电磁仿真原理（电磁成形中电磁技术问题研究进展）

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三峡大学电气与新能源学院、三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心（筹）的研究人员邱立、李彦涛、苏攀、熊奇、李亮，在2019年第11期《电工技术学报》上撰文指出，电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，因其能大幅改善金属材料成形性能而得到广泛关注，其研究主要涉及材料科学与电磁技术两大问题。纵观其发展历史，电磁成形材料科学问题得到大力发展而电磁技术问题相对滞后。

该文在阐述电磁成形基本原理与电磁力分布的基础上，将目前涌现的新技术划分为改善电磁力分布的电磁成形技术、改变电磁力施加方式的电磁成形技术、与传统机械加工相结合的电磁成形技术三大类别。针对每一类技术，分别阐述了其解决的技术问题、实现方案及成形效果，并进一步指出其存在的技术难点与研究方向。此外，介绍了目前解决驱动线圈结构强度与温升问题的方法，指出长寿命驱动线圈是电磁成形实现工业化应用的前提。

电磁技术问题的深入研究带动了电磁成形技术的快速发展，未来仍需攻克“柔性电磁力加载”和“驱动线圈温升”两大难题，推动电磁成形工业化应用进程。

电磁成形是一种利用脉冲电磁力实现金属材料加工的高速成形技术。因其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，期望通过该技术实现轻质合金在航空航天、汽车工业等领域的广泛应用，提高各国高端成形加工技术水平。

纵观其发展历史，电磁成形的研究主要集中在两个方面：①材料高速变形行为、材料成形极限等材料科学问题；②电磁场分布规律、电磁力控制策略等电磁技术问题。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、武汉理工大学等率先开展了电磁成形技术研究，但因参与研究的学者都属于材料科学与工程领域，导致电磁成形材料科学问题得到大力发展而电磁技术问题相对滞后。

电磁成形过程中，材料科学是揭示电磁成形过程中宏观材料流动规律与微观结构演变机理。宏观上一般认为电磁成形提升材料的成形性能是源自惯性效应、模具作用、动态回复、高应变率等因素。

学者们认为，电磁成形时高速率工件的大动量与惯量改变了传统静态成形工件的应力分布，分散了整个工件的集中变形，抑制了局部缩颈，从而使金属材料的成形能力获得提高。同时，材料与模具间的高速冲击亦能够抑制材料内部孔隙缺陷的扩展，对提高材料的成形极限亦具有重要作用。

谌祺等利用电子背散射衍射和透射电子显微镜技术发现动态回复是铝合金材料AA5083延展性显著提升的又一影响因素。此外，大多数金属材料的流变应力、加工硬化率、应变率敏感性、最大应力及其对应的应变均随应变速率的增加而增大。

微观方面，普遍认为电磁力驱动的高速变形下，位错、挛晶以及绝热剪切带是控制材料变形的主要机制。F.W. Bach等发现电磁成形过程中纯铝呈现位错增殖-位错缠结-胞状结构-亚晶形成等连续过程，表明位错萌生与运动仍是控制高速变形的主要机制。

与位错机制相比，高速变形下似乎更易诱导孪晶的形成。高应变率时位错来不及以热激活机制克服短程障碍，当位错滑移难以进行时，晶体材料将以孪晶形式变形。P.J. Ferreira等研究发现，在高速变形条件下孪晶是奥氏体不锈钢的主要变形方式。李建军等基于晶体塑形力学和位错理论的高速变形本构模型，将高速变形的宏观流动行为和微观演变机制耦合在一起，较好地表征了高速变形宏微观变化规律。

李宏伟等定量描述了微观缺陷（绝热剪切带和孔洞）演化对铝合金力学行为的影响，进一步揭示了大应变、应变率范围内绝热剪切带、孔洞演化规律。电磁成形过程中，宏观材料流动规律与微观结构演变机理逐渐清晰，为电磁成形工业应用奠定了材料理论基础。

针对特定的加工需求，如何为工件提供合理的电磁力分布是电磁成形需要解决的关键问题。然而，因前期参与电磁成形研究的电磁领域学者相对较少，导致电磁技术问题的研究相对滞后，阻碍了电磁成形实现工业广泛应用的进程。

