電磁鉚槍專利技術(shù)綜述

李慧 陳成

摘要：電磁鉚接是基于電磁成形技術(shù)在傳統(tǒng)鉚接工藝上發(fā)展起來(lái)的一種新型連接工藝。而電磁鉚槍是該工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用設(shè)備，目前國(guó)外的電磁鉚槍已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的電磁鉚槍正處于工程化應(yīng)用的探索階段，加之電磁鉚槍設(shè)計(jì)理論尚不完善，仍存在鉚接力不足、后坐力較大以及鉚槍笨重不方便使用等問(wèn)題。本文通過(guò)電磁鉚槍的專利技術(shù)分析，系統(tǒng)性的介紹國(guó)內(nèi)外電磁鉚槍的發(fā)展現(xiàn)狀及電磁鉚接設(shè)備的工作原理，闡述了從最初的電磁勵(lì)磁機(jī)開(kāi)始，逐步發(fā)展成高壓電磁鉚槍、低壓電磁鉚槍，全自動(dòng)電磁鉚槍……

關(guān)鍵詞：電磁鉚接;鉚槍;高壓;低壓;自動(dòng)

電磁鉚接技術(shù)主要起源于美國(guó)， 主要是解決飛機(jī)制造裝配過(guò)程中的部件連接問(wèn)題，傳統(tǒng)的錘鉚或液壓鉚已經(jīng)無(wú)法滿足大飛機(jī)高可靠性、長(zhǎng)壽命的要求。20世紀(jì)60年代美國(guó)波音公司開(kāi)始研究電磁鉚接技術(shù)，于1968年申請(qǐng)了強(qiáng)沖擊電磁鉚接的專利，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一系列手持電磁鉚槍，取得了良好的技術(shù)效果。

電磁鉚接是利用電磁能來(lái)完成鉚釘鐓粗的一種高能量鉚接工藝，其原理如圖1-2-0所示。放電開(kāi)關(guān)閉合瞬間，在成形線圈中產(chǎn)生一個(gè)快速變化的沖擊電流，在其周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。強(qiáng)磁場(chǎng)使與之耦合的驅(qū)動(dòng)片產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的渦流斥力在放大器中不斷反射和透射，輸出一個(gè)波形和峰值改變了的應(yīng)力，這一應(yīng)力使鉚釘在短時(shí)間內(nèi)完成塑性變形，鉚釘?shù)膽?yīng)變率高達(dá)102-103S-1，鉚釘?shù)淖冃芜^(guò)程接近于絕熱過(guò)程。由于其渦流斥力在放大器中以應(yīng)力波的形式傳播，因此，電磁鉚接稱為應(yīng)力波鉚接。

一、檢索系統(tǒng)及方法

為了研究電磁鉚槍技術(shù)世界范圍內(nèi)的申請(qǐng)狀況，通過(guò)檢索CNABS和VEN數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的專利樣本。由于分類號(hào)較為準(zhǔn)確，本次檢索主要通過(guò)分類號(hào)進(jìn)行檢索。本次檢索涉及的分類號(hào)主要為：B21J15/24···用電磁鐵操作的;B21J15/26····利用旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置操作的，例如電動(dòng)機(jī)。

通過(guò)檢索，在分類號(hào)B21J15/24與B21J15/26下面的中文相關(guān)文獻(xiàn)為304篇，外文相關(guān)文獻(xiàn)為993篇，本次技術(shù)分析以上述文獻(xiàn)為基礎(chǔ)。

