摘要：对压力容器爆破片的电磁成形工艺进行了实验研究，讨论了充电电容、充电电压、坯料厚度和线圈与工件的距离对成形的影响，比较了应变分布规律，提出了用该形状零件作为薄板件电磁成形的标准工艺参数研究实验，可以用于研究薄板件电磁成形的各种电参数、材料参数、线圈参数和位置参数的变化规律。
关键词：电磁成形；磁脉冲；爆破片；工装模具；线圈
一、引言
电磁成形工艺不需要成对的刚性模具，模具工装简单，加工容易，成本低，制造周期短；产品零件精度高，冻结性好，弹复变形小。该技术适用于生产形状复杂的大尺寸板材零件和小批量多变薄板产品，适合车辆运载工具、化工设备、仪器仪表等行业的薄壁产品的制造、装配联结，在欧美、日本和俄罗斯等国已得到大量应用。
爆破片是压力容器及管道和其他受压密闭装置和设备的防超压安全附件之一，其作用相当于电器设备上的保险丝。爆破片均为薄板制造，尺寸可以是直径几个毫米到几百毫米，传统冲压方法为气压成形或液压成形，难以保证其质量和性能要求。利用电磁成形工艺成形不仅可得到优良的产品，还可以实现较好的经济效益。此外，还可以通过本实验研究电磁成形的合理模具结构和工艺参数。
二、实验
1.实验设备、线圈和工装模具
本项目所用电磁成形设备为本研究室研制的14.4kJ电磁成形机。充电电流为2.5A，最大充电电压为5000V，电容量可以安装1～6个190微法电容器，总储存能量14.4kJ，最大充电时间15s。
成形线圈是电磁成形工艺的关键部件，本实验所用的平板线圈外径为90mm(最大坯料外径亦为90mm)。线圈骨架(图1)用强度较高的高分子尼龙棒，导线采用带环氧玻璃丝绝缘层的矩形截面电磁线，截面尺寸为5.5mm×1.5mm，其绝缘层耐高压6kV。线圈平面要低于骨架端面0.5mm，让环氧树脂充填其间，以保证线圈和坯料间的间隙和增加线圈表面的绝缘性。线圈的每匝之间也要适当地留有间隙以充填环氧树脂，这样可以起紧固和保证绝缘的作用。
图1线圈骨架结构示意图
1.凹槽 2.引出孔 3.导线柱
对于导电能力很好的纯铝坯料，可以采用如图2所示的直接感应成形工装。工作时电容器对工作线圈3放电，放电瞬间在金属坯料4内产生感应电流，使预先储存在电容器内的电场能转化为磁场能，直接对坯料施加力，利用凹模5实现贴模成形。为了防止工作线圈受磁场力作用的向上运动，采用了模架1固定。
图2直接感应成形工装
1.模架 2，7.垫板 3.线圈 4.坯料 5.凹模 6.模座
对于导电性不好，或导电性虽好但坯料厚度小于磁场渗透深度的薄板料，应该采用如图3所示的利用传压介质成形的工装。利用驱动片4，弹性介质5，将磁场能传递给坯料6，通过凹模7实现贴模成形。这与前一种装置的区别只是增加了驱动片4，弹性介质5，其它部分可以互换，可以通过调节模架进行改装。
图3利用弹性介质成形的工装
1.模架 2，9.垫板 3.线圈 4.驱动片 5.弹性介质 6.坯料 7.凹模 8.模座
本实验研制了两套单面模具(凹模)。图4是工件A及其模具图。图5是工件B及其模具图。
图4简单形状的工件A(a)及其模具图(b)
图5复杂形状的工件B(a)及其模具图(b)
2.工艺参数
工艺参数包括：(1)电参数：电压、电容、回路电阻、回路电感；(2)线圈参数：外形尺寸、导线尺寸、匝数、电感量等；(3)坯料参数：坯料厚度、尺寸和机械性能；(4)位置参数：线圈和坯料之间的相对位置。
本项目采用了某厂生产的纯铝(L2Y4)爆破片设计规范，对厚1.0mm、直径80mm的典型爆破片进行了电磁成形实验研究。坯料参数参见表1。坯料形状参见图4和图5。表1工业纯铝L2Y4的机械性能
