学术简报︱双线圈轴向压缩式管件电磁胀形方法，提升工件加工质量

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摘要

三峡大学电气与新能源学院、梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室的研究人员邱立、杨新森、常鹏、熊奇、苏攀，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“双线圈轴向压缩式管件电磁胀形电磁力分布规律与管件成形性能研究”）指出，三线圈轴向压缩式管件电磁胀形能够实现工件的轴向流动，解决传统管件电磁胀形存在的壁厚减薄问题，但其工装结构复杂、线圈配合困难，导致其实际成形效果并不理想。

为了更加简单有效地实现轴向电磁力与径向电磁力双向加载，本文首次提出双线圈轴向压缩式管件电磁胀形方法。该方法仅在管件顶部与底部对称设置驱动线圈，通过分析优化驱动线圈的几何参数及线圈与管件的相对位置，为管件提供合理的电磁力分布。

此外，建立管件电磁胀形过程的电磁-结构耦合有限元模型，对比分析单线圈、三线圈和双线圈管件电磁胀形电磁力分布规律与管件成形性能，进一步研究驱动线圈几何参数对电磁力分布和管件壁厚的影响规律。

分析结果显示，管件内壁胀形量相同时，因双线圈加载能够产生更大的轴向电磁力，壁厚减薄量较单线圈减小28.2%。显然，双线圈轴向压缩式管件电磁胀形亦能解决管件壁厚减薄的问题，且其工装结构简单、线圈配合容易，具有更加明显的技术优势与应用前景。

采用轻质合金代替传统钢材能够有效减轻发射、飞行质量，提高发动机效率，降低运行成本，是航空航天、汽车工业等领域发展趋势之一。然而，轻质合金材料室温成形塑性较低，局部拉延性差，容易产生裂纹，回弹较大，采用传统加工工艺加工效果并不理想。

电磁成形是一种利用脉冲电磁力驱动金属工件加速并变形的高速率加工技术。与传统机械加工工艺相比，电磁成形具有高应变率、非接触、单模具等技术优势。其中，因高应变率能有效提高材料的成形极限，电磁成形已逐渐成为解决轻质合金加工困难的有效方法之一。

因电磁成形在轻质合金加工领域具有巨大潜力，美国能源部、欧盟框架计划、中国国家重点基础研究发展计划等相继资助电磁成形技术。美国俄亥俄州立大学、德国多特蒙德工业大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等单位对电磁成形技术进行深入研究，持续推动电磁成形工业应用进程。

根据工件类型不同，电磁成形可分为板件电磁成形和管件电磁成形。根据电磁力加载方向不同，管件电磁成形可分为管件电磁胀形和管件电磁压缩。通常，管件电磁胀形时，采用单个螺线管线圈为管件提供电磁力，因螺线管驱动线圈结构的限制，此时电磁力以径向分量为主，导致管件壁厚会随着胀形量的增大而减薄，无法同时满足胀形量和管件强度的要求。

三峡大学邱立课题组首次提出轴向压缩式管件电磁胀形，该方法采用径向电磁力与轴向电磁力双向加载，在管件发生径向胀形的同时亦发生轴向流动，从而减小管件成形过程中的壁厚减薄量，提高成形管件的机械强度。

然而，这一方法采用三线圈系统实现，工装结构复杂，特别是当成形管件轴向尺寸较小时，中间胀形线圈绕制过程中不可避免存在导线多次换层结构，由其产生的电磁力不均匀，导致管件胀形质量并不理想。

为了解决三线圈轴向压缩式管件电磁胀形存在的因工装复杂导致的胀形质量欠佳问题，本文通过简化线圈结构，提出了双线圈轴向压缩式管件电磁胀形方法。从双线圈轴向压缩式管件电磁胀形基本原理出发，对比分析传统单线圈、三线圈轴向压缩式及双线圈轴向压缩式管件电磁胀形电磁力分布规律与管件成形性能，进一步分析驱动线圈几何尺寸对壁厚减薄量的影响规律，最终针对特定的管件设计了较为合理的驱动线圈结构。

图1  管件电磁胀形示意图

总结

针对三线圈轴向压缩式管件电磁胀形存在的工装复杂、配合困难等问题，本文提出双线圈轴向压缩式管件电磁胀形方法。研究表明，双线圈轴向压缩式管件电磁胀形能够为工件同时提供径向电磁力与轴向电磁力；因为缺少中间胀形线圈，径向电磁力明显减小，导致轴向电磁力与径向电磁力的比值增大；管件内壁胀形量相同时，因双线圈加载能够产生更大的轴向电磁力，壁厚减薄量较单线圈明显减小，可使成形工件的胀形量和壁厚减薄量同时满足加工要求。后续将根据相关仿真研究构建实验，验证双线圈轴向压缩式管件电磁胀形的实际效果。