二、專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

（一）中國(guó)專利分析

據(jù)文獻(xiàn)記載，中國(guó)近十年以來(lái)電磁鉚槍相關(guān)的專利申請(qǐng)的總趨勢(shì)是逐年增長(zhǎng)的，雖然在2019年呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，主要是因?yàn)椴糠謱＠€沒(méi)來(lái)及的公開(kāi)，對(duì)于發(fā)明專利預(yù)實(shí)用新型專利專利，總體上看，發(fā)明的專利申請(qǐng)總數(shù)要大于實(shí)用新型專利的申請(qǐng)總數(shù)，與授權(quán)量趨勢(shì)均呈下降狀態(tài)，而實(shí)用新型專利授權(quán)量卻在上升，這說(shuō)明了自2009年以來(lái)中國(guó)的電磁鉚槍領(lǐng)域的專利經(jīng)歷了一個(gè)快速增長(zhǎng)的過(guò)程，這可能與中國(guó)的大環(huán)境有關(guān)系，收政策鼓勵(lì)以及當(dāng)時(shí)的四萬(wàn)億經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃，導(dǎo)致中國(guó)的科技研發(fā)與經(jīng)濟(jì)有了增長(zhǎng)的外部環(huán)境，導(dǎo)致專利申請(qǐng)量大增，尤其是電磁鉚槍作為一個(gè)實(shí)用價(jià)值高，涉及行業(yè)廣的新型技術(shù)工具，與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的好壞有著非常緊密的聯(lián)系;

（二）中國(guó)申請(qǐng)人構(gòu)成分析

中國(guó)電磁鉚槍技術(shù)專利的主要申請(qǐng)人為福州大學(xué)、東莞市元鵬五金電子科技有限公司、蕪湖精鋒園林機(jī)械科技有限公司、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等。

其中福州大學(xué)的電磁鉚槍技術(shù)專利申請(qǐng)量最多，主要要是福州大學(xué)的機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院的相關(guān)專業(yè)比較強(qiáng)，同時(shí)該該校大力鼓勵(lì)和支撐大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，同時(shí)多次舉辦研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，而電磁鉚槍屬于市場(chǎng)需求很強(qiáng)的新型技術(shù)，因此在創(chuàng)新過(guò)程中受到了研究生的青睞，并進(jìn)行了大量的創(chuàng)新研究。

（三）中國(guó)專利地域分析

中國(guó)電磁鉚槍技術(shù)專利申請(qǐng)排名前三依次為浙江、廣東、江蘇，可以看出電磁鉚接技術(shù)專利申請(qǐng)的分布與經(jīng)濟(jì)有直接關(guān)系，浙江之所以申請(qǐng)量排名第一，這與浙江經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是分不開(kāi)的，浙江民營(yíng)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，市場(chǎng)活躍，制造業(yè)強(qiáng)勢(shì)，比如浙江永康、義烏等縣級(jí)市主打小商品，小工具，市場(chǎng)涵蓋了海內(nèi)外，尤其是永康市大量出口手動(dòng)工具，電動(dòng)工具，且設(shè)置的中國(guó)五金城為中國(guó)最大的五金批發(fā)市場(chǎng)之一，而電磁鉚槍作為市場(chǎng)占有率極高的手動(dòng)工具，在永康分布著大大小小的生產(chǎn)廠家，自然專利的申請(qǐng)量不會(huì)低。

（四）全球?qū)＠治?/p>

從1970年左右開(kāi)始出現(xiàn)電磁鉚槍技術(shù)的專利申請(qǐng)，之后申請(qǐng)量保持著緩慢增長(zhǎng)，直到2008年左右，呈現(xiàn)出了井噴式的增長(zhǎng)，到了2018年幾乎達(dá)到了80件每年。雖然60-70年代已經(jīng)出現(xiàn)了電磁鉚接技術(shù)，但是在1980年-1982年期間，美國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、英國(guó)等主要資本注意國(guó)家爆發(fā)了經(jīng)濟(jì)危機(jī)，工業(yè)產(chǎn)值下降，制造業(yè)蕭條，雖然新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但是缺乏市場(chǎng)活力，專利申請(qǐng)不積極，數(shù)量增長(zhǎng)慢，但隨著戰(zhàn)后發(fā)展中國(guó)家的崛起，以及全球化加劇，各種新動(dòng)能出現(xiàn)，不斷產(chǎn)生新興經(jīng)濟(jì)體，全球經(jīng)濟(jì)開(kāi)始周期性復(fù)蘇，尤其是金磚四國(guó)的崛起，以及美國(guó)、歐盟、中國(guó)等開(kāi)始重視制造業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)，紛紛制釘制造業(yè)復(fù)興計(jì)劃，德國(guó)的工業(yè)4.0、中國(guó)的中國(guó)制造2025的，特別是全球化帶來(lái)的航空制造業(yè)與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的繁榮，導(dǎo)致電磁鉚接技術(shù)有了廣闊的用武之地，專利申請(qǐng)量開(kāi)始猛增。

