高速率成形技术进展

庞 桂 兵，张 赟 阁，赵 益 昕，卜 繁 岭，赵 秀 君，张 志 金，丁 柏 顺

（1.大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034；2.中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024；3.承德市城市污水处理有限责任公司，河北 承德 067000）

0 引 言

高速率成形技术指在极短的时间内，将巨大能量通过介质（空气或水等）以高压冲击波作用于工件，使其在极高的速度下变形和紧贴模具而成形的一种加工方法。与机械冲压成形技术、准静态液压成形技术等传统成形技术相比，具有成形力量大、成形时间短、装置简单等特点。

高速动车、航空航天、武器装备等制造业结构的轻量化要求对高强度难成形材料（如铝合金、镁合金、高强度钢等）应用日益增加，高速率成形技术因其具有提高难成形材料成形性能和减小工件回弹的优势，显示出越来越重要的应用价值。高速率成形技术包括爆炸成形（Explosive forming）、电磁成形（Electromagnetic forming）和液电成形（Electrohydraulic forming）等［1］。

国内外学者对于高速率成形技术的基础理论和实际应用进行了大量研究，本文总结了该技术的优势和近年来的研究进展，归纳了相关研究成果及特点，讨论了高速率成形对材料成形性的影响因素，对高速率成形技术的发展趋势进行了展望。

1 高速率成形技术的原理及特点

1.1 爆炸成形技术

爆炸成形是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能使金属坯料产生塑性变形的高速率成形方法。爆炸瞬间释放出的巨大化学能转化为周围介质的高压冲击波，并以脉冲形式作用于毛坯，使其发生塑性变形。爆炸成形技术可将成形能量直接作用于金属坯料，也可以通过空气、水和砂等介质传播后作用于坯料。利用介质传播爆炸成形能量的成形方法主要用于板材和管件成形、压印和翻边等，直接作用于金属坯料的爆炸成形主要用于胀形、挤压、焊接、粉末压实和表面强化等［2］。

爆炸成形技术作为高速率成形技术相较于传统成形技术具有简化的设备和模具，高速率成形带来的低回弹率，以及可以对大型零件生产加工等特点。但是，爆炸成形多为户外作业，受气候环境影响严重，且自动化程度低，生产效率较低，只适合单件小批量生产；危险性高、操作条件高，阻碍了其广泛应用。

1.2 液电成形技术

1.2.1 液电成形原理

液电成形是在液中高压放电产生冲击波实现零件高速成形。

图1是液电成形的电路原理。电源电压经升压整流后形成高压，对高压电容器进行充电，电容器电压达到放电开关辅助间隙的击穿电压时，高压脉冲电容所储存的能量在放电电极上突然释放，在强电场作用下，液体介质发生解离和碰撞电离，形成放电通道，高压电容器会瞬时向放电通道输入巨大电能，使放电通道骤然膨胀，由液体介质传递冲击波向四周高速膨胀，实现零件高速成形。

图1 高电压冲击电流发生装置Fig.1 The current high voltage pulse generator

1.2.2 液电成形技术特点

（1）成形速度快。液中放电产生的爆炸冲击力可达103～104MPa，产生的冲击波传播速度可达超音速，成形速度达每秒几百米，远高于传统成形技术成形速度的每秒几米至几十米。

（2）成形质量高。高成形速率提高了材料的塑性变形性能和减小了材料回弹，液体介质代替模具减小了零件表面磨损，因而，液电成形具有良好的成形精度和表面质量。一般认为液电成形技术精度可达到0.02～0.05 mm。图2 是研究人员对比机械冲压成形、准静态液压成形和液电成形V 型槽的实验，准静态液压成形获得的零件顶端半径为1.75mm，而液电成形技术获得的零件顶端半径为0.8mm［3］。

图2 不同成形方式实验装置对比Fig.2 Contrast experiment devices of different forming ways

（3）易于实现机械化和自动化。液电成形的成形能量由电容储存电能提供，因此，成形能量可通过电容器的电容和充电电压来控制，易于实现，且重复性好，有利于生产过程的机械化和自动化。

