电磁辅助钣金冲压研究

高仕强

关键词：电磁成形，冲压成形，应变分布

1绪论

钣金冲压是一种重要的制造工艺，因为它的生产率高，成本低，是汽车，重型车辆和航空航天工业的基础技术。钣金冲压在家电制造中也很重要，并且在制作电脑机箱，手机和航空电子等电子设备的外壳和子结构方面的作用越来越大。在车辆中，制造的金属板部件在确定组装车辆的极限强度，重量和耐撞性方面具有重要的作用。为了提高燃油效率，汽车行业需要减少汽车质量，这又需要更强更轻的汽车面板。轻金属如高强度钢，铝合金和新型镁合金已经得到应用。然而，这些材料较低的成形性在成形过程中会产生相当大的问题。因此，有必要开发钣金冲压新技术。

良好的钣金冲压操作将初始平坦的金属板转变成具有期望形状的有用部件。金属板材的成形性是它能够在成形过程中完成所需形状的应变而不会出现裂纹。这取决于金属板的特性以及实际成型操作中的工艺因素。所以为了达到理想的变形而不失败，通常有两种广泛的策略。一种是使用高成形极限的金属来抵抗起皱和撕裂。这通常需要使用更昂贵和/或更低强度的金属。另一种方法是控制冲压件的应变分布。理想的应变分布是均匀的，没有过度的压缩应变，这会引起起皱和引起撕裂的过度拉伸应变。因此，冲压金属部件可以具有足够的应变以满足所需的形状，并且不会达到其局部失效标准。

虽然已经有许多方法来影响冲压件的应变分布，但为了达到所需的形状，电磁成形很容易应用和控制。因此，本文提出了电磁钣金冲压（electromagneticallyassistedsheetmetalstamping，EMAS）的方法，利用电磁力来改变应变分布以改善拉深，而不是产生高的变形速度以改善成形极限。

2实验设计和流程

EMAS中的控制是为了控制应变分布而对正在形成的金属板的选择区域施加合适且较小的电磁力。这种方法的关键是将电磁线圈嵌入常规工具的合适位置，并通过电磁力以小应变直接拉伸该区域。常规工具形成所需形状的轮廓，而电磁力改变应变分布以避免大应变状态。通过这种方式，可以实现更单一的应变分布，并且可以避免导致失效的大应变状态。因此，需要仔细考虑何处以及如何施加电磁力。一般来说，电磁力应施加到应变状态小的区域。并且电磁线圈应靠近金属坯，以便有效地将电磁力施加到金属坯上。另外，电磁力应该足够大以产生小的应变。如果产生的应变太大，相应的面积将成为弱点。

通常来说，冲压过程中典型的金属部件有三个不同的区域。首先是拉入模腔的法兰，通常具有较小的压缩应变。起皱可能发生在这里。第二个是将力传递到法兰区域并具有最大应变的壁。这些应变通常接近平面应变，因此容易导致失效。最后一个是位于冲头下面的盘底，由于冲头和毛坯之间的摩擦力而具有相对较小的应变状态。电磁线圈可以嵌入到两个关键区域：用于增加法兰拉入的压边区域以及用于增加金属部分底部拉伸的冲头底部区域。图1显示了可以嵌入电磁线圈的所有可能位置。线圈的几何形状和确切位置应根据特定的冲压工艺来确定。这个过程设计可以通过过程的数值模拟来加强。

为了证明EMAS的概念，本文只关注底部区域的延伸。因此，电磁线圈仅嵌入冲头的底部以改善金属部件的底部区域的拉伸。并选择典型的非对称部分来测试新方法的可行性。在这个实验中使用的材料是具有1mm厚度的Al6111-T4。在这个实验中采用铝合金代替钢有两个原因：（1）电磁成形对高导电金属具有更高的效率，并且铝合金具有比钢高得多的导电率;（2）铝的使用是理想的，但难以用于车辆减重，因为它的密度仅为钢的1/3左右。但是铝合金的成形性比钢低，这在常规冲压中会带来问题。

3实验结果和分析

图1显示了由EMAS和常规冲压形成的金属板。两者都是在相同的条件下形成的，除了润滑和电磁力。左侧部分采用常规冲压加工，深度达到44.0mm。撕裂发生在其中一个角落。右侧样品经受22个电磁脉冲，每个脉冲5.4kJ，达到63.5mm深度。撕裂发生在两个不同的角落区域，而不是传统的冲压位置。结果表明，EMAS确实显着增加了拉深，而不依赖于润滑（44.0mm至63.5mm为44％）。

图1金属板的比较（左：由常规冲压形成，右：由EMAS拉深形成）

在传统冲压中，冲头载荷随着冲头运动而增加。在EMAS中，在每次电磁脉冲之后冲头载荷明显下降。线圈和金属部件之间的排斥电磁力拉伸金属部件的底部区域，并辅助吸入。这两种效果都可以减轻冲头的负荷。应该注意的是，在每次电磁脉冲之后，冲头载荷随着冲头运动而增加。最大冲头负荷接近失败几乎与传统冲压相同。

本文还研究了夹紧载荷的影响。在常规冲压和EMAS中都施加了较高的夹紧载荷（1245kN）。对于EMAS，每个脉冲的能量水平为5.4kJ，并且施加了21个电磁脉冲。成型面板在撕裂前的拉伸深度从常规冲压的25.3mm增加到EMAS的31.0mm，增加了23％。在这种较高的夹紧载荷下，两种情况下法兰的吸入量都很小。与传统冲压相比，EMAS的吸入几乎没有改善。拉伸深度的改善仅来自底部区域的拉伸。

在常规冲压中，有三种失效模式：法兰起皱，壁上弯曲和冲头附近拐角处的撕裂。精确故障模式的发生取决于钳位负载等细节。在EMAS中，除了上述三种故障外，还有一种新的故障模式：在成型面板的底部撕裂。这是由于电磁力引起底部过度拉伸。

4总结

本文演示了应用电磁辅助冲压（EMAS）形成Al6111-T4非对称金属面板，通过电磁力反复增量拉伸金属底部。结果表明，与常规冲压相比，EMAS可以在不依赖润滑的情况下显着提高拉深。该方法可以有利地影响部件的拉伸和从法兰的拉入。

实验验证了EMAS的可行性。这种新方法对于形成硬质金属如铝合金表现出相当大的潜力。该系统易于控制和修改，并提供比传统冲压更大的灵活性。在这里研究的情况下，只使用了一个非优化的线圈几何结构。

参考文献

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[2]Daehn,G.S.,Vohnout,V.J.,DuBois,L.Improvedformabilitywithelectroma