2011年，国家脉冲强磁场科学中心（筹）（以下简称强磁场中心）李亮教授主持的“973计划”项目“多时空脉冲强磁场成形制造基础研究”启动，带动了一批电磁领域的学者对电磁成形技术进行深入广泛的研究，电磁技术问题得到跨越式发展，项目研究成果丰富，发展了电磁成形技术内涵，开辟和引领了电磁成形技术的新方向。

基于该研究现状，本文首先阐述了电磁成形基本原理和电磁力分布规律，其次重点分析了目前各项电磁成形新技术解决的电磁技术问题、实现的基本方案、电磁力分布特征、工件成形效果等内容，最后探讨了为实现电磁成形工业化应用仍需解决的关键电磁技术问题。

1 电磁成形基本原理（略）

图1 电磁成形基本原理

图2 磁场力分布

驱动线圈是工件电磁力的施加者，电磁成形技术的革新往往以新型驱动线圈产生不同的电磁力分布为标志。为此，本文将目前涌现的诸多新技术划分为改善电磁力分布的电磁成形技术、改变电磁力施加方式的电磁成形技术、与传统机械加工相结合的电磁成形技术三大类别，逐一阐述评价，进一步介绍了目前影响电磁成形使用寿命的主要因素。

2 改善电磁力分布的电磁成形技术

1）板件匀压力成形

前述表明，采用平板螺旋驱动线圈加工板件时，电磁力不均匀，导致板件成形效果较差。为此，G. S.Daehn等提出一种匀压力驱动线圈，如图3所示。匀压力驱动线圈为一扁平的矩形线圈，板件置于匀压力驱动线圈的一侧，同时引入一U型导体与板件构成一个封闭回路，使匀压力驱动线圈刚好位于封闭回路内部。

板件匀压力成形与管件电磁成形原理较为类似，忽略边缘效应时其电磁力分布明显较为均匀（图3所示）；同时这一耦合形式下的能量转换效率亦得到一定程度的提升。

图3 匀压力线圈示意图

基于匀压力线圈的电磁力分布特性，S. Golowin等将其应用于燃料电池板的压花成形，C. Weddeling等将其应用于电磁焊接，成形效果得到一定程度的提升。此外，邱立对这一技术进行了改进，提出一种高效率板件电磁成形方法及装置，如图4所示。

将扁平的矩形线圈改为正方形线圈，同时将原有的U型导体回路采用另外3块待加工板件代替，这一改进方法可实现4块金属板件同时加工，提升了板件匀压力成形技术的效率。

目前，板件匀压力成形技术面临的主要问题仍是如何有效地解决U型导体与板件之间因接触导致的电弧烧蚀问题。

2）板件局部电磁力成形

传统板件电磁成形过程中，平板螺旋驱动线圈几乎覆盖整个加工区域，导致板件中心区域变形量过大，板件变形效果差。为此，邱立等提出一种板件局部电磁力成形方法，其基本原理如图5a所示。

采用平板螺旋驱动线圈实现板件成形时，因驱动线圈几乎覆盖整个板件，电磁力最大的区域出现在板件半径1/2附近，这一区域受到的电磁力最大，变形速度最快。当这一区域的板件速度达到最大值后，将带动板件其他区域加速。板件中心约束最小，导致其成形高度最大，最终板件为圆锥形轮廓。

板件局部电磁力成形时，驱动线圈的绕组主要集中在凹模边缘附近区域，这一区域受到的电磁力最大。因这一区域远离板件中心，其对板件中心的影响小，使得板件变形效果较好，呈圆柱形轮廓。

图4 高效率板件电磁成形结构

图5 电磁局部成形

图5b、图5c分别为传统板件电磁成形与局部电磁成形工件轮廓图。显然，采用局部加载驱动线圈时，电磁力更为集中，工件中心区域电磁力小、变形量少，从而使板件整体变形更均匀，工件成形效果得到改善。