（4）设备通用性强。液电成形设备主体是一套电器装置，成形部分只需凸模或凹模其中之一，改变放电元件参数及模具即可完成多种加工。设备不需要运动部分，维护简单。

1.3 电磁成形技术

1.3.1 电磁成形原理

电磁成形是利用电流通过线圈所产生的脉冲磁场力使金属坯料产生塑性变形的高能率成形方法。在成形过程中载荷以脉冲方式作用于毛坯，因此又称为磁脉冲成形［4］。

图3是金属板材零件电磁成形过程。电磁成形的放电元件是空气中的磁感线圈。电磁成形过程中先由充电回路向电容器充电，当电容电压达到辅助间隙的击穿电压时，电容器放电，磁感线圈中通过强脉冲电流，线圈空间产生均匀的强脉冲磁场。由于磁场近乎正交于零件表面，所以金属坯料靠近磁感线圈的位置会最先发生形变。当磁场力大于金属坯料的屈服应力时，金属坯料发生塑性变形［5］。

图3 金属板材电磁成形过程Fig.3 Electromagnetic sheet metal forming process

电磁成形技术通过控制电流的方式，可使工件受到背离工件的脉冲力向背离线圈的方向变形，也可以产生吸引力使工件朝向线圈变形。同时，电磁成形不仅可以通过线圈放电使工件成形，也可直接将电流导通到工件上使之变形，但这要求工件和工作回路具有较小的电感。对于电磁成形技术，材料导电性的高低决定了电磁成形的加工效率，如铜、铝和低碳钢等材料导电性优良，则电磁成形加工效率高。

1.3.2 电磁成形技术特点

电磁成形技术与液电成形技术类似，具备成形速度快、零件成形质量高、能量易于控制和设备通用性强等优点。由于电磁成形技术放电过程不需要液体介质传压，因此电磁成形可在真空条件下成形工件，不会造成介质污染。电磁成形技术利用磁场力成形，磁场力可以穿过非导体材料，可对有非金属涂层或放在容器内的工件进行成形加工。

电磁成形不适于直接加工低导电性材料，生产中常用退火纯铜作为驱动片以提高导电性。与液电成形技术相同，电磁成形也存在能量利用率低的问题。但与液电成形技术可采用多电极组连用以加工大型工件不同，目前电磁成形技术仍然不能突破设备容量的限制，只能加工厚度较小的中小型零件。

1.3.3 电磁成形技术应用

高强度难成形性材料在现代工业结构轻量化的广泛应用促使了电磁成形技术近年来的飞速发展。电磁成形常用于管坯胀形、管坯缩颈和平板毛坯成形，也可以用于电磁铆接、电磁连接和电磁粉末致密等领域。从原理上讲，电磁成形技术可以成形复杂形状的工件，然而这需要设计复杂的成形系统来控制磁场和磁场力的瞬时分布。这使电磁成形工艺以往只限于加工轴对称形状的工件。随着研究者对电磁成形技术相关理论，特别是对等效RLC 回路、有限元计算、通用软件的耦合场数值模拟和电磁成形材料成形性等方面的深入研究［6］，以及对电磁成形过程中磁场、磁场力变化以及工件变形对磁场及磁场力影响等方面的探索，电磁成形技术应用正拓展至更广泛的领域。

2 高速率成形技术研究进展

高速成形在20世纪60年代曾引发众多研究者关注，但是，低碳钢是当时制造业中广泛应用的材料，其室温下成形性能较好，高速率成形技术未得到广泛应用［7］。近年来，由于航空航天、高速动车、武器装备等制造业结构轻量化和精密化的要求，以及对钛合金、铝合金等高强度、难成形材料的应用日益增加，高速率成形技术再次进入科研人员的视野。

