電磁成形是一種利用脈沖電磁力實(shí)現(xiàn)金屬材料加工的高速成形技術(shù)。因其在輕質(zhì)合金加工領(lǐng)域具有巨大潛力，美國(guó)能源部、歐盟框架計(jì)劃、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃等相繼資助電磁成形技術(shù)，期望通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)合金在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提高各國(guó)高端成形加工技術(shù)水平。

縱觀其發(fā)展歷史，電磁成形的研究主要集中在兩個(gè)方面：①材料高速變形行為、材料成形極限等材料科學(xué)問(wèn)題；②電磁場(chǎng)分布規(guī)律、電磁力控制策略等電磁技術(shù)問(wèn)題。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)、德國(guó)多特蒙德工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等率先開(kāi)展了電磁成形技術(shù)研究，但因參與研究的學(xué)者都屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，導(dǎo)致電磁成形材料科學(xué)問(wèn)題得到大力發(fā)展而電磁技術(shù)問(wèn)題相對(duì)滯后。

電磁成形過(guò)程中，材料科學(xué)是揭示電磁成形過(guò)程中宏觀材料流動(dòng)規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理。宏觀上一般認(rèn)為電磁成形提升材料的成形性能是源自慣性效應(yīng)、模具作用、動(dòng)態(tài)回復(fù)、高應(yīng)變率等因素。

學(xué)者們認(rèn)為，電磁成形時(shí)高速率工件的大動(dòng)量與慣量改變了傳統(tǒng)靜態(tài)成形工件的應(yīng)力分布，分散了整個(gè)工件的集中變形，抑制了局部縮頸，從而使金屬材料的成形能力獲得提高。同時(shí)，材料與模具間的高速?zèng)_擊亦能夠抑制材料內(nèi)部孔隙缺陷的擴(kuò)展，對(duì)提高材料的成形極限亦具有重要作用。

諶祺等利用電子背散射衍射和透射電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)是鋁合金材料AA5083延展性顯著提升的又一影響因素。此外，大多數(shù)金屬材料的流變應(yīng)力、加工硬化率、應(yīng)變率敏感性、最大應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均隨應(yīng)變速率的增加而增大。

微觀方面，普遍認(rèn)為電磁力驅(qū)動(dòng)的高速變形下，位錯(cuò)、攣晶以及絕熱剪切帶是控制材料變形的主要機(jī)制。F.W. Bach等發(fā)現(xiàn)電磁成形過(guò)程中純鋁呈現(xiàn)位錯(cuò)增殖-位錯(cuò)纏結(jié)-胞狀結(jié)構(gòu)-亞晶形成等連續(xù)過(guò)程，表明位錯(cuò)萌生與運(yùn)動(dòng)仍是控制高速變形的主要機(jī)制。

與位錯(cuò)機(jī)制相比，高速變形下似乎更易誘導(dǎo)孿晶的形成。高應(yīng)變率時(shí)位錯(cuò)來(lái)不及以熱激活機(jī)制克服短程障礙，當(dāng)位錯(cuò)滑移難以進(jìn)行時(shí)，晶體材料將以孿晶形式變形。P.J. Ferreira等研究發(fā)現(xiàn)，在高速變形條件下孿晶是奧氏體不銹鋼的主要變形方式。李建軍等基于晶體塑形力學(xué)和位錯(cuò)理論的高速變形本構(gòu)模型，將高速變形的宏觀流動(dòng)行為和微觀演變機(jī)制耦合在一起，較好地表征了高速變形宏微觀變化規(guī)律。

李宏偉等定量描述了微觀缺陷（絕熱剪切帶和孔洞）演化對(duì)鋁合金力學(xué)行為的影響，進(jìn)一步揭示了大應(yīng)變、應(yīng)變率范圍內(nèi)絕熱剪切帶、孔洞演化規(guī)律。電磁成形過(guò)程中，宏觀材料流動(dòng)規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理逐漸清晰，為電磁成形工業(yè)應(yīng)用奠定了材料理論基礎(chǔ)。

