基于凹型线圈的管件电磁翻边成形效果学习体会

文献概况

本文发表于《锻压技术》2026年第51卷第2期，作者来自三峡大学电气与新能源学院、国网甘肃超高压公司、国网湖北省电力有限公司孝感供电分公司及三峡大学科技学院，受国家自然科学基金资助。研究聚焦于管件电磁翻边成形技术，提出了一种基于凹型线圈的新型成形方法，通过COMSOL有限元仿真探讨了线圈结构参数对电磁力分布及管件翻边效果的影响规律。

核心观点与技术原理

电磁翻边成形是一种利用电磁力使管件端部发生塑性变形的先进成形技术。与传统机械翻边相比，电磁翻边具有成形速度快、无接触、适合薄壁管件成形等优点，但也存在翻边角度小、径向成形均匀性差等不足。本文提出的凹型线圈方案，通过在传统线圈基础上引入凹型结构，实现了局部电磁力的增强，从而显著改善了管件端部的轴向和径向流通性。

从电磁成形的基本原理来看，电磁翻边的核心在于脉冲电流通过线圈时产生的瞬态磁场，该磁场在导电管件中感应出涡流，涡流与磁场相互作用产生洛伦兹力，驱动管件材料发生塑性变形。凹型线圈的设计巧妙之处在于：通过线圈几何形状的优化，使电磁力在管件端部区域形成更有利的分布模式，既增大了轴向翻边力，又改善了径向力的均匀性。

仿真结果与关键数据

上述数据极为引人注目。翻边角度从13°提升至90°，意味着凹型线圈使管件端部能够实现接近直角翻边，这在传统电磁翻边技术中是难以实现的。成形均匀长度从0.7 mm提升至13.8 mm，表明凹型线圈在改善径向成形均匀性方面效果显著。

从电磁-结构耦合仿真的角度分析，凹型线圈的几何参数（包括凹口深度、凹口宽度、线圈高度等）对电磁力分布有重要影响。仿真结果揭示的规律是：凹口深度增加有利于增强局部电磁力，但过深则可能导致力分布过于集中而产生局部过度变形；凹口宽度则影响力的作用范围，需要在局部增强和均匀分布之间取得平衡。

工艺参数优化与工程应用

电磁翻边成形工艺的关键参数包括放电电压、线圈结构参数、管件材料参数和管件几何参数。在实际工程应用中，需要考虑以下因素：

• 放电电压：直接决定电磁力的大小，但过高电压可能导致线圈损坏或管件过度变形。文中采用的2.72 kV是一个经过优化的工艺窗口。
• 管件材料：不同材料的导电率和力学性能差异会影响电磁成形效果。对于不锈钢管件和碳钢管件，需要分别优化工艺参数。
• 管件壁厚：薄壁管件更容易实现大角度翻边，但厚壁管件则需要更高的放电电压。
• 管件直径：直径越大，翻边所需的电磁力越大，对线圈设计的要求也越高。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度，电磁翻边成形的主要失效模式包括：翻边角度不足、翻边不均匀、管件端部裂纹、线圈损坏和放电系统故障等。凹型线圈方案通过改善力场分布，有效降低了翻边角度不足和翻边不均匀的风险。

与工程实践的结合

电磁翻边技术在管件制造中的应用场景主要包括：薄壁不锈钢管件的端部翻边、汽车排气管管件的弯头翻边、以及航空航天领域钛合金管件的精密翻边等。与传统机械翻边工艺相比，电磁翻边避免了模具与工件之间的摩擦和接触，特别适合薄壁管件和精密管件的生产。

凹型线圈方案的工业应用前景值得关注。在实际生产中，需要考虑线圈的制造精度、放电系统的稳定性以及生产节拍等因素。凹型线圈的几何形状比传统线圈更为复杂，对线圈绕制工艺和绝缘处理提出了更高要求。同时，电磁成形系统需要配备高精度的放电控制装置，以确保每次放电的重复性和一致性。

关键疑问与思考

第一，凹型线圈的疲劳寿命问题。电磁成形过程中，线圈承受巨大的电磁力和热负荷，其疲劳寿命是一个关键工程问题。凹型结构的引入是否会降低线圈的疲劳寿命，需要通过疲劳试验进行验证。

第二，不同材料体系的适用性。文中虽未明确说明试验管件的材料，但从电磁成形的一般规律来看，不同材料的导电率、屈服强度和应变硬化指数差异显著，凹型线圈方案在不同材料上的效果可能有所不同。

第三，规模化生产的可行性。电磁成形目前主要应用于小批量、高附加值管件的生产。要实现规模化生产，需要解决放电系统连续运行稳定性、线圈快速更换和在线检测等工程问题。

学习心得与启示

本文的核心贡献在于通过线圈几何形状的优化，突破了传统电磁翻边成形在翻边角度和均匀性方面的瓶颈。这一思路体现了"结构优化驱动性能提升"的设计理念，对管件成形工艺创新具有普遍指导意义。凹型线圈方案的提出说明，在先进成形技术的研发中，不仅要关注成形原理本身，更要关注能量传递路径和力场分布的优化。对于从事管件成型与焊接技术的技术人员而言，这种"从能量场角度优化成形工艺"的思维方法值得深入学习和借鉴。