目前，报道较多的工作主要集中于两方面：一是高速率成形技术的加工工艺的不断优化和改进，如结合准静态成形加工的混合成形加工方法；另一是探索高速率成形技术对材料成形性的影响。

2.1 混合成形加工

限制高速率成形技术广泛应用的一个重要因素是加工循环时间较长。传统的冲压成形工艺成形时间长、准备时间短，一个循环周期一般2～12s；高速率成形技术成形时间短、准备时间长，一个循环周期往往需要1～2 min。研究人员发现将准静态成形和高速率成形相结合，能有效减少加工循环时间［8］。

20世纪60年代，研究人员提出利用液压成形与液电成形或爆炸成形结合，缩短加工循环周期［9］。Daehn等［10－11］先使用双面模具和静态液压成形对汽车门内板毛坯进行预成形，再进行电磁成形，提高了车门内板的精度。在后续的研究中，又通过液压预成形和电磁成形联合加工，提高了6111－T4等铝合金的成形性。Risch等［12］研究了采用与传统冲压工艺相结合的方法成形汽车门外板拉手凹槽。这些研究证明了混合成形加工的优势，但由于材料的难成形性等因素，预成形往往难以满足高速成形要求，因此研究人员对混合成形加工技术进行了进一步的探索。

Golovashchenko［13］在预成形过程中使关键区域和周围相邻区域之间形成金属累积，再通过液压成形或者高速成形完成最终成形，显然高速成形更具优势。研究人员通过数值模拟分析零件成形的断裂机理。图4是加大模腔入口半径防止该区域在高速成形过程中发生断裂的模拟结果，发现最大的应变发生在模腔底部转角处，因而需要在此部位形成金属累积，以使材料在模腔底部顺利延展。

图4 入口处半径较大模腔模型的测试结果Fig.4 Simulation results of the model of the large radius cavity at the entrance

Luckey等［14］进行的类似实验证实，这种成形方法显著提高了低延展性钢的成形性能，但对于高延展性材料，效果不明显。

Golovashchenko等［15］在研究铝合金成形过程中，采用预成形或者中间步骤完成关键区域成形，成形效果如图5所示，发现预成形的关键是控制金属积累。

图5 经过预成形的6016－T4铝合金金属板Fig.5 Aluminum 6016－T4blank after preform step

Liu等［16］采用混合成形加工5754－O 铝合金，其中预成形使用常被用于液压胀形试验的双轴模式，高速率成形采用电磁成形。图6是成形极限与预成形应变之间关系，样品成形极限随预成形应变提高而提高。认为虽然观测到混合成形有利于提高成形性能，但成形性的提高主要还是来源于高速率成形步骤。

Gillard等［17］对强度较高的双相钢采用液压预成形和液电成形联合成形。研究发现，联合成形与液电成形技术相比，材料成形性能并没有明显提升，但与传统成形技术相比，具有显著优势。

图6 成形极限和预成形应变间的关系Fig.6 The relationship between limit strain and pre－strain

2.2 材料高速率成形性能

钛合金、铝合金和高强度钢的室温成形性能较差，提高成形温度虽可提高材料成形性能但会会降低零件强度，并带来额外的能量损耗而增加成本。近年来，大量研究证实高速率成形能有效提高材料的室温成形性［18－20］。

图7是液电成形和准静态成形铝合金的成形极限对比［21］，液电成形的成形性能明显提高。Balanethiram 等［22－23］利用液电成形技术成形无 间隙原子铁材料，结果表明，液电成形的极限变形是准静态成形的3.5倍。运用类似方法成形无氧铜和铝合金，结果表明，对铝合金而言，液电成形的极限变形是准静态成形的5.5倍，对高无氧铜是3倍。分析拉伸试样缩颈前后的速率分布情况得出的结论是，成形性提高来源于成形速率而非应变速率。

