基于电磁力驱动的筒形件冲压成形的数值模拟和实验研究

作     者：黎镇浩 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹全梁

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电磁成形 电磁力驱动 筒形件成形 电流丝法 场路耦合 

摘      要：以铝合金为代表的轻质高强度材料在航空航天、汽车等制造领域具有广泛的应用价值,是实现构件轻量化和节能减排的重要途径。然而,铝合金材料在常温下的塑性性能较差,传统准静态成形工艺下铝合金构件容易出现起皱、回弹和破裂等问题。为了改善铝合金材料的成形性能,学者们提出了多种不同激励源下的高速成形技术,其中电磁成形技术因具有系统结构简单、容易实现能量控制和生产自动化等优势而备受关注。研究表明,电磁成形技术因其成形速率高而有利于增强铝合金材料的塑性,提高成形极限,抑制起皱及减小回弹等。但是,电磁成形为单模具成形工艺,将其应用于铝合金筒形件成形时存在工件形状精确控制难和贴模难等问题。为解决上述问题,本文整合现有电磁成形技术和传统准静态冲压成形方法,提出了一种基于电磁力驱动的新型冲压成形方法,通过利用驱动板中产生的脉冲电磁力驱动冲头实现板材的快速成形,兼具高成形速率和工件形状可控的优势。在此基础上,系统开展了这一成形体系下的金属工件变形的数值模拟和实验研究,相关研究成果为实现大深度铝合金筒形件的高性能成形提供了可行途径,具有一定的理论价值和实践意义。在数值模拟研究方面,为解决现有电磁场-结构场耦合有限元数值模型在工件发生大/复杂变形时出现的空气网格畸变问题,本文建立了基于改进型电流丝法的场路耦合数值模型,为探究工件的成形特征和成形规律提供有效的仿真手段。其中,通过采用基于等效电路的电流丝法,实现了电磁成形过程中线圈电流的预测和工件电磁力的计算,并针对传统型电流丝法无法模拟线圈趋肤效应的不足,本文对线圈的每一匝导线作进一步细分,提出了改进型电流丝法。结果表明,与传统电流丝法相比,本文所提出的方法因校正了电流丝之间互感梯度的分布而显著提高了电磁力的计算精度。在此基础上,将基于改进电流丝法的电磁场计算和基于有限元法的结构场仿真结合,构建了基于改进型电流丝法的场路耦合数值模型,实现了大深度铝合金筒形件高速变形行为的精确预测和分析。在实验研究方面,本文搭建了一套基于电磁力驱动的冲压成形系统,以拉深比为2的5052-O态铝合金工件为研究对象,系统开展了工件在不同放电参数下的成形特性研究。具体研究内容包括:结合数值模拟和实验手段,通过调整电容容量、电源回路拓扑结构(有无续流回路)等探究了不同参数下的工件成形特性,明确了电流波数、振荡频率及振荡模式对工件变形量的影响规律,并结合成形过程中的电磁力及冲量变化特性揭示了相关影响机制;实验验证了所提出的冲压成形方法的有效性,通过对驱动线圈进行2次放电(总放电能量32kJ),实现了深度为66.4mm的铝合金筒形件成形。与现有的电磁辅助冲压成形方法相比,本文方法所需的放电次数和放电能量均大幅降低,且大大简化了成形工艺。最后,本文初步探究了利用辅助线圈进一步改善成形工件厚度分布的可行性。结果表明,采用辅助线圈后,工件法兰的流动在径向电磁力的作用下明显增强,成形工件的最大减薄率从9.06%减小为6.56%,该方法为实现更大拉深比的筒形件成形提供了可能。