針對(duì)特定的加工需求，如何為工件提供合理的電磁力分布是電磁成形需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，因前期參與電磁成形研究的電磁領(lǐng)域?qū)W者相對(duì)較少，導(dǎo)致電磁技術(shù)問(wèn)題的研究相對(duì)滯后，阻礙了電磁成形實(shí)現(xiàn)工業(yè)廣泛應(yīng)用的進(jìn)程。

2011年，國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心（籌）（以下簡(jiǎn)稱強(qiáng)磁場(chǎng)中心）李亮教授主持的“973計(jì)劃”項(xiàng)目“多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造基礎(chǔ)研究”啟動(dòng)，帶動(dòng)了一批電磁領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)電磁成形技術(shù)進(jìn)行深入廣泛的研究，電磁技術(shù)問(wèn)題得到跨越式發(fā)展，項(xiàng)目研究成果豐富，發(fā)展了電磁成形技術(shù)內(nèi)涵，開(kāi)辟和引領(lǐng)了電磁成形技術(shù)的新方向。

基于該研究現(xiàn)狀，本文首先闡述了電磁成形基本原理和電磁力分布規(guī)律，其次重點(diǎn)分析了目前各項(xiàng)電磁成形新技術(shù)解決的電磁技術(shù)問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)的基本方案、電磁力分布特征、工件成形效果等內(nèi)容，最后探討了為實(shí)現(xiàn)電磁成形工業(yè)化應(yīng)用仍需解決的關(guān)鍵電磁技術(shù)問(wèn)題。

1 電磁成形基本原理（略）

圖1 電磁成形基本原理

圖2 磁場(chǎng)力分布

驅(qū)動(dòng)線圈是工件電磁力的施加者，電磁成形技術(shù)的革新往往以新型驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生不同的電磁力分布為標(biāo)志。為此，本文將目前涌現(xiàn)的諸多新技術(shù)劃分為改善電磁力分布的電磁成形技術(shù)、改變電磁力施加方式的電磁成形技術(shù)、與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合的電磁成形技術(shù)三大類別，逐一闡述評(píng)價(jià)，進(jìn)一步介紹了目前影響電磁成形使用壽命的主要因素。

2 改善電磁力分布的電磁成形技術(shù)

1）板件勻壓力成形

前述表明，采用平板螺旋驅(qū)動(dòng)線圈加工板件時(shí)，電磁力不均勻，導(dǎo)致板件成形效果較差。為此，G. S.Daehn等提出一種勻壓力驅(qū)動(dòng)線圈，如圖3所示。勻壓力驅(qū)動(dòng)線圈為一扁平的矩形線圈，板件置于勻壓力驅(qū)動(dòng)線圈的一側(cè)，同時(shí)引入一U型導(dǎo)體與板件構(gòu)成一個(gè)封閉回路，使勻壓力驅(qū)動(dòng)線圈剛好位于封閉回路內(nèi)部。

板件勻壓力成形與管件電磁成形原理較為類似，忽略邊緣效應(yīng)時(shí)其電磁力分布明顯較為均勻（圖3所示）；同時(shí)這一耦合形式下的能量轉(zhuǎn)換效率亦得到一定程度的提升。

圖3 勻壓力線圈示意圖

基于勻壓力線圈的電磁力分布特性，S. Golowin等將其應(yīng)用于燃料電池板的壓花成形，C. Weddeling等將其應(yīng)用于電磁焊接，成形效果得到一定程度的提升。此外，邱立對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種高效率板件電磁成形方法及裝置，如圖4所示。

將扁平的矩形線圈改為正方形線圈，同時(shí)將原有的U型導(dǎo)體回路采用另外3塊待加工板件代替，這一改進(jìn)方法可實(shí)現(xiàn)4塊金屬板件同時(shí)加工，提升了板件勻壓力成形技術(shù)的效率。

