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研究背景

现有板件成形多使用传统准静态冲压/液压技术，这种技术的能量利用率低，且成形速度慢，难以对铝合金等轻质合金进行成形，难以满足当前制造业对于轻量化的需求。 

洛伦兹力驱动（Lorentz-Force-Driven, LFD）冲压成形技术是一种将传统准静态冲压成形技术和电磁成形技术相结合的新型板件成形技术，得益于其较高的成形速率，能有效提高板件的成形极限，应用于轻质合金的成形。

论文所解决的问题及意义

本文提出了一种利用洛伦兹力驱动冲压成形多边形金属板件的技术，对现有洛伦兹力驱动冲压技术进行了拓展。与现有技术相比，可以实现复杂形状的板件成形，通过更换冲头和模具实现不同形状板件成形。本研究将大大拓展电磁成形技术的应用场景，通过更换不同类型的冲头实现差异化的零件成形。

论文方法及创新点

研究人员所提出的洛伦兹力驱动冲压成形方法结合了准静态冲压和电磁成形两者的优势，成形过程能够在极短的时间内完成。一方面成形速率高可以改善板件的成形性能，另一方面通过冲头与模具配合可以控制成形板件的形状。

图1 洛伦兹力驱动冲压成形系统结构

图2  系统等效电路图

研究人员发现，在驱动成形过程中，成形不仅依靠洛伦兹力的驱动，也有冲头惯性运动的结果。根据成形过程中冲头的速度将洛伦兹力驱动冲压成形过程总结为加速阶段、惯性阶段和回弹阶段三个阶段。其中，惯性阶段持续时间最长，板件主要成形过程也处于这个阶段。本研究揭示了洛伦兹力驱动冲压成形动态过程特点。

图3 成形过程示意图

图4 板件形变示意图

研究人员从成形板件的贴模质量、等效应变以及减薄率对板件的成形效果进行分析，发现整个多边形板件成形质量良好，并未出现起皱、破裂等问题，达到了预期的成形效果。

图5 最终贴模状态

图6 最终成形状态板件的等效应变分布

图7 最终成形状态板件的减薄分布

图8 多边形板件最终成形效果

最后，研究人员针对板件减薄率这一分析指标，从压边力、摩擦系数、放电电压三个参数在现有模型的基础上通过多组仿真实验结果对比，优化冲压成形参数。在最优参数组合下，板件的减薄率从最初的20.13%降低至8.311%。

图9 最优参数下成形板件减薄分布

结论

本文提出了一种多边形金属板件洛伦兹力驱动冲压成形方案。在对成形原理进行理论分析的基础上，利用有限元模型深入探究了其成形动态过程及成形质量相关特性，并开展了相关优化工作。

研究结果表明，本方案成功实现了多边形金属板件的高速精密加工，成形速度远超传统工艺。通过模具协同控制，在毫秒级别内完成惯性成形，材料受力更均匀、变形更稳定，成品无起皱破裂且贴模精准。随后，通过对压边力、摩擦系数和放电电压三个参数进行优化，使关键指标最大减薄率得到显著降低。本项研究将拓展电磁成形技术的应用场景，实现差异化的零件加工成形。

三峡大学智能微电网与配电网团队现有教授2人，副教授5人，讲师2人。团队近五年获批国家级项目10项，省级项目20项，企业科技攻关项目50余项。发表高水平论文150余篇，获批发明专利50余项，制定标准2项，出版专著4部，获湖北省科技进步一等奖1项，二等奖2项。团队关于电磁成形的研究成果曾获2022年中国电机工程学会优秀论文奖，单项发明专利转化100万元。