电磁成形翻边过程的研究

锻压技术 2001 年
第2 期
电磁成形翻边过程的研究
上海交通大学教育部高温材料及高温测试开放实验室（ 200030 ） 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院
邱春城!
李洪涛
摘要 过程。 关键词
对玻璃瓶的电磁成形封装工艺的翻边过程进行了研究，试验表明成形的效果对线圈位置
敏感。数值模拟表明：线圈的位置影响成形电磁力大小和分布，翻边的高速成形过程类似波的传输 电磁成形 数值模拟 翻边 波 310 N ，使翻边部分的材料长度达到3. 0 mm 。为防止 电磁成形的瞬时冲击力对玻璃瓶和线圈的破坏，设 计出专用工装模具和成形线圈。线圈采用矩形截面 电磁成形是一种高速成形工艺，具有模具简单， 成形精度高，精确可控的特点，广泛应用于航空、 航天、电子和化工等领域，同时被公认为是一种良
参考文献(7条) 1.冯慈章 电磁场 1991 2.邱春城 电磁成形管联结及瓶封装工艺研究 1997 3.佐野利男 电磁力による超高速加工法 1984(36) 4.贺锡纯;段其平 脉冲磁场用于金属成形的问题的探讨 1990(06) 5.张守彬 电磁成形胀管过程的研究及工程计算方法[学位论文] 1990 6.W S Huang Jointing of Copper to Polyurethane Tube by Electromagnetic Pulse Forming 1993(37) 7.刘克璋 脉冲加工技术 1985(06)
察全过程，对工艺的优化和理论分析带来困难。为 此进行了数值模拟，并作以下基本假设： （ 1 ）瓶盖 材料为理想圆度，各向同性的薄壁件； （ 2 ）材料在 高速变形时服从粘塑性模型； （ 3 ）材料在变形过程 中满足体积不变条件。
2 由于本放电回路满足 R 2 ! 1 ，故放电电流i 1 LC 4L ［ ］ 4 为 ：
表l 成形线圈参数表
截面尺寸 高度 （mm> mm ） （mm ） 1. 46 > 4. 00 4. 00 匝数 1 电感 内径 电阻 引出极长度 （mm ） 20 （! ~ ） （mm ） （! "） 0. 0059 21. 80 2. 5
磁成形封装工艺的翻边过程进行了较为系统的研究， 确定了线圈位置对电磁成形的影响。
C —等效电容 电流是随时间周期性衰减的振荡波形。用毕奥 萨伐尔定律计算 N 处长度为 d L 的电流元I 在1 处 ［ 8］ （距离为r NP ）产生的磁感应强度 ：
图3 工件上感生电流随线圈坐标位置变化 （ ）线圈在（ （ a -1 ， 1. 5 ） b ）线圈在（-1 ， 3）
材料翻边变形的模拟结果如图4 、 5 所示，线圈 水平正对处的材料受力最大，它首先运动向上移， 能量集中于波前位置，由于周围材料的牵制，随时 间推移波前位置向翻边材料的末端移动，且与感生 电流的分布对应，线圈位置变化，受力位置也随之 变化。高速翻边过程是一个类似波的能量传递过程， 具有波的传输特性。 线圈正对处的材料受力最大，安装时线圈应避 免正对无需翻边变形的部位，否则此部分的瓶受力 过大而破碎，当线圈位于需翻边材料的下部时，因
（ 3）
由于盖呈轴对称，只须分析轴向的某一窄条的 变形，即可代表整个工件的翻边过程，将窄条离散 为一系列微元。B 作用于电流为I 长度为 d L 的导 ［ 8］ 体的电磁力为 ：
R 0 ! i1= exp > si n （! t） ! L 2L
式中 !—角频率，!=
（
）
（ 1）
L —等效电感 R —等效电阻
二、实验研究
实验工装如图 1 所示。电磁力使底部的铝盖材 料翻边后紧贴在玻璃瓶上，同时保证冲击力适当， 使药剂玻璃瓶不破碎。为保证密封效果，须在成形
实验在俄罗斯制56kJ 电磁成形机上进行，内配 台 6 32 ! F ，耐压 30k V 的脉冲储能电容器，改变充 电的电压可得不同放电能量，改变电容的个数或者 连接方式（并联或者串联）可以选择不同的放电频 率和放电能量，通过手动控制充电仪表盘充放电。 线圈位置对成形的影响如表 2 所示。由表 2 可 知：线圈位于翻边材料的上部时，达不到成形的效 果，但是使被封接的玻璃瓶破裂；位于需翻边材料 的下部时，即使在大的电压下（大能量）也达不到 成形效果。线圈只有位于合适的位置才能达到所需 的翻边效果。
参考文献
图4
! = 5600 V ，"= 32F ，线圈在（-1 ， 1. 5 ）时 变形时间为64 ! s 的变形过程
1 2 3 4 5 6
刘克璋. 脉冲加工技术， 锻压技术， （ ： 1985 ， 10 6） 5156 WS ~uang . joi nti ng of Copper to polyuret hane tube by E lectro mag（ ： 1993 37 ） 8393 netic pulse For m i ng .j m arter process tech ， 张守彬. 电磁成形胀管过程的研究和工程计算方法 . 哈尔滨工业 大学博士学位论文， 1990. 贺锡纯， 段其平 . 脉冲磁场用于金属成形的问题的探讨， 锻压机 （ ： 械， 1990 6） 812 佐野利男. 电磁力!"#超高速加工法. 机械 $ 研究， （ ： 1984 36 ） 362368 邱春城. 电磁成形管联结及瓶封装工艺研究. 哈尔滨工业大学硕 士学位论文， 1997. 冯慈章. 电磁场. 北京： 高等教育出版社， 1991.
