基于不銹鋼管件電磁成形技術研究線圈結構參數的意義和現狀

 目前，不銹鋼管件電磁脹形、縮徑以及管件連接等技術在航空制造業中大量的應用，在很大程度上提高了航空管件的生產效率、縮短了其生產周期，但是在某些情況下仍存在許多問題，如當不銹鋼管件口徑較小時限制了許多電磁成形的必要條件；管件材料為導電性較差的新型材料，在電磁成形過程中產生的感應磁場較弱；成形線圈在放電時由于纏繞方式、絕緣措施、截面形狀等選擇不當造成破裂，給實際生產帶來了許多困難，難以滿足管件的加工需求。隨著電磁成形技術應用不斷的深入，這些主要以常見通用管件為研究對象的研究方法，已經難以滿足現代輕量化、復雜化的航空制造業生產需求，具體體現在以下方面：

 1. 因為鈦合金具有比強度高、高溫性能好、耐腐蝕等特點被廣泛應用于航空航天領域，尤其是航空發動機、戰斗機等武器裝備，因為這些裝備都有較高的推重比，所以鈦合金加工技術發展對我國國防裝備的影響越來越大。鈦合金管材在航空航天等領域應用廣泛, 例如飛機的液壓管路、燃油管路等都采用鈦合金管，在制造業發達的國家電磁成形技術已成為加工鋁鎂合金管件的關鍵性技術，但現階段航空發動機等飛機重要部件不斷的發展，對其提出了更高的結構、性能要求，常見鋁鎂合金管件已經逐漸被質量輕、性能優異的鈦合金管件所替代，新型管件的電磁加工使成形線圈的各項成形參數以及輔助配件結構的選擇帶來了新的困難。

 2. 管路系統在航空發動機中占有很大的一部分，管路系統的可靠性和持久性是影響飛行安全、降低維修成本和滿足適航要求的重要因素，因此飛機管路系統的水平的高低直接影響了其整體的性能優劣。當航空制造業發展速度迅猛，航空發動機質量輕、結構緊湊成為衡量其性能優劣的重要參考，小直徑管件的加工成為亟待解決的問題。與普通管件電磁成形加工相比，小直徑管件無法采用電磁脹形對其進行加工且成形線圈產生的感應磁場強度較小，采用傳統電磁成形方法無法滿足這一類管件的成形加工要求。

 3. 在電磁脹形加工的實際操作過程中，經常將成形線圈完全放置在被成形管件中，很少考慮到線圈的成形深度對不銹鋼管件加工的影響，管件和成形線圈的位置關系在一定程度上會影響管件加工效果。同時在成形線圈繞制過程中由于絕緣措施不完善，在放電過程中極有可能產生線圈破裂現象，導致成形能量利用率降低，影響加工效果。

 為解決以上提出的問題，彌補當前電磁成形技術存在的一些不足，研究成形線圈的各項結構參數對加工小直徑以及航空新型材料管件有著重要意義，通過對成形線圈各項參數的研究以及選擇，解決當前航空小型管件電磁加工方面的問題，以滿足航空管件制造裝配等各項加工要求。

 浙江至德鋼業有限公司研究成形線圈的結構參數必須以電磁成形技術為基礎，二者相互結合通過電磁成形原理來選擇各項結構參數。上世紀20年代，美國學者在試驗過程中觀察到線圈放置在脈沖磁場中自身容易產生脹大和脹破，這一現象引起了其他學者的廣泛關注，產生了電磁成形技術。一直到1958年，美國通用電力公司制造出了第一臺電磁成形設備并公開展示。隨后電磁成形技術飛速發展，伴隨著有限元思想的出現與日益成熟，使用有限元技術對電磁成形理論進行研究逐漸興起并取得一些重要成果。浙江至德鋼業有限公司利用電磁成形技術對薄壁不銹鋼管件進行電磁校形，通過對管件校形后得出，對工藝參數進行調整能夠有效的改善校形系統能量較低且校形效果不明顯時工件的成形結果，同時增加放電次數能夠進一步改善其加工效果；提出利用成形線圈產生的電磁力使不銹鋼管件高速撞擊成形模具進行管件成形，通過建立一個軸對稱的二維電磁模型模擬出線圈產生的磁場以及磁場力，并且在模擬過程中將放電時間的每一個步長產生的電磁力作為不銹鋼管件受到的初始載荷，得出不同的管件加工區域可以根據不同的工藝參數增厚或者變薄，并且放電電壓的增加使成形模具的厚度有所降低；對成形線圈的在放電過程中產生的焦耳熱與溫度之間的關系進行了詳細的研究得到計算單匝線圈焦耳熱損失的分析方法，分析得出：在高脈沖成形電壓的條件下，由于成形線圈溫度較高會改變其自身電導率，此時需要考慮溫度對工件成形時的影響，與恒定電導率相比較，在溫度的影響下，成形線圈的熱損失超過了20%。

 我國在電磁成形技術方面的研究起步較晚，直到20世紀60年代才開始對其進行初步研究，哈爾濱工業大學在70年代末期開始對電磁成形技術的基礎理論及其工藝進行研究，在前期的理論研究基礎上，在1986年成功研制出了我國第一臺電磁試驗機。90年代中期，陳志強等人設計出了MF-16K型電磁成形機，并且使用此臺機器對兩種彈箭產品完成裝配。21世紀初，由于科研能力的迅速提高，我國在電磁成形領域也有了許多突破性進展。于云程等人對純鋁管件和不銹鋼管件進行了初步的電磁校形過程分析，得出了放電電壓是影響不銹鋼管件端口校形的關鍵因素，增加放電次數能有效地解決放電能量低時形變小，貼模差的問題，但增加放電次數不能完全解決校形精度差的問題；趙志衡等人分析了管坯電磁成形時線圈的受力情況并采用數值模擬的方法得到了磁脈沖成形時線圈所受到的磁壓力分布；使用復雜成形線圈成形時，其成形過程也較為復雜，成形線圈產生的電磁力的分布以及數值大小均與成形線圈有關；于海平等人采用半耦合的方式對不銹鋼管件電磁縮徑過程進行了分析，得出在一定條件下管件中部變形均勻縮徑量大，端部變形梯度大縮徑量??；近幾年電磁成形在我國各大院校以及研究院又取得了許多突破性的進展，趙志學對集磁器線圈進行了理論和結構分析，通過對其模擬得出調節集磁器錐角大小可以提高集磁器電感和工作區電流與總感應電流的比例；牛垣絎模擬了電磁脹環的高速變形過程并對其相關測量技術進行了研究，研究提出了一種基于羅科線圈的間接測量方法，并利用此方法測量出電磁成形過程中感應電流的大小。至德鋼業研究了不銹鋼管件在電磁脹形過程中的吸能特性，建立出電磁脹形管件的軸向壓潰有限元模型，通過與實際試驗的對比得出帶有約束的電磁脹形管件的總吸能均有所提高。陳如明等人研究了電磁成形中放電頻率對被加工工件的變形影響，利用ANSYS有限元分析軟件對各種不同厚度的工件進行依次模擬，得出不同厚度工件的最優放電頻率。