图7 6016－T4铝合金液电成形极限Fig.7 The limit strain of Aluminum 6016－T4

Golovashchenko等［24］在比较了铝、铜、钢和钛合金等几种材料的成形性能后发现，自由成形能够使材料的局部变形增加40%～90%，电磁成形铝合金极限变形是传统成形的2.5 倍。Seth等［25］通过电磁成形对低碳低合金钢进行成形实验，发现相较于准静态成形，材料成形极限提高4～20倍。

Hu等［26］进行的动态拉伸实验证明，低速加工时，材料成形性的提高与速度无关；当成型速率超过某一临界值时，成形性能显著提高，而速率超过另一临界值（称为Von－Karman速率）时，成形性则会降低；进行的环件胀形实验却没有受到Von－Karman速率的影响。Hu 认为高速率成形技术提高成形性原因是惯性通过稳定变形、阻碍颈缩生长。但是，高速率成形的成形过程复杂且影响因素较多，研究人员通过实验、建模和数值模拟等方法进行了大量的后续研究。目前，一般认为高速率成形提高材料成形性的主要原因是惯性、高速冲击以及应变速率的增加［27］。

最近，研究人员应用高速成像和数字相关技术量化研究高速率成形过程［28－30］。Rohatgi等利用液电成形技术自由成形铝合金材料，获得了成形过程中板材位移、速度、应变和应变率等数据，表明高速成像和数字相关技术能够观测到板材上不同位置的独特变形过程。图8 是成形5182－O铝合金时，通过高速成像拍摄到的金属变形情况。研究人员分别通过自由成形和锥形模具两种方式成形5182－O 铝合金和DP600钢，并对所形成的圆顶的顶点的速度、应变、应变率和应变路径进行量化分析。发现由于模具的聚焦作用，锥形模具能使材料获得更大应变。高速成像和数字技术对研究材料高速变形条件下的材料成形性能已显示出价值。

图8 液电成形板材的变形照片Fig.8 A photograph of an EHF－deformed sheet

3 展 望

高速率成形技术的发展突破了在其出现伊始时只能成形小型零件的限制，在多项领域取得了实用性进展。但是，要推进高速率成形技术在新材料加工、汽车制造和航空航天等领域得到更广泛的应用，仍需要对于高速率成形机理、工艺、过程、装备等进行深入的研究和分析。

近年来，对高应变速率下材料的变形情况的研究，研究人员提出了许多新的解释和理论。随着高速成像技术、数字相关技术和有限元计算的广泛应用，高速率成形技术的过程、机理和特点进一步被明确，为其工业化应用提供了基础。

同时，高速率成形技术的发展也为解决其他领域的问题提供了新的思路。例如液中放电技术在管道清污、水下探测、医疗、清洗、除垢方面已有相关研究工作，作为海底勘探等特殊场合下的机械执行机构动力提供源，也显示出应用价值。

［1］李春峰.高能率成形技术［M］.北京：国防工业出版社，2001：1－65.

［2］李峰.特种塑性成形理论及技术［M］.北京：北京大学出版社，2011：193－197.

［3］HOMBERG W，BEERWALD C，PRÖBSTING A.Investigation of the electrohydraulic forming process with respect to the design of sharp edged contours［C］.Proceedings ICHSF，2010：58－64.

［4］张雷，周锦进.液中放电成形技术［J］.机械制造，1998（2）：5－7.

［5］PSYK V，RISCH D，KINSEY B L，et al.Electromagnetic forming—A review［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211（5）：787－829.

［6］李春峰，于海平.电磁成形技术理论研究进展［J］.塑性工程学报，2005，12（5）：1－7.

［7］杜启荣.液电效应及其应用［J］.江苏电器，2008（7）：59－62.

［8］IMBERT J M，WINKLER S L，WORSWICK M J，et al.The effect of tool－sheet interaction on damage evolution in electromagnetic forming of aluminum alloy sheet［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，2005，127（1）：145－153.

［9］SANDFORD J E.High velocity forming takes off again［J］.Iron Age N，1969，203（10）：91－95.