此外，因板件局部电磁力成形时电磁力集中在变形后的工件侧壁处，这一区域的工件受到凹模的约束与驱动线圈的距离几乎保持不变，多次加载时电磁力不会因距离变大而衰减严重，这为重复加载电磁力实现电磁拉深成形提供了一定的可能性。

目前，板件局部电磁力成形过程中，板件电磁力分布与成形效果之间的内在关联仍需深入研究，此外，重复加载电磁力时需要考虑加工硬化与起皱等问题对板件的影响。

3）凹型驱动线圈管件电磁胀形

前述提及，管件电磁成形因其电磁力分布相对均匀而得到较为广泛的工业应用，如管件胀形、链接、密封等。然而，采用螺线管驱动线圈实现管件电磁成形时，由于端部效应导致径向电磁力轴向分布不均，管件轴向变形不均匀。为此，邱立等提出一种采用凹型驱动线圈削弱管件中部径向电磁力以提高管件成形质量的方法，图6a为凹型驱动线圈管件电磁成形基本原理。

其基本思路在于：采用凹型线圈代替螺线管线圈，以减少驱动线圈中部的安匝数，使工件中部的磁通密度和感应涡流大为降低，进而减小工件中部的径向电磁力。

图6b为采用螺线管驱动线圈和凹型驱动线圈的径向电磁力分布。采用螺线管线圈时，端部效应严重，工件中部的径向电磁力最大，整体呈“单峰”分布；采用凹型线圈时，工件中部的径向电磁力得到一定程度的削弱，两端的径向电磁力得到一定程度的增强，整体呈“凹型”分布。

图6c为采用螺线管线圈和凹型线圈的管件变形轮廓，显然“凹型”分布的径向电磁力能有效改善管件轴向变形非均匀问题。然而，因为安匝数的减少，采用凹型螺旋管驱动线圈管件电磁成形时耦合效率降低，需要更大的能量才能实现相同的变形量。

图6 凹型驱动线圈管件电磁胀形

3 改变电磁力施加方式的电磁成形技术

虽然板件匀压力成形、板件局部电磁力成形、凹型驱动线圈管件电磁胀形等新型技术能解决某些电磁技术问题，但是这些改善电磁力分布的电磁成形技术并未从施加方式上有所突破。

2011年，赖智鹏等提出了多级多向脉冲强磁场成形方法，其通过多线圈与多电源系统的精确时序配合，在时间上形成多级、空间上形成多向的电磁力分布，为复杂、大尺寸及难变形零部件成形制造提供了有效手段。在这一思路的影响下，涌现出多种改变电磁力施加方式的电磁成形技术。

1）轴-径双向加载板件电磁成形

现有板件电磁成形技术中，电磁力主要施加于板件自由胀形区域内，且以轴向电磁力分量为主。此时，板件自由胀形区域先发生变形，然后带动法兰区域的板件向凹模内流动。因此，板件的变形以胀形为主，最终导致板件容易破裂、成形性能差。

改善这一加工问题的关键是增大法兰区域的板件径向流动性。基于此，赖智鹏等提出了一种轴-径双向加载板件电磁成形方法，其原理如图7所示。

基于传统单线圈电磁成形系统（线圈1），在板件法兰区域处引入另一套驱动线圈（线圈2）；线圈1为自由胀形区域的板件提供轴向电磁力，线圈2为法兰区域的板件提供径向电磁力；因法兰区域的径向电磁力可有效促进这一区域板件的径向流动，这一形式的电磁力施加方式能大幅提升板件电磁成形的成形性能。

图7 轴-径双向加载板件电磁成形原理

针对厚度为1.5mm、直径为130mm的AA1060-H24 铝合金板，采用匝数为410（轴向4层、径向10层）的线圈1和匝数为54（轴向5层、径向4层）的线圈2分别为其提供轴向电磁力和径向电磁力，利用两套具有高精度光触发晶闸管主放电开关的320μF电容电源系统实现板件轴向力和径向力的时序调控。

