电磁成形属于高速率成形，在0.1ms内金属工件的局部变形速度可达200m/s以上，局部获得的动能相当大，材料的变形机理与低速加工时材料变形机理有很大差别。与传统塑性成形方法相比，高速率成形主要有以下优点：增加材料的成形极限、减小回弹、抑制起皱。除此之外，电磁成形还有以下特点：①非接触，成形件表面质量好；②易控制，重复性误差较小；③单边模具（只有凸模或凹模），节约了加工成本；④不需加润滑油，可以改善工作环境等[1]。

目前我国航空航天装备的各项服役性能指标正不断推向新的极端。实现航空航天装备极端服役性能的一个重要基础为装备本体结构轻量化，高可靠性、高耐久和抗损伤容限性能跨入新的技术极端，高性能轻合金大型整体构件是实现这一目标的有效手段与技术途径。轻量化的主要途径为采用轻质材料及轻质结构，因此，在结构设计中迫切需要采用铝、镁、钛等轻质合金材料。与铝合金及镁合金相比，虽然钛合金密度约为镁合金的2.4倍，铝合金的1.6倍，但钛合金具有非常高的强度极限，其比强度高，约为镁合金的1.5倍，铝合金的2倍，而且钛合金的工作温度高达500℃，其高温性能及耐腐蚀能力远远优于铝合金和镁合金，钛合金一直是航空航天领域主要的轻质结构材料。零件的力学性能直接影响航空、航天飞行的安全性，这不仅要求各种结构零件的尺寸精度高、质量好，还对零件的力学性能和服役性能等综合性能提出了更高要求，因此，急需探索一种新的加工方法， 克服钛合金板材常温下成形性能差的不足，同时保证成形后工件具有较好的服役性能，满足航空、航天等工业对高性能材料及结构的需要。

基于电磁成形技术的优点以及钛合金在航空航天领域的广泛应用，许多学者将电磁脉冲成形技术应用于钛合金板材成形加工。下面分别从高速增塑、成形工艺、数值仿真等方面介绍钛合金电磁成形技术的研究进展，并对未来的发展趋势进行展望。

1、高速增塑

早在20世纪60年代，Wood[2]通过爆炸胀形的方法测试了TC4钛合金在不同变形速度下的断裂极限应变，发现TC4钛合金在较高成形速度下胀形的极限应变得到了提高，如图1所示。M.Takahashi等[3]采用平面螺旋线圈，纯铝作为驱动片对纯钛板进行电磁胀形，发现与准静态下相比，纯钛板的成形极限得到了提高。

Li等[4]通过电磁胀形的方法，采用多层平面螺旋线圈并以2mm厚的铝板作为驱动板，测试TC4钛合金胀形的成形极限，发现TC4钛合金板材在双向拉伸应变状态下成形性能提高了24.37%，提高幅度高于铝合金5052-O。TC4钛合金电磁胀形的断裂模式为韧性断裂与剪切断裂相结合的复合模式，不同于铝合金A5052的韧性断裂模式，认为驱动片作用下钛合金电磁成形中惯性效应是钛合金成形性能提高的主要原因。另外，笔者[5]提出了一种测试电磁成形下低导电率材料成形极限的新方法。该方法通过独特的试样结构设计，成形极限图右侧（见图2a）即双向拉伸应变状态，采用方形板料；成形极限图左侧即单向拉伸应变状态，根据单向拉伸试样标准，同时考虑到平面螺旋线圈产生的双驼峰型电磁力分布特点，设计如图2b所示的坯料形状（十字形试样）。其中，主要尺寸为中间4条筋带的宽度，为10mm或15mm。塑性变形过程中，平面应变状态是比较苛刻的状态；在成形极限测试中，平面应变状态较难获得。为了获得平面应变状态，根据钛板在驱动片作用下的变形特点，设计如图2c所示的试样（腰形试样）。将按照试样形状加工好钛板并在表面印上网格，借助铝合金驱动片，采用单一平面螺旋线圈测试TC4材料在磁脉冲作用下的成形极限，如图3所示。与准静态下的成形极限相比，成形极限显著提高，且平面应变状态下的增塑效果优于双向拉伸应变状态，提高幅度达73.65%[6]。

