39]介紹了LS-DYNA 軟件中電磁成形模塊，如圖4 所示，采用有限元與邊界元相結合的方法進行電磁場分析，實現了3D 電磁場-力場-溫度場多物理場耦合數值模擬，考慮了零件變形與溫度變化對電磁參數的影響。H.Yu 等[40]針對管件電磁成形，采用ANSYS 軟件實現了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形對電磁場的影響。G.Bartels 等[41]采用ANSYS 軟件模擬了管件電磁成形過程，對比分析了2D 軸對稱電磁場-力場松散耦合與順序耦合的有限元結果，順序耦合由于考慮了變形與電磁力的相互影響而具有更好的預測結果。I.Perez 等[42]針對電磁脹形過程，采用Maxwell 3D 與Pam-Stamp 2G 軟件實現了電磁場-力場松散耦合有限元模擬，并與SysMagna與Pam-Stamp 2G 軟件的電磁場-力場順序耦合有限元模擬進行了對比，發(fā)現松散耦合模擬結果與實驗結果較為匹配，且其計算時間較短，因此更適合用于工業(yè)模擬。C.L.Kuo 等[43]采用COMSOL Multiphysics軟件實現了電磁場-力場-溫度場耦合有限元模擬，考慮了焦耳熱效應引起溫度升高現象及其對零件成形質量以及線圈壽命的影響。Dmitry Chernikov 等[44]運用LS-DYNA 及其電磁分析專用模塊EM，研究了電磁成形過程中電渦流焦耳熱、塑性變形功以及板料與模具的撞擊所產生的溫度升高效應。X.Cui 等[45]采用ANSYS 軟件實現了3D 電磁場-力場-溫度場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形對電磁場的影響，并分析了零件中產生的焦耳熱效應。X.Cui 等[46]采用ANSYS 軟件完成了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，分析了放電過程中第2 個半波電流對電磁成形模擬精度的影響。Q.Cao 等[47]采用COMSOL Multiphysics 軟件實現了2D 軸對稱電磁場-力場順序耦合有限元模擬，考慮了零件變形與速率對電磁參數的影響。

圖4 多物理耦合數值模擬Fig.4 Multi-physical fields coupling numerical simulation

2.2 鋁合金板料本構建模

材料成形的高精度數值模擬嚴重依賴于準確的材料本構模型，而材料本構模型的建立離不開合理反映工藝條件的力學實驗。電磁成形中，鋁合金板料在脈沖電磁力作用下發(fā)生高速率變形（應變速率高達103s-1以上），其變形行為與準靜態(tài)變形行為具有明顯差異[48]；同時，變形過程中難以進行實驗測試，多物理場耦合數值模擬成為一種必不可少的研究方法，因此，高速率本構建模是電磁成形工藝研究的必要前提條件。目前，一般采用分離式霍普金森拉桿試驗獲取材料高應變速率的真實應力-應變曲線[49]，但這往往存在分離式霍普金森拉桿試件裝夾困難、試驗曲線波動難以消除、誤差較大等問題[50]。

由于管材電磁成形具有簡單易行的獨特優(yōu)勢，目前已有研究采用電磁脹管或脹環(huán)試驗，建立材料的高應變速率本構模型。Kleiner 等[51]基于Bézier 曲面提出了高應變速率硬化模型，分別對鋁合金AA6060 與AA5754 管材開展不同加載條件下的電磁擴徑與縮徑試驗，通過對比模擬與試驗得到的位移-時間及速度-時間曲線，實現了硬化模型參數的逆向識別。Henchi等[52]基于電磁脹環(huán)試驗，通過對比模擬與試驗的速度-時間曲線，實現了Johnson-Cook 本構模型的逆向識別。Li 等[53]將應變速率敏感型電致塑性模型引入到高應變速率本構模型中，并通過電磁脹環(huán)試驗中應變速率-時間曲線的解析與試驗結果對比，確定了其本構模型的參數。盡管這些方法已經獲得了良好的研究效果，但其僅適用于管件或圓環(huán)試件，不便用于平面板料試件的高應變速率本構建模。

Chu 等[54]采用平面螺旋線圈與由集磁器驅動的鋁合金板料圓形試件撞擊凸模，通過材料參數優(yōu)化，實現試件應變實驗值與模擬值之間誤差最小化，獲取了高應變速率流動應力曲線，但是，試件撞擊凸模過程中強烈的非線性接觸問題，不利于基于數值模擬的逆向識別。Noh 等[55]采用平面螺旋線圈進行圓形板料的電磁脹形實驗，通過最小化試件截面輪廓實驗測量與數值模擬之間的誤差，實現了鋁合金板料Cowper-Symonds 高應變速率硬化模型的參數識別。