［10］DAEHN G S，VOHNOUT V J，DUBOIS L.Improved formability with electromagnetic forming：fundamentals and a practical example［J］.Minerals，Metals and Materials Society／AIME，Sheet Metal Forming Technology（USA），1999，190（1）：105－115.

［11］VOHNOUT V J，DAEHN G S.Effect of quasistatic prestrain and eddy currents on limit strains in electromagnetic pulse forming of two aluminum alloys［J］.Proceedings of the aluminum，2002，69（3）：19－25.

［12］RISCH D，GERSTEYN G，DUDZINSKI W，et al.Design and analysis of a deep drawing and in－process electromagnetic sheet metal forming process［C］.Proceedings of 3rd International Conference on High Speed Forming，2008：201－212.

［13］GOLOVASHCHENKO S F.Method of designing and forming a sheet metal part：US，12／115，026［P］.2008－05－05.

［14］LUCKEY JR G，FRIEDMAN P，WEINMANN K.Design and experimental validation of a two－stage superplastic forming die［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（4）：2152－2160.

［15］GOLOVASHCHENKO S F，BESSONOV N M，ILINICH A M.Two－step method of forming complex shapes from sheet metal［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211（5）：875－885.

［16］LIU D，YU H，LI C.Experimental observations of quasi－static－dynamic formability in biaxially strained AA5052－O［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2011，20（2）：223－230.

［17］GILLARD A J，GOLOVASHCHENKO S F，MAMUTOV A V.Effect of quasi－static prestrain on the formability of dual phase steels in electrohydraulic forming［J］.Journal of Manufacturing Processes，2013，15（2）：201－218.

［18］LI D，GHOSH A K.Biaxial warm forming behavior of aluminum sheet alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，145（3）：281－293.

［19］HSU E，CARSLEY J E，VERMA R.Development of forming limit diagrams of aluminum and magnesium sheet alloys at elevated temperatures［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2008，17（3）：288－296.

［20］MERKLEIN M，GEIGER M.New materials and production technologies for innovative lightweight constructions［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，125（9）：532－536.

［21］VOHNOUT V J.A hybrid quasi－static／dynamic process for forming large sheet metal parts from aluminum alloys［D］.Columbus：Ohio State University，1998：67－243.

［22］BALANETHIRAM V S，DAEHN G S.Enhanced formability of interstitial free iron at high strain rates［J］.Scripta Metallurgica et Materialia，1992，27（12）：1783－1788.

［23］BALANETHIRAM V S，DAEHN G S.Hyperplasticity：increased forming limits at high workpiece velocity［J］.Scripta Metallurgica et Materialia，1994，30（4）：515－520.

［24］GOLOVASHCHENKO S F，MAMUTOV V S，DMITRIEV V V，et al.Formability of sheet metal with pulsed electromagnetic and electrohydraulic technologies［C］.The Minerals，Metals ＆ Materials Society，2003，127（1）：99－110.

［25］SETH M，VOHNOUT V J，DAEHN G S.Formability of steel sheet in high velocity impact［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，168（3）：390－400.

［26］HU X，DAEHN G S.Effect of velocity on flow localization in tension［J］.Acta Materialia，1996，44（3）：1021－1033.

［27］孟正华，黄尚宇.高速率成形中材料成形性的影响因素［J］.锻压技术，2007，32（4）：1－5.

［28］ROHATGI A，STEPHENS E V，SOULAMI A，et al.Experimental characterization of sheet metal deformation during electro－hydraulic forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211（11）：1824－1833.

［29］ROHATGI A，STEPHENS E V，DAVIES R W，et al.Electro－hydraulic forming of sheet metals：Free－forming vs.conical－die forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212（5）：1070－1079.

［30］ROHATGI A，SOULAMI A，STEPHENS E V，et al.An investigation of enhanced formability in AA5182－O Al during high－rate free－forming at room－temperature： Quantification of deformation history［J］.Journal of Materials Processing Technology，2014，214（3）：722－732.