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电磁脉冲工艺的新突破

2018-09-23 00:002000

电磁脉冲连接技术是一种新型的金属连接工艺方法,可以对复合材料进行生产加工,在大批量生产过程中具有明显的技术优势,如,不会对工件表面产生任何损伤等,并且经济性好。

所谓复合材料,指的不仅是将不同的材料简单地组合在一起,理想的复合材料是将原材料的优势集合在一起,达到扬长避短的效果。因此,对重量较大、强度较高的钢材有着很高要求的汽车制造业寄希望于使用复合材料,希望通过使用复合材料来实现轻结构设计的目的。然而,一直以来,这种优化了的复合材料始终没有找到特别合适的生产加工工艺技术,同时,生产制造耗费的能源也很大,限制了复合材料的应用。另外,在使用复合材料生产制造工件时所需的热量也很高,往往会破坏材料的内部晶格,使原本很好的复合材料失去了其优良的性能。

PSTproducts公司研发的电磁脉冲连接工艺技术(简称EMPF技术)在原来的基础上有了进一步的新发展,可以成功地对复合材料进行连接和焊接。同时,他们在2005年末首次向市场推出了系列产品:由钢材和高强度铝合金复合制成的拖杆。这种复合材料制造的拖杆比传统材料制造的拖杆轻3kg(如图1)。

电磁脉冲工艺技术

电磁脉冲工艺技术是利用电磁场力对圆柱体结构件进行变形加工的工艺技术。使用这种工艺技术的前提条件是:工件必须是导电体,而且必须使用专用的工具(线圈和磁力放大器)。利用电磁力可以使金属材料产生超出其流动极限的变形。

根据电磁脉冲的工具、材料和工作参数的不同,电磁脉冲工艺技术可以细分为电磁脉冲焊接(EMPS)、电磁脉冲连接(EMPF)和电磁脉冲切割(EMPSN)。

无论是哪种电磁脉冲技术,变压器组都提供产生磁场所必须的能量(150~500kA)。作为工具的线圈将电能转换为磁场力(如图2)。随时间变化的电磁场感应处很强的涡流以500m/s的速率使工件材料的结构发生变化和变形,而这种非接触式的高速冷变形不会对工件表面产生任何损伤。

著名的用户群

无论ADAC全德汽车俱乐部是否已经认可这种新型拖杆,PSTproducts公司的Pasquale先生都认为它只是一个技术载体,EMPF电磁脉冲连接技术在轻结构材料中有着很大的潜力。从材料的复合和复合所用的材料开始,最终得到符合几何尺寸形状要求的复合材料。而复合材料主要的应用领域是制造汽车的仪器仪表支架、行驶机构和碰撞吸能盒等(如图3)。

事实上,这一工艺技术已有25年的历史,最初起源于军事目的的研究。但一直到大约5年前,这一技术才在美国被用于汽车制造领域。人们不仅在汽车的行驶机构中使用了复合材料(制造行驶稳定器、塑料/铝合金复合材料),汽车仪器仪表中的许多零部件也使用了复合材料,如汽油泵。在德国,也有OEM汽车制造厂家使用复合材料连接技术生产汽车零部件。奥迪公司的轻结构专家们就是德国使用复合材料的先驱者,他们首先利用塑料-铝合金复合材料制成了汽油泵管接头,并且在大批量生产中使用。但是,他们与PSTproducts公司最大的也是最重要的区别是:奥迪公司仅仅从大批量生产的角度买进了成套设备技术,没有在此基础上进一步试验其他零部件的生产中是否也可以采用这一技术。

在整个欧洲,目前只有PSTproducts公司掌握了从整个复合材料的设计、生产设备设计制造到大批量生产工艺技术方案制定的全部技能。因此,在整个德国乃至整个斯堪德纳维亚地区的OEM汽车生产厂家都是该公司的紧密合作伙伴。另外,还有专门生产货车和汽车零部件供应商等企业,这些企业都被PSTproducts公司视为重要的客户,包括Bosch公司和ZF公司。

应用优势

目前,PSTproducts公司的员工们正在利用电磁脉冲连接技术大批量生产欧洲统一标准的拖杆,也是ADAC已认可的拖杆。视市场的需求情况,他们的产量是年产5000~20000件。除此之外,该公司还集中精力对现已掌握的电磁脉冲设备制造技术进行了改进,以便可以生产其他的汽车零部件,如OEM汽车生产厂中可以使用的电磁脉冲生产设备。

目前,他们研发的重点是生产膨胀吸能盒或者过滤器壳体的相关设备。当工件直径超过10mm,并且达到OEM汽车生产厂典型的产量时,电磁脉冲连接技术比传统的连接、焊接工艺技术要经济合理的多。在一定条件下,甚至可以与IHU内高压变形加工工艺技术相抗衡。但是仅仅是一对一相互抵消的对抗、平衡还不算最好,通过工艺技术的改进所得到的应该是相乘的“积”,只有这样才能更加显示这一技术的优越性。

用户购买一台电磁脉冲加工设备要付出10~40万欧元的资金,而设备的费用将随复合材料的强度、壁厚和变形情况成比例的提高,因此,较软的材料,例如铜或者铝合金等是更适合采用复合材料工艺技术的材料。

用户付出40万欧元所购买的电磁脉冲生产设备是一套完整的生产系统,它能够完成不易变形零件的连接,能够对高强度复合材料进行变形加工。一般的结构钢,例如,St52号钢或者高强度的铝合金,都可以进行电磁脉冲加工。

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