为了验证电磁成形中TC4钛合金的成形性能得到改善这一现象，Li等[7]搭建了如图4所示的电磁胀环实验工装，利用10mm高铝合金驱动环对1mm高的钛环进行测试，采用高速摄像机进行速度采集，构建了TC4钛合金的成形速度、应变率与成形性能的关系，如图5所示。当变形速度为2mm/min（即准静态）时，TC4钛合金的应变率为6.67×10⁻⁴s⁻¹，最大均匀应变达到0.102；当变形速度超过准静态速度，达到46.7m/s时，其最大均匀应变只达到0.032。随着变形速度的上升，最大均匀应变也成正比增加。直到变形速度超过286m/s后，最大均匀应变才超过准静态时，达到0.11以上，此时应变率超过6935.6s⁻¹。电磁胀环实验回收试样如图6所示。随着放电电压的增加，断口数及断后长度逐渐增加。从断口的韧窝大小、形态对变形速度-均匀应变关系进行解释，如图7所示。放电电压越高，胀形速度越快，断口的韧窝越能获得充分变形，韧窝大且深，表明材料具有较好的成形性能。

为分析TC4钛合金板在不同变形速度下的结构响应，Li等[8]采用光学显微镜（OM）、扫描电镜/电子背散射（SEM/EBSD）、透射电镜（TEM）等分析工具对高速变形下的微观结构进行研究，并与准静态下变形的微观结构进行了对比分析，揭示了电磁驱动成形时TC4钛合金的变形机理及性能：①动态加载下，TC4钛合金板材的晶粒尺寸变化不明显，但晶粒被拉长；②由于材料流动及冲击作用，试样硬度分布不均，但织构没有明显变化；③TC4钛合金高速变形过程中，当变形量较小时，塑性变形以位错滑移机制为主，当变形量增大，除了位错滑移机制外，孪生机制也被激活，且孪生面为(1011)，有利于塑性变形，但数量较少。

林遵东等[9]通过霍普金森拉杆实验、电磁成形实验，测试了TA32钛合金的高应变率下的应力-应变曲线及成形极限，发现TA32钛合金的极限应变获得了改善，并阐明了其增塑机制。综上分析，电磁成形技术应用于钛合金成形加工中，由于高速率变形的惯性作用，可以改善钛合金的成形性能。

2、成形工艺

2.1驱动片的优化

电磁成形工艺适合成形导电性良好的金属材料（如金、银、铜、铝及其合金），而对于导电性较差的金属材料（镁、钛及其合金）及非金属材料的成形，需要借助驱动片或驱动层。目前，主要采用高导电性材料作为驱动片，或是在坯料靠近线圈的一面涂覆一层一定厚度的导电层。电磁成形中，电容器储存的能量在放电过程中会以不同形式耗散，只有其中一部分用于工件的变形，而不同的放电参数（电容C、电压U和放电频率F）会影响其成形效率。当采用驱动片驱动工件电磁脉冲成形时，不同的驱动片材料及厚度也会对电磁成形效率产生影响，因此，在成形设备工艺参数确定的情况下，为了提高能量利用率，应选用合适的驱动片（材料和厚度等）。Li等[10]利用数值分析方法从理论上分析驱动片的选取原则。通过对不同形式驱动片作用下的TC4钛合金板材电磁胀形进行数值模拟与实验研究，分析了不同的驱动片材料、厚度对能量利用率及工件变形均匀性的影响，同时分析了电磁胀形过程中钛合金材料流动。研究发现：①工件的最大变形量是与驱动片的参数密切相关的，驱动片的选择会明显影响能量的利用率，如图8所示；②当驱动片的厚度小于趋肤深度时，驱动片越厚，所受电磁力越大。采用高导电性、易变形的材料作为驱动片，可以有效减少驱动片塑性变形所消耗的能量，提高能量利用率及工件变形的均匀性。对0.8mm厚的铜驱动片与2mm厚的铝驱动片作用下的TC4钛合金板材进行电磁胀形实验，如图9所示，对比证明该驱动片选择原则可靠。

