电磁驱动锻压机技术发展及应用研究

姚寅群，安 超

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州215000）

近年来，随着锻造领域的快速发展，国家对于企业能耗的严格管控、高精度要求以及自动化生产意识的不断增强，工业上对锻造加工提出了越来越高的要求。在锻压机领域，低能耗、高精度是锻压机发展的两大重要方面，而现有技术的锻压机，国内外普遍使用的是空气锤、液压锤，但上述锻造设备外形较大，造价高，能耗大，能量利用率底，精度不高。现在电磁驱动锻压机技术因其高精度、低能耗的优点，得到了越来越多的关注。特别是现在控制技术的快速发展，使得电磁驱动锻压机的控制精度得到极大的发展，更进一步提高了锻压精度[1]。

1. 电磁驱动锻压机原理

电磁驱动锻压机是一种将储存在电容器7中的电能瞬间释放在线圈3上，线圈3上产生强磁场，锤头5上也带有磁性，通过线圈3上的磁性和锤头5上的磁性共同作用带动锤头5加速向下运动实现对锻件的锻压加工。

2. 国内电磁驱动锻压机专利技术专利申请状况分析

在确定了电磁驱动锻压机技术的技术领域之后，在中国专利文摘数据库（CNABS）进行了检索，经初步检索后，由于检索出的文献显示，电液成形领域的国内专利申请文件在1990年就出现，因此，将检索对象限定在1990年-2019年。图1显示了随时间的发展，电磁驱动锻压机技术的国内专利申请量的变化情况。

图1 电磁驱动锻压机技术中国历年专利申请量分布

从图中可以看出，该电磁驱动锻压机技术的专利在1990年就开始申请，最早的申请人是沂源县科学技术委员会，但是一直以来该领域整体上发展都较为缓慢，申请数量较少，在1990年的申请了两篇专利和1994年的申请了一篇专利后时隔12年，在2006年才重新开始出现该领域的专利申请，在国内存在一定时间的空床期，且在后续申请年中平均申请量每年仅为1-2篇，申请量不大，直到2016年以后才开始出现较多的专利申请，在2016年申请了9篇专利，2018年申请了7篇专利。这是由几个方面的因素导致的，首先是电磁驱动的控制上的难点，电磁驱动主要是通过控制线圈上的电流来控制锤头上行及下行，其速度的精确控制受到自动控制系统的发展，而在之前国内自动控制方面发展较为缓慢，所以在2016年前电磁驱动锻压机技术领域发展都较为缓慢，而在2016年后，国内自动化控制技术的迅猛发展，为电磁驱动锻压机技术的发展提供了良好的发展驱动力；其次，目前，广泛应用于锻造领域的是液压锤，蒸汽或空气锤、机械动力锤，都具备结构简单、操作方便，生产效率高，造价低、工艺灵活等优点，且整体技术发展也在一个较高的水平，因此，大量在工业上得到应用，但是，电磁驱动锻压机虽然存在着锻造精度高、能耗低等优点，但是，由于其造价方面以及控制技术方面的制约，并未在工业上获得普遍的应用，因此，磁驱动锻压机技术在国内申请量不大。

国内申请了17件专利，占到55%，申请量最大的是德国占到61%。根据相关资料所示国外申请人在中国申请专利的申请人及申请量的关系可以看出，德国在中国的申请主要是许勒压力机有限责任公司，达到9件申请，这是由于许勒压力机有限责任公司在锻压机技术研究上的深厚底蕴，对于电磁驱动锻压机技术中的自动化控制一直是难以解决的技术难题，许勒压力机有限责任公司基于电磁驱动锻压机技术成功解决了这一技术难题，并将其运用到锻压生产中，同时，中国作为锻造领域的大国，锻压机的需求量趋于增大的趋势，且对锻压精度的要求也越来越高，因此，电磁驱动锻压机技术以其低能耗、高精度而被许勒压力机有限责任公司看重，近年来在中国申请了大量的专利，使其在技术竞争中处于领先地位。

3. 电磁驱动锻压机锤头运动方式技术发展路线

为了解电磁驱动锻压机技术领域的技术内容，下面主要针对电磁驱动锻压机锤头运动方式进行专利分析。

3.1 摆动式电磁驱动锻压

机电磁驱动锻压机的摆动式锤头是本领域早期的电磁驱动的锻压机的驱动方式，从上世纪初就开始研究，但在整体发展过程中存在的时间并不长，尽在19世纪初出现，后续就被直动式的电磁驱动锻压机所替代。

