管路系统是飞机的生命线，其性能好坏直接影响飞机的整体性能，飞机内部管路的可靠性与耐用性，是满足航行要求、保证飞行安全、降低维修成本等重要因素。飞机的管路系统的制造水平可以衡量一个国家在航空制造领域是否达到领先水平的重要因素。因为无缝钛合金管的制造工序较多、生产成本高、加工周期长且效率低，所以限制了自身的应用。而以钛带轧制与钛合金焊接工艺为主的焊接管件，因其制造效率高、材料利用率高，并且它的弯曲、扩管指数也都和无缝管基本没有差别，由于它的优异性能得到了许多国家的重视，并将其广泛的应用在飞机管路系统中。近年来钛合金在航空制造领域的应用越来越多，致使每年国内、国外的钛合金焊接管件使用量在连续增加。

    常见管材的制造方法较为简单可以直接成形，钛合金管件由于其材料的特殊性在制造过程中较为复杂，常见钛管制造方法是通过钛板加热弯曲后对其进行焊接成形，而焊接成形的钛合金管件由于焊点的存在和弯曲受力不均匀往往都存在管件端口圆度无法达到装配要求。常规情况下，国内加工厂对钛合金管的校圆是用千斤顶放在管口内壁边缘处，然后人工打压千斤顶进行校圆。使用此校形方法，使得人力强度大、生产效率低。另有一些采用自制设备来完成校管任务，可是这些设备的自动化程度低且精度不够。为此，浙江宏盛特钢有限公司针对上述钛合金管件在制造过程中产生的端口圆度无法达到装配要求的问题，使用电磁成形线圈对TC4焊接管件进行电磁胀形校圆试验，同时与第二章和第三章中所理论推导以及有限元分析得出的结果进行对比，验证其准确性。

一、校形方案设计

  1. 电磁缩径校形

    电磁校圆采用的方式通常分为缩径校圆和胀形校圆两种，由于被加工件的材料为TC4钛合金，其导电性较差，无论使用缩径还是胀形都需在线圈与管壁之间增添提高导电性的驱动片才能够达到校形的目的，两种校圆方法分别有不同的优缺点，在胀形试验前对管件缩径校圆已作出一些尝试，通过缩径的试验结果可以得出缩径校圆的两大技术难点:

  a.通过电磁成形的方法对管件进行校圆，在校圆过程中管壁受到沿管件端口向里的径向压力，容易在其端口产生褶皱，无法达到相应的圆度要求以及直径要求。

   b.由于缩径所使用的校圆模具放置在管件内部，如果使用一体校形模具则缩径后管件端口收缩并紧贴模具外表面，且管件为直角弯管，造成模具与管件分离困难。如果使用分体校形模具，在校形过程中，电磁力推动管壁进行贴模时，模具可能会产生移动导致管件校形结果不理想。

    图为使用普通圆柱形一体模具进行校圆后的管件图，校圆结果并不理想而且由于线圈设计不当，管件在没有模具的区域仍然发生了形变，管件向内凹陷；在管件端口处产生了轻微的褶皱，管件端口内部变形较大，使管件与模具较难分离，需破坏模具后才可对管件进行测量，由于管件为焊接管件，在管坯贴模的同时管件焊缝与模具相互挤压，在成形结束后管件焊缝向外突出影响了端口圆度。采用电磁缩径的方法不仅影响了管件端口的圆度同时增加了加工成本。

   图为使用电磁缩径校形的方法对TC4钛合金圆环进行校圆后的效果图，如图可知，在校圆后圆环产生明显褶皱，在成形过程中线圈产生的一部分能量以热能的形式散失，使钛合金圆环与驱动片紧紧贴合在一起，使其二者分离困难，大大影响了校圆的结果。

二、电磁胀形校圆

  由于缩径校圆具有众多技术难点，所以也可通过胀形电磁校圆来达到管件校圆的目的，胀形校圆同样存在以下技术难点：

  1. 由于胀形校圆是将成形线圈放置在管件内部，这样就对成形线圈的外直径有了严格的尺寸要求，并且需要校圆的管件直径为φ23mm壁厚为1mm钛合金弯管实物图如图所示，而成形线圈的尺寸为3mm*2mm所以成形线圈的绕制成为校圆的关键技术。

  2.由于管件直径较小，在放置成形线圈后无法再将增强磁场的集磁器放置在管件内部，所以胀形产生的电磁力与缩径相比较会大大降低。

  通过上文的理论推导和有限元分析后，选取数值模拟中最优线圈即双层矩形螺线管线圈，与单层矩形线圈进行对比试验，以管件外圆端口圆度作为评价标准，验证模拟的准确性。电磁成形中模具的制造相比传统加工中的模具更为简单，模具工装图如图所示，其主要由五部分组成，在试验时将模具四面通过夹具进行装夹防止在放电过程中管件发生移动造成管件受力不均匀，影响其校圆效果，同时将绝缘板放置在管件弯曲处，防止其与其他金属接触，避免电流的流失。

