崔學(xué)習(xí)，萬(wàn)敏，吳向東，金銘，龍安林

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

隨著汽車(chē)工業(yè)向輕量化方向快速發(fā)展，采用輕質(zhì)合金材料（主要是鋁合金）是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零件輕量化的有效途徑[1—2]。鋁合金材料在普通加工工藝（沖壓、拉深等）中表現(xiàn)出明顯的流動(dòng)性差、回彈量大、貼模度低等問(wèn)題，給汽車(chē)覆蓋件的生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)工藝與新興的電磁成形技術(shù)相結(jié)合為復(fù)雜汽車(chē)覆蓋件的制造開(kāi)創(chuàng)了新的思路——電磁輔助成形。電磁成形技術(shù)是一種利用脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生洛倫茲力，并將其施加到具有較高電導(dǎo)率工件上，使其快速變形的工藝[3]，被稱(chēng)為電磁脈沖成形。電磁成形作為一種高能率金屬塑性加工技術(shù)，具有能提高難成形金屬的成形性能、減小零件起皺和回彈的優(yōu)點(diǎn)[4]，并且成形過(guò)程綠色環(huán)保、無(wú)污染[5]，因此該成形技術(shù)為鋁合金材料的成形提供了良好的工藝方法[6—10]。

電磁輔助成形工藝是電磁成形工藝的發(fā)展和延伸。與普通電磁成形不同，電磁輔助成形結(jié)合了其他傳統(tǒng)加工方法，在成形過(guò)程中將電磁成形作為主要或次要加工方法，除了具有通用電磁成形工藝的優(yōu)點(diǎn)外，還具有生產(chǎn)效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)及靈活度高等特點(diǎn)[11]。早在21 世紀(jì)初，Vohnout 等[12]利用埋設(shè)在模具內(nèi)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力對(duì)難成形部位進(jìn)行校形，最終以通用雪佛蘭Cavalier 車(chē)型AA6111-T4 鋁合金門(mén)內(nèi)板成形件滿(mǎn)足成品要求的方式驗(yàn)證了電磁輔助成形的可靠有效性。隨后，Shang 和Daehn[13]將線(xiàn)圈嵌入到拉深凸模中，僅使用單一凸模及壓邊設(shè)備，經(jīng)電磁成形多次低輸出能量結(jié)合傳統(tǒng)拉深過(guò)程，大大提高了材料的拉深極限。Woodward 等[14]結(jié)合軋輥成形和電磁成形兩種加工工藝的復(fù)合加工方法，完成了“L 形”截面并具有加強(qiáng)筋特征的長(zhǎng)條板件。該加工過(guò)程首先對(duì)軋輥成形出的“L 形”截面半成品零件進(jìn)行局部電磁擊打，而后成形出半成品零件一側(cè)的筋、肋特征，該特征能起到強(qiáng)化材料和增強(qiáng)其抗彎能力的作用，因而該方法被認(rèn)為是復(fù)合了電磁成形與輥彎成形的一種電磁輔助成形工藝[15]。Cui 等[16]提出了一種新的徑向電磁壓力增量式電磁輔助沖壓工藝，該方法用于圓柱形深沖壓，與傳統(tǒng)沖壓工藝相比，連續(xù)3 個(gè)線(xiàn)圈放電后的成形深度可增加31%。劉大海[17]研究了5052 鋁合金板材在電磁脈沖輔助沖壓成形過(guò)程中的變形機(jī)理研究。從微觀角度研究了動(dòng)態(tài)變形和準(zhǔn)靜態(tài)變形機(jī)理，指出了塑性變形的微觀機(jī)制均為位錯(cuò)滑移機(jī)制，表明了低輸入能量的多次電磁成形可抑制成形過(guò)程中慣性力產(chǎn)生，從而有效減小了零件回彈量，改善了零件圓角、倒角位置材料的應(yīng)力分布。

文中采用一種可復(fù)用的薄層電磁線(xiàn)圈，結(jié)合成形試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁輔助成形，通過(guò)有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，確定試驗(yàn)最佳工藝參數(shù)組合，總結(jié)適用于成形復(fù)雜曲面板料的工藝流程，為汽車(chē)鋁合金覆蓋件的高效、批量生產(chǎn)提供有效方法。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

文中針對(duì)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及航空航天領(lǐng)域的鋁合金2524-T3 材料進(jìn)行汽車(chē)覆蓋件的仿真和成形工藝研究，該材料的化學(xué)成分如表1 所示。該材料室溫下的力學(xué)性能參考文獻(xiàn)[18]，其詳細(xì)參數(shù)如下：密度為2.78×10-6kg/mm3，彈性模量為73 100 MPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為483 MPa，伸長(zhǎng)率為18%，電阻率為5.82×10-8Ω·m。

