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金属板材三维曲面类零件在汽车、航空、电器、船舶以及各种民用、军用产品和各种高技术产品等制造领域广为应用。目前钣金件成形主要有：整体模具成形和手工成形。整体模具成形的制造周期长、成本高；手工成形质量差、效率低、劳动强度极大；这些方法都难以适应快速增长的市场需要。正是在这种背景下，我们实验室提出了电磁辅助钣金拉延快速成形技术。
电磁辅助钣金拉延快速成形技术是利用一系列排列规则、相对高度可调的单元体，通过对各单元体的实时控制，自由地构造出成形面；再利用磁场的光顺性和磁场对电磁材料粉末力的作用，使电磁材料粉末在修形磁场的作用下将单元体头部的凹坑填平；再在强夹紧磁场的作用下，使单元体与磁性材料粉末成一体，成为一个整体模具;最后由压力机驱动单元体群，实现板材的三维曲面成形。
1 单元体形状及其磁场分布研究
1.1 单元体设计
单元体群是由很多排列整齐的圆柱形单元体组成，单元体群四周装有固定挡板，防止单元体因受侧向力而产生侧向滑移，同时还可在单元体调整时起导向作用。单元体设计是电磁辅助钣金拉延快速成形技术中机械设计的核心部分，它将直接影响修形磁场的产生效果。图1所示为电磁辅助钣金拉延快速成形技术中所采用的一种单元体结构，它主要有电磁线圈、电磁铁芯、隔磁材料、连接头、引线等几部分组成。电磁线圈用来产生所需的修形磁场，通过引线接修形磁场电源。
1.2单元体磁场分布
1 电磁线圈 2 引线 3 连接头 4 隔磁材料 5 电磁铁芯
图1 单元体结构
图2所示为用ANSYS分析的两个单元体之间的磁力线分布情况，图2a中上下两个线圈中的电流方向相同，图2b中上下两个线圈中的电流方向相反。从图中可看出，线圈中电流的方向和大小直接影响单元体的磁场分布。两个线圈中电流方向相同，单元体头部产生的磁场方向相同，相互排斥，两者头部之间无磁场；两个线圈中的电流方向相反，则相互吸引，磁场得到加强。
图2 两个单元体磁场分布情况
单元体在磁性材料中磁场的分布情况见图3。
（a）两个单元体的磁力线和磁势云图分布情况 （b）3个单元体的进力线和磁势云图分布情况
图3 单元体在磁介质中的磁力线分布
2 电磁场修形控制系统
电磁线圈中电流的控制可采用模拟控制或数字控制。模拟控制看起来简单直观，但并不经济或可行，其中一点就是，模拟电路容易随时间和温度漂移，因而难以调节，能解决这个问题的精密模拟电路又非常庞大、笨重和昂贵。因而对电磁线圈中电流大小的调节采用数字方式控制，利用脉宽调制(PWM)技术，通过计算机控制各PWM控制器去控制电磁线圈中的电流，实现对各电磁线圈内电流的调节，实现全数字控制。脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，此外，许多微控制器和DSP已在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更容易了。
图4是修形磁场电流PWM控制原理图，电磁线圈L2 由直流电源为其供电，输人直流电压为Ud。计算机根据提供的数据信息调节PWM控制器脉冲的周期或占空比，进而控制电子开关VT的导通和断开频率，达到控制电磁线圈L2 中电流大小的目的。
图4 YWM控制原理图
3 实验验证
我们进行了一些简单的实验，对单元体的磁场分布情况进行了验证。实验结果如图5所示。
图5 实验结果
从实验结果可看出，ANSYS分析结果与实验结果是相符合的，磁性材料粉末沿着磁力线分布，磁性材料粉末被磁化，相邻粒子相互吸引，互相挤压，在单元体和单元体之间的凹坑内连结成链状，形成磁粉链。只要单元体头部间的磁力线能实现光滑过渡，单元体群端部的凹坑就能被填平，从而达到很好的修形效果。
在设计单元体和修形磁场时应注意以下几点：
(1)在设计单元体时必须保证单元体线槽的宽度应小于线槽与线槽之间单元体铁芯的宽度，否则会造成图6所示的结果。即使在左右两侧单元体上的电磁线圈内施加很大的电流，这两个单元体附近的磁场也很弱。
图6 单元体线槽的宽度大于线槽与线槽之间单元体铁芯的宽度时的磁力线分布
这是因为这两个单元体线槽与线槽之间的单元体铁芯部分被邻近单元体线槽完全挡住，线圈内为铜制电磁线圈，铜的磁导率非常小，在这里起到隔磁的作用，阻断磁路，使单元体的磁力线形成不了磁路通路。
(2)从图2中单元体磁力线分布可看出，磁力线主要集中在单元体铁芯内和磁性材料内，在空气中的漏磁通很小，因此不用担心在成形过程中，修形磁场和夹紧磁场对周围产生电磁干扰。这是因为单元体铁芯的磁阻很小，而空气的磁阻很大，根据磁路欧姆定律，磁场总是倾向于从磁阻小的通路流过。
(3)上面介绍的单元体只能实现粗略的修形，如想实现局部的精确修形，必须将线槽宽度和线槽与线槽之间的铁芯部分的宽度减小，或在单元体的局部装上线圈，使其成为一个挨一个的小磁泡。如将单元体球形头部做成像足球一样，一瓣一瓣的，在每一瓣下面缠上线圈，也可将单元体的圆柱体部分做成一个挨一个的小磁泡。这里有一个比较，通过改变线槽宽度和线槽与线槽之间单元体铁芯的宽度，使单元体的侧面磁场分布成为一个斜面。图7所示为线槽宽度和线槽与线槽之间单元体铁芯的宽度从大到小变化，引起磁场分布变化的情况。
图中明显可看出，随着线槽宽度和线槽与线槽之间单元体铁芯宽度的减小，磁场的斜面分布越来越平滑。所以如想实现精确修形，必须将磁场细化，使单元体上遍布着一个挨一个的密集小磁泡。
4 结论
(a)线槽宽度和单元体铁芯宽度均为5mm (b)线槽宽度为3mm，单元体铁芯宽度为5mm (c)线槽宽度和单元体铁芯宽度均为3mm
图7 线槽宽度和单元体铁芯宽度取不同值时的磁场分布情况
电磁辅助钣金拉延快速成形技术是快速成形的离散理念与传统拉延工艺的结合，是一种新型的拉延件生产工艺，它涉及电磁学、力学、塑性成形学、计算机控制技术、CAD/CAM和摩擦学等众多学科，具有现实应用和理论研究意义。通过ANSYS分析和实验结果相验证，证明了修形磁场的可行性。
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