摆动式电磁驱动锻压机主要通过线圈15、16交替通电实现线圈内的磁棒31、32在线圈内运动从而实现锤头的摆动。早在1903年申请号为FR329864A的专利公开了一种电磁驱动锻压锤技术，该装置通过在机架底座上设置两个线圈15、16，线圈15/16内各设置有磁棒31、32，磁棒31、32的上端通过连接件连接锤柄10，锤柄10铰接在机架上，通过线圈15通电，带动磁棒31下降，磁棒32上升，从而锤头11顺时针转动对锻件进行加工，一次加工完成后，线圈16通电，带动磁棒32下降、磁棒31上升，从而锤头11逆时针转动至下次锻打的初始位置。

3.2 直动式电磁驱动锻压机

直动式是本领域最常见的电磁驱动锻压机技术，从上世纪初开始直到现在一直在被人研究，在整体发展过程中从未间断过研究，特别是对于线圈设置上不断作出技术上的改进，其中包括单线圈、双线圈和多线圈等多种方式，不同的方式在锤头的运动上带来了不同的效果，以下就基于直动式电磁驱动锻压机的线圈设置方式进行具体分析。

3.2.1 单线圈

单线圈是电磁驱动锻压机的常见的线圈设置方式，就一般而言，其主要是设置在锤头侧面，但也存在设置在机架上侧梁上的例子，线圈与锤头的运动方向相垂直。

在单线圈电磁驱动锻压机最常见的方式是在锤头侧面设置线圈，并通过弹簧实现锤头的复位，因此，该技术在整体技术的发展过程中一直在被应用，例如专利BE492740A公开了一种电磁驱动锻压机，该锻压机锤头通过连接件固定在横梁7上，横梁7在导柱8上下滑动，机架1上侧的空腔内设置有线圈2，磁性滑块5可在线圈2的作用下上下滑动，在该锻压机开始运动时，将线圈2通电产生磁场，带动磁性滑块5向下运动，带动锤头对锻件进行锻压加工，同时横梁7在导柱8上向下滑动从而压缩弹簧10、19，在锻压加工完成后，压缩后的弹簧10、19的弹力带动横梁向上运动，从而实现锤头的复位。

而在专利RU2479431C2中，线圈2绕设在横梁4上，锤头3设置在活动梁6上，活动梁6内设置有磁性体，在该锻压机工作时，对线圈2通电，使线圈上产生的磁性与活动梁6上侧的相同，通过同性相斥的原理，并在活动梁6和锤头3重力的作用下向下运动，从而实现对锻件的加工，加工完成后，线圈2反向通电，使线圈2产生与活动梁6上侧面产生相反的磁性，从而带动活动梁6向上运动恢复到锻压前的状态

3.2.2 双线圈

对于双线圈的设置，其包括两种方式:

第一种方式如专利FR345788A所示，锻锤1通过连杆结构连接至左侧横梁上，横梁上固定有线圈4，机架下侧线圈4正对的位置固定有线圈6，通过对线圈4和线圈6通电，形成两个相斥的磁场，带动上侧的横梁向上移动，带动锻锤1向下运动，运动结束后，在线圈4和线圈6中形成两相吸的磁场，带动横梁向下运动，从而实现锻锤1的复位。

另一种方式在专利DE459382A中，设置有上下两个线圈，包括驱动线圈a和复位线圈b，在工作时，先通过对驱动线圈a通电，带动锻锤向下运动，锻压加工完成后，再对复位线圈b通电，实现锻锤的复位。

3.2.3 多线圈

对于多线圈的设置，其实质上通过对线圈上电流的控制，实现对锻锤在下降至不同位置时加速度的控制，实现对锻压加工中锻压力的精确控制，例如在专利US3611783A中，通过在锻锤2经过的位置设置五组线圈3、6、7、8、33，通对线圈的单独控制实现对锻锤2下落速度的控制；同样地，在专利RU132034U1中，通过在锻压机机架2内设置六组线圈6，通过线圈中电流的控制实现对锻锤4锻压速度的控制。

电磁驱动锻压机机作为一种有效的锻压设备，特别在低能耗高精度的应用中，具备优异的效果。本文通过对电磁驱动锻压机的专利文献进行分析，通过本文的分析发现，国外对该技术的研究较早，且经过近百年的研究，达到了较高的技术水平，而国内相关机构对其研究起步较晚，而且多是对锻压机设备上的研究。另外，国内的主要申请中也主要是国外申请人的申请，特别是许勒压力机的申请，该公司在电磁驱动锻压机领域具备较强的研发实力，且大多是锻压机的精度控制方面的专利申请，因此，国内的申请人可以考虑在这个角度加大研发力度。