GiesS等[11]通过不锈钢板的电磁成形实验，确定最优的驱动片材料和厚度，发现铝驱动片要优于铜驱动片，而驱动片的厚度与电磁成形过程中电参数相关。H.Park等[12]用数值仿真与实验相结合的方法对铝合金驱动高强钢板DP780电磁成形进行研究，分析了不同铝合金型号与厚度对高强钢变形的影响，发现采用低强度铝合金AA1050驱动效果最好。Huang等[13]采用数值仿真与实验相结合的方法对T3紫铜板驱动TA2钛合金的电磁成形进行分析，发现驱动板的外径大小决定了TA2钛板的成形高度，而内径大小会影响钛板变形后的轮廓。

总之，高导电性低强度材料是驱动片的优选材料，而驱动片的厚度与系统的电参数密切相关[10—11]。

2.2钛合金电磁成形工艺

20世纪80年代，M.Takahashi等[3]发现在无驱动片作用下纯钛板的变形量仅为2.3mm，采用铝合金驱动片成形钛板，分析了不同铝驱动片厚度产生的载荷大小以及不同驱动片半径对磁场强度分布的影响。结果表明，载荷随着驱动片厚度的增加而逐渐增加，直到厚度等于趋肤深度，载荷趋于稳定，但是驱动片太厚，变形阻力增大。研究表明，电磁成形工艺下材料的变形不均匀，但是能够明显提高材料的成形性能。

W.Tillmann等[14]报道了采用热涂层技术，在导电性差的金属板材上添加一层导电性好的涂层作为驱动层，可以拓展电磁成形工艺的应用范围，充分发挥其潜力。A.Revuelta等[15]对AZ310-O镁合金及CPgrade1钛板的电磁成形进行了对比分析。结果表明采用铝合金板做驱动片可以成形钛板，电磁成形工艺可以提高材料的成形性能。S.Srinivasan[16]采用铜驱动钛合金板与不锈钢板进行电磁压印成形，研究其成形性能。研究结果表明，采用驱动片可以有效提高成形效率。

在国内，Li等[17]采用数值模拟与实验相结合的方法系统研究了紫铜板驱动TC4钛合金电磁胀形的过程，详细分析了驱动板与钛板之间的相互作用过程，预测了TC4钛合金板的变形速度、应变率以及能量利用率。周海洋等[18]采用数值模拟与实验相结合的方法对0.8mm厚的T3紫铜板驱动TC4钛合金的电磁胀形工艺进行了分析，发现驱动片与工件之间的冲击力大于直接作用的电磁力，同时工件的变形滞后于铜驱动片与工件碰撞产生的冲击波传递。

聂鹏等[19]采用电磁校形原理，针对直径为300mm、高为600mm、壁厚为2mm的大型航空钛合金筒形件进行校圆实验，设计了一种电磁冲模校圆方法。研究表明，相同放电电压条件下，采用电磁冲模校圆方法较常规电磁校圆方法所得到的工件圆度平均值降幅增加20%以上，保证工件成形均匀性的同时提高了设备能量利用率。采用管件端口电磁校形对内径为23mm、壁厚为1mm的TC4管件进行电磁校形实验，并将管件端口的圆度作为评价指标，研究了放电电压、线圈层数、放电次数及驱动片厚度对钛管电磁校形的影响[20]。研究表明，提高放电电压可有效提高校形效果，当放电电压一定时，可通过增加线圈层数来提高校形精度；放电次数可以解决放电电压低、钛管变形小的问题，二次放电后校形效果提升不明显，增加放电次数无法从根本上提高管件电磁校形精度；驱动片厚度的合理选择对TC4等低导电率材料的电磁校形具有重大意义，厚度过小与过大都会影响电磁校形的效果，其最优为趋肤深度厚度。室温下采用带驱动片的电磁辅助冲压成形工艺对TC4板材进行圆孔翻边，能够完全避免翻边圆孔椭圆化、突缘平面翘曲等缺陷，并且设备及模具简单、安全可控、成形效率高。

