EMPT技術(shù)的運用范圍、適用機械制造及經(jīng)濟性

【摘 要】

電磁脈沖技術(shù)（EMPT）可以在不相互接觸的情況下對金屬進行連接、焊接、成形和切割。

EMPT運用電磁感應(yīng)圈，從一個脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生出短暫而非常強的電流。感應(yīng)圈產(chǎn)生出的電磁場，可以瞬間壓縮或者膨脹而改變管材的直徑。由于管材表面可以短暫帶渦電流，因而此技術(shù)同樣可以處理沒有磁性的金屬，如鋁。

此文主要闡述EMPT技術(shù)的運用范圍、適用機械制造及經(jīng)濟性。

1. 電磁脈沖技術(shù)（EMPT）的原理

當通有電流的導體置于磁場中，該導體將受到力的作用，這種電流與磁場相互作用而產(chǎn)生的力稱為洛侖茲力（Lorentz force）。另外，電流本身也產(chǎn)生電磁場。因此，當電流以不同的方向運動時，兩個平行的帶電導體會相互排斥，見圖1。

圖1 金屬管材插入電磁線圈中

圖1中顯示電磁線圈中電流、渦電流、洛倫茲力，左圖顯示為交流電的半正波。

如果將管材插入一個電磁線圈中，管材和電磁線圈均可被看成是導體。當給電磁線圈通上交流電時，管材表面會產(chǎn)生渦電流，并根據(jù)楞次定律向著電磁線圈方向移動。因此，管材受到一個向內(nèi)的徑向力作用。如果電磁圈電流改變方向，管材表面的渦電流同樣改變。因此，電磁線圈電流和管材所帶電流保持與磁力相反的方向，磁力在微秒內(nèi)呈放射狀壓縮管材。然而，由于管材的慣性，成形過程滯后于壓力上升過程。圖2顯示了5個時間點的成形過程。

圖2 管材插入后，管邊緣的有限元分析

磁壓力上升時，幾微秒之后管材材料才開始發(fā)生變形。當管內(nèi)壓力超過材料的屈服強度，管材直徑開始變小。隨著此過程繼續(xù)，管材直徑變小的速度顯著加快，最終形成需要的幾何形狀。

2. EMPT機器

EMPT系統(tǒng)主要由三個部分組成：脈沖發(fā)生器、線圈、成形腔。

（1）脈沖發(fā)生器 金屬變形的磁性壓力范圍為100N/mm2。產(chǎn)生這個壓力，需要100～1000kA的脈沖電流。所需的能量被儲存在一個由電容器組、充電單元和大電流開關(guān)組成的脈沖發(fā)生器中。此脈沖發(fā)生器和EMPT線圈組成了一個共振回路，即電容器組中儲存的能量E=CU 2/2 被轉(zhuǎn)化成線圈所帶的磁力E=LI2/2 。

（2）線圈和成形腔 線圈和成形腔是用來將磁力集中到導體工件上。線圈是由一道或幾道傳導性很高的材料繞組組成，通常是特殊的銅或者鋁合金（見圖3）。根據(jù)所需要傳導的電流大小不同，線圈的橫截面積通常為10～100 mm2。

圖3 多圈纏繞的線圈的截面圖

1.線圈座 2.成形腔 3.絕緣體 4.線圈架 5.圈式繞組 6.塑料層

成形腔的橫截面至少有一個放射狀槽口，而且與工件和線圈絕緣。線圈長度和成形腔外徑上的長度保持一致，且線圈與成形腔之間的間隙越小越好。

在電脈沖進行傳導時，帶電線圈會使成形腔表面帶上渦電流，渦電流通過成形腔表面的放射狀槽口流入內(nèi)壁。成形腔的內(nèi)徑即為工件的外徑，而內(nèi)孔的長度通常比線圈短，因此電流更集中。由此產(chǎn)生兩個結(jié)果：磁力線集中在成形腔縮口的背面上，多層線圈產(chǎn)生的不均勻磁場會聚于縮口端部。