d L > r NP 0 >I " （ > 2） 4" r NP 式中 " ，空间上任意一点的 > 10 -7 （H／ m） 0 = 4" 磁感应强度是线圈上各微电流元产生的磁感应强度 dB =
［ 8］ 叠加，感生电流i 2 为 ： d （B > S ） ） ／ i 2 = （R dt 式中 R —工件电阻
引证文献(2条) 1.吕宏军.李启军.王琪 铝合金四通管件电磁成形试验研究[期刊论文]-航空制造技术 2007(z1) 2.孙祥龙 平板毛坯电磁成形过程ANSYS有限元分析[学位论文]硕士 2005
本文链接：/Periodical_dyjs200102011.aspx
（-1 ， 线圈坐标 （-1 ， -1 ） 1 ）（-1 ， 3 ）（-1 ， 3 ）（-1 ， 5）
三、数值模拟
! 男， 27 岁，博士研究生 收稿日期： 2000- 03- 16
为明确线圈位置对成形的影响，需要了解成形
32
的动态过程，但电磁成形在几十微秒到几百微秒之
［ ［ ［ 1］ 2］ 3］ 间完成，瞬时冲击力巨大 ，一般方法难以观
［ ［ ［ 1］ 2］ 3］ 好的异种材料联结的装配方法 。放电电压、
一、前言
的纯铜导线绕制而成，在导线上缠绕三层环氧树脂 玻璃丝带以绝缘，为使线圈多次重用，进行特殊的
［ 7］ ，其参数如表 1 所示。LD9 的铝盖厚度 加固措施 为0. 32 mm 。
电容、放电频率对电磁成形的影响前人已经作了较
［ ［ ［ ［ 3］ 4］ 5］ 6］ 多的论述 。本文对玻璃瓶和铝片之间的电
表2 != ，线圈位置对翻边成形的影响 3 2 F !
电压 （V ） 瓶破碎 5100 一处 未贴上 5100 否 5100 否 7000 否 7000 否 未贴上
图1
工装示意图
翻边成形
紧贴瓶壁 紧贴瓶壁 紧贴瓶壁
前向橡皮垫片施加一定的向下预紧力， 通过调节已标 定倔 强 系 数 的 弹 簧 来 实 现。 预 紧 力 的 大 小 选 用
图2 计算流程图
33
为线圈的产生的径向电磁力太小而（下转第37 页）
（上接第33 页）难以达到成形的目的。通过调节线 圈的位置，就可以改变受力的位置，从而控制变形。
四、结论
（ 1 ）材料在翻边过程中的高速运动具有波的传 输特性。 （ 2 ）线圈位置影响了磁场和感生电流的分布，从 而对电磁力和成形产生影响。特别对小件的电磁精密 成形，线圈位置是一个不容忽视的重要影响因素。
"
1 R2 - 2 LC 4 L
F = I dL > B
#
（ 4）
微元的位移采用牛顿公式求解，考虑到材料的 连续性，对每一时间步长的微元坐标加以修正。图 2 为计算流程图。 图3 为线圈在不同位置时工件上的感生电流分 布，可见线圈正对处材料的感生电流最大，且呈震 荡衰减波形，离该处愈远，电流衰减愈快。降低线 圈的位置时，工件上的感生电流峰值位置也随之变 化。
图5
! = 5600 V ，"= 32F ，线圈在（-1 ， 2. 5 ）时 变形时间者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 邱春城， 李洪涛 邱春城(上海交通大学)， 李洪涛(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院) 锻压技术 FORGING & STAMPING TECHNOLOGY 2001,26(2) 2次