图8为传统板件电磁成形与轴-径双向加载板件电磁成形的对比。单一轴向电磁力加载时，板件法兰区域几乎没有发生塑性流动，变形量小，且极易发生破裂；轴向电磁力与径向电磁力双向加载时，板件法兰区域存在明显的塑性流动，这一变形方式使得板件变形量得到大幅提升，且有效抑制了材料破裂。显然，通过改变电磁力加载方式可有效提升板件电磁成形的成形性能，实现了拉深系数高达3.25的筒形件成形，明显优于传统拉深工艺的极限拉深系数（2.0~2.2）。

图8 板件成形效果图

2）轴向压缩式管件电磁胀形

通常，管件电磁成形分为管件电磁压缩和管件电磁胀形。对于管件电磁胀形而言，现有技术一般采用螺线管驱动线圈为管件提供电磁力，其载荷主要是环向涡流与轴向磁场作用产生的径向电磁力分量；当发生胀形时，管件因为变形半径增大，导致其壁厚减薄、强度降低，难以满足现代工业对高强度及高性能零件的需求。

为解决这一问题，邱立等采用径向电磁力与轴向电磁力同时加载的施力方式，创新地提出了轴向压缩式管件电磁胀形，如图9所示。其基本思想在于：通过设计新型驱动线圈，在金属工件区域内同时产生轴向磁场和径向磁场；轴向磁场与感应涡流产生径向电磁力，径向磁场与感应涡流产生轴向电磁力；径向电磁力驱动工件发生胀形，轴向电磁力则驱动工件在轴向发生压缩。

通过这一方法，金属工件在径向电磁力的作用下发生胀形的同时，亦在轴向电磁力的作用下发生轴向压缩；轴向压缩使工件材料及时补充到胀形减薄区，可有效减小工件壁厚的减薄量，提高工件成形性能和成形极限。

图9 轴向压缩式管件电磁胀形原理

针对直径为50mm、壁厚为1mm的1060铝合金管件，分析了采用不同驱动线圈时的轴向电磁力与管件壁厚减薄量，如图10所示。显然，随着轴向电磁力的增加，管件壁厚减薄量逐渐减小。特别地，当轴向电磁力增大到一定程度时，管件壁增厚。

崔晓辉等指出，通过引入轴向电磁力，材料塑性流动显著增大，同时拉应力减小，这一特点是管件成形性能和成形极限得以提高的主要原因。目前，轴向压缩式管件电磁胀形面临的主要技术难点在于，细长型管件成形时因轴向电磁力的挤压容易发生变形失稳、畸变等问题。

图10 采用不同驱动线圈时轴向电磁力与管件壁厚减薄量

3）吸引式板管件电磁成形

传统电磁成形中，驱动线圈源电流与感应涡流方向相反，工件由电磁斥力驱动实现成形。然而，实际中某些加工无法通过电磁斥力实现，如汽车凹痕的不拆卸修复、微小型管件胀形等。因此亦有学者探索研究吸引式板管件电磁成形。

曹全梁等提出一种基于双频电流法的吸引式板件电磁成形，基本电路如图11a所示。在同一驱动线圈，分别通入一长脉冲电流和一短脉冲电流，且满足以下条件：长脉冲电流和短脉冲电流方向相反；短脉冲电流幅值小于长脉冲电流幅值，以保证合成磁场不发生反向；短脉冲电流的变化率足够快，使其产生的感应涡流密度大于长脉冲电流产生的感应涡流密度。

此时，合成的驱动线圈电流与合成的感应涡流方向相同，即可产生电磁吸力驱动板件成形；同时，当短脉冲电流在长脉冲电流幅值最大时刻通入时，可获得相对较大的电磁吸力。

针对1mm厚的AA1060铝板，采用2880μF电容电源产生长脉冲电流，当长脉冲电流达到峰值时采用160μF电容电源产生短脉冲电流，放电电流如图11b所示，驱动线圈与板件之间将产生电磁吸力，驱动板件发生变形，最大变形量为4.7mm，如图11c所示。

熊奇等将这一思路引入管件成形，提出基于双频电流法的吸引式管件电磁成形。仿真研究表明，在电磁吸力的驱动下，直径为20mm的管件最大形变量约为3.7mm。显然，吸引式板管件电磁成形能满足某些特殊加工需求，然而其研究尚处于初步阶段，如何产生足够大的电磁吸力仍是这一技术需要克服的主要技术难点。