成形腔使線圈產(chǎn)生的磁力可比作用到工件上的壓力小。與線圈直接作用相比，可以顯著延長線圈的使用壽命，因此，大大提高了效率，減少了成本損耗。PST公司利用數(shù)字技術(shù)改進了所生產(chǎn)的線圈，其平均使用壽命可達2 000 000次脈沖。

僅需一個標準線圈和合適的成形腔，就可以在極短的時間內(nèi)毫不費力的加工各種直徑和形狀的工件。2min之內(nèi)就可以非常方便的更換成形腔。在一些特定的系統(tǒng)中使用單一用途的線圈即可，無需再使用成形腔。

3.工作步驟

操作步驟如下：

（1）將工件安放在線圈內(nèi)。

（2）將大電流開關(guān)保持斷開，充電單元給電容組

充電（見圖4）。

圖4 脈沖發(fā)生器和線圈作用原理

（3）通常在8s內(nèi)到達充電電壓，充電開關(guān)斷開，而線圈回路的強電流開關(guān)閉合，釋放電容組儲存的能量，為線圈回路和電容回路提供正弦式交流電。

（4）幾個回合之后，交流電流值減弱為零，在交流電第一個半波內(nèi)，管件壓縮形成其最終的形狀（見圖5）。

圖5 典型放電電流的波形

工業(yè)上使用的EMPT系統(tǒng)通常的放電頻率為6~30kHz。PST公司所生產(chǎn)的EMPT系統(tǒng)具有如下特點：放電電流高，放電頻率高，周期短，工藝程序監(jiān)控和數(shù)字化控制。定期在約每50萬次時維護強電流開關(guān)，可使電容組的使用壽命超過200萬次脈沖。根據(jù)不同型號，在10～16kV電壓下，可產(chǎn)生100～2000kV放電電流。圖6是PST生產(chǎn)的PS45 EMPT脈沖發(fā)生器，它被應(yīng)用在一個德國一流的汽車生產(chǎn)工廠里。

PST產(chǎn)品一個顯著的特點是其100%的程序控制系統(tǒng)，這是通過測量、儲存、分析每個脈沖的時間曲線得出的。這種遵循規(guī)則的方法確保在各種環(huán)境中，在指定過程窗口下，放電電流都能保持恒定。經(jīng)證實，PST產(chǎn)品的閉合線圈控制系統(tǒng)，對于在完全自動化的生產(chǎn)線上融合使用EMPT系統(tǒng)是非常有用的。圖7是PST生產(chǎn)的雙線圈概念的PS45 EMPT折邊機系統(tǒng)。

用一個脈沖生產(chǎn)兩個連接頭，用于一個德國一流的汽車生產(chǎn)工廠大批量的自動化生產(chǎn)線上。

4. 工業(yè)運用

下面是EMPT系統(tǒng)應(yīng)用于卷邊、焊接、成形和切割。

（1）EMPT卷邊 EMPT卷邊技術(shù)是可以代替機械卷邊工藝的新型的經(jīng)濟的技術(shù)。EMPT技術(shù)的非接觸式工序產(chǎn)生的壓力更均勻地按圓周分布，而不需要像在機械卷邊工藝中那樣使用各種工具和標記。因此，EMPT技術(shù)更均勻，不發(fā)熱，不易產(chǎn)生變形，例如：在生產(chǎn)與橡膠管相配套的連接件（見圖8）。

圖8 EMPT卷邊機生產(chǎn)與橡膠管相配套的連接件

EMPT技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于柔軟的合金，同樣適用于加工高強度零件?？梢杂弥睆綖?0mm、壁厚3mm的低碳鋼St 52—3N ( = S355J2+N)生產(chǎn)載貨汽車擋泥板支撐架（見圖9）。