目前，板件勻壓力成形技術(shù)面臨的主要問(wèn)題仍是如何有效地解決U型導(dǎo)體與板件之間因接觸導(dǎo)致的電弧燒蝕問(wèn)題。

2）板件局部電磁力成形

傳統(tǒng)板件電磁成形過(guò)程中，平板螺旋驅(qū)動(dòng)線圈幾乎覆蓋整個(gè)加工區(qū)域，導(dǎo)致板件中心區(qū)域變形量過(guò)大，板件變形效果差。為此，邱立等提出一種板件局部電磁力成形方法，其基本原理如圖5a所示。

采用平板螺旋驅(qū)動(dòng)線圈實(shí)現(xiàn)板件成形時(shí)，因驅(qū)動(dòng)線圈幾乎覆蓋整個(gè)板件，電磁力最大的區(qū)域出現(xiàn)在板件半徑1/2附近，這一區(qū)域受到的電磁力最大，變形速度最快。當(dāng)這一區(qū)域的板件速度達(dá)到最大值后，將帶動(dòng)板件其他區(qū)域加速。板件中心約束最小，導(dǎo)致其成形高度最大，最終板件為圓錐形輪廓。

板件局部電磁力成形時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈的繞組主要集中在凹模邊緣附近區(qū)域，這一區(qū)域受到的電磁力最大。因這一區(qū)域遠(yuǎn)離板件中心，其對(duì)板件中心的影響小，使得板件變形效果較好，呈圓柱形輪廓。

圖4 高效率板件電磁成形結(jié)構(gòu)

圖5 電磁局部成形

圖5b、圖5c分別為傳統(tǒng)板件電磁成形與局部電磁成形工件輪廓圖。顯然，采用局部加載驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，電磁力更為集中，工件中心區(qū)域電磁力小、變形量少，從而使板件整體變形更均勻，工件成形效果得到改善。

此外，因板件局部電磁力成形時(shí)電磁力集中在變形后的工件側(cè)壁處，這一區(qū)域的工件受到凹模的約束與驅(qū)動(dòng)線圈的距離幾乎保持不變，多次加載時(shí)電磁力不會(huì)因距離變大而衰減嚴(yán)重，這為重復(fù)加載電磁力實(shí)現(xiàn)電磁拉深成形提供了一定的可能性。

目前，板件局部電磁力成形過(guò)程中，板件電磁力分布與成形效果之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍需深入研究，此外，重復(fù)加載電磁力時(shí)需要考慮加工硬化與起皺等問(wèn)題對(duì)板件的影響。

3）凹型驅(qū)動(dòng)線圈管件電磁脹形

前述提及，管件電磁成形因其電磁力分布相對(duì)均勻而得到較為廣泛的工業(yè)應(yīng)用，如管件脹形、鏈接、密封等。然而，采用螺線管驅(qū)動(dòng)線圈實(shí)現(xiàn)管件電磁成形時(shí)，由于端部效應(yīng)導(dǎo)致徑向電磁力軸向分布不均，管件軸向變形不均勻。為此，邱立等提出一種采用凹型驅(qū)動(dòng)線圈削弱管件中部徑向電磁力以提高管件成形質(zhì)量的方法，圖6a為凹型驅(qū)動(dòng)線圈管件電磁成形基本原理。

其基本思路在于：采用凹型線圈代替螺線管線圈，以減少驅(qū)動(dòng)線圈中部的安匝數(shù)，使工件中部的磁通密度和感應(yīng)渦流大為降低，進(jìn)而減小工件中部的徑向電磁力。

圖6b為采用螺線管驅(qū)動(dòng)線圈和凹型驅(qū)動(dòng)線圈的徑向電磁力分布。采用螺線管線圈時(shí)，端部效應(yīng)嚴(yán)重，工件中部的徑向電磁力最大，整體呈“單峰”分布；采用凹型線圈時(shí)，工件中部的徑向電磁力得到一定程度的削弱，兩端的徑向電磁力得到一定程度的增強(qiáng)，整體呈“凹型”分布。

