電磁成形屬于高速率成形，在0.1ms內(nèi)金屬工件的局部變形速度可達(dá)200m/s以上，局部獲得的動(dòng)能相當(dāng)大，材料的變形機(jī)理與低速加工時(shí)材料變形機(jī)理有很大差別。與傳統(tǒng)塑性成形方法相比，高速率成形主要有以下優(yōu)點(diǎn)：增加材料的成形極限、減小回彈、抑制起皺。除此之外，電磁成形還有以下特點(diǎn)：①非接觸，成形件表面質(zhì)量好；②易控制，重復(fù)性誤差較小；③單邊模具（只有凸模或凹模），節(jié)約了加工成本；④不需加潤(rùn)滑油，可以改善工作環(huán)境等[1]。
目前我國(guó)航空航天裝備的各項(xiàng)服役性能指標(biāo)正不斷推向新的極端。實(shí)現(xiàn)航空航天裝備極端服役性能的一個(gè)重要基礎(chǔ)為裝備本體結(jié)構(gòu)輕量化，高可靠性、高耐久和抗損傷容限性能跨入新的技術(shù)極端，高性能輕合金大型整體構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段與技術(shù)途徑。輕量化的主要途徑為采用輕質(zhì)材料及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中迫切需要采用鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金材料。與鋁合金及鎂合金相比，雖然鈦合金密度約為鎂合金的2.4倍，鋁合金的1.6倍，但鈦合金具有非常高的強(qiáng)度極限，其比強(qiáng)度高，約為鎂合金的1.5倍，鋁合金的2倍，而且鈦合金的工作溫度高達(dá)500℃，其高溫性能及耐腐蝕能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金和鎂合金，鈦合金一直是航空航天領(lǐng)域主要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。零件的力學(xué)性能直接影響航空、航天飛行的安全性，這不僅要求各種結(jié)構(gòu)零件的尺寸精度高、質(zhì)量好，還對(duì)零件的力學(xué)性能和服役性能等綜合性能提出了更高要求，因此，急需探索一種新的加工方法，
克服鈦合金板材常溫下成形性能差的不足，同時(shí)保證成形后工件具有較好的服役性能，滿足航空、航天等工業(yè)對(duì)高性能材料及結(jié)構(gòu)的需要。
基于電磁成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及鈦合金在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者將電磁脈沖成形技術(shù)應(yīng)用于鈦合金板材成形加工。下面分別從高速增塑、成形工藝、數(shù)值仿真等方面介紹鈦合金電磁成形技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。
1、高速增塑
早在20世紀(jì)60年代，Wood[2]通過(guò)爆炸脹形的方法測(cè)試了TC4鈦合金在不同變形速度下的斷裂極限應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金在較高成形速度下脹形的極限應(yīng)變得到了提高，如圖1所示。M.Takahashi等[3]采用平面螺旋線圈，純鋁作為驅(qū)動(dòng)片對(duì)純鈦板進(jìn)行電磁脹形，發(fā)現(xiàn)與準(zhǔn)靜態(tài)下相比，純鈦板的成形極限得到了提高。
Li等[4]通過(guò)電磁脹形的方法，采用多層平面螺旋線圈并以2mm厚的鋁板作為驅(qū)動(dòng)板，測(cè)試TC4鈦合金脹形的成形極限，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金板材在雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)下成形性能提高了24.37%，提高幅度高于鋁合金5052-O。TC4鈦合金電磁脹形的斷裂模式為韌性斷裂與剪切斷裂相結(jié)合的復(fù)合模式，不同于鋁合金A5052的韌性斷裂模式，認(rèn)為驅(qū)動(dòng)片作用下鈦合金電磁成形中慣性效應(yīng)是鈦合金成形性能提高的主要原因。另外，筆者[5]提出了一種測(cè)試電磁成形下低導(dǎo)電率材料成形極限的新方法。該方法通過(guò)獨(dú)特的試樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成形極限圖右側(cè)（見(jiàn)圖2a）即雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，采用方形板料；成形極限圖左側(cè)即單向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)單向拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到平面螺旋線圈產(chǎn)生的雙駝峰型電磁力分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2b所示的坯料形狀（十字形試樣）。