图11 吸引式电磁成形

4 与传统机械加工相结合的电磁成形技术

虽然纯电磁力驱动的电磁成形技术优势明显，但其在加工大型板件方面存在难点，目前文献[60]显示纯电磁力加工的板件直径最大为1378 mm。其主要原因在于，加工大型板件时需要足够大的电容电源与驱动线圈，这导致线圈电感和电容增大、放电等效脉冲变长，不利于产生脉冲电磁力。

此外，虽然出现了诸多改善电磁力分布和改变电磁力加载方式的电磁成形技术，但因电磁力分布完全取决于磁场与涡流分布，控制难度大。因此，诸多学者采用电磁成形与传统机械加工相结合的方式，提出板件电磁渐进成形、电磁辅助成形、柔性加载式电磁驱动成形等一系列新技术。

1）板件电磁渐进成形

采用纯电磁力单次加载很难实现大型板件的加工。为此，莫健华[65]申请了专利“板材动圈电磁渐进成形方法及其装置”，提出一种板件电磁渐进成形方法。其基本思路为：采用小型驱动线圈在大型板件局部产生电磁力，使板件局部发生变形；移动驱动线圈的位置，进行下一次电磁力的施加与局部变形；通过控制驱动线圈的放电路径，能够实现大型板件的电磁加工，如图12所示。

图12 板件电磁渐进成形

针对直径为240mm的AA3003板件，莫健华等[66-68]采用直径为100 mm的平板螺旋驱动线圈对其进行电磁渐进成形。实验结果表明，通过选择合理的放电路径，可采用小型驱动线圈实现大型板件的成形加工。

进一步地，李建军等将电磁渐进成形发展为两步电磁成形，并应用于大型板件局部翻边。显然，板件电磁渐进成形能够提升电磁成形加工能力，使其为加工大型板件加工提供了新的思路。然而，这一方法需要多次放电才可实现加工，工序相对复杂。此外，放电路径的选择对板件成形性能影响较大，这亦是板件电磁渐进成形未来的一个重要研究方向。

2）电磁脉冲辅助冲压成形

电磁成形能够改善材料成形性能，传统冲压成形则具有强大的加工能力，为同时具备这两种优势，J. Shang等率先提出了电磁脉冲辅助冲压成形新技术，如图13a所示。

该技术是板件电磁成形与传统冲压成形相结合的复合塑性加工技术，首先，板件在凸模的作用下发生整体变形；其次，采用预先嵌在凸模内部的驱动线圈对板件难成形区域进行局部电磁力施加与矫形。电磁脉冲辅助冲压成形中，传统冲压使得板件整体变形量大，电磁成形使得板件局部成形精度高，具有明显加工优势。

图13 电磁脉冲辅助冲压成形

针对厚度为1mm的Al 6111-T4铝合金板件，采用传统冲压板件成形与电磁脉冲辅助冲压板件成形的对比实验，如图13b所示。传统冲压成形时，板件最大成形深度为44mm（图13b中的1B板件），而在引入了脉冲电磁力作为辅助载荷时，电磁脉冲辅助冲压成形板件的最大成形深度达到63.5mm（图13b中的A6板件），成形深度提高了44%。

显然，通过在冲头底部嵌入驱动线圈，通入较小的放电能量便可多次向难成形区域施加脉冲电磁力，避免了单次施力过大产生破裂的风险，板件应变分布得到改善，成形精度大大提高。目前，电磁脉冲辅助冲压成形工艺较为成熟，但针对特定的加工需求如何配置传统冲压与电磁成形还需进一步探索与研究。

3）柔性加载式电磁驱动成形

电磁成形过程中，电磁力的分布直接影响着工件变形行为和成形性能。电磁力是由工件处的磁场与工件内部的感应涡流相互作用产生的。然而，感应涡流在工件内部的分布是难以精确控制的，这导致现有电磁成形技术电磁力加载灵活度不高，无法满足不同工件的电磁力需求。

