付红栓 李赵 金立玺
上海市特种设备监督检验技术研究院 上海市 200062
摘要：电磁成形法是高速成形方法之一，其特点使之具有较高的经济性和实用性，对一些特殊零件是优先选用的工艺方法。对压力容器爆破片的电磁成形工艺进行了实验研究，讨论了充电电容、充电电压、坯料厚度和线圈与工件的距离对成形的影响，比较了应变分布规律，提出了用该形状零件作为薄板件电磁成形的标准工艺参数研究实验，可以用于研究薄板件电磁成形的各种电参数、材料参数、线圈参数和位置参数的变化规律。
关键词：电磁成形；爆破片；工艺
0引言
电磁成形工艺不需要成对的刚性模具，模具工装简单，加工容易，成本低，制造周期短；产品零件精度高，冻结性好，弹复变形小。该技术适用于生产形状复杂的大尺寸板材零件和小批量多变薄板产品，适合车辆运载工具、化工设备、仪器仪表等行业的薄壁产品的制造、装配联结，在欧美、日本和俄罗斯等国已得到大量应用。爆破片是压力容器及管道和其他受压密闭装置和设备的防超压安全附件之一，其作用相当于电器设备上的保险丝。爆破片均为薄板制造，尺寸可以是直径几个毫米到几百毫米，传统冲压方法为气压成形或液压成形，难以保证其质量和性能要求。利用电磁成形工艺成形不仅可得到优良的产品，还可以实现较好的经济效益。此外，还可以通过本实验研究电磁成形的合理模具结构和工艺参数。
1电磁成形简介
电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。因为在成形过程中载荷是以脉冲的方式作用于毛坯的，因此又称为磁脉冲成形。图1为典型电磁成形系统的原理图。该系统由带高能电容的低电感电路和高压开关构成。当开关闭合时，工作线圈中会流过高频脉冲电流，由电磁感应现象，导体工件就会在洛仑兹力的作用下产生背离线圈的变形。集磁器可用来改变简单线圈产生的磁场，使工件在指定部位产生变形。
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电磁成形与其它加工方法的主要区别是：磁场力在瞬间作用于毛坯上且无机械接触，所以是一种高速度、高质量的加工方法。它具有如下特点：（1）电磁成形过程中，在脉冲压力作用下，工件获得很大的加速度，可以大幅度提高材料的成形极限；（2）磁场可以通过非导体材料，所以可以对非金属涂层或放在容器内的工件进行成形加工；（3）电磁成形属单模成形，简化了模具制造，增加了加工柔性；（4）电磁成形可对复杂零件进行高精度加工，残余应力小，回弹小；（5）电磁成形可进行复合加工，因而缩短加工周期；（6）电磁成形具有纯电磁特性，与其它高速高能加工方法相比，容易实现能量控制和生产自动化、机械化；（7）具有很大的工艺灵活性，同一感应线圈可以进行多种加工。电磁成形技术主要应用于航空、航天、兵器、汽车制造及电子等领域。在国防领域，用于大型构件的精密校形、膜片无毛刺冲裁、异型管的加工、复杂外形管件加工、飞机操纵杆的连接、核燃料棒的成形、核废料容器的密封等。在汽车制造业方面，采用冲压—电磁成形复合工艺，可以大大提高铝合金覆盖件的成形极限和精度。在电子领域，用电磁成形一次放电完成小电机外壳和骨架的固定装配。另外。超大型电磁成形设备也已被用于火箭上燃料室零件的生产以及飞行器气体涡轮发动机热交换器的连接。
2实验具体内容
2.1实验设备、线圈和工装模具
本项目所用电磁成形设备为本研究室研制的14.4kJ电磁成形机。充电电流为2.5A，最大充电电压为5000V，电容量可以安装1～6个190微法电容器，总储存能量14.4kJ，最大充电时间15s。成形线圈是电磁成形工艺的关键部件，本实验所用的平板线圈外径为90mm(最大坯料外径亦为90mm)。线圈骨架用强度较高的高分子尼龙棒，导线采用带环氧玻璃丝绝缘层的矩形截面电磁线，截面尺寸为5.5mm×1.5mm，其绝缘层耐高压6kV。线圈平面要低于骨架端面0.5mm，让环氧树脂充填其间，以保证线圈和坯料间的间隙和增加线圈表面的绝缘性。线圈的每匝之间也要适当地留有间隙以充填环氧树脂，这样可以起紧固和保证绝缘的作用。