其中，主要尺寸為中間4條筋帶的寬度，為10mm或15mm。塑性變形過(guò)程中，平面應(yīng)變狀態(tài)是比較苛刻的狀態(tài)；在成形極限測(cè)試中，平面應(yīng)變狀態(tài)較難獲得。為了獲得平面應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)鈦板在驅(qū)動(dòng)片作用下的變形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2c所示的試樣（腰形試樣）。將按照試樣形狀加工好鈦板并在表面印上網(wǎng)格，借助鋁合金驅(qū)動(dòng)片，采用單一平面螺旋線圈測(cè)試TC4材料在磁脈沖作用下的成形極限，如圖3所示。與準(zhǔn)靜態(tài)下的成形極限相比，成形極限顯著提高，且平面應(yīng)變狀態(tài)下的增塑效果優(yōu)于雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，提高幅度達(dá)73.65%[6]。
為了驗(yàn)證電磁成形中TC4鈦合金的成形性能得到改善這一現(xiàn)象，Li等[7]搭建了如圖4所示的電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)工裝，利用10mm高鋁合金驅(qū)動(dòng)環(huán)對(duì)1mm高的鈦環(huán)進(jìn)行測(cè)試，采用高速攝像機(jī)進(jìn)行速度采集，構(gòu)建了TC4鈦合金的成形速度、應(yīng)變率與成形性能的關(guān)系，如圖5所示。當(dāng)變形速度為2mm/min（即準(zhǔn)靜態(tài)）時(shí)，TC4鈦合金的應(yīng)變率為6.67×10?4s?1，最大均勻應(yīng)變達(dá)到0.102；當(dāng)變形速度超過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)速度，達(dá)到46.7m/s時(shí)，其最大均勻應(yīng)變只達(dá)到0.032。隨著變形速度的上升，最大均勻應(yīng)變也成正比增加。直到變形速度超過(guò)286m/s后，最大均勻應(yīng)變才超過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)，達(dá)到0.11以上，此時(shí)應(yīng)變率超過(guò)6935.6s?1。電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)回收試樣如圖6所示。隨著放電電壓的增加，斷口數(shù)及斷后長(zhǎng)度逐漸增加。從斷口的韌窩大小、形態(tài)對(duì)變形速度-均勻應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行解釋，如圖7所示。放電電壓越高，脹形速度越快，斷口的韌窩越能獲得充分變形，韌窩大且深，表明材料具有較好的成形性能。
為分析TC4鈦合金板在不同變形速度下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，Li等[8]采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡/電子背散射（SEM/EBSD）、透射電鏡（TEM）等分析工具對(duì)高速變形下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并與準(zhǔn)靜態(tài)下變形的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了電磁驅(qū)動(dòng)成形時(shí)TC4鈦合金的變形機(jī)理及性能：①動(dòng)態(tài)加載下，TC4鈦合金板材的晶粒尺寸變化不明顯，但晶粒被拉長(zhǎng)；②由于材料流動(dòng)及沖擊作用，試樣硬度分布不均，但織構(gòu)沒(méi)有明顯變化；③TC4鈦合金高速變形過(guò)程中，當(dāng)變形量較小時(shí)，塑性變形以位錯(cuò)滑移機(jī)制為主，當(dāng)變形量增大，除了位錯(cuò)滑移機(jī)制外，孿生機(jī)制也被激活，且孿生面為(1011)，有利于塑性變形，但數(shù)量較少。