圖6c為采用螺線管線圈和凹型線圈的管件變形輪廓，顯然“凹型”分布的徑向電磁力能有效改善管件軸向變形非均勻問(wèn)題。然而，因?yàn)榘苍褦?shù)的減少，采用凹型螺旋管驅(qū)動(dòng)線圈管件電磁成形時(shí)耦合效率降低，需要更大的能量才能實(shí)現(xiàn)相同的變形量。

圖6 凹型驅(qū)動(dòng)線圈管件電磁脹形

3 改變電磁力施加方式的電磁成形技術(shù)

雖然板件勻壓力成形、板件局部電磁力成形、凹型驅(qū)動(dòng)線圈管件電磁脹形等新型技術(shù)能解決某些電磁技術(shù)問(wèn)題，但是這些改善電磁力分布的電磁成形技術(shù)并未從施加方式上有所突破。

2011年，賴智鵬等提出了多級(jí)多向脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形方法，其通過(guò)多線圈與多電源系統(tǒng)的精確時(shí)序配合，在時(shí)間上形成多級(jí)、空間上形成多向的電磁力分布，為復(fù)雜、大尺寸及難變形零部件成形制造提供了有效手段。在這一思路的影響下，涌現(xiàn)出多種改變電磁力施加方式的電磁成形技術(shù)。

1）軸-徑雙向加載板件電磁成形

現(xiàn)有板件電磁成形技術(shù)中，電磁力主要施加于板件自由脹形區(qū)域內(nèi)，且以軸向電磁力分量為主。此時(shí)，板件自由脹形區(qū)域先發(fā)生變形，然后帶動(dòng)法蘭區(qū)域的板件向凹模內(nèi)流動(dòng)。因此，板件的變形以脹形為主，最終導(dǎo)致板件容易破裂、成形性能差。

改善這一加工問(wèn)題的關(guān)鍵是增大法蘭區(qū)域的板件徑向流動(dòng)性?；诖?，賴智鵬等提出了一種軸-徑雙向加載板件電磁成形方法，其原理如圖7所示。

基于傳統(tǒng)單線圈電磁成形系統(tǒng)（線圈1），在板件法蘭區(qū)域處引入另一套驅(qū)動(dòng)線圈（線圈2）；線圈1為自由脹形區(qū)域的板件提供軸向電磁力，線圈2為法蘭區(qū)域的板件提供徑向電磁力；因法蘭區(qū)域的徑向電磁力可有效促進(jìn)這一區(qū)域板件的徑向流動(dòng)，這一形式的電磁力施加方式能大幅提升板件電磁成形的成形性能。

圖7 軸-徑雙向加載板件電磁成形原理

針對(duì)厚度為1.5mm、直徑為130mm的AA1060-H24 鋁合金板，采用匝數(shù)為4◆10（軸向4層、徑向10層）的線圈1和匝數(shù)為5◆4（軸向5層、徑向4層）的線圈2分別為其提供軸向電磁力和徑向電磁力，利用兩套具有高精度光觸發(fā)晶閘管主放電開(kāi)關(guān)的320μF電容電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)板件軸向力和徑向力的時(shí)序調(diào)控。

圖8為傳統(tǒng)板件電磁成形與軸-徑雙向加載板件電磁成形的對(duì)比。單一軸向電磁力加載時(shí)，板件法蘭區(qū)域幾乎沒(méi)有發(fā)生塑性流動(dòng)，變形量小，且極易發(fā)生破裂；軸向電磁力與徑向電磁力雙向加載時(shí)，板件法蘭區(qū)域存在明顯的塑性流動(dòng)，這一變形方式使得板件變形量得到大幅提升，且有效抑制了材料破裂。顯然，通過(guò)改變電磁力加載方式可有效提升板件電磁成形的成形性能，實(shí)現(xiàn)了拉深系數(shù)高達(dá)3.25的筒形件成形，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)拉深工藝的極限拉深系數(shù)（2.0~2.2）。