圖9 EMPT卷邊機生產(chǎn)低碳鋼卡車擋泥板支撐架

EMPT為電纜和電器插頭卷邊可以使壓縮力強大而均勻。EMPT的褶皺線纜連接器的電抗比機械卷邊產(chǎn)生的卷邊低50%。

使用EMPT卷邊機，更換不同形狀的工件，安裝時間短，重復(fù)性強。世界各地約400~500臺EMPT卷邊機被安裝使用。EMPT技術(shù)通常被用來連接不同材質(zhì)的工件，如將鋁或錳工件插入到鋼或塑料插口。EMPT技術(shù)還可以用于交通行業(yè)，生產(chǎn)輕質(zhì)的構(gòu)件，如汽車座椅（見圖10），飛行器等。

圖10 EMPT卷邊機加工質(zhì)量輕的汽車座椅的不同材質(zhì)部件

使用密封件，如橡膠O形圈，就可用EMPT系統(tǒng)生產(chǎn)氣壓、液壓密閉容器。由于不需要耗材，而且是非接觸式的工藝，EMPT系統(tǒng)可以使用于無菌場合，如將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋（見圖11）。PST產(chǎn)品新近開發(fā)出特殊的多用途連接線圈，可以同時進行多達50個點的連接，此技術(shù)已獲得專利。

圖11 EMPT將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋

（2）EMPT焊接 很多情況下需要使用固相焊接，也被稱為原子結(jié)合，因為它是在原子能級上進行的連接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高壓作用下兩個純金屬工件的原子相互擠壓，直到發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成一個新的金屬混合物（見圖12）。然而EMPT操作時溫度不會升高，即沒有受到高溫影響的區(qū)域，因而微觀結(jié)構(gòu)也就不會發(fā)生改變。EMPT焊接是靠工件之間的V形接口，即兩工件連接端事先做成圓錐形，工件相互之間進行“滾動式”擠壓接觸。如果產(chǎn)品對于密封性或傳導性有特殊要求，EMPT焊接的優(yōu)勢則更加突出。

在V形端部產(chǎn)生的接觸擠壓力范圍約為1000N/mm2，并伴有巨大的張力。這基本上發(fā)生在兩個工件的接觸區(qū)域前面的十幾微米的接觸點之間。表層下的塑料變形，導致兩個接觸體的氧化層都發(fā)生破裂，因而產(chǎn)生與爆炸焊接相類似的波浪狀微觀結(jié)構(gòu)。有限元分析表明，塑料變形速度超過聲音在空氣中傳播速度，而遠遠低于聲音在金屬中傳播速度。工件之間的空氣層被壓縮，加速向頂端角部擠壓，由此產(chǎn)生的噴射氣體將連接區(qū)域的碎屑及氧化粒子等吹走。

圖12 EMPT焊接步驟圖示

EMPT焊接的優(yōu)點在于結(jié)合強度大，因為結(jié)合力相當于要將工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不同金屬材料上類似“氦密封”連接，而不產(chǎn)生高熱量。通常難焊的不銹鋼材料也可以使用EMPT焊接，甚至可以大批量地焊接不同的金屬，如鋼和鋁、鋼和銅、以及銅和鋁等。圖13表示的是EMPT將一段是鋼的工件焊接到質(zhì)量很輕的鋁制傳動軸上。

圖 13

因為需要磁性力使工件變形，所以需要材料表面處理好，材料質(zhì)量較好。很多情況下，在進行EMPT焊接之前，需要對工件進行精密加工、打磨拋光除油。

（3）EMPT成形 使用電磁脈沖可以對管狀工件進行壓縮或者延展。大多數(shù)情況下，在壓縮和延展過程中都需要使用心軸或者模具來確保形狀公差，但是不使用模具也是可以的。有時成形之后需要使用獨立的心軸或者模具來分離工件。

相對于傳統(tǒng)的管件成形工藝，EMPT技術(shù)對管狀工件成形具有更大的優(yōu)勢：EMPT可以不回轉(zhuǎn)而壓縮對稱的管件截面，以避免高速反彈力沖擊。另外研究分析：在特定條件下，材料變形到一定程度，強度值會提高。為了分析強度值提高的優(yōu)點，做了鋁合金環(huán)形工件膨脹試驗。在類似條件下，塑料可能沿圓周變形26%而材料不會損壞。在用EMPT以高達170m/s的徑向延展速度高強度延展時，塑料可以沿圓周變形60%材料依然不會有損壞（見圖14）。EMPT的加工極限是由工件的導電性決定的。