林遵東等[9]通過(guò)霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)、電磁成形實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了TA32鈦合金的高應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及成形極限，發(fā)現(xiàn)TA32鈦合金的極限應(yīng)變獲得了改善，并闡明了其增塑機(jī)制。綜上分析，電磁成形技術(shù)應(yīng)用于鈦合金成形加工中，由于高速率變形的慣性作用，可以改善鈦合金的成形性能。
2、成形工藝
2.1驅(qū)動(dòng)片的優(yōu)化
電磁成形工藝適合成形導(dǎo)電性良好的金屬材料（如金、銀、銅、鋁及其合金），而對(duì)于導(dǎo)電性較差的金屬材料（鎂、鈦及其合金）及非金屬材料的成形，需要借助驅(qū)動(dòng)片或驅(qū)動(dòng)層。目前，主要采用高導(dǎo)電性材料作為驅(qū)動(dòng)片，或是在坯料靠近線圈的一面涂覆一層一定厚度的導(dǎo)電層。電磁成形中，電容器儲(chǔ)存的能量在放電過(guò)程中會(huì)以不同形式耗散，只有其中一部分用于工件的變形，而不同的放電參數(shù)（電容C、電壓U和放電頻率F）會(huì)影響其成形效率。當(dāng)采用驅(qū)動(dòng)片驅(qū)動(dòng)工件電磁脈沖成形時(shí)，不同的驅(qū)動(dòng)片材料及厚度也會(huì)對(duì)電磁成形效率產(chǎn)生影響，因此，在成形設(shè)備工藝參數(shù)確定的情況下，為了提高能量利用率，應(yīng)選用合適的驅(qū)動(dòng)片（材料和厚度等）。Li等[10]利用數(shù)值分析方法從理論上分析驅(qū)動(dòng)片的選取原則。通過(guò)對(duì)不同形式驅(qū)動(dòng)片作用下的TC4鈦合金板材電磁脹形進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同的驅(qū)動(dòng)片材料、厚度對(duì)能量利用率及工件變形均勻性的影響，同時(shí)分析了電磁脹形過(guò)程中鈦合金材料流動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)：①工件的最大變形量是與驅(qū)動(dòng)片的參數(shù)密切相關(guān)的，驅(qū)動(dòng)片的選擇會(huì)明顯影響能量的利用率，如圖8所示；②當(dāng)驅(qū)動(dòng)片的厚度小于趨膚深度時(shí)，驅(qū)動(dòng)片越厚，所受電磁力越大。采用高導(dǎo)電性、易變形的材料作為驅(qū)動(dòng)片，可以有效減少驅(qū)動(dòng)片塑性變形所消耗的能量，提高能量利用率及工件變形的均勻性。對(duì)0.8mm厚的銅驅(qū)動(dòng)片與2mm厚的鋁驅(qū)動(dòng)片作用下的TC4鈦合金板材進(jìn)行電磁脹形實(shí)驗(yàn)，如圖9所示，對(duì)比證明該驅(qū)動(dòng)片選擇原則可靠。
GiesS等[11]通過(guò)不銹鋼板的電磁成形實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)片材料和厚度，發(fā)現(xiàn)鋁驅(qū)動(dòng)片要優(yōu)于銅驅(qū)動(dòng)片，而驅(qū)動(dòng)片的厚度與電磁成形過(guò)程中電參數(shù)相關(guān)。H.Park等[12]用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)鋁合金驅(qū)動(dòng)高強(qiáng)鋼板DP780電磁成形進(jìn)行研究，分析了不同鋁合金型號(hào)與厚度對(duì)高強(qiáng)鋼變形的影響，發(fā)現(xiàn)采用低強(qiáng)度鋁合金AA1050驅(qū)動(dòng)效果最好。Huang等[13]采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)T3紫銅板驅(qū)動(dòng)TA2鈦合金的電磁成形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)板的外徑大小決定了TA2鈦板的成形高度，而內(nèi)徑大小會(huì)影響鈦板變形后的輪廓。
總之，高導(dǎo)電性低強(qiáng)度材料是驅(qū)動(dòng)片的優(yōu)選材料，而驅(qū)動(dòng)片的厚度與系統(tǒng)的電參數(shù)密切相關(guān)[10—11]。
2.2鈦合金電磁成形工藝
20世紀(jì)80年代，M.Takahashi等[3]發(fā)現(xiàn)在無(wú)驅(qū)動(dòng)片作用下純鈦板的變形量?jī)H為2.3mm，采用鋁合金驅(qū)動(dòng)片成形鈦板，分析了不同鋁驅(qū)動(dòng)片厚度產(chǎn)生的載荷大小以及不同驅(qū)動(dòng)片半徑對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。結(jié)果表明，載荷隨著驅(qū)動(dòng)片厚度的增加而逐漸增加，直到厚度等于趨膚深度，載荷趨于穩(wěn)定，但是驅(qū)動(dòng)片太厚，變形阻力增大。研究表明，電磁成形工藝下材料的變形不均勻，但是能夠明顯提高材料的成形性能。