3 鋁合金板料成形性能與微觀組織演變

Imbert 等[56]對AA5754 鋁合金板料電磁自由脹形與有模脹形進行了對比，采用 Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）損傷模型對電磁成形過程進行了數值模擬，結果表明電磁有模脹形中板料與模具之間的相互作用能有效抑制損傷、提高成形性能。M.S.Dehra[57]開展了管件和環(huán)件電磁脹形實驗，分析了慣性、模具撞擊、本構行為變化以及動態(tài)失效模式對高速成形極限的影響。針對電磁輔助沖壓變形特點，C.Li 等[58]對5052-O 鋁合金板料開展了單向拉伸變形路徑下準靜態(tài)預變形與后續(xù)電磁成形實驗，結果表明準靜態(tài)-動態(tài)成形極限明顯高于準靜態(tài)成形極限，略高于動態(tài)成形極限。D.Liu 等[59]將液壓脹形實驗與電磁脹形實驗結合，對鋁合金5052-O 板料進行了雙向等拉路徑下準靜態(tài)預變形與后續(xù)電磁成形實驗，其成形極限也得到了顯著提高。金淳等[60]對不同熱處理狀態(tài)下的2219 鋁合金板進行單向拉伸、平面應變與等雙拉變形路徑下的準靜態(tài)成形與電磁成形極限實驗，電磁成形可有效提高板料成形極限。Su 等[61]對AA2219-O 鋁合金板料進行準靜態(tài)拉伸變形、電磁成形、機械高速拉伸實驗研究，發(fā)現電磁成形極限明顯高于準靜態(tài)拉伸變形極限，而略高于機械高速拉伸變形極限。Zeng 等[62]針對基于均勻壓力線圈的鋁合金板料電磁成形過程，研究了放電電壓、沖擊距離與預變形水平對板料變形損傷的影響，發(fā)現模具對板料的高接觸壓力能有效抑制塑性損傷。

劉大海[22]針對電磁輔助沖壓成形進行研究發(fā)現，5052 鋁合金板材動態(tài)變形增塑效果隨著準靜態(tài)預變形水平的提高而增加，其動態(tài)變形位錯滑移趨于多系開動，且位錯形態(tài)更加均勻。黃瀾濤[63]研究了鋁合金板料電磁成形過程中電塑性效應、熱塑性效應及高應變速率強化效應，發(fā)現鋁合金板料伸長率的提高是電流與溫度共同作用的結果，并揭示了電磁脹環(huán)中鋁合金變形的主要微觀機理是晶內變形。Li 等[64]針對5052 鋁合金板料進行電磁成形與機械高速成形實驗，發(fā)現機械力的平面分布導致了平面滑移，而電磁力的空間分布引發(fā)了波狀滑移。Fang 等[65]對比了鋁合金板料傳統(tǒng)拉深成形與電磁輔助漸進拉深成形，發(fā)現兩者的塑性變形微觀機理均為位錯滑移，但后者顯著提高了工件顯微硬度與位錯密度，且其局部滑移帶與等軸晶提高了塑性。Wang 等[66]對電磁脹形后5052 鋁合金試件進行了疲勞試驗分析，其疲勞強度提高主要歸因于電磁脹形引起了應變硬化及其位錯密度增加對裂紋尖端的屏蔽效應。

4 結語

航空航天鋁合金板件形狀尺寸復雜、成形性能低、成形精度與使役性能要求高，對現有的板料成形技術提出了更大的挑戰(zhàn)。電磁成形能夠有效提高鋁合金板料成形極限、顯著降低零件回彈，因此，將電磁成形與漸進成形、溫熱成形、剛模成形、軟模成形、多點成形、噴丸成形等工藝相結合，提出了多種電磁復合成形新工藝，可為難成形鋁合金板件高性能精確成形帶來新的突破。通過不同電磁成形實驗設計，揭示了材料動態(tài)變形行為與成形極限，并建立了高應變速率本構模型，為電磁成形工藝多物理場耦合數值分析提供了必要的材料模型。

電磁成形中線圈結構設計直接決定了電磁力的空間分布及鋁合金板料的變形過程，必須針對各類鋁合金板件的形狀特征及其成形工藝特點，設計合理的線圈結構。同時，鋁合金板料電磁成形機理是其工藝研究的重要理論基礎，因此，必須進一步解耦并定量分析高應變速率、塑性功升溫、感應電流、沖擊模具等多物理場效應對鋁合金板料成形性能與組織缺陷的作用規(guī)律，建立高應變速率、溫度、電流、法向壓應力等多因素相關型塑性與損傷本構模型，為電磁復合成形全流程多物理場耦合數值模擬分析提供精準的理論模型。另外，航空裝備關鍵構件的主要失效模式為疲勞，而電磁成形中鋁合金板料微觀組織與位錯、微空洞與損傷累積、應變硬化狀態(tài)、殘余應力等在多物理場耦合作用下將發(fā)生復雜變化，對構件抗疲勞性能產生重要影響，因此，為了將電磁復合成形工藝應用于航空制造中，就必須進一步研究電磁成形構件的抗疲勞性能。