| 材料 | 厚度 (mm) | 屈服应 力(MPa) | 强度极限(MPa) | 均匀延伸率(%) | 弹性模量(MPa) | 泊松比 | 强化系数(MPa) | | L2Y4 | 1.0 | 100 | 150 | 6.0 | 71000 | 0.31 | 833 |
3.直接感应成形实验
由于本实验所用纯铝坯料很薄，虽然导电性很好，但缺少壁厚与磁场渗透关系的数据，因此对直接感应成形和利用传压介质成形两种方法都进行了实验。成形工艺参数如表2所示。表2爆破片电磁成形工艺参数
| - | 材料 | 厚度(mm) | 坯料直径(mm) | 电容量(μF) | 电压(kV) | | 直接感应成形法 | L2Y4 | 1.0 | 90 | 2×190 | 2.5 | | 间接感应成形法 | L2Y4 | 1.0 | 90 | 3×190 | 4.5 |
直接感应成形法具有成形快、能量损失小，但易产生夹气，贴合不好。
坯料初始直径为90mm，厚1mm，电容量为2×190μF，电压2.5kV。但结果却出现了中间夹气泡，工作不能很好贴合，如图6a所示。原因分析有：(a)透气不够；(b)线圈放置不正造成中间无力；(c)磁场力不均。分析认为，透气不好是一重要原因；而由于中间接线柱引起的中间部位无法产生感应电磁力是另一重要原因。
我们对凹模进行了改进，在凹模上钻了4个小孔以利透气。结果不但中间仍不贴合，4小孔部位还产生了分离现象(参见图6b)。看来用直接感应成形法很难解决这些问题。
图6实验件A照片
(a)直接感应成形件 (b)凹模钻孔的直接感应成形件 (c)间接成形件
(d)带网格的直接感应成形件 (e)电压增加的间接成形件
4.利用传压介质的间接感应成形实验
利用传压介质成形法具有如下优点：可避免磁场不均匀性；可成形电导率低的材料，因而可扩大加工范围。缺点是能量利用率低。当电容量为2×190μF时，电压加至4.5kV仍不能成形。当电容量为3×190μF时，随着电压的增加而坯料深度增加，适当值时坯料完全贴模(成形件如图6c)；再增大时则会出现透气孔的印迹。
实验结果证明间接感应成形法适合爆破片的成形。
三、结果与讨论
1.电压对成形效果的影响
用0.5mm厚纯铝板L2Y4进行实验，坯料直径90mm，传力介质为天然橡胶，直径85mm，厚60mm，驱动片是直径150mm、厚11.4mm的厚铝板。电容为3×190μF。成形实验件如图6e。因而可以得到图7的电压与成形深度的关系曲线。
图7电压与成形深度的关系曲线
可以得到如下结论：(a)随着电压的升高，成形深度增加；(b)电压与成形深度在完全贴合前呈线性关系，尔后加大电压时由于小气孔的影响出现局部胀形而增加趋缓；(c)电压在3.75kV时坯料贴合最好，过小时不能完全贴模；过大时透气孔出现局部胀形；(d)可通过同时改变电压及修模两种方法来保证零件精度。
2.电容量对成形的影响
采用同前一实验相同的实验材料、传力介质、驱动片尺寸进行电容量对比实验(对比实验工艺参数如表3所示)，得到以下两组结果：表3电容量对比实验工艺参数
| 材料 | 厚度(mm) | 坯料直径(mm) | 电压(kV) | 电容量(μF) | 成形能量(J) | | L2Y4 | 1.0 | 90 | 4.5 | 2×190 | 2671.9 | | L2Y4 | 1.0 | 90 | 4.5 | 3×190 | 1781.3 |
当电容量为2×190μF时，成形能量为E＝2671.9J。
当电容量为3×190μF时，成形能量为E＝1781.3J。
结论是：当电容增大时，坯料贴模所需能量减小。即大电容有利于爆破片的成形。原因是当电容增大时，脉冲电流的频率减小，瞬间磁场力增大，引起磁场渗透深度增大和橡胶刚度的变化。