三、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)研現(xiàn)狀

我國(guó)的電磁鉚接技術(shù)從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始發(fā)展。最早是西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)始了對(duì)電磁鉚接技術(shù)的研究，于 1986 年自行開(kāi)發(fā)出第一代電磁鉚接設(shè)備。二十世紀(jì)90 年代中期，西工大開(kāi)始了對(duì)低電壓電磁鉚接設(shè)備的研究，并成功研制出了低電壓、大電容的電磁鉚接設(shè)備。中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)制造廠引進(jìn)了 EI 公司的電磁鉚接設(shè)備，用來(lái)生產(chǎn)機(jī)翼壁板，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼壁板的電磁鉚接加工生產(chǎn)，其產(chǎn)品加共效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，其鉚接效率相比于傳統(tǒng)鉚接方式提高了 4 倍。另外，航天科工集團(tuán)對(duì)火箭筒體裝配生產(chǎn)也采用了電磁鉚接設(shè)備。北京航空制造工程研究所從俄羅斯引進(jìn)了兩臺(tái)電磁鉚接設(shè)備，并根據(jù)此設(shè)備開(kāi)展了有關(guān)機(jī)翼油箱裝配系統(tǒng)的研究。

國(guó)外的電磁鉚接技術(shù)研發(fā)較早，蘇聯(lián)與美國(guó)是最早開(kāi)始研發(fā)與應(yīng)用的國(guó)家。尤其是美國(guó)的商用企業(yè)波音、格魯門(mén)、Electroimpact等公司對(duì)應(yīng)電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究，極大擴(kuò)展了電磁鉚接技術(shù)的市場(chǎng)范圍。

70年代，格魯門(mén)宇航公司為研制F一14在專門(mén)研制了電磁鉚接設(shè)備，成功地解決了A286（相當(dāng)于我國(guó)GH2132）及欽合金等干涉配合緊固鉚接大夾層欽合金結(jié)構(gòu)所遇到的難題，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。70年代中期到80年代中期，格魯門(mén)宇航公司將電磁成形技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，申請(qǐng)了多項(xiàng)專利。如應(yīng)力波制孔、應(yīng)力波安裝干涉配合緊固件、應(yīng)力波焊接等。同時(shí)波音公司也發(fā)明電磁鉚接設(shè)備，使用雙槍進(jìn)行液密干涉配合鉚接，在80年代，波音公司曾將電磁鉚槍裝到自動(dòng)鉆鉚機(jī)上使用。大約在1994年，波音公司計(jì)劃在新型波音737機(jī)機(jī)身上使用電磁鉚接技術(shù)。

四、未來(lái)發(fā)展建議

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)鉚槍的功能，提出以下改進(jìn)思路。（1）為了得到更大的鉚接力，把驅(qū)動(dòng)片做成和放電線圈一樣的結(jié)構(gòu)，把兩線圈并聯(lián)接入放電電路中，次級(jí)電流與主電流間相互作用從而產(chǎn)生鉚接力，有利于提高鉚接力。（2）雙槍加載。在飛機(jī)生產(chǎn)中，由于無(wú)頭鉚釘便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大量采用無(wú)頭鉚釘，對(duì)于無(wú)頭鉚釘?shù)某尚慰梢圆捎秒p槍加載，以提高其干涉量。（3）采用更薄更細(xì)的線進(jìn)行纏繞線圈，既能保證線圈的匝數(shù)更多增大電感，又能加強(qiáng)線圈的散熱。（4）在保證后坐力能夠在人的承受范圍內(nèi)，盡可能減少回彈體的重量，進(jìn)一步減少鉚槍的重量，使鉚槍真正能達(dá)到手持而不是懸掛的目的。

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