锥形管电磁扩口成形工艺数值模拟研究

锥形管电磁扩口成形工艺数值模拟研究

杜志浩  韩栋 毛晓博

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安  710089

摘要：针对传统机械扩口工艺易使管子内表面产生划伤等表面质量不佳的问题，采用电磁扩口成形的方法，实现管子表面无划伤精确成形。采用ANSYS有限元软件对管进行电磁场模拟，将电磁力作为边界条件，利用ABAQUS有限元软件对管子进行结构场模拟，并进一步分析管的变形和应力分布。研究发现：电磁扩口成形工艺能实现管子扩口精确成形，由于电磁成形是无接触力，管子内表面质量较高。

前言

管材扩口连接在航空航天、交通运输等领域有着广泛应用，管材扩口的成形质量直接关系到管件连接的可靠性，对管件连接的跑冒滴漏问题有着直接影响。锥形管材扩口常采用冲压加工，该工艺是将原始管材冲压成形，使管材口部直径扩大的成形方法。褚亮等[1]人使用T2紫铜管材，研究了冲压扩口成形过程中，管材等效应力应变和管材厚度的分布情况。研究发现，扩口变形过程分为弯曲、变直、继续变形和变形结束4个阶段，成形过程中，管材的等效应力和应变在各个阶段的变化是不同的。

近年来，高速率成形方法受到了关注，尤其是电磁成形技术。电磁成形作为一种利用脉冲磁场力使金属板料发生变形的高能率高速率成形技术[2]，被用于解决零件成形制造中的诸多问题，相比于电液成形（EHF）和爆炸成形（EF），电磁成形技术具有安全可控和便于自动化生产等优势，且电磁成形是无接触力，管子表面无划痕等缺陷。

电磁扩口数值模拟

在ANSYS/EMAG软件中建立的电磁场有限元模型，模型包括管、线圈、近空气场和远空气场。管子外径为40 mm，内径为38 mm，高度50 mm，线圈截面尺寸为3×6 mm，共10匝，匝间隙为2 mm，线圈与管子的间距为1 mm。电磁场模型中，管和线圈的单元类型为Solid97，网格划分方式为六面体扫掠网格。空气场和远场单元类型分别为Infin111和Solid97，网格划分方式均为自由网格。当放电电压为7000 V时，放电能量（E）为= 15.68 kJ。

（1）

在ABAQUS软件中建立结构场有限元模型，模型包括管和成形模具，管的单元类型为C3D8，成形模具设置为刚体，采用壳单元，单元类型为S4。对于管的实体单元类型，厚度方向的网格设置为3层。数值模拟中使用T2铜材料。屈服强度、杨氏模量和泊松比分别为70 MPa、110 GPa和0.34。为充分考虑高应变率对电磁扩口成形过程板料流变应力的影响，使用了Johnson-Cook本构模型模拟管材的动态变形行为，其本构方程如公式（2）所示[3]。

（2）

式中，σ表示屈服强度，ε表示等效应变，表示应变速率，A为材料准静态下材料的屈服强度，B和n为应变硬化常数，C为应变率敏感系数。

本研究中采用松散耦合模拟方法，其原理是将多个需要耦合的电磁场与结构场进行分离，分别进行求解计算。首先使用电磁场模型模拟整个放电过程，获得金属板件空间下的电磁力，然后将此电磁力作为边界条件导入结构场模型分析板料变形过程。因此，松散耦合法忽略了板件变形对电磁力的影响，当板件变形较大时模拟的准确度较差。但是当板件变形较小时，松散耦合法具有一定的计算精度，并且求解速度快和计算效率高。

电磁扩口成形应力变化分析

图1为线圈放电7000 V后不同时间点的Mises应力分布云图。当t = 0 μs时，管材Mises应力为0。当t = 100 μs时，管子变形区域应力增加，最大应力达到207.6 MPa，管子开始产生变形。在t = 200 μs时，管子与模具贴合，由于高速碰撞，管子的最大应力达到702.1 MPa。当t = 1000 μs时，相比于t = 200 μs时，由于管子与模具反复碰撞震荡，最大应力降低至341.2 MPa。

图1线圈放电7000 V后不同时刻管材上的应力分布：（a）0 μs，（b）100 μs，（c）200 μs，（d）1000 μs

结论

本研究利用电磁成形技术，通过数值模拟技术研究了电磁扩口工艺，模拟发现，电磁扩口可以实现T2铜导管的精确成形，这对拓宽管材加工方法具有重要意义。

参考文献

[1]褚亮，王锋，汤立松，等. 管材锥形凸模扩口工艺的数值模拟[J]. 锻造与冲压, 2023,24(14): 125-132.

[2]金淳，黄亮，李建军，等. 不同热处理状态下成形速率对2219铝合金成形极限的影响[J]. 塑性工程学报, 2017,24(01): 125-132.

[3]崔晓辉，张磊，陈浩，等. 电磁斜孔翻边的板料结构设计和变形规律研究[J]. 锻压技术, 2023,48(5): 168-175.