摘要
铝合金蒙皮是构成飞机气动外形的薄壁件和内部结构框架的包覆件，其成形质量直接影响飞机的飞行性能和使用寿命。常规冲压成形下铝合金材料存在回弹大和易起皱的问题。电磁成形是利用瞬态的强洛伦兹力驱动工件高速率变形的成形方法，具有提高难变形材料成形极限、降低零件回弹等优点，但是现有电磁成形技术主要应用于小尺寸管板类零件，如何实现大尺寸铝合金薄壁蒙皮的精确制造是亟待解决的关键科学和技术问题。本文以3003铝合金板材为研究对象，提出了大尺寸蒙皮脉冲磁场振动成形和线圈移动式渐进成形新工艺，采用理论解析、有限元仿真和实验手段揭示了磁致振动和磁场渐进加载对材料动态变形行为、回弹控制和起皱抑制的影响机制，为单曲率和变曲率大尺寸蒙皮件的精确制造提供了理论与技术支撑。本文主要研究内容和结论如下: (1)针对传统电磁成形降低回弹需要在零件弯曲处设置放电线圈而导致模具结构复杂的问题，提出了L形弯曲件脉冲磁场端部加载的新工艺，采用有限元仿真和实验手段分析了压边间隙、放电电压和板料压边区长度对零件回弹量的影响规律。研究发现:压边间隙需要大于板料厚度，这有利于线圈放电过程中板料出现高频振动效应，引起弯曲角处反复拉伸-压缩变形，最终导致弯曲角处切向应力先增加后快速衰减。板料压边区长度越大更有利于板料回弹角的降低，但是容易出现扭曲和折弯现象。随着放电电压的增加，脉冲磁场作用下板料振动幅度增大，弯曲角处的切向应力和整体弹性应变能均降低。当板料厚度为1mm和压边间隙为2 mm，常规冲压后L形零件回弹量为13°,放电电压10000 V后板料回弹量为2.5°。模拟和实验误差小于7％,证明了数值仿真模型的正确性和磁致振动降低回弹的有效性。 (2)基于磁致振动能有效降低零件回弹的机制，提出了大尺寸单曲率蒙皮件的带弹性垫电磁振动渐进微变形新工艺，使零件在高频振动条件下发生弱塑性变形并降低回弹，建立了弯曲板料在电磁力与惯性力作用下的回弹控制模型和适合于线圈移动式渐进放电的电磁场-结构场耦合仿真模型。研究发现:高速变形引起的惯性力有利于降低板料弯曲处切向应力和回弹。板料在电磁力和弹性垫反弹力的作用下产生高频振动，引起板料塑性应变能微弱增加，而切向应力和弹性应变能显著降低。当采用平面跑道型线圈，线圈两侧对应的板料在电磁力作用下相向运动并挤压中部产生局部鼓包。采用304不锈钢屏蔽线圈一侧磁场，有效解决了鼓包缺陷并提高零件表面质量。板料在常规冲压下发生弯曲变形，回弹高度为496mm,几乎为平直状态。当采用弹性垫厚度H=10mm和放电电压U=7000V,带屏蔽的放电线圈沿着板料形面依次在6个位置放电，板料回弹高度为156 mm。 （3）为了进一步降低大尺寸单曲率蒙皮件的回弹量，提出了预变形与电磁渐进振动复合的成形工艺，采用仿真手段探讨了弹性垫厚度H和放电电压U对零件成形质量的影响规律。研究发现:预变形使板料发生明显塑性变形，板料的回弹高度为87 mm。在预变形的基础上采用弹性垫厚度H=10 mm和放电电压U=7000 V,线圈在6个位置依次放电后板料弹性应变能降低89.4％,弹性应变转化为微塑性应变，板料回弹高度为15.8 mm。随着弹性垫厚度H或放电电压U的增加，线圈放电后板料上的振动幅值增加，成形后零件的回弹量降低。但是当弹性垫厚度H或放电电压U超过临界值，板料的鼓包高度明显增加。 （4）针对电磁渐进振动成形工艺下零件回弹后与模具间隙大的问题，提出了电磁力驱动零件大塑性变形并和多道次冲压复合的新工艺。每道次模具冲压高度20 mm并使板料被拉弯，随后线圈在设定的放电位置连续放电两次，使拉弯后的板料在每一道次都与模具紧密贴合。仿真发现:电磁力作用的板料局部区域与模具发生高速碰撞并贴模，塑性应变显著增大，材料的弹性变形转化为塑性变形，应力发生振荡并衰减，零件回弹被明显抑制。经过5次冲压与10次放电后，零件回弹后与模具最大间隙为1.5 mm，零件的成形精度显著提高，数值模拟得到的板料变形轮廓与实验结果较好吻合。 （5）针对大尺寸变曲率薄壁椭球零件拉深成形易起皱的问题，提出了电磁渐进成形、多道次冲压和双压边结构相结合的复合工艺。常规冲压情况下，靠近法兰的板料区域受到周向压应力，当拉深高度超过120 mm后板料明显起皱。采用腰形线圈沿着3D路径依次放电，正对线圈的板料发生大塑性变形，受到了厚向压应变并减薄。经过10次拉形和86次放电后零件成形高度为150 mm,与模具接触的板料区域无褶皱。与常规冲压相比，电磁复合成形能减少板料起皱并提高板料光滑区变形高度。进一步提出了多道次冲压与环形线圈渐进放电成形制造薄壁椭球件的成形方法。与传统冲压相比，新方法下椭球件表面光滑无起皱。 综上所述，本文提出的常规冲压与电磁渐进成形相结合的多种复合成形新工艺，具有降低大尺寸薄壁蒙皮件的回弹量和抑制起皱的优势，为实现大尺寸蒙皮零件的高效率-高精度制造提供了新思路。
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