3.坯料厚度对成形的影响
采用同样实验材料、传力介质、驱动片尺寸进行厚度对比实验，可以得到如表4所示结果。可见，随着厚度的增加，成形能量增加很多，增加近两倍。零件的精度与材料的冻结性能有关，冻结性能好的材料其精度高，弹复变形小。厚度大的材料有相对高的冻结性能，因此其精度要比薄料好。但厚料需相当高的成形能量，设备能力也有限，因此还是应该寻求其它途径改善薄料的成形精度。至于坯料厚度对成形精度和成形能量的更详细影响，需要进行更多的实验。表4厚度对比实验工艺参数
| 材料 | 坯料直径(mm) | 电压(kV) | 电容量(μF) | 厚度(mm) | 成形能量(J) | | L2Y4 | 90 | 4.5 | 3×190 | 0.5 | 1781.3 | | L2Y4 | 90 | 4.5 | 3×190 | 1.0 | 4560.0 |
4.线圈与工件的距离对成形的影响
理论计算表明，电磁成形时，作用在工件上的冲击力与磁通密度的平方成正比，与工件的距离成反比。本实验结果也证明了这种关系，即最大变形深度随工件与线圈的距离d的增加而减小，如图8所示。这是因为在放电能量一定时，工件与线圈的距离越大，它们之间的磁通密度就越小，工件所获得的冲击力就越弱，变形深度就越小。因此工件与线圈之间的距离应尽量近。但工件与线圈之间的距离小于击穿距离时，由于导线与工件间存在很高的电势差，导线与工件会放电打火，烧伤工件表面并破坏线圈，图9是一个被烧伤的工件。因此二者间隙也不能太小，合理值一般为0.5～1.0mm。间隙过小有时是被如下原因引起的：线圈不平或绝缘层破坏。若间隙过小可以在工件与线圈之间垫一层绝缘纸。
图8 线圈和工件的距离d与成形深度的关系
图9 被电击烧伤的工件
5.成形爆破片的应变分布
爆破片的壁厚分布均匀性是爆破片的一个重要标志，它影响着爆破片的使用。本实验测量了1mm纯铝爆破片的应变分布，自工件中心到工件边缘的应变分布曲线如图10所示。应变采用贴膜网格测量得到。可见，工件中心最薄，是破裂危险区。另外，法兰圆角处往往发生严重减薄，这也是一个关键部位。图6d是一个带网格的成形工件。
图10 爆破片自工件中心到工件边缘的应变分布
6.复杂形状的爆破片B的成形实验
前面实验均是对简单形状爆破片A的成形实验。我们还对复杂形状的爆破片B进行了成形实验研究。
这一实验首先要考虑模具问题，即是做凹模还是做凸模的问题。若做凹模，成形时法兰先贴模，然后是周围的小凸起，最后才是球面。由于法兰先贴模，夹气无法排出，法兰边也易起皱。若做凸模，球面成形比较容易，法兰也先贴模，最后贴模的是周围的小凸起，这时也需考虑排气，可以通过凸起处钻小孔来解决。实验中我们做的是凸模。模具图如图5所示。采用加传压介质的间接成形法，实验工装如图3所示。图11是所成形的工件。
图11 成形的复杂形状爆破片B照片
四、结束语
实验证明，利用电磁成形工艺进行爆破片成形是可行的。
(1)利用传压介质的间接电磁成形法适用于爆破片的成形，可以得到精度良好的工件。
(2)间接法成形时，相同的电容量下，电压对工件成形深度影响很大，合适的电压是成形的关键。
(3)间接法成形时，电容量对成形也有重要影响，需要进一步研究。
(4)爆破片的变形与拉深变形相似，但中间部分胀形变形较大，法兰部分与拉深变形相似。
(5)简单形状爆破片A的成形实验可以作为研究薄板件电磁成形的工艺参数标准实验，可以方便地用于研究薄板件电磁成形的各种电参数、坯(材)料参数、线圈参数和位置参数的变化规律。
参考文献
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