圖14 用于EMPT壓縮和延展的工具

如果材料的導電性低于結(jié)構(gòu)鋼，電阻損耗所產(chǎn)生的工件內(nèi)部熱量會過高，同時磁力線幅度顯著下降，這會對EMPT造成損害。為了避免這種情況，可以在整形區(qū)域內(nèi)放置一個“驅(qū)動”，一個薄壁鋁環(huán)或者銅環(huán)。有了這個“驅(qū)動”，即使是非導體的材料也可以使用EMPT成形。結(jié)構(gòu)鋼當然可以使用沒有驅(qū)動的EMPT系統(tǒng)上，而對不銹鋼進行成形時還是建議使用驅(qū)動環(huán)。

EMPT成形技術(shù)的應(yīng)用潛力不僅僅局限在管件生產(chǎn)上，但是對薄板件進行成形因為沒有有效的平面螺旋線圈而受到局限，通常可以使用扁平線圈進行小批量的生產(chǎn)。

(4)EMPT切割 EMPT可以在金屬管材和薄板上切割孔（見圖15）。此工藝已成功通過鋁材和不銹鋼板材的演示試驗，甚至高強度鋼也可以處理。相對于機械切割而言，費用更少。粘附很少也是其一大優(yōu)點。

圖15 EMPT同時整形和切割一個盒子

5. 經(jīng)濟價值

看到EMPT加工過程中使用如此強的電流，一般通常會認為可能需要特殊的電源，而且電能消耗也很高。實際上絕非如此，因為脈沖電流是由脈沖發(fā)生器的電容組產(chǎn)生的（見圖16）。要負載一個強大的脈沖發(fā)生器的電容組，僅需要一個常用的工業(yè)用三相400V、50Hz、32A的主電源。按當前電價計算，產(chǎn)生60kJ脈沖的發(fā)生器所消耗的電流還不到0.0025歐元（0.025元人民幣）。

圖16 PST生產(chǎn)的100 KJ A PS100脈沖發(fā)生器

PST新近開發(fā)出MJo牌多用途連接線圈已獲得專利，它可以等同于進行一次成形操作同時加工多個元件。使用這種新型線圈，可以顯著縮短周期時間，因此，加工成本也就大大降低。用一個脈沖生產(chǎn)多個元器件，這也大大降低了對脈沖發(fā)生器和線圈進行維護的頻率，因為這些元器件的損耗是由脈沖的次數(shù)決定的。

除了EMPT系統(tǒng)的設(shè)備外，PST公司還提供給客戶“以脈沖為單位付費”的加工服務(wù)，賬單是以每年實際處理的脈沖數(shù)量計算，脈沖發(fā)生器的所有維修費用同樣如此計算，因此價格可以用每個連接表示。以EMPT為汽車生產(chǎn)商處理典型的鋼對鋼裝配為例，每年400 000次脈沖，每個EMPT連接的費用（包括2009年7月的實時電價費用）約為0.33歐元（3.3元人民幣）。

6. 結(jié)語

EMPT（電磁脈沖技術(shù)）是基于通過強磁場，不需接觸，而改變導體材料的形狀的理論，可用于對金屬管件和薄板件進行連接、焊接、成形和切割。EMPT的一個顯著特點就是可以壓縮任何管體的橫截面。

使用合適的材料和設(shè)計方法，可以有效延長脈沖發(fā)生器和線圈的使用壽命，維護間隔時間長達500 000～2 000 000次脈沖，因此可以將連接或者整形鋼或者鋁材零件的成本消減為僅僅幾美分。經(jīng)證實，PST產(chǎn)品100%的程序控制，是完全適應(yīng)自動化生產(chǎn)線和滿足工業(yè)需求的。

審核編輯 ：李倩