双线圈小管件电磁吸引式成形中线圈及骨架受力分析学习体会

文献概况与技术背景

习凌然等人在《塑性工程学报》2024年第31卷第12期发表的《双线圈小管件吸引式成形中线圈及骨架受力分析》，针对电磁成形技术在小管件加工中的应用，系统研究了双线圈工况下线圈、骨架及玻璃纤维加固层的受力特征，并提出了优化设计建议。该研究由三峡大学电气与新能源学院、湖北省微电网工程技术研究中心与华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心联合完成，获得了武汉强磁场学科交叉基金资助，体现了电磁成形领域跨学科研究的典型模式。

电磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一种利用脉冲电磁力对金属坯料进行高速塑性变形的先进制造技术。与传统模具冲压相比，电磁成形具有成形速度快（微秒至毫秒级）、模具寿命长（无接触成形）、适合复杂形状成形等优势，特别适合小批量、多品种、高附加值管件的加工。

电磁吸引式成形原理

基本机理

电磁吸引式成形（Attractive Electromagnetic Forming）是电磁成形的一种典型模式。其工作原理是：将金属坯料（管件）放置在成形线圈内部，通过脉冲放电在线圈中产生快速变化的磁场，进而在金属坯料中感应出涡流。感应涡流与磁场相互作用产生电磁力，将坯料向线圈方向拉动，使其贴合法兰或凹模完成成形。

双线圈构型优势

双线圈构型相较于单线圈构型具有以下技术优势：

• 磁场分布更均匀，成形力更集中；
• 可实现更复杂的成形轮廓；
• 通过双线圈的独立控制，可实现多阶段成形。

但双线圈构型也带来了新的挑战：线圈之间的电磁耦合效应、线圈受力方向的改变、以及骨架和加固层的受力重新分布。

受力分析关键结果

线圈受力特征

文献通过有限元仿真，对5组不同放电电压下的线圈受力进行了系统分析，主要发现如下：

这一结果具有重要的工程意义。单线圈工况下，线圈在电磁力作用下向外膨胀，属于典型的"拉应力"工况。而双线圈工况下，内线圈受力方向完全反转，变为向内收缩，这意味着内线圈承受的是"压应力"工况，其失效模式从"拉伸断裂"转变为"压溃失稳"。

骨架与加固层受力

成形系统的骨架和加固层是承载线圈电磁力的关键结构件。文献研究表明：

• 骨架最优厚度为2 mm，此时等效应力降低32%；
• 玻璃纤维加固层最优厚度为2 mm，此时等效应力降低87%。

加固层等效应力降低87%这一数据尤为突出，说明玻璃纤维加固层对线圈系统的力学性能改善效果显著。这为电磁成形设备的结构设计提供了明确的优化方向。

工程应用中的关键考量

放电电压与成形效果的关系

放电电压是电磁成形工艺中最关键的工艺参数之一。电压越高，产生的电磁力越大，成形效果越显著，但同时也带来以下问题：

• 线圈和骨架的受力增大，结构安全性下降；
• 放电能量增加，设备成本提高；
• 过高的电磁力可能导致管件过度变形或开裂。

文献研究了5组放电电压下的受力情况，为工艺参数选择提供了数据支撑。在实际生产中，应根据管件材料、几何形状和成形要求，合理选择放电电压，在成形效果与设备安全性之间取得平衡。

双线圈构型的工程优势与挑战

骨架与加固层的材料选择

骨架通常采用高强度钢或铝合金，加固层采用玻璃纤维增强复合材料。材料选择需考虑以下因素：

• 电磁兼容性：骨架材料不应产生过大的涡流损耗；
• 力学性能：需承受脉冲电磁力载荷；
• 绝缘性能：骨架与线圈之间需保持良好绝缘；
• 成本与可加工性。

与管件成形工艺的对比分析

电磁吸引式成形在管件加工中具有独特优势，但也存在局限性。将其与传统管件成形工艺进行对比：

学习心得与技术展望

这篇文献的研究价值在于揭示了双线圈电磁成形系统中各部件的受力规律，为设备结构设计提供了理论依据。特别是内线圈受力方向完全反转这一发现，对双线圈系统的安全设计具有关键指导意义——设计者必须按照"压应力"工况而非"拉应力"工况来设计内线圈的支撑结构。

从工程实践角度来看，电磁成形技术在精密小管件加工领域具有广阔的应用前景。随着新能源、航空航天、医疗器械等高端制造领域对精密管件需求的增长，电磁成形技术的市场需求将持续扩大。未来研究方向可包括：

1. 多线圈构型的优化设计，进一步改善成形均匀性；
2. 基于数值仿真的工艺参数智能优化，缩短工艺开发周期；
3. 新型功能材料（如高熵合金、金属玻璃）的电磁成形工艺研究；
4. 电磁成形与后续加工（如焊接、热处理）的协同工艺开发。

电磁成形技术作为先进成形技术的重要分支，其核心在于将电磁能高效转化为塑性变形功。该文献对双线圈系统中线圈及骨架受力行为的深入研究，为这一能量转化过程的结构安全设计奠定了坚实基础，是电磁成形技术从实验室走向工程应用的重要一步。