#创作挑战赛#
电磁成形技术是一种利用洛伦兹力驱动金属材料发生高速变形的先进制造技术。与传统静态成形工艺相比，电磁成形因其极高的应变速率能显著地改善轻质合金材料的成形性能。同时，相比传统机械力或液压力，电磁成形所利用的洛伦兹力能够在时间和空间上灵活调控，因而具备更丰富的工艺潜能。然而，现有研究多将重点放在金属工件的成形方式及效果上，对其最主要部分——洛伦兹力，在电磁成形过程中随时间的变化过程及复杂的竞争关系并未系统分析。
因此，三峡大学电气与新能源学院、国家脉冲强磁场科学中心（华中科技大学）、三峡大学湖北省输电线路工程技术研究中心、国网安徽电力有限公司濉溪供电公司的研究人员熊奇、周丽君、杨猛、张露露、李哲，在2022年第14期《电工技术学报》上撰文，针对典型的单脉冲电磁成形过程，细化电磁成形过程中各个物理量之间的动态变化关系，研究了成形过程中随时间变化洛伦兹力在铝合金板件上的竞争关系及对成形效果的影响，阐明了随时间变化的洛伦兹力的竞争关系，对所呈现成形效果的影响及原因进行了分析，更加深刻全面地理解电磁成形技术过程。
绿色倒置量子力学宽屏背景,Green inverted quantum mechanics
电磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一种利用脉冲电磁力实现轻质合金加工的高速成形技术。在电磁成形的过程中，通常采用电容器组对驱动线圈放电产生脉冲强电流，脉冲强电流产生脉冲磁场进而在金属工件中产生感应涡流，涡流与磁场共同作用产生洛伦兹力驱动金属工件，最终实现加工成形。
相对于传统成形技术，其具有以下显著优势：①可明显提升材料成形极限，有效减少零件回弹、起皱等[2]问题，成形精度高。②非接触施力，避免了与材料直接接触，可减少变形过程中的摩擦，有利于提高成形件的表面质量。③洛伦兹力的方向及大小可通过仅改变驱动电路参数进行调控，灵活性远胜于传统机械力。因此，EMF尤其适合铝、钛等轻质合金的成形加工，被认为是制造轻质合金具有前途的技术之一。
图1 电磁成形示意图
近年来，电磁成形工艺发展较为迅速，成形方案复杂多变。如：改善洛伦兹力分布的电磁成形技术（板件匀压力成形、板件局部电磁力成形等）、改善洛伦兹力施加方式的电磁成形技术（轴径双向加载管件电磁翻边、管件成形均匀度优化等），但在这些现有的研究中，研究重点多放在成形工艺及成形效果讨论上，对变形的主导因素洛伦兹力，在成形过程中随时间推移产生的复杂的动态过程及关系，并未仔细探究。
其实无论是探究成形工艺还是成形效果（如吸引式、排斥式成形），都是通过洛伦兹力随时间的竞争关系最终呈现在工件的成形上，如具代表性的单脉冲电磁成形。
电磁成形工艺初期，使用单脉冲的电磁成形技术占据主流。由于在单脉冲电源条件下，工件上多以排斥式洛伦兹力主导，因此研究主要以排斥力成形为主。
如熊奇利用单脉冲电源对铝合金大板件进行有限元模拟与成形实验，完善了铝合金大板件的排斥力成形；Cao Quanliang等利用在外电路中增加续流回路，在基本不改变成形效果的情况下，降低线圈温升，优化了单脉冲铝合金板件的排斥力成形；而近期Ouyang Shaowei等提出了采用单脉冲低频放电的吸引力成形方案，并验证了方案的可行性，实现了单脉冲板件的吸引力成形，指出了前期的排斥力成形阶段可能有助于板件后期的吸引力成形，且吸引力小于排斥力。
同样是使用单脉冲电源进行放电，最终的成形效果却完全不同。而现有研究并未对其动态过程进行系统分析，洛伦兹力的变化更未完全呈现。而在电磁成形的过程中，影响洛伦兹力变化的各个参数随时间的动态变化关系复杂，导致洛伦兹力在成形过程中，随时间变化在板件上的竞争关系剧烈，最终导致板件在成形效果上呈现巨大差异。
因此，为了系统研究单脉冲电磁成形过程中，洛伦兹力随时间的竞争关系，由于电磁成形实验极其快速且过程中的数据变化通过实验无法得到，三峡大学电气与新能源学院等单位的研究人员通过建立已有实验验证的单脉冲方案下板件电磁成形仿真模型，对典型的单脉冲电磁成形进行分析，细化动态过程，通过调节外电路的参数着重分析：影响洛伦兹力变化的因素、成形过程中随时间变化的洛伦兹力在铝合金板件上的竞争关系，以及洛伦兹力的竞争对于成形效果的影响。
图2 板件电磁成形方案示意图
他们根据研究分析认为，影响竞争关系的因素主要有以下两点：
1）电流脉宽（力的差值）。在电容值很小的情况下，电流在上升沿阶段变化极快，产生的排斥式与吸引式洛伦兹力相差一个或数个量级，排斥力在竞争关系中占绝对主导的地位。而在电容值慢慢变大的过程中，产生的洛伦兹力才具有可比性。在满足吸引力成形的脉宽下，也并非电压越大，变形越大，主要是在电压变化的过程中，由于力的差值在变化，竞争关系也是会发生变化的，最终还是要观察力的差值。
2）洛伦兹力波峰与波谷的尖锐度。在排斥力与吸引力相差较小的情况下，洛伦兹力波峰与波谷的尖锐度作为竞争关系中重要的因素，排斥力虽大于吸引力，但作用时波谷处变化缓慢；吸引力虽略小于排斥力，但波峰处变化较快，一般为吸引力占据主导，并最终呈现出吸引力形变。
本文编自2022年第14期《电工技术学报》，论文标题为“单脉冲电磁成形中洛伦兹力在时间上的双向竞争关系及其对成形效果的影响”。本课题得到国家自然科学基金和武汉强磁场学科交叉基金的支持。
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