圖8 板件成形效果圖

2）軸向壓縮式管件電磁脹形

通常，管件電磁成形分為管件電磁壓縮和管件電磁脹形。對(duì)于管件電磁脹形而言，現(xiàn)有技術(shù)一般采用螺線管驅(qū)動(dòng)線圈為管件提供電磁力，其載荷主要是環(huán)向渦流與軸向磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的徑向電磁力分量；當(dāng)發(fā)生脹形時(shí)，管件因?yàn)樽冃伟霃皆龃?，?dǎo)致其壁厚減薄、強(qiáng)度降低，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度及高性能零件的需求。

為解決這一問(wèn)題，邱立等采用徑向電磁力與軸向電磁力同時(shí)加載的施力方式，創(chuàng)新地提出了軸向壓縮式管件電磁脹形，如圖9所示。其基本思想在于：通過(guò)設(shè)計(jì)新型驅(qū)動(dòng)線圈，在金屬工件區(qū)域內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)和徑向磁場(chǎng)；軸向磁場(chǎng)與感應(yīng)渦流產(chǎn)生徑向電磁力，徑向磁場(chǎng)與感應(yīng)渦流產(chǎn)生軸向電磁力；徑向電磁力驅(qū)動(dòng)工件發(fā)生脹形，軸向電磁力則驅(qū)動(dòng)工件在軸向發(fā)生壓縮。

通過(guò)這一方法，金屬工件在徑向電磁力的作用下發(fā)生脹形的同時(shí)，亦在軸向電磁力的作用下發(fā)生軸向壓縮；軸向壓縮使工件材料及時(shí)補(bǔ)充到脹形減薄區(qū)，可有效減小工件壁厚的減薄量，提高工件成形性能和成形極限。

圖9 軸向壓縮式管件電磁脹形原理

針對(duì)直徑為50mm、壁厚為1mm的1060鋁合金管件，分析了采用不同驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)的軸向電磁力與管件壁厚減薄量，如圖10所示。顯然，隨著軸向電磁力的增加，管件壁厚減薄量逐漸減小。特別地，當(dāng)軸向電磁力增大到一定程度時(shí)，管件壁增厚。

崔曉輝等指出，通過(guò)引入軸向電磁力，材料塑性流動(dòng)顯著增大，同時(shí)拉應(yīng)力減小，這一特點(diǎn)是管件成形性能和成形極限得以提高的主要原因。目前，軸向壓縮式管件電磁脹形面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)在于，細(xì)長(zhǎng)型管件成形時(shí)因軸向電磁力的擠壓容易發(fā)生變形失穩(wěn)、畸變等問(wèn)題。

圖10 采用不同驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)軸向電磁力與管件壁厚減薄量

3）吸引式板管件電磁成形

傳統(tǒng)電磁成形中，驅(qū)動(dòng)線圈源電流與感應(yīng)渦流方向相反，工件由電磁斥力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)成形。然而，實(shí)際中某些加工無(wú)法通過(guò)電磁斥力實(shí)現(xiàn)，如汽車凹痕的不拆卸修復(fù)、微小型管件脹形等。因此亦有學(xué)者探索研究吸引式板管件電磁成形。

曹全梁等提出一種基于雙頻電流法的吸引式板件電磁成形，基本電路如圖11a所示。在同一驅(qū)動(dòng)線圈，分別通入一長(zhǎng)脈沖電流和一短脈沖電流，且滿足以下條件：長(zhǎng)脈沖電流和短脈沖電流方向相反；短脈沖電流幅值小于長(zhǎng)脈沖電流幅值，以保證合成磁場(chǎng)不發(fā)生反向；短脈沖電流的變化率足夠快，使其產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密度大于長(zhǎng)脈沖電流產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密度。