林遵东等[9]采用匀压式电磁辅助弯曲成形的方法对TA32钛合金板开展实验研究，发现电磁辅助弯曲成形方法能够有效提高弯曲件的成形精度，并且在一定条件下，放电能量越高，贴模效果越好，成形精度越高。带压紧翼弯曲件的变形区外层过度伸长而产生减薄并开裂，不带压紧翼的弯曲件通过合理控制放电电压能够获得较好的成形效果。

3、数值仿真方法

电磁成形数值模拟方法可分为松散耦合、顺序耦合以及强耦合数值模拟3种。早期学者主要采用ANSYS软件进行顺序耦合模拟分析；而强耦合模拟软件主要集中在国外某些实验室内部。针对带驱动片的电磁成形工艺，为了解决变形板与驱动板二者之间空气网格与冲击碰撞模拟难以兼顾的问题，Li等[21]提出了基于成熟的商业软件ANSYS和ABAQUS平台，分别进行磁场与结构场计算，通过外部程序在二者之间传递电磁力，建立了三维电磁成形多物理场耦合数值模拟模型，并采用该模型对无氧紫铜板驱动TC4钛合金电磁成形工艺进行了分析，获得了驱动片与板料之间的冲击作用以及电磁成形中板料变形规律，预测了磁场强度分布、电磁力分布、材料变形的应力-应变分布等重要信息。该方法对磁场的仿真是可靠的，能够准确再现小变形工艺过程，对大变形工艺也能定性分析。采用提出考虑裂纹萌生扩展的数值模拟方法，对2mm厚铝合金A5052-O驱动片作用下的TC4钛合金板材电磁胀形损伤进行模拟分析，发现TC4钛合金板材电磁胀形时，中心位置在高速惯性作用下振荡变形所引起的复杂应力状态，是其最终在该位置萌生裂纹的原因[22]。为了进一步提高求解精度，对该方法又进行了优化，实现了电磁场结构场的双向耦合分析，仿真计算流程如图10所示[23]，驱动片上不同时刻的电磁力分布预测结果如图11所示。2种方法预测的变形位移与实验结果的对比如图12所示。

虽然2009年，L'eplattenierP等[24]就介绍了采用LS-DYNA进行热力磁相耦合方法，利用有限元进行导体分析，而空气采用边界元法进行计算。直到2013年11月，LS-DYNA才发布了带有电磁模块的新版本，为电磁成形研究提供了有利的数值工具。这也为带驱动片的电磁成形工艺的强耦合数值模拟提供了工具，将有力促进电磁成形技术的发展。2016年，达索公司也发布了Abaqus20016版本，该软件版本也具有电磁分析功能，为电磁成形数值提供了有利工具。可以预期这些具有电磁成形分析模块的商业软件，将极大促进电磁成形技术在钛合金板材成形中的应用研究。

4、总结与展望

从高速增塑、成形工艺、数值仿真3个方面介绍了电磁成形技术在钛合金板材成形加工中的研究现状，目前该领域的研究还比较少。钛合金的高强度要求了更高能量等级的电磁成形设备、更高强度的磁体线圈、更优驱动效果的驱动片。为了更进一步促进电磁成形技术的应用范围，特别是在高强度难成形材料的成形加工上，可以从以下3个方面开展研究工作。

1）线圈技术是阻碍电磁成形技术主要瓶颈之一，发展柔性高效高强度的线圈磁体是未来的主要趋势。随着材料技术的发展，高强度低电阻率材料将成为线圈磁体的主要材料；利用3D打印技术的灵活性，采用多种材料的金属3D打印技术打印出带有陶瓷绝缘的异形线圈，实现对磁场力时空分布的调控。

2）高效驱动方式，可采用铜箔、铝箔以及不均厚的驱动片，进一步提高工艺适应性。发展可以重复使用的高效驱动器，进一步提高能量利用率。

3）随着线圈技术的不断提高，开发出钛合金电磁成形新工艺，如钛合金的电磁拉深、电磁压印成形，电磁翻边、电磁辅助弯曲等。引入其他能场（热、振动、超声）开发出新的钛合金电磁复合成形工艺也将是一个重要的研究方向。

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