对于导电能力很好的纯铝坯料，可以采用直接感应成形工装。工作时电容器对工作线圈放电，放电瞬间在金属坯料内产生感应电流，使预先储存在电容器内的电场能转化为磁场能，直接对坯料施加力，利用凹模实现贴模成形。为了防止工作线圈受磁场力作用的向上运动，采用了模架固定。
对于导电性不好，或导电性虽好但坯料厚度小于磁场渗透深度的薄板料，应该采用传压介质成形的工装。利用驱动片，弹性介质，将磁场能传递给坯料，通过凹模实现贴模成形。这与前一种装置的区别只是增加了驱动片，弹性介质，其它部分可以互换，可以通过调节模架进行改装。
2.2工艺参数
工艺参数包括：(1)电参数：电压、电容、回路电阻、回路电感；(2)线圈参数：外形尺寸、导线尺寸、匝数、电感量等；(3)坯料参数：坯料厚度、尺寸和机械性能；(4)位置参数：线圈和坯料之间的相对位置。本项目采用了某厂生产的纯铝(L2Y4)爆破片设计规范，对厚1.0mm、直径80mm的典型爆破片进行了电磁成形实验研究。
2.3直接感应成形实验
由于本实验所用纯铝坯料很薄，虽然导电性很好，但缺少壁厚与磁场渗透关系的数据，因此对直接感应成形和利用传压介质成形两种方法都进行了实验。由于本实验所用纯铝坯料很薄，虽然导电性很好，但缺少壁厚与磁场渗透关系的数据，因此对直接感应成形和利用传压介质成形两种方法都进行了实验。
直接感应成形法具有成形快、能量损失小，但易产生夹气，贴合不好。坯料初始直径为90mm，厚1mm，电容量为2×190μF，电压2.5kV。但结果却出现了中间夹气泡，工作不能很好贴合。原因分析有：(a)透气不够；(b)线圈放置不正造成中间无力；(c)磁场力不均。分析认为，透气不好是一重要原因；而由于中间接线柱引起的中间部位无法产生感应电磁力是另一重要原因。我们对凹模进行了改进，在凹模上钻了4个小孔以利透气。结果不但中间仍不贴合，4小孔部位还产生了分离现象。看来用直接感应成形法很难解决这些问题。
2.4利用传压介质的间接感应成形实验
利用传压介质成形法具有如下优点：可避免磁场不均匀性；可成形电导率低的材料，因而可扩大加工范围。缺点是能量利用率低。当电容量为2×190μF时，电压加至4.5kV仍不能成形。当电容量为3×190μF时，随着电压的增加而坯料深度增加，适当值时坯料完全贴模；再增大时则会出现透气孔的印迹。实验结果证明间接感应成形法适合爆破片的成形。
3结束语
可以得到如下结论：(a)随着电压的升高，成形深度增加；(b)电压与成形深度在完全贴合前呈线性关系，尔后加大电压时由于小气孔的影响出现局部胀形而增加趋缓；(c)电压在3.75kV时坯料贴合最好，过小时不能完全贴模；过大时透气孔出现局部胀形；(d)可通过同时改变电压及修模两种方法来保证零件精度。当电容增大时，坯料贴模所需能量减小。即大电容有利于爆破片的成形。原因是当电容增大时，脉冲电流的频率减小，瞬间磁场力增大，引起磁场渗透深度增大和橡胶刚度的变化。坯料厚度对成形的影响：采用同样实验材料、传力介质、驱动片尺寸进行厚度对比实验。可见，随着厚度的增加，成形能量增加很多，增加近两倍。零件的精度与材料的冻结性能有关，冻结性能好的材料其精度高，弹复变形小。厚度大的材料有相对高的冻结性能，因此其精度要比薄料好。但厚料需相当高的成形能量，设备能力也有限，因此还是应该寻求其它途径改善薄料的成形精度。至于坯料厚度对成形精度和成形能量的更详细影响，需要进行更多的实验。
参考文献
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