電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用研究

姚寅群，安 超

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州215000）

近年來，隨著鍛造領(lǐng)域的快速發(fā)展，國家對于企業(yè)能耗的嚴(yán)格管控、高精度要求以及自動(dòng)化生產(chǎn)意識的不斷增強(qiáng)，工業(yè)上對鍛造加工提出了越來越高的要求。在鍛壓機(jī)領(lǐng)域，低能耗、高精度是鍛壓機(jī)發(fā)展的兩大重要方面，而現(xiàn)有技術(shù)的鍛壓機(jī)，國內(nèi)外普遍使用的是空氣錘、液壓錘，但上述鍛造設(shè)備外形較大，造價(jià)高，能耗大，能量利用率底，精度不高。現(xiàn)在電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)因其高精度、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越多的關(guān)注。特別是現(xiàn)在控制技術(shù)的快速發(fā)展，使得電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)的控制精度得到極大的發(fā)展，更進(jìn)一步提高了鍛壓精度[1]。

1. 電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)原理

電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)是一種將儲(chǔ)存在電容器7中的電能瞬間釋放在線圈3上，線圈3上產(chǎn)生強(qiáng)磁場，錘頭5上也帶有磁性，通過線圈3上的磁性和錘頭5上的磁性共同作用帶動(dòng)錘頭5加速向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對鍛件的鍛壓加工。

2. 國內(nèi)電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)專利技術(shù)專利申請狀況分析

在確定了電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域之后，在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）進(jìn)行了檢索，經(jīng)初步檢索后，由于檢索出的文獻(xiàn)顯示，電液成形領(lǐng)域的國內(nèi)專利申請文件在1990年就出現(xiàn)，因此，將檢索對象限定在1990年-2019年。圖1顯示了隨時(shí)間的發(fā)展，電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)的國內(nèi)專利申請量的變化情況。

圖1 電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)中國歷年專利申請量分布

從圖中可以看出，該電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)的專利在1990年就開始申請，最早的申請人是沂源縣科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，但是一直以來該領(lǐng)域整體上發(fā)展都較為緩慢，申請數(shù)量較少，在1990年的申請了兩篇專利和1994年的申請了一篇專利后時(shí)隔12年，在2006年才重新開始出現(xiàn)該領(lǐng)域的專利申請，在國內(nèi)存在一定時(shí)間的空床期，且在后續(xù)申請年中平均申請量每年僅為1-2篇，申請量不大，直到2016年以后才開始出現(xiàn)較多的專利申請，在2016年申請了9篇專利，2018年申請了7篇專利。這是由幾個(gè)方面的因素導(dǎo)致的，首先是電磁驅(qū)動(dòng)的控制上的難點(diǎn)，電磁驅(qū)動(dòng)主要是通過控制線圈上的電流來控制錘頭上行及下行，其速度的精確控制受到自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，而在之前國內(nèi)自動(dòng)控制方面發(fā)展較為緩慢，所以在2016年前電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展都較為緩慢，而在2016年后，國內(nèi)自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，為電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力；其次，目前，廣泛應(yīng)用于鍛造領(lǐng)域的是液壓錘，蒸汽或空氣錘、機(jī)械動(dòng)力錘，都具備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，生產(chǎn)效率高，造價(jià)低、工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，且整體技術(shù)發(fā)展也在一個(gè)較高的水平，因此，大量在工業(yè)上得到應(yīng)用，但是，電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)雖然存在著鍛造精度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于其造價(jià)方面以及控制技術(shù)方面的制約，并未在工業(yè)上獲得普遍的應(yīng)用，因此，磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)在國內(nèi)申請量不大。

國內(nèi)申請了17件專利，占到55%，申請量最大的是德國占到61%。根據(jù)相關(guān)資料所示國外申請人在中國申請專利的申請人及申請量的關(guān)系可以看出，德國在中國的申請主要是許勒壓力機(jī)有限責(zé)任公司，達(dá)到9件申請，這是由于許勒壓力機(jī)有限責(zé)任公司在鍛壓機(jī)技術(shù)研究上的深厚底蘊(yùn)，對于電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)中的自動(dòng)化控制一直是難以解決的技術(shù)難題，許勒壓力機(jī)有限責(zé)任公司基于電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)成功解決了這一技術(shù)難題，并將其運(yùn)用到鍛壓生產(chǎn)中，同時(shí)，中國作為鍛造領(lǐng)域的大國，鍛壓機(jī)的需求量趨于增大的趨勢，且對鍛壓精度的要求也越來越高，因此，電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)以其低能耗、高精度而被許勒壓力機(jī)有限責(zé)任公司看重，近年來在中國申請了大量的專利，使其在技術(shù)競爭中處于領(lǐng)先地位。

3. 電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)錘頭運(yùn)動(dòng)方式技術(shù)發(fā)展路線

為了解電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)內(nèi)容，下面主要針對電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)錘頭運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行專利分析。

3.1 擺動(dòng)式電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓

機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)的擺動(dòng)式錘頭是本領(lǐng)域早期的電磁驅(qū)動(dòng)的鍛壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，從上世紀(jì)初就開始研究，但在整體發(fā)展過程中存在的時(shí)間并不長，盡在19世紀(jì)初出現(xiàn)，后續(xù)就被直動(dòng)式的電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)所替代。

擺動(dòng)式電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)主要通過線圈15、16交替通電實(shí)現(xiàn)線圈內(nèi)的磁棒31、32在線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)錘頭的擺動(dòng)。早在1903年申請?zhí)枮镕R329864A的專利公開了一種電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓錘技術(shù)，該裝置通過在機(jī)架底座上設(shè)置兩個(gè)線圈15、16，線圈15/16內(nèi)各設(shè)置有磁棒31、32，磁棒31、32的上端通過連接件連接錘柄10，錘柄10鉸接在機(jī)架上，通過線圈15通電，帶動(dòng)磁棒31下降，磁棒32上升，從而錘頭11順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)對鍛件進(jìn)行加工，一次加工完成后，線圈16通電，帶動(dòng)磁棒32下降、磁棒31上升，從而錘頭11逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至下次鍛打的初始位置。

