通过电磁驱动成形技术，减少7075铝合金外缘翻边零件的皱纹和回弹现象，同时提高其成形高度

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Reducing wrinkling and springback while improving the forming height of 7075 aluminum alloy outer edge flanging parts by electromagnetic-driven forming

提高7075铝合金薄壁件室温成型精度的电磁驱动边缘翻边工艺研究，通过建立数学模型和有限元分析揭示工艺参数与缺陷的关系，提出电磁驱动外边缘翻边（EDOF）工艺，在提升成型高度104.25%的同时有效抑制皱褶、回弹和断裂缺陷。

　　

王汉鹏|詹丽华|崔晓辉|闫子钦|李瑞

中南大学轻合金研究所，中国长沙410083

摘要

超高强度铝合金7075被广泛用于制造航空航天薄壁部件。然而，在室温下，成形过程常常会导致回弹、断裂和起皱等缺陷。特别是外缘翻边部件，作为典型的航空航天薄壁部件，在这些条件下会经历更严重的制造缺陷。为了解决这个问题，本研究基于分层驱动成形概念开发了一个用于板材外缘翻边的数学模型。通过理论分析，得出了工艺参数（如驱动板材厚度和成形速度）与起皱缺陷发生之间的关系。结果表明，增加驱动板材厚度和成形速度可以显著减少起皱。基于这些结果，提出了电磁驱动外缘翻边（EDOF）工艺。与电磁外缘翻边（EOF）工艺相比，EDOF工艺使成形高度提高了104.25%，将模具间隙从1.23毫米减小到0.32毫米，并有效抑制了回弹、断裂和起皱。有限元仿真结果显示，增加部件边缘的压缩应力显著提高了周向临界起皱应力，有助于防止起皱和断裂缺陷。在成形过程中，板材以高频率振动，这种振动减少了内部应力和弹性应变能，从而防止了回弹。总体而言，EDOF工艺成功减轻了室温下成形部件的回弹、断裂和起皱缺陷，实现了高精度、高性能的制造。该工艺在航空航天工业和其他先进制造领域具有显著的应用潜力。

引言

随着航空航天应用中对部件性能和成形精度的要求不断提高，轻量化精密成形已成为现代制造研究的关键焦点。为了满足这些要求，由7075铝合金制成的高强度薄壁部件在航空航天工业中得到广泛应用[1]。然而，7075铝合金在室温下的低塑性和高屈服应力[2]导致制造过程中出现起皱、断裂和回弹等缺陷。当使用传统冲压方法在室温下成形航空航天薄壁部件时，这些问题更加严重。

研究人员一直在研究各种方法来减轻这些制造缺陷。王等人[3]通过数值仿真和实验方法研究了工艺参数对冲压薄壁部件成形质量的影响。他们的发现表明，初始外轮廓直径和板材厚度显著影响外缘翻边部件的成形性能。同样，库马尔等人[4]证明优化板材几何形状可以减少冲压过程中的起皱。沃斯温克尔等人[5]比较了单点渐进成形与传统冲压方法，发现单点渐进成形可以提高板材的成形高度。费尔南德斯等人[6]研究了工艺参数对2024-T3铝合金薄壁部件在单点渐进成形过程中的影响，结果表明优化工具直径可以显著减少起皱。此外，张等人[7]报告称单点渐进成形可以减少周向应变分散，从而降低成形部件的起皱。张等人[8]提出了一种基于弹性变形和回弹的新分析模型，用于预测渐进板材成形（ISF）过程中部件的几何偏差。

一些研究人员通过控制温度来消除部件制造缺陷。例如，孙等人[9]提出了一种创新的低温弯曲方法来提高铝合金管的可成形性。范等人[10]开发了超低温成形技术，解决了大型薄壳成形过程中同时发生的起皱和开裂问题。森等人[11]提出了一种一次性热冲压工艺，用于生产无回弹或淬火变形的小型和中型超高强度钢部件。王等人[12]报告称，热成形技术可用于制造复杂的薄壁钛合金部件，保证尺寸精度、微观结构和机械性能。张等人[13]将新的间接HFQ工艺与直接HFQ工艺进行了比较，发现模具淬火相比直接HFQ会降低可成形性。

然而，这些方法仍然难以消除板材成形过程中的起皱、回弹和断裂等缺陷。张[14]使用数值模型和实验表明，冲压在某些板材中会导致更严重的起皱和断裂。这些问题在屈服强度较高、壁厚较薄和外轮廓直径较大的板材中更为常见。潘德雷等人[15]分析了极限抗拉应力为950兆帕的DP钢在渐进成形过程中的成形行为，发现较长的成形区域会导致显著的回弹，边缘的过度变形会增加断裂风险。袁等人[16]报告称，制造极薄的部件容易导致同时发生起皱和断裂。这些发现突显了使用传统方法在室温下成形7075铝合金的挑战。