基于此，邱立等提出一种柔性加载式电磁驱动成形技术，其在工件与驱动线圈之间引入一个由不同半径、不同截面、不同材料的导体环构成的柔性线圈，驱动线圈与柔性线圈的相互作用产生脉冲电磁力驱动板件成形，通过柔性线圈的结构与材料改变感应涡流的分布，进而实现电磁力分布的调控。

图14为采用不同柔性线圈时工件的电磁力分布及工件变形轮廓。显然，采用柔性线圈能够改变电磁力分布，为解决“如何针对特定的加工需求实现电磁力的柔性调控”提供了可能性。目前，柔性加载式电磁驱动成形面临的主要技术难点在于电磁力的重复加载问题。

图14 不同柔性线圈电磁力分布及工件变形轮廓

5 高寿命电磁成形技术探索

电磁力施加方式的创新能够解决某些电磁技术问题，推动了电磁成形技术的快速发展。然而，要使其达到工业化应用程度，必须实现高寿命电磁成形技术。电磁成形过程中，驱动线圈在为工件提供电磁力的同时，其自身亦处于高电压、大电流、高应力等极其严苛的工作条件，结构强度与温升问题导致其使用寿命非常有限。显然，解决结构强度与温升问题是实现高寿命电磁成形技术的关键。

结构强度方面，S. Golovashchenko研究表明，驱动线圈的结构破坏往往发生在曲率半径较小的内环，建议通过引入加固提升线圈强度。邱立等将脉冲强磁场技术应用于驱动线圈，采用分层加固技术绕制的高强度紧凑型驱动线圈较好地解决了结构强度问题。

温升问题方面，S. Gies等研究发现，电磁成形过程中50%以上的能量以焦耳热的形式消耗在驱动线圈，驱动线圈表面最高温度达到 92℃，内部温升更是高达178℃，严重影响了驱动线圈的使用寿命。S. Golovashchenko等提出通过强制空气对流的方法可有效促进驱动线圈散热过程，降低温升，然而这一方法仅适用于散热条件较好的驱动线圈，对于高强度紧凑型驱动线圈结构降温效果较差。

曹全梁等提出采用续流回路串联功率电阻的新型电路结构，可在不影响成形效率的情况下减少驱动线圈内部的焦耳热，研究显示，驱动线圈的焦耳热损耗由4.62 kJ降低至2.07 kJ，效果显著。

总体而言，目前或采用分层加固技术解决驱动线圈结构强度问题，或采用强制空气对流促进单层结构驱动线圈散热，但却无法同时解决结构强度与温升问题；长寿命的驱动线圈是电磁成形实现工业化广泛应用的前提，如何同时解决驱动线圈结构强度与温升问题亦将是今后的研究热点之一。

结论

自1958年G.W.Brower和D.F.Harvey首次将电磁感应定律应用于金属成形，电磁成形技术已有60年的发展历史。2011年中国国家重点基础研究发展计划“多时空脉冲强磁场成形制造基础研究”的启动，标志着电磁成形中电磁技术问题深入研究的开端。

本文从电磁成形基本原理及电磁力分布出发，主要阐明了改善电磁力分布、改变电磁力施加方式、与传统机械加工相结合等三大类别的电磁成形新技术；针对每一类别的单个技术，从需要解决的电磁技术问题入手，介绍了该技术的基本原理与实现方案，并通过实验或仿真验证了其成形效果，最后分析了这一技术存在的技术难点与未来的研究方向。

电磁技术问题的深入研究带动了电磁成形技术跨越式发展，其成形优势得到验证，作用机理逐步明确，应用场景日渐丰富，但其实现工业化应用仍需克服两大技术难题：一是针对工件加工需求提供灵活的柔性电磁力加载；二是解决高强度紧凑型驱动线圈温升问题实现高寿命电磁成形技术。将来，电磁成形技术作为一种特色明显、优势突出的高端制造技术，有望突破传统机械加工工艺目前所面临的瓶颈，促进前沿制造产业向智能、高效、轻柔和清洁的方向变革。

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