此時(shí)，合成的驅(qū)動(dòng)線圈電流與合成的感應(yīng)渦流方向相同，即可產(chǎn)生電磁吸力驅(qū)動(dòng)板件成形；同時(shí)，當(dāng)短脈沖電流在長(zhǎng)脈沖電流幅值最大時(shí)刻通入時(shí)，可獲得相對(duì)較大的電磁吸力。

針對(duì)1mm厚的AA1060鋁板，采用2880μF電容電源產(chǎn)生長(zhǎng)脈沖電流，當(dāng)長(zhǎng)脈沖電流達(dá)到峰值時(shí)采用160μF電容電源產(chǎn)生短脈沖電流，放電電流如圖11b所示，驅(qū)動(dòng)線圈與板件之間將產(chǎn)生電磁吸力，驅(qū)動(dòng)板件發(fā)生變形，最大變形量為4.7mm，如圖11c所示。

熊奇等將這一思路引入管件成形，提出基于雙頻電流法的吸引式管件電磁成形。仿真研究表明，在電磁吸力的驅(qū)動(dòng)下，直徑為20mm的管件最大形變量約為3.7mm。顯然，吸引式板管件電磁成形能滿足某些特殊加工需求，然而其研究尚處于初步階段，如何產(chǎn)生足夠大的電磁吸力仍是這一技術(shù)需要克服的主要技術(shù)難點(diǎn)。

圖11 吸引式電磁成形

4 與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合的電磁成形技術(shù)

雖然純電磁力驅(qū)動(dòng)的電磁成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但其在加工大型板件方面存在難點(diǎn)，目前文獻(xiàn)[60]顯示純電磁力加工的板件直徑最大為1378 mm。其主要原因在于，加工大型板件時(shí)需要足夠大的電容電源與驅(qū)動(dòng)線圈，這導(dǎo)致線圈電感和電容增大、放電等效脈沖變長(zhǎng)，不利于產(chǎn)生脈沖電磁力。

此外，雖然出現(xiàn)了諸多改善電磁力分布和改變電磁力加載方式的電磁成形技術(shù)，但因電磁力分布完全取決于磁場(chǎng)與渦流分布，控制難度大。因此，諸多學(xué)者采用電磁成形與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合的方式，提出板件電磁漸進(jìn)成形、電磁輔助成形、柔性加載式電磁驅(qū)動(dòng)成形等一系列新技術(shù)。

1）板件電磁漸進(jìn)成形

采用純電磁力單次加載很難實(shí)現(xiàn)大型板件的加工。為此，莫健華[65]申請(qǐng)了專利“板材動(dòng)圈電磁漸進(jìn)成形方法及其裝置”，提出一種板件電磁漸進(jìn)成形方法。其基本思路為：采用小型驅(qū)動(dòng)線圈在大型板件局部產(chǎn)生電磁力，使板件局部發(fā)生變形；移動(dòng)驅(qū)動(dòng)線圈的位置，進(jìn)行下一次電磁力的施加與局部變形；通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)線圈的放電路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)大型板件的電磁加工，如圖12所示。

圖12 板件電磁漸進(jìn)成形

針對(duì)直徑為240mm的AA3003板件，莫健華等[66-68]采用直徑為100 mm的平板螺旋驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)其進(jìn)行電磁漸進(jìn)成形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)選擇合理的放電路徑，可采用小型驅(qū)動(dòng)線圈實(shí)現(xiàn)大型板件的成形加工。

進(jìn)一步地，李建軍等將電磁漸進(jìn)成形發(fā)展為兩步電磁成形，并應(yīng)用于大型板件局部翻邊。顯然，板件電磁漸進(jìn)成形能夠提升電磁成形加工能力，使其為加工大型板件加工提供了新的思路。然而，這一方法需要多次放電才可實(shí)現(xiàn)加工，工序相對(duì)復(fù)雜。此外，放電路徑的選擇對(duì)板件成形性能影響較大，這亦是板件電磁漸進(jìn)成形未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。