研究人员研究了使用层压板材来减少薄壁部件直接成形过程中的回弹和起皱。朗等人[17]研究了多层板材在水压成形过程中的变形行为，发现驱动板材有助于抑制收缩区域的起皱。同样，莫罗瓦蒂等人[18]通过理论分析、数值仿真和实验分析了板材厚度对拉伸过程中收缩区域起皱的影响，他们的发现表明，当驱动板材比成形板材厚得多时，收缩区域的起皱会减少。周等人[19]使用仿真和实验研究了层压板材成形，证明驱动板材通过对成形板材施加恒定压缩应力来抑制起皱。此外，贾等人[20]探讨了无模旋压中驱动板材的效果，发现这种方法可以防止起皱并提高成形板材的厚度分布均匀性。王等人[21]研究了使用双层板材成形部件的回弹行为，发现驱动板材显著减少了回弹，这归因于厚度方向的压缩应力增加。

电磁成形也引起了众多研究人员的关注，因为它在提高材料塑性变形的同时，具有减少薄壁部件制造过程中的断裂、起皱和回弹的强大潜力[22]。冯等人[23]提出了一种振动辅助电磁成形方法，利用交变电磁力有效减少回弹并实现高精度成形。王等人[24]研究了7075铝合金在电磁成形过程中的回弹行为，发现高频振荡有助于缓解残余应力并部分抑制回弹。闫等人[25]结合了水压成形和电磁成形，开发了一种电磁水压成形方法，显著提高了材料的可成形性和成形精度。朱等人[26]提出了一种混合成型工艺，结合了电磁和准静态技术，提高了钛双极板的极限深度、厚度均匀性和尺寸精度。徐等人[27]指出，电辅助成形是一种有效的方法，可以减少成形流动应力、提高可成形性并抑制回弹。张等人[28]介绍了一种双线圈电磁管成形方法，证明了其在提高传统单线圈成形系统中管材变形均匀性方面的有效性。通过仿真和实验，张详细分析了管材的变形行为以及双线圈系统中提高变形均匀性的机制。

例如，在制造航天飞机机翼的前缘板件时，通常使用缩口翻边工艺来成形需要高精度的倾斜凸起特征。然而，这一工艺常常会产生多种缺陷。本研究结合了驱动成形技术抑制起皱和提高成形均匀性的能力，以及电磁成形在扩展材料成形极限方面的优势，以解决外缘翻边中的这些问题。这一观察促使引入了电磁驱动外缘翻边（EDOF）成形工艺作为创新方法。

比较了7075高强度铝合金板材在EDOF工艺和电磁外缘翻边（EOF）工艺下的变形行为。EDOF工艺可以在单一步骤中抑制部件的起皱、回弹和断裂缺陷。此外，使用有限元方法揭示了抑制机制。开发了EDOF工艺的数学模型和仿真，以阐明这些机制。最后，EDOF工艺实现了大型部件的制造，证明了所开发理论和工艺的通用性。

EDOF数学模型

为了清楚地解释EDOF过程中起皱及其抑制机制，本节建立了数学模型，以分析7075板材在EDOF过程中的受力和变形条件。该模型提供了对影响EDOF过程中起皱的关键因素的更深入理解。

实验装置的设计

为了检验EDOF工艺是否能在7075高强度铝合金板材成形过程中抑制起皱，设计了两种实验装置，如图3a和c所示。图3a展示了实验中使用的EOF装置，包括模具、成形线圈和7075合金板材。成形模具的外轮廓直径为80毫米，圆角半径为5毫米，成形倾斜角度为100°。7075铝合金板材的内孔直径为

有限元分析

由于EDOF和EOF工艺中的应变率很高，传统的观察方法无法准确捕捉板材成形的变形行为。因此，需要使用适当的有限元仿真软件来精确模拟成形过程，并分析各种实验条件下的应力和应变。本节通过有限元分析系统地研究了7075高强度铝合金的变形行为差异

EDOF的起皱和断裂缺陷抑制效果

结合图14和图19的结果，可以看出，碰撞前的轻微起皱会导致边缘轮廓的变化，从而在不同边缘位置产生冲击时间的差异。这种变化在碰撞后放大了起皱的形成。在EDOF过程中，使用了2.0毫米厚的驱动板材。没有碰撞前的起皱确保了整个板材边缘同时接触模具。因此，在碰撞和反弹后，三轴应变

结论

本研究调查了室温下成形7075铝合金外缘缩口翻边部件时的起皱和断裂问题。为了克服这些挑战，提出了一种创新的EDOF工艺。通过集成数值建模、仿真和实验验证，彻底分析和解释了起皱抑制的机制。主要结论如下：

(1).

EDOF工艺利用驱动板材创建连续

作者声明

我们签署人声明，这篇题为“通过电磁驱动成形减少7075-T6铝合金外缘翻边部件的起皱和回弹并提高成形高度”的手稿是原创的，之前未发表过，目前也没有在其他地方考虑发表。我们确认所有列出的作者都已阅读并批准了该手稿，且没有其他符合作者资格但未列出的人。

作者贡献声明

王汉鹏：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，方法论，概念化。李瑞：撰写初稿，可视化，研究。詹丽华：写作——审稿与编辑，监督，资源获取，概念化。崔晓辉：写作——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。闫子钦：撰写初稿，验证，方法论。

利益冲突声明

作者声明与本工作没有利益冲突。我们声明与所提交的工作没有商业或关联利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52275394）、中南大学高性能复杂制造国家重点实验室项目（ZZYJKT2020-02）以及中国国家重点研发计划（2024YFE0108800）的支持。