3.2 直動(dòng)式電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)

直動(dòng)式是本領(lǐng)域最常見的電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)技術(shù)，從上世紀(jì)初開始直到現(xiàn)在一直在被人研究，在整體發(fā)展過程中從未間斷過研究，特別是對于線圈設(shè)置上不斷作出技術(shù)上的改進(jìn)，其中包括單線圈、雙線圈和多線圈等多種方式，不同的方式在錘頭的運(yùn)動(dòng)上帶來了不同的效果，以下就基于直動(dòng)式電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)的線圈設(shè)置方式進(jìn)行具體分析。

3.2.1 單線圈

單線圈是電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)的常見的線圈設(shè)置方式，就一般而言，其主要是設(shè)置在錘頭側(cè)面，但也存在設(shè)置在機(jī)架上側(cè)梁上的例子，線圈與錘頭的運(yùn)動(dòng)方向相垂直。

在單線圈電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)最常見的方式是在錘頭側(cè)面設(shè)置線圈，并通過彈簧實(shí)現(xiàn)錘頭的復(fù)位，因此，該技術(shù)在整體技術(shù)的發(fā)展過程中一直在被應(yīng)用，例如專利BE492740A公開了一種電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)，該鍛壓機(jī)錘頭通過連接件固定在橫梁7上，橫梁7在導(dǎo)柱8上下滑動(dòng)，機(jī)架1上側(cè)的空腔內(nèi)設(shè)置有線圈2，磁性滑塊5可在線圈2的作用下上下滑動(dòng)，在該鍛壓機(jī)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，將線圈2通電產(chǎn)生磁場，帶動(dòng)磁性滑塊5向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)錘頭對鍛件進(jìn)行鍛壓加工，同時(shí)橫梁7在導(dǎo)柱8上向下滑動(dòng)從而壓縮彈簧10、19，在鍛壓加工完成后，壓縮后的彈簧10、19的彈力帶動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)錘頭的復(fù)位。

而在專利RU2479431C2中，線圈2繞設(shè)在橫梁4上，錘頭3設(shè)置在活動(dòng)梁6上，活動(dòng)梁6內(nèi)設(shè)置有磁性體，在該鍛壓機(jī)工作時(shí)，對線圈2通電，使線圈上產(chǎn)生的磁性與活動(dòng)梁6上側(cè)的相同，通過同性相斥的原理，并在活動(dòng)梁6和錘頭3重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對鍛件的加工，加工完成后，線圈2反向通電，使線圈2產(chǎn)生與活動(dòng)梁6上側(cè)面產(chǎn)生相反的磁性，從而帶動(dòng)活動(dòng)梁6向上運(yùn)動(dòng)恢復(fù)到鍛壓前的狀態(tài)

3.2.2 雙線圈

對于雙線圈的設(shè)置，其包括兩種方式:

第一種方式如專利FR345788A所示，鍛錘1通過連桿結(jié)構(gòu)連接至左側(cè)橫梁上，橫梁上固定有線圈4，機(jī)架下側(cè)線圈4正對的位置固定有線圈6，通過對線圈4和線圈6通電，形成兩個(gè)相斥的磁場，帶動(dòng)上側(cè)的橫梁向上移動(dòng)，帶動(dòng)鍛錘1向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，在線圈4和線圈6中形成兩相吸的磁場，帶動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鍛錘1的復(fù)位。

另一種方式在專利DE459382A中，設(shè)置有上下兩個(gè)線圈，包括驅(qū)動(dòng)線圈a和復(fù)位線圈b，在工作時(shí)，先通過對驅(qū)動(dòng)線圈a通電，帶動(dòng)鍛錘向下運(yùn)動(dòng)，鍛壓加工完成后，再對復(fù)位線圈b通電，實(shí)現(xiàn)鍛錘的復(fù)位。

3.2.3 多線圈

對于多線圈的設(shè)置，其實(shí)質(zhì)上通過對線圈上電流的控制，實(shí)現(xiàn)對鍛錘在下降至不同位置時(shí)加速度的控制，實(shí)現(xiàn)對鍛壓加工中鍛壓力的精確控制，例如在專利US3611783A中，通過在鍛錘2經(jīng)過的位置設(shè)置五組線圈3、6、7、8、33，通對線圈的單獨(dú)控制實(shí)現(xiàn)對鍛錘2下落速度的控制；同樣地，在專利RU132034U1中，通過在鍛壓機(jī)機(jī)架2內(nèi)設(shè)置六組線圈6，通過線圈中電流的控制實(shí)現(xiàn)對鍛錘4鍛壓速度的控制。

電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)機(jī)作為一種有效的鍛壓設(shè)備，特別在低能耗高精度的應(yīng)用中，具備優(yōu)異的效果。本文通過對電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)的專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析，通過本文的分析發(fā)現(xiàn)，國外對該技術(shù)的研究較早，且經(jīng)過近百年的研究，達(dá)到了較高的技術(shù)水平，而國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對其研究起步較晚，而且多是對鍛壓機(jī)設(shè)備上的研究。另外，國內(nèi)的主要申請中也主要是國外申請人的申請，特別是許勒壓力機(jī)的申請，該公司在電磁驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)領(lǐng)域具備較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，且大多是鍛壓機(jī)的精度控制方面的專利申請，因此，國內(nèi)的申請人可以考慮在這個(gè)角度加大研發(fā)力度。