發(fā)布時(shí)間：2018-01-27 01:23

  本文關(guān)鍵詞： 電磁成形 強(qiáng)磁場(chǎng) 鋁合金 大尺寸板件　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：節(jié)能、環(huán)保與安全是當(dāng)今航空航天、汽車等領(lǐng)域的重要主題,而采用輕量化材料和技術(shù)可顯著提高航空航天運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)性能和承載能力,是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。其中,鋁合金作為一種常見(jiàn)且易回收的輕量化材料,被公認(rèn)是汽車輕量化的理想材料。但傳統(tǒng)的加工工藝在加工大尺寸鋁合金板件時(shí)并不理想。隨著零件日趨大型化、整體化和高性能化,現(xiàn)有的加工技術(shù)難以適應(yīng)這一發(fā)展需要。而電磁成形技術(shù)則是突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的最有潛力的方法之一。電磁成形(Electromagnetic forming, EMF)是利用洛倫茲力使金屬材料快速變形的一類高速率加工方法,具有高應(yīng)變率、非接觸等特點(diǎn),可以顯著提高材料的成形極限,有效減少零件回彈,并抑制材料起皺。此外,電磁成形還具有單次加工成本低廉、成形過(guò)程無(wú)生態(tài)污染等特點(diǎn),屬于綠色制造。電磁成形技術(shù)的發(fā)展將是現(xiàn)有鋁合金成形技術(shù)的重要補(bǔ)充,是突破大尺寸鋁合金板件制造的新途徑,是實(shí)現(xiàn)輕量化制造的有效手段。然而,傳統(tǒng)電磁成形工藝由于存在電源能量低、磁場(chǎng)強(qiáng)度低、線圈強(qiáng)度不高、成形手段單一等缺點(diǎn),其應(yīng)用局限于小型構(gòu)件的成形制造,無(wú)法滿足大尺寸鋁合金板件的成形需求。針對(duì)這一難題,本文擬重點(diǎn)開(kāi)展大尺寸鋁合金板件的成形力場(chǎng)設(shè)計(jì)、成形系統(tǒng)的研制及成形行為研究,力圖突破現(xiàn)有電磁成形的技術(shù)瓶頸,提升電磁成形加工能力,實(shí)現(xiàn)大尺寸鋁合金板件的有效成形。具體研究?jī)?nèi)容為：電磁成形數(shù)值研究方面,在充分考慮工件位移、速度和變形對(duì)工件運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響的基礎(chǔ)上,建立了電磁成形過(guò)程中涉及的電路、磁場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合有限元模型,并基于多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)高速塑性變形過(guò)程中工件渦流、電磁力、速度及位移等關(guān)鍵物理量的變化特性進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析。與現(xiàn)有的松散耦合和順序耦合方法相比,該方法通過(guò)在電路方程和Maxwell方程組中引入隨位移變化的電感變量和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),真正意義上實(shí)現(xiàn)電磁成形過(guò)程中電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的全耦合,提高了高速、大變形過(guò)程中的求解精度,為文中成形力場(chǎng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有效手段。電磁成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制方面,為突破現(xiàn)有電磁成形工藝的能力瓶頸,在電磁成形電源、成形線圈、成形力場(chǎng)的產(chǎn)生和調(diào)控方法三個(gè)方面展開(kāi)了研究：(1)成形電源方面,通過(guò)采用模塊化脈沖電容器電源技術(shù),將電磁成形電源容量從50 kJ提升到了幾個(gè)MJ;通過(guò)采用高功率晶閘管閥組,實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電過(guò)程的精確控制；通過(guò)引入續(xù)流回路,改善了成形過(guò)程中的放電電流波形。(2)成形線圈方面,通過(guò)引入層間加固技術(shù),采用高強(qiáng)度纖維分擔(dān)線圈內(nèi)部導(dǎo)體的應(yīng)力,極大的增強(qiáng)了線圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,并進(jìn)而提高了線圈的成形能力。同時(shí),通過(guò)對(duì)繞線式和切割式兩種工藝的改進(jìn),解決了大尺寸成形線圈難以加工的難題。(3)成形力場(chǎng)的產(chǎn)生與調(diào)控方面,通過(guò)引入多線圈多電源時(shí)序控制,在時(shí)間和空間上形成了更靈活的力場(chǎng)分布。電磁成形實(shí)驗(yàn)方面,針對(duì)大尺寸鋁合金板件提出了分步電磁成形方案,通過(guò)在多次成形工序中逐步降低線圈與工件間距來(lái)增大和改善工件電磁力分布,進(jìn)而提高成形效率。在此基礎(chǔ)上,研制了小型高強(qiáng)度成形線圈,對(duì)直徑440mm的1060鋁合金板件進(jìn)行了電磁整體成形實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)獲得的工件貼模誤差不超過(guò)1%,充分驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。進(jìn)一步,針對(duì)目前大尺寸構(gòu)件成形受壓力機(jī)臺(tái)面尺寸限制這一難題,提出了電磁壓邊、慣性約束方案來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)壓力機(jī)式電磁成形。為了驗(yàn)證該方案及樣機(jī)的有效性,研制了電磁壓邊-成形一體化樣機(jī),初步完成了直徑1380mm的5系鋁合金板件的電磁整體成形,最大成形高度達(dá)160mm,是目前有報(bào)道或文獻(xiàn)可查的最大的電磁成形件,充分證明了電磁成形工藝在成形大尺寸鋁合金板件上的巨大潛力。
[Abstract]:Electromagnetic forming ( EMF ) is one of the most promising methods to solve the problems of high strain rate , non - contact and so on . In order to solve the problem of difficult processing of large - sized forming coils by introducing multi - coil multi - power supply technology , the electromagnetic forming power is improved by introducing multi - coil multi - supply timing control .

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG146.21;TG391

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本文編號(hào)：1467156