基于不锈钢管件电磁成形技术研究线圈结构参数的意义和现状

 目前，不锈钢管件电磁胀形、缩径以及管件连接等技术在航空制造业中大量的应用，在很大程度上提高了航空管件的生产效率、缩短了其生产周期，但是在某些情况下仍存在许多问题，如当不锈钢管件口径较小时限制了许多电磁成形的必要条件；管件材料为导电性较差的新型材料，在电磁成形过程中产生的感应磁场较弱；成形线圈在放电时由于缠绕方式、绝缘措施、截面形状等选择不当造成破裂，给实际生产带来了许多困难，难以满足管件的加工需求。随着电磁成形技术应用不断的深入，这些主要以常见通用管件为研究对象的研究方法，已经难以满足现代轻量化、复杂化的航空制造业生产需求，具体体现在以下方面：

 1. 因为钛合金具有比强度高、高温性能好、耐腐蚀等特点被广泛应用于航空航天领域，尤其是航空发动机、战斗机等武器装备，因为这些装备都有较高的推重比，所以钛合金加工技术发展对我国国防装备的影响越来越大。钛合金管材在航空航天等领域应用广泛, 例如飞机的液压管路、燃油管路等都采用钛合金管，在制造业发达的国家电磁成形技术已成为加工铝镁合金管件的关键性技术，但现阶段航空发动机等飞机重要部件不断的发展，对其提出了更高的结构、性能要求，常见铝镁合金管件已经逐渐被质量轻、性能优异的钛合金管件所替代，新型管件的电磁加工使成形线圈的各项成形参数以及辅助配件结构的选择带来了新的困难。

 2. 管路系统在航空发动机中占有很大的一部分，管路系统的可靠性和持久性是影响飞行安全、降低维修成本和满足适航要求的重要因素，因此飞机管路系统的水平的高低直接影响了其整体的性能优劣。当航空制造业发展速度迅猛，航空发动机质量轻、结构紧凑成为衡量其性能优劣的重要参考，小直径管件的加工成为亟待解决的问题。与普通管件电磁成形加工相比，小直径管件无法采用电磁胀形对其进行加工且成形线圈产生的感应磁场强度较小，采用传统电磁成形方法无法满足这一类管件的成形加工要求。

 3. 在电磁胀形加工的实际操作过程中，经常将成形线圈完全放置在被成形管件中，很少考虑到线圈的成形深度对不锈钢管件加工的影响，管件和成形线圈的位置关系在一定程度上会影响管件加工效果。同时在成形线圈绕制过程中由于绝缘措施不完善，在放电过程中极有可能产生线圈破裂现象，导致成形能量利用率降低，影响加工效果。

 为解决以上提出的问题，弥补当前电磁成形技术存在的一些不足，研究成形线圈的各项结构参数对加工小直径以及航空新型材料管件有着重要意义，通过对成形线圈各项参数的研究以及选择，解决当前航空小型管件电磁加工方面的问题，以满足航空管件制造装配等各项加工要求。

 浙江至德钢业有限公司研究成形线圈的结构参数必须以电磁成形技术为基础，二者相互结合通过电磁成形原理来选择各项结构参数。上世纪20年代，美国学者在试验过程中观察到线圈放置在脉冲磁场中自身容易产生胀大和胀破，这一现象引起了其他学者的广泛关注，产生了电磁成形技术。一直到1958年，美国通用电力公司制造出了第一台电磁成形设备并公开展示。随后电磁成形技术飞速发展，伴随着有限元思想的出现与日益成熟，使用有限元技术对电磁成形理论进行研究逐渐兴起并取得一些重要成果。浙江至德钢业有限公司利用电磁成形技术对薄壁不锈钢管件进行电磁校形，通过对管件校形后得出，对工艺参数进行调整能够有效的改善校形系统能量较低且校形效果不明显时工件的成形结果，同时增加放电次数能够进一步改善其加工效果；提出利用成形线圈产生的电磁力使不锈钢管件高速撞击成形模具进行管件成形，通过建立一个轴对称的二维电磁模型模拟出线圈产生的磁场以及磁场力，并且在模拟过程中将放电时间的每一个步长产生的电磁力作为不锈钢管件受到的初始载荷，得出不同的管件加工区域可以根据不同的工艺参数增厚或者变薄，并且放电电压的增加使成形模具的厚度有所降低；对成形线圈的在放电过程中产生的焦耳热与温度之间的关系进行了详细的研究得到计算单匝线圈焦耳热损失的分析方法，分析得出：在高脉冲成形电压的条件下，由于成形线圈温度较高会改变其自身电导率，此时需要考虑温度对工件成形时的影响，与恒定电导率相比较，在温度的影响下，成形线圈的热损失超过了20%。

 我国在电磁成形技术方面的研究起步较晚，直到20世纪60年代才开始对其进行初步研究，哈尔滨工业大学在70年代末期开始对电磁成形技术的基础理论及其工艺进行研究，在前期的理论研究基础上，在1986年成功研制出了我国第一台电磁试验机。90年代中期，陈志强等人设计出了MF-16K型电磁成形机，并且使用此台机器对两种弹箭产品完成装配。21世纪初，由于科研能力的迅速提高，我国在电磁成形领域也有了许多突破性进展。于云程等人对纯铝管件和不锈钢管件进行了初步的电磁校形过程分析，得出了放电电压是影响不锈钢管件端口校形的关键因素，增加放电次数能有效地解决放电能量低时形变小，贴模差的问题，但增加放电次数不能完全解决校形精度差的问题；赵志衡等人分析了管坯电磁成形时线圈的受力情况并采用数值模拟的方法得到了磁脉冲成形时线圈所受到的磁压力分布；使用复杂成形线圈成形时，其成形过程也较为复杂，成形线圈产生的电磁力的分布以及数值大小均与成形线圈有关；于海平等人采用半耦合的方式对不锈钢管件电磁缩径过程进行了分析，得出在一定条件下管件中部变形均匀缩径量大，端部变形梯度大缩径量小；近几年电磁成形在我国各大院校以及研究院又取得了许多突破性的进展，赵志学对集磁器线圈进行了理论和结构分析，通过对其模拟得出调节集磁器锥角大小可以提高集磁器电感和工作区电流与总感应电流的比例；牛垣绗模拟了电磁胀环的高速变形过程并对其相关测量技术进行了研究，研究提出了一种基于罗科线圈的间接测量方法，并利用此方法测量出电磁成形过程中感应电流的大小。至德钢业研究了不锈钢管件在电磁胀形过程中的吸能特性，建立出电磁胀形管件的轴向压溃有限元模型，通过与实际试验的对比得出带有约束的电磁胀形管件的总吸能均有所提高。陈如明等人研究了电磁成形中放电频率对被加工工件的变形影响，利用ANSYS有限元分析软件对各种不同厚度的工件进行依次模拟，得出不同厚度工件的最优放电频率。