2）電磁脈沖輔助沖壓成形

電磁成形能夠改善材料成形性能，傳統(tǒng)沖壓成形則具有強(qiáng)大的加工能力，為同時(shí)具備這兩種優(yōu)勢(shì)，J. Shang等率先提出了電磁脈沖輔助沖壓成形新技術(shù)，如圖13a所示。

該技術(shù)是板件電磁成形與傳統(tǒng)沖壓成形相結(jié)合的復(fù)合塑性加工技術(shù)，首先，板件在凸模的作用下發(fā)生整體變形；其次，采用預(yù)先嵌在凸模內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)板件難成形區(qū)域進(jìn)行局部電磁力施加與矯形。電磁脈沖輔助沖壓成形中，傳統(tǒng)沖壓使得板件整體變形量大，電磁成形使得板件局部成形精度高，具有明顯加工優(yōu)勢(shì)。

圖13 電磁脈沖輔助沖壓成形

針對(duì)厚度為1mm的Al 6111-T4鋁合金板件，采用傳統(tǒng)沖壓板件成形與電磁脈沖輔助沖壓板件成形的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖13b所示。傳統(tǒng)沖壓成形時(shí)，板件最大成形深度為44mm（圖13b中的1B板件），而在引入了脈沖電磁力作為輔助載荷時(shí)，電磁脈沖輔助沖壓成形板件的最大成形深度達(dá)到63.5mm（圖13b中的A6板件），成形深度提高了44%。

顯然，通過(guò)在沖頭底部嵌入驅(qū)動(dòng)線圈，通入較小的放電能量便可多次向難成形區(qū)域施加脈沖電磁力，避免了單次施力過(guò)大產(chǎn)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)，板件應(yīng)變分布得到改善，成形精度大大提高。目前，電磁脈沖輔助沖壓成形工藝較為成熟，但針對(duì)特定的加工需求如何配置傳統(tǒng)沖壓與電磁成形還需進(jìn)一步探索與研究。

3）柔性加載式電磁驅(qū)動(dòng)成形

電磁成形過(guò)程中，電磁力的分布直接影響著工件變形行為和成形性能。電磁力是由工件處的磁場(chǎng)與工件內(nèi)部的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生的。然而，感應(yīng)渦流在工件內(nèi)部的分布是難以精確控制的，這導(dǎo)致現(xiàn)有電磁成形技術(shù)電磁力加載靈活度不高，無(wú)法滿足不同工件的電磁力需求。

基于此，邱立等提出一種柔性加載式電磁驅(qū)動(dòng)成形技術(shù)，其在工件與驅(qū)動(dòng)線圈之間引入一個(gè)由不同半徑、不同截面、不同材料的導(dǎo)體環(huán)構(gòu)成的柔性線圈，驅(qū)動(dòng)線圈與柔性線圈的相互作用產(chǎn)生脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)板件成形，通過(guò)柔性線圈的結(jié)構(gòu)與材料改變感應(yīng)渦流的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電磁力分布的調(diào)控。

圖14為采用不同柔性線圈時(shí)工件的電磁力分布及工件變形輪廓。顯然，采用柔性線圈能夠改變電磁力分布，為解決“如何針對(duì)特定的加工需求實(shí)現(xiàn)電磁力的柔性調(diào)控”提供了可能性。目前，柔性加載式電磁驅(qū)動(dòng)成形面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)在于電磁力的重復(fù)加載問(wèn)題。

