三峽大學熊奇科研團隊提出一種復(fù)合式電磁成形鋁合金空心板件方法

閱讀提示：本文約 2100 字

導語

當前金屬空心板件多采用機械力與熱作用相結(jié)合的方式實現(xiàn)，更適配于鈦合金等硬脆且電導率較低的材料，但對于具有高延展性和高電導率的鋁合金材料而言，難以充分利用其材料特性。

三峽大學電氣與新能源學院熊奇、路凱、閻諾與廣東省極端條件重點實驗室合作，在2026年41卷第6期《電工技術(shù)學報》上撰文，提出一種鋁合金空心板件復(fù)合式電磁成形方案，并對電磁成形過程開展動態(tài)仿真分析，研究系統(tǒng)參數(shù)對成形效果的影響規(guī)律。可以通過調(diào)控放電電壓等系統(tǒng)參數(shù)精確控制空心腔體成形高度，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、材料-結(jié)構(gòu)一體化制造。

研究背景

電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種利用洛倫茲力驅(qū)動金屬工件發(fā)生高速變形的先進制造技術(shù)，該技術(shù)在常溫常壓下具有極高的應(yīng)變速率，洛倫茲力所產(chǎn)生的均勻載荷可有效克服板件成形的壁厚不均勻、嚴重開裂等問題。

為了提高成形效率、改善成形質(zhì)量，項目組提出一種鋁合金空心板件復(fù)合式電磁成形方案成形工藝，如圖1所示。該工藝使鋁合金板件在毫秒級時間內(nèi)完成高速變形，總加工時長小于3ms，同時顯著降低壁厚不均勻與開裂風險，實現(xiàn)材料高延展性與高電導率特性的充分利用。

圖1 復(fù)合式電磁成形鋁合金空心板件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

論文所解決的問題及意義

現(xiàn)有工藝難以充分利用鋁合金高導電、高延展材料特性，存在工藝復(fù)雜、制造周期長、表面缺陷多、壁厚不均勻等難題。

研究團隊提出一種鋁合金空心板件復(fù)合式電磁成形方案，將成形過程分為空心腔體脹形和板件兩端電磁脈沖焊接兩個關(guān)鍵階段，利用洛倫茲力在常溫常壓下實現(xiàn)鋁合金板件的高速變形與連接，有效克服了傳統(tǒng)工藝對復(fù)雜熱環(huán)境控制的依賴。

論文方法及創(chuàng)新點

電磁成形過程有限元計算仿真

為了構(gòu)建真實有效的電磁成形計算模型，研究人員從毫米級別進行了模型網(wǎng)格刨分，建立了電路-磁場-結(jié)構(gòu)場多場耦合的三維鋁合金空心板件電磁成形仿真模型。

圖2 有限元仿真模型

結(jié)果分析

鋁合金空心板件電磁成形工藝由兩個連續(xù)階段構(gòu)成：中心區(qū)域空心腔體脹(0＜t1＜2.6 ms)和板件兩端電磁脈沖焊接(0＜t2＜20 μs)，如圖3所示。

圖3 空心板件電磁成形過程

動圖

研究人員取短邊方向距離變化的 5 條路徑進行均勻性檢測對象，如圖4所示。等效應(yīng)變分布在 20.02～20.17 mm 范圍之內(nèi)，最大差值僅為 0.15 mm，表面均勻平整，無裂縫、氣泡和橘皮等缺陷，驗證了該加工方案的優(yōu)越性，如圖5所示。

圖4 板件均勻性檢測

圖5 成形均勻度

參數(shù)調(diào)控

研究團隊通過調(diào)整不同系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)對空心板件成形的精準調(diào)控，如圖6所示為不同放電電壓下系統(tǒng)電流參數(shù)、板件所受洛倫茲力及變形速度。

(a)不同系統(tǒng)電壓

(b)所受洛倫茲力

(c)變形速度

圖6 不同放電電壓下系統(tǒng)參數(shù)變化

結(jié)論

1）本方案通過電磁成形技術(shù)實現(xiàn)了鋁合金空心板件成形，總加工時長小于 3 ms，顯著提高了鋁合金空心板件的制造效率。

2）本方案成形質(zhì)量良好，空心腔體最大成形差值僅為 0.15 mm，均勻性良好，無外觀缺陷。

3）通過對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控，可有效控制空心腔體的成形高度，滿足現(xiàn)代制造業(yè)多樣化需求。

團隊介紹

熊奇

研究領(lǐng)域為電磁場分析及應(yīng)用、新型電工材料以及高端電磁裝備、能源可持續(xù)發(fā)展。主持和參與“973”計劃、國家自然科學基金等項目十余項。并獲2025年度湖北省技術(shù)發(fā)明獎二等獎（排1）、2022年中國電機工程學會優(yōu)秀論文獎、宜昌市科技創(chuàng)新突出貢獻個人獎。

閻諾

碩士，就職于國網(wǎng)重慶市電力公司萬州供電分公司，研究方向為電磁場分析及應(yīng)用，目前主要從事高壓試驗工作。

路凱

電氣工程研二在讀，獲國家獎學金，研究方向為電磁場分析及應(yīng)用。

本工作成果發(fā)表在2026年第6期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“鋁合金空心板件復(fù)合式電磁成形研“。本課題為廣東省極端條件重點實驗室資助項目。

引用本文

熊奇, 路凱, 程輝, 魏鈺穎, 閻諾. 鋁合金空心板件復(fù)合式電磁成形研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2026, 41(6): 1828-1843. Xiong Qi, Lu Kai, Cheng Hui, Wei Yuying, YanNuo. Research on Composite Electromagnetic Forming of Aluminum Alloy Hollow Plate. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(6): 1828-1843.

閱讀全文