表1 AA2524-T3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[7]Tab.1 The chemical composition limits of 2524-T3 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 工藝參數(shù)

文中針對(duì)鋁合金汽車(chē)覆蓋件進(jìn)行仿真和成形工藝試驗(yàn)研究。圖1 展示了汽車(chē)覆蓋件的模具特征，為得到最佳的成形工藝參數(shù)，將該覆蓋件標(biāo)記為試驗(yàn)件和目標(biāo)件。首先對(duì)形狀簡(jiǎn)單的試驗(yàn)件進(jìn)行正交試驗(yàn)及仿真分析，獲得最佳工藝參數(shù)；最后基于最佳工藝參數(shù)組合對(duì)目標(biāo)件進(jìn)行成形試驗(yàn)。試驗(yàn)件為中心150 mm×150 mm 的區(qū)域，如圖1b 所示，目標(biāo)件為覆蓋件的對(duì)稱(chēng)區(qū)域，其大小為600 mm×150 mm。

圖1 汽車(chē)鋁合金覆蓋件模具Fig.1 The die of automobile aluminum alloy

對(duì)試驗(yàn)件的成形工藝參數(shù)詳細(xì)研究過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]，該文獻(xiàn)通過(guò)成形工藝分析，確定了電壓峰值、線(xiàn)圈厚度、線(xiàn)圈層數(shù)及放電擊打次數(shù)等主要影響因素，選取試驗(yàn)件進(jìn)行正交試驗(yàn)，最終得到了影響成形結(jié)果的各工藝參數(shù)優(yōu)先順序及最佳工藝參數(shù)組合，并指出對(duì)于成形R1曲率半徑，線(xiàn)圈厚度×線(xiàn)圈層數(shù)交叉作用效果最為明顯；而成形R2曲率半徑時(shí)，峰值電壓×線(xiàn)圈層數(shù)交叉作用效果最佳。文中基于文獻(xiàn)[18]確定了成形試驗(yàn)件的電壓和線(xiàn)圈層數(shù)工藝參數(shù)，進(jìn)一步研究成形汽車(chē)覆蓋件的電流放電次數(shù)和線(xiàn)圈工位最佳工藝參數(shù)。

1.3 方法

根據(jù)覆蓋件的成形工藝分析，將成形工藝分為兩個(gè)工序：沖壓預(yù)成形工序和電磁輔助終成形工序。沖壓預(yù)成形工序?qū)辶吓c線(xiàn)圈置于模具內(nèi)指定位置后，進(jìn)行合模沖壓，為終成形過(guò)程做準(zhǔn)備。電磁輔助終成形工序是將預(yù)成形的板料和線(xiàn)圈固定并封閉于模具之間，通過(guò)高壓絕緣線(xiàn)將線(xiàn)圈接入電磁成形電氣系統(tǒng)，最終形成閉環(huán)電路。在保證試驗(yàn)環(huán)境高度絕緣和各夾具緊密配合的條件下，執(zhí)行充、放電過(guò)程完成電磁輔助終成形。試驗(yàn)工裝及電磁輔助成形線(xiàn)圈如圖2 所示。由于目標(biāo)件為對(duì)稱(chēng)細(xì)長(zhǎng)形零件，故選取其對(duì)稱(chēng)部分進(jìn)行試驗(yàn)工藝研究，在進(jìn)行電磁輔助終成形工序時(shí)采用4 個(gè)工步，依次進(jìn)行成形如圖1b 所示。試驗(yàn)所使用的可復(fù)用線(xiàn)圈如圖2b 所示，該線(xiàn)圈為單層電導(dǎo)系數(shù)較高的黃銅薄板材，其厚度為0.5 mm，根據(jù)覆蓋件的模具尺寸進(jìn)一步設(shè)計(jì)了線(xiàn)圈外形尺寸?？紤]到線(xiàn)圈需要連接電磁放電設(shè)備，將其端部設(shè)計(jì)為超出線(xiàn)圈底部50 mm；為使線(xiàn)圈盡可能覆蓋到整個(gè)板料表面并保證相鄰換向部位在成形過(guò)程中不容易相互接觸，故將線(xiàn)圈氣隙寬度設(shè)計(jì)成5 mm。線(xiàn)圈整體采用激光切割工藝制造。為了避免線(xiàn)圈在較高電壓（8 kV）環(huán)境下工作時(shí)被擊穿出現(xiàn)短路情況，特在線(xiàn)圈表面纏繞厚度為0.125 mm 的聚酰亞胺高壓絕緣層。制作單層線(xiàn)圈時(shí)僅包含單張金屬銅薄板，文中使用到的3 層線(xiàn)圈是指將3 張單層線(xiàn)圈完全重疊并固定在相對(duì)應(yīng)的工位進(jìn)行放電。最后，所設(shè)計(jì)的線(xiàn)圈主要成形區(qū)域范圍是150 mm×150 mm。