W.Tillmann等[14]報(bào)道了采用熱涂層技術(shù)，在導(dǎo)電性差的金屬板材上添加一層導(dǎo)電性好的涂層作為驅(qū)動(dòng)層，可以拓展電磁成形工藝的應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮其潛力。A.Revuelta等[15]對(duì)AZ310-O鎂合金及CPgrade1鈦板的電磁成形進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明采用鋁合金板做驅(qū)動(dòng)片可以成形鈦板，電磁成形工藝可以提高材料的成形性能。S.Srinivasan[16]采用銅驅(qū)動(dòng)鈦合金板與不銹鋼板進(jìn)行電磁壓印成形，研究其成形性能。研究結(jié)果表明，采用驅(qū)動(dòng)片可以有效提高成形效率。
在國(guó)內(nèi)，Li等[17]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了紫銅板驅(qū)動(dòng)TC4鈦合金電磁脹形的過(guò)程，詳細(xì)分析了驅(qū)動(dòng)板與鈦板之間的相互作用過(guò)程，預(yù)測(cè)了TC4鈦合金板的變形速度、應(yīng)變率以及能量利用率。周海洋等[18]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)0.8mm厚的T3紫銅板驅(qū)動(dòng)TC4鈦合金的電磁脹形工藝進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)片與工件之間的沖擊力大于直接作用的電磁力，同時(shí)工件的變形滯后于銅驅(qū)動(dòng)片與工件碰撞產(chǎn)生的沖擊波傳遞。
聶鵬等[19]采用電磁校形原理，針對(duì)直徑為300mm、高為600mm、壁厚為2mm的大型航空鈦合金筒形件進(jìn)行校圓實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種電磁沖模校圓方法。研究表明，相同放電電壓條件下，采用電磁沖模校圓方法較常規(guī)電磁校圓方法所得到的工件圓度平均值降幅增加20%以上，保證工件成形均勻性的同時(shí)提高了設(shè)備能量利用率。采用管件端口電磁校形對(duì)內(nèi)徑為23mm、壁厚為1mm的TC4管件進(jìn)行電磁校形實(shí)驗(yàn)，并將管件端口的圓度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了放電電壓、線圈層數(shù)、放電次數(shù)及驅(qū)動(dòng)片厚度對(duì)鈦管電磁校形的影響[20]。研究表明，提高放電電壓可有效提高校形效果，當(dāng)放電電壓一定時(shí)，可通過(guò)增加線圈層數(shù)來(lái)提高校形精度；放電次數(shù)可以解決放電電壓低、鈦管變形小的問(wèn)題，二次放電后校形效果提升不明顯，增加放電次數(shù)無(wú)法從根本上提高管件電磁校形精度；驅(qū)動(dòng)片厚度的合理選擇對(duì)TC4等低導(dǎo)電率材料的電磁校形具有重大意義，厚度過(guò)小與過(guò)大都會(huì)影響電磁校形的效果，其最優(yōu)為趨膚深度厚度。室溫下采用帶驅(qū)動(dòng)片的電磁輔助沖壓成形工藝對(duì)TC4板材進(jìn)行圓孔翻邊，能夠完全避免翻邊圓孔橢圓化、突緣平面翹曲等缺陷，并且設(shè)備及模具簡(jiǎn)單、安全可控、成形效率高。
林遵東等[9]采用勻壓式電磁輔助彎曲成形的方法對(duì)TA32鈦合金板開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電磁輔助彎曲成形方法能夠有效提高彎曲件的成形精度，并且在一定條件下，放電能量越高，貼模效果越好，成形精度越高。帶壓緊翼彎曲件的變形區(qū)外層過(guò)度伸長(zhǎng)而產(chǎn)生減薄并開(kāi)裂，不帶壓緊翼的彎曲件通過(guò)合理控制放電電壓能夠獲得較好的成形效果。
3、數(shù)值仿真方法
