三峡大学科研人员发布成果,可解决双线圈吸引式板件电磁成形过程中存在的涡流竞争问题
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电磁成形是利用脉冲电磁力实现轻质合金快速塑性成形的一种高能率加工技术,可显著提高材料的成形极限并改善成形性能。吸引式电磁成形则是其中的一种独特应用,利用两种不同脉宽的电流驱动同一线圈来产生吸引式电磁力,适用于板件凹痕修复、微小管件成形等领域。单线圈结构对两种电流的参数匹配要求非常严格,且能量利用效率极低。
为解决这一问题,三峡大学电气与新能源学院、三峡大学湖北省输电线路工程技术研究中心的研究人员熊奇、杨猛、周丽君、宋先祺、李哲,在2021年第10期《电工技术学报》上撰文,提出两种电流各自驱动一个线圈的双线圈结构吸引式电磁成形方案,并进行仿真验证。
然而研究过程中发现,双线圈结构带来新的涡流密度竞争现象,将会引起成形缺陷。为了消除这一缺陷,科研人员进一步研究涡流竞争产生的原因和机制,最终通过调整线圈的结构参数,在直径200mm的AA1060-H28铝合金板件双线圈吸引式电磁成形方案中,消除成形缺陷。相关研究结果能够加深对吸引式板件电磁成形过程的理解,对于拓展电磁成形技术在板件加工上的应用具有重要意义。
电磁成形(Electromagnetic Forming, EMF)是一种在线圈中通以脉冲大电流来产生脉冲磁场,进而在金属材料中感应涡流密度,涡流密度和磁场共同作用产生洛伦兹力,从而驱动工件发生塑性变形的一种高速率成形方法。该技术能显著提高铝、镁等轻质合金的成形极限,抑制起皱,减小回弹,在轻质合金的加工上具有巨大潜力。目前,这一技术广泛地应用于金属管件和板件的电磁胀形、电磁压缩、电磁冲压和电磁焊接等工艺。
图1 双线圈吸引式板件成形系统
双线圈方案相对于单线圈方案更加灵活,然而也带来了新的问题。在单线圈方案中,工件上产生的感应涡流密度方向在同一时间是保持一致的。然而,在双线圈方案中,则会同一时间在工件的不同位置存在方向相反的感应涡流密度,进而导致电磁力分布不一致,在工件整体区域受吸引力作用时,其局部区域仍然存在排斥力并最终导致成形件上产生凹痕。这种涡流竞争现象是双线圈方案的固有属性,无法忽略,如何消除其对成形效果的影响也亟待研究。
图2 双线圈吸引式板件成形仿真模型
图3 板件吸引式成形仿真算法流程