圖2 電磁輔助成形系統(tǒng)及線(xiàn)圈Fig.2 Electromagnetic assisted forming system and coil

2 結(jié)果與分析

文中采用試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法對(duì)汽車(chē)覆蓋件的成形工藝進(jìn)行研究，其中有限元的分析流程為：首先對(duì)輸入模型進(jìn)行初步的網(wǎng)格劃分，使用HPERMESH 軟件內(nèi)置TCL 語(yǔ)言根據(jù)網(wǎng)格特征修改對(duì)應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而逐步完成網(wǎng)格信息的關(guān)聯(lián)過(guò)程。然后進(jìn)行電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的單向耦合分析，分別使用ANSYS APDL 和ABAQUS 軟件的宏指令進(jìn)行編寫(xiě)、運(yùn)算。最后，通過(guò)Windows 批處理指令，可將仿真過(guò)程程式化，僅通過(guò)修改程序指令便可實(shí)現(xiàn)成形工藝的參數(shù)化分析，詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2.1 線(xiàn)圈模擬結(jié)果分析

對(duì)已確定的試驗(yàn)件（見(jiàn)圖1b）進(jìn)行試驗(yàn)與仿真，對(duì)于半徑R1和R2處的成形工藝所需要的線(xiàn)圈和電壓參數(shù)，文中采用文獻(xiàn)[18]推薦的工藝參數(shù)：成形半徑為R1時(shí)，選擇峰值電壓為8 kV，線(xiàn)圈層數(shù)為單層的成形參數(shù)，而在成形半徑為R2時(shí)，選擇峰值電壓為8 kV，線(xiàn)圈層數(shù)為3 的成形參數(shù)。對(duì)單層線(xiàn)圈進(jìn)行電磁場(chǎng)模擬，其結(jié)果如圖3a 所示，電磁力在平行段數(shù)值較低但分布均勻，而在邊緣的位置顯示出較高的電磁力。仿真發(fā)現(xiàn)，脈沖電流在輸入線(xiàn)圈后會(huì)產(chǎn)生“集邊效應(yīng)”，導(dǎo)致電磁力集中于線(xiàn)圈轉(zhuǎn)角和邊緣位置；線(xiàn)圈內(nèi)電流方向經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)角位置后發(fā)生改變，導(dǎo)致流入和流出轉(zhuǎn)角位置的電磁力方向相反。為充分利用該線(xiàn)圈電磁力的這種特性，設(shè)計(jì)了在每個(gè)工步中均設(shè)計(jì)2個(gè)工位進(jìn)行放電擊打，詳細(xì)工位位置如圖3b 所示。

圖3 試驗(yàn)件電磁力分析及擊打工位位置Fig.3 The electromagnetic force analysis and working position of the test piece

對(duì)于線(xiàn)圈層數(shù)的選擇，文中依據(jù)文獻(xiàn)[19]對(duì)線(xiàn)圈層數(shù)的研究成果確定線(xiàn)圈層數(shù)，該文獻(xiàn)指出在使用5層線(xiàn)圈成形6 mm 厚板料時(shí)，超過(guò)第3 層的線(xiàn)圈出現(xiàn)了電磁力方向與成形方向相反的情況，而該現(xiàn)象會(huì)造成電磁力直接作用在相鄰線(xiàn)圈而非作用于成形對(duì)象上，而容易導(dǎo)致線(xiàn)圈變形、損壞甚至失效。有限元模擬不同線(xiàn)圈的電磁力方向如圖4 所示，在放電時(shí)第1層線(xiàn)圈獲得的電磁力較大，第2 層和第3 層依次減小，從第4 層開(kāi)始出現(xiàn)電磁力反向作用，故文中選擇線(xiàn)圈的層數(shù)為1 和3 進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

圖4 有限元仿真所得不同層數(shù)的電磁力方向[19]Fig.4 The distribution and change rule of magnetic force in each layer of a four-layer coil

2.2 目標(biāo)件仿真結(jié)果分析

基于試驗(yàn)件的仿真和試驗(yàn)對(duì)比分析，獲得了成形目標(biāo)件的最佳工藝組合。在仿真計(jì)算前，還需對(duì)不同工步中的區(qū)域進(jìn)行實(shí)際放電擊打試驗(yàn)，以獲取目標(biāo)件成形時(shí)不同工位的電流-時(shí)間曲線(xiàn)，即8 組可供電磁場(chǎng)分析調(diào)用的電流數(shù)據(jù)?；趯?shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)的模擬，不同工位的打擊次數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果如表2 所示，各工步中不同工位的打擊次數(shù)分別獨(dú)立計(jì)數(shù)，例如工步1 中首先定位到工位1 位置放電擊打22 次；然后調(diào)整位置到工位2，重新計(jì)數(shù)，放電擊打34 次。不同工位的打擊次數(shù)隨工步1 至4 逐漸增大。