電磁成形數(shù)值模擬方法可分為松散耦合、順序耦合以及強(qiáng)耦合數(shù)值模擬3種。早期學(xué)者主要采用ANSYS軟件進(jìn)行順序耦合模擬分析；而強(qiáng)耦合模擬軟件主要集中在國(guó)外某些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部。針對(duì)帶驅(qū)動(dòng)片的電磁成形工藝，為了解決變形板與驅(qū)動(dòng)板二者之間空氣網(wǎng)格與沖擊碰撞模擬難以兼顧的問(wèn)題，Li等[21]提出了基于成熟的商業(yè)軟件ANSYS和ABAQUS平臺(tái)，分別進(jìn)行磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算，通過(guò)外部程序在二者之間傳遞電磁力，建立了三維電磁成形多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬模型，并采用該模型對(duì)無(wú)氧紫銅板驅(qū)動(dòng)TC4鈦合金電磁成形工藝進(jìn)行了分析，獲得了驅(qū)動(dòng)片與板料之間的沖擊作用以及電磁成形中板料變形規(guī)律，預(yù)測(cè)了磁場(chǎng)強(qiáng)度分布、電磁力分布、材料變形的應(yīng)力-應(yīng)變分布等重要信息。該方法對(duì)磁場(chǎng)的仿真是可靠的，能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)小變形工藝過(guò)程，對(duì)大變形工藝也能定性分析。采用提出考慮裂紋萌生擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法，對(duì)2mm厚鋁合金A5052-O驅(qū)動(dòng)片作用下的TC4鈦合金板材電磁脹形損傷進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金板材電磁脹形時(shí)，中心位置在高速慣性作用下振蕩變形所引起的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，是其最終在該位置萌生裂紋的原因[22]。為了進(jìn)一步提高求解精度，對(duì)該方法又進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的雙向耦合分析，仿真計(jì)算流程如圖10所示[23]，驅(qū)動(dòng)片上不同時(shí)刻的電磁力分布預(yù)測(cè)結(jié)果如圖11所示。2種方法預(yù)測(cè)的變形位移與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖12所示。
雖然2009年，L'eplattenierP等[24]就介紹了采用LS-DYNA進(jìn)行熱力磁相耦合方法，利用有限元進(jìn)行導(dǎo)體分析，而空氣采用邊界元法進(jìn)行計(jì)算。直到2013年11月，LS-DYNA才發(fā)布了帶有電磁模塊的新版本，為電磁成形研究提供了有利的數(shù)值工具。這也為帶驅(qū)動(dòng)片的電磁成形工藝的強(qiáng)耦合數(shù)值模擬提供了工具，將有力促進(jìn)電磁成形技術(shù)的發(fā)展。2016年，達(dá)索公司也發(fā)布了Abaqus20016版本，該軟件版本也具有電磁分析功能，為電磁成形數(shù)值提供了有利工具。可以預(yù)期這些具有電磁成形分析模塊的商業(yè)軟件，將極大促進(jìn)電磁成形技術(shù)在鈦合金板材成形中的應(yīng)用研究。
4、總結(jié)與展望
從高速增塑、成形工藝、數(shù)值仿真3個(gè)方面介紹了電磁成形技術(shù)在鈦合金板材成形加工中的研究現(xiàn)狀，目前該領(lǐng)域的研究還比較少。鈦合金的高強(qiáng)度要求了更高能量等級(jí)的電磁成形設(shè)備、更高強(qiáng)度的磁體線圈、更優(yōu)驅(qū)動(dòng)效果的驅(qū)動(dòng)片。為了更進(jìn)一步促進(jìn)電磁成形技術(shù)的應(yīng)用范圍，特別是在高強(qiáng)度難成形材料的成形加工上，可以從以下3個(gè)方面開(kāi)展研究工作。
1）線圈技術(shù)是阻礙電磁成形技術(shù)主要瓶頸之一，發(fā)展柔性高效高強(qiáng)度的線圈磁體是未來(lái)的主要趨勢(shì)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)度低電阻率材料將成為線圈磁體的主要材料；利用3D打印技術(shù)的靈活性，采用多種材料的金屬3D打印技術(shù)打印出帶有陶瓷絕緣的異形線圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)力時(shí)空分布的調(diào)控。
2）高效驅(qū)動(dòng)方式，可采用銅箔、鋁箔以及不均厚的驅(qū)動(dòng)片，進(jìn)一步提高工藝適應(yīng)性。發(fā)展可以重復(fù)使用的高效驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)一步提高能量利用率。
3）隨著線圈技術(shù)的不斷提高，開(kāi)發(fā)出鈦合金電磁成形新工藝，如鈦合金的電磁拉深、電磁壓印成形，電磁翻邊、電磁輔助彎曲等。引入其他能場(chǎng)（熱、振動(dòng)、超聲）開(kāi)發(fā)出新的鈦合金電磁復(fù)合成形工藝也將是一個(gè)重要的研究方向。
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