三、试验设备

 本试验采用的电磁成形机型号为JEMPF-30如图所示，其结构均由本课题组自行设计研制，成形机的储能电容器由6个100μF的电容器连接而成，同时装有自动卸电装置以及安全短路装置，在试验时可通过远程遥控进行电容器放电操作，成形机各项参数如表所示。

四、成形线圈

 校形试验所用到的成形线圈与有限元分析时使用的线圈相同，线圈材料为紫铜，为保证线圈匝与匝间距相等和线圈的几何形状规则，将线圈按照线圈绕制骨架进行缠绕，将其分别绕制成单层矩形螺线管线圈和双层矩形螺线管线圈如图所示。

   绕制完成后在线圈表面包裹绝缘材料，一方面防止其在放电过程中在层与层之间出现短路的情况，另一方面能够起到固定支撑作用保证其产生稳定的磁场，由于成形线圈的引出端变形较大，在放电过程中线圈承受电流能力减弱，需要在其引出端缠绕高压绝缘纸，防止出现电流击穿空气造成短路的现象。

五、电磁胀形校圆试验结果

   管件校圆结果以其端口外圆圆度作为评价标准，ISOR1101对圆度误差（评价零件尺寸精度的指标）的定义是：圆的形状偏离几何圆的程度。通常，我们将其概括定义成实际测量点到参照圆的最大峰谷距离。本试验测量管件外圆圆度的仪器为三坐标测量仪如图所示。采用单点测量的方法，在管件外圆端口处测量16个离散的点，通过采取的这16个点来反映出管件外圆的基本轮廓，采用最小二乘法进行计算，使用单层矩形螺线管线圈以及双层矩形螺线管线圈对管件成形后管件的端口圆度如表所示。

   如表所示，在使用双层线圈校形后，管件的圆度相比未校形前提升很大，实际试验结果与模拟结果基本一致，且无论成形线圈与管件位置如何，双层线圈的校圆效果均优于单层线圈，将1/2线圈放入管件中校圆效果优于其他两种情况，说明成形线圈与被校形管件的相对位置对校形效果有着一定影响。图为使用双层矩形螺线管线圈对1号TC4钛合金管件端口校圆前后对比图，从图中可以看出管件端口外圆圆度明显提高，在成形过程中，电磁力作用在管件内壁推动其与模具进行贴合，使管件外凸焊缝撞击模具，由于作用时间较短同时作用力极大，使得外壁焊缝向内凹陷，提高管件外圆圆度，达到管件端口圆度要求，同时管件在成形后管件端口处没有产生褶皱、破裂等现象。图为使用单层矩形螺线管线圈对2号TC4钛合金管件端口校圆前后对比图，能够看出使用单层线圈同样改善了管件的端口圆度，说明使用单层线圈仍具有校圆作用，但通过实际的测量其校形效果与双层线圈相比效果仍不理想。

   试验结果说明：实际试验后管件的校圆情况与理论分析得出的结果大体相同，在电磁胀形校圆过程中线圈的层数以及其与管件的相对位置都会对管件的校圆结果造成一定的影响，模拟采用单层线圈校圆时线圈产生的电磁力较小，在实际试验中得到的圆度值较大；而双层线圈在模拟时产生的电磁力较大，在实际试验中得到的管件圆度值较小；在模拟线圈校形深度对管件端口圆度的影响时得出线圈校形深度为管件长度一半时产生的电磁力最大，在试验结果中同样得到了验证，所以在模拟过程中得到的线圈产生的电磁力大小可以作为评价管件校形结果的一个重要标准。使用电磁胀形的方法能够满足管件外圆圆度的加工要求，与电磁缩径校圆的校形结果相比，在操作上胀形校圆后管件与模具分离简单，模具可以进行重复使用；在校形结果上胀形校圆后圆度满足管件校形需求，同时在管件端口处没有产生褶皱。

六、总结

 浙江宏盛特钢有限公司首先介绍了管件电磁校圆的两种较为常见的方法，同时通过对两种方法的对比以及优缺点的说明，选择了校圆效果较好的一种作为试验方案。然后对试验的工装进行了设计，并对其进行详细的说明，通过使用两种不同的成形线圈进行电磁校圆试验，采用三坐标测量仪对试验后的管件进行精确测量，并对其进行分析，得出使用双层矩形线圈对管件校形的结果最佳，同时校形深度等于校形线圈长度的一半时，校形后的管件圆度更佳。试验结果与上文中通过理论推导以及有限元分析得出的结果基本一致，并将缩径校圆与胀形校圆两种结果进行对比，得出电磁胀形校圆要优于电磁缩径校圆。