表2 有限元模擬放電擊打次數(shù)Tab.2 The number of discharge hits for finite element simulation

采用上述最佳工藝組合，對(duì)目標(biāo)件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后的目標(biāo)件如圖5 所示。目標(biāo)件工步4 區(qū)域的曲面形狀最為復(fù)雜，明顯觀察到區(qū)域中的“凸臺(tái)”及“筋肋”特征，但由于這兩個(gè)特征存在法蘭連接過(guò)渡部位，且電磁力在板料最下端的較小，難以起到壓料作用，導(dǎo)致了板料最下端出現(xiàn)了微小翹曲現(xiàn)象。

圖5 基于電磁輔助成形工藝的目標(biāo)件成形結(jié)果Fig.5 The forming result of target part based on electromagnetic assisted forming process

使用三維掃描儀對(duì)目標(biāo)件的成形結(jié)果進(jìn)行三維掃描及幾何重構(gòu)，如圖6 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)云圖的方式展現(xiàn)了試驗(yàn)結(jié)果和目標(biāo)形狀的尺寸誤差。從整體來(lái)看，基于電磁輔助成形的試驗(yàn)結(jié)果誤差較小且均勻分布在兩圓角特征附近。由圖6b 可知，成形出R1曲率半徑特征誤差較小，誤差基本為0，可認(rèn)為與理論尺寸幾乎重合；同時(shí)R2曲率半徑特征絕大部分誤差為0，最大誤差才達(dá)到0.8 mm，處于可接受的誤差范圍。此外，覆蓋件底部的誤差均勻且表現(xiàn)為0～0.7 mm，也處于可接受的誤差范圍。值得注意的是，覆蓋件最復(fù)雜的第4 工步中區(qū)域的“凸臺(tái)”特征中下部誤差為0～0.5 mm，說(shuō)明該特征已基本成形。但是，由于“凸臺(tái)”和“筋肋”特征連通，造成了成形“凸臺(tái)”上部位置所需電磁力數(shù)值要求更高，因而該部分成形誤差相對(duì)較大，最大誤差達(dá)到1～1.47 mm，且表現(xiàn)了數(shù)值相反誤差，說(shuō)明存在局部扭曲現(xiàn)象，該區(qū)域的工藝參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化。由于對(duì)試驗(yàn)后的目標(biāo)件采用了三維掃描逆向重構(gòu)建模技術(shù)，所獲得重構(gòu)件可以認(rèn)為是真實(shí)變形后的零件，與之對(duì)比的是從模具型腔內(nèi)提取出的型面，兩者之間的絕對(duì)誤差即為相對(duì)誤差。

圖6 目標(biāo)件的三維幾何重構(gòu)及誤差云圖Fig.6 Three-dimensional geometric reconstruction of target part and error nephogram

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電磁輔助成形工藝，制定了線(xiàn)圈、工裝和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及有限元單向耦合仿真模擬成形過(guò)程的研究方案?；谠囼?yàn)結(jié)果和仿真的對(duì)比、分析，驗(yàn)證了使用成本低、可快速制造和替換的可復(fù)用薄層線(xiàn)圈進(jìn)行電磁輔助成形加工的可行性，并得到如下結(jié)論。

1）通過(guò)試驗(yàn)與有限元仿真分析驗(yàn)證了電磁輔助成形的可行性，同時(shí)提出了采用單層可復(fù)用線(xiàn)圈進(jìn)行電磁輔助成形的方法，為大型復(fù)雜零件的局部特征成形提供了新的思路。

2）通過(guò)有限元仿真確定了基于電磁輔助成形鋁合金覆蓋件的最佳成形工藝參數(shù)?；谠囼?yàn)與仿真結(jié)果分析，不同圓角特征的成形過(guò)程應(yīng)采用不同的工藝參數(shù)組合：即成形R1采用峰值電壓為8 kV 的單層0.5 mm 線(xiàn)圈的成形參數(shù)，4 個(gè)工步中工位1 的放電次數(shù)依次為22，28，36，44；成形R2采用峰值電壓為8 kV 的3 層0.5 mm 線(xiàn)圈的成形參數(shù)，4 個(gè)工步中工位2 的放電次數(shù)依次為34，42，46，58。

該方法目前還處于探索的初期階段，未來(lái)有望從以下方面進(jìn)一步改進(jìn)：提高線(xiàn)圈在電磁輔助成形中的加工效率；擬合試驗(yàn)電流數(shù)據(jù)，減少試驗(yàn)次數(shù)；改善試驗(yàn)環(huán)境以提高成形系統(tǒng)能量利用率等。