圖14 不同柔性線圈電磁力分布及工件變形輪廓

5 高壽命電磁成形技術(shù)探索

電磁力施加方式的創(chuàng)新能夠解決某些電磁技術(shù)問(wèn)題，推動(dòng)了電磁成形技術(shù)的快速發(fā)展。然而，要使其達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用程度，必須實(shí)現(xiàn)高壽命電磁成形技術(shù)。電磁成形過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)線圈在為工件提供電磁力的同時(shí)，其自身亦處于高電壓、大電流、高應(yīng)力等極其嚴(yán)苛的工作條件，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫升問(wèn)題導(dǎo)致其使用壽命非常有限。顯然，解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫升問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)高壽命電磁成形技術(shù)的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，S. Golovashchenko研究表明，驅(qū)動(dòng)線圈的結(jié)構(gòu)破壞往往發(fā)生在曲率半徑較小的內(nèi)環(huán)，建議通過(guò)引入加固提升線圈強(qiáng)度。邱立等將脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)線圈，采用分層加固技術(shù)繞制的高強(qiáng)度緊湊型驅(qū)動(dòng)線圈較好地解決了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。

溫升問(wèn)題方面，S. Gies等研究發(fā)現(xiàn)，電磁成形過(guò)程中50%以上的能量以焦耳熱的形式消耗在驅(qū)動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)線圈表面最高溫度達(dá)到 92℃，內(nèi)部溫升更是高達(dá)178℃，嚴(yán)重影響了驅(qū)動(dòng)線圈的使用壽命。S. Golovashchenko等提出通過(guò)強(qiáng)制空氣對(duì)流的方法可有效促進(jìn)驅(qū)動(dòng)線圈散熱過(guò)程，降低溫升，然而這一方法僅適用于散熱條件較好的驅(qū)動(dòng)線圈，對(duì)于高強(qiáng)度緊湊型驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)降溫效果較差。

曹全梁等提出采用續(xù)流回路串聯(lián)功率電阻的新型電路結(jié)構(gòu)，可在不影響成形效率的情況下減少驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部的焦耳熱，研究顯示，驅(qū)動(dòng)線圈的焦耳熱損耗由4.62 kJ降低至2.07 kJ，效果顯著。

總體而言，目前或采用分層加固技術(shù)解決驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，或采用強(qiáng)制空氣對(duì)流促進(jìn)單層結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈散熱，但卻無(wú)法同時(shí)解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫升問(wèn)題；長(zhǎng)壽命的驅(qū)動(dòng)線圈是電磁成形實(shí)現(xiàn)工業(yè)化廣泛應(yīng)用的前提，如何同時(shí)解決驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫升問(wèn)題亦將是今后的研究熱點(diǎn)之一。

結(jié)論

自1958年G.W.Brower和D.F.Harvey首次將電磁感應(yīng)定律應(yīng)用于金屬成形，電磁成形技術(shù)已有60年的發(fā)展歷史。2011年中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造基礎(chǔ)研究”的啟動(dòng)，標(biāo)志著電磁成形中電磁技術(shù)問(wèn)題深入研究的開(kāi)端。

本文從電磁成形基本原理及電磁力分布出發(fā)，主要闡明了改善電磁力分布、改變電磁力施加方式、與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合等三大類別的電磁成形新技術(shù)；針對(duì)每一類別的單個(gè)技術(shù)，從需要解決的電磁技術(shù)問(wèn)題入手，介紹了該技術(shù)的基本原理與實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真驗(yàn)證了其成形效果，最后分析了這一技術(shù)存在的技術(shù)難點(diǎn)與未來(lái)的研究方向。

電磁技術(shù)問(wèn)題的深入研究帶動(dòng)了電磁成形技術(shù)跨越式發(fā)展，其成形優(yōu)勢(shì)得到驗(yàn)證，作用機(jī)理逐步明確，應(yīng)用場(chǎng)景日漸豐富，但其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用仍需克服兩大技術(shù)難題：一是針對(duì)工件加工需求提供靈活的柔性電磁力加載；二是解決高強(qiáng)度緊湊型驅(qū)動(dòng)線圈溫升問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高壽命電磁成形技術(shù)。將來(lái)，電磁成形技術(shù)作為一種特色明顯、優(yōu)勢(shì)突出的高端制造技術(shù)，有望突破傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝目前所面臨的瓶頸，促進(jìn)前沿制造產(chǎn)業(yè)向智能、高效、輕柔和清潔的方向變革。