CN111065177A - 一种耐高温高压的电磁吸盘及对其吸附工件加热的方法 - Google Patents

Abstract

一种耐高温高压的电磁吸盘及对其吸附工件加热的方法，其特征在于耐高温高压的电磁吸盘的基体由块状耐高温高压的隔热材料制成，吸盘内部开有矩阵式孔腔，嵌入安装多个U型铁芯的电磁铁，每个U型铁芯的两个圆柱端穿过吸盘中的垂直圆孔直通吸盘表面，且铁芯的端面与吸盘表面保持平齐，U型铁芯的底部用耐高温的漆包线绕制电磁线圈，电磁线圈与铁芯之间设有隔热护套。通过各个电磁线圈的并联或反向并联，使各个U型电磁铁的南北磁极在吸盘表面相间排布，形成多道密集交织且垂直经过吸盘表面的磁力线回路。本发明具有磁极暴露面积小、表面平整、耐高温高压、吸力均匀、工作时间长、控制简便，加热快、加热均匀的优点。

Description

一种耐高温高压的电磁吸盘及对其吸附工件加热的方法

技术领域

本发明涉及一种机床附件，尤其是一种铁磁性工件安装定位的电磁吸盘技术，具体地说是一种对铁磁性薄板型工件进行吸附装夹并进行高温加热与模压成型的耐高温高压的电磁吸盘及对其吸附工件加热的方法。

背景技术

在机械加工制造之前，通常首先要对工件进行装夹定位。铁磁性薄板型工件很难用常规的夹具进行装夹，对此问题的解决办法是采用电磁吸盘或永磁吸盘。但是传统的电磁吸盘或永磁吸盘是一个接近实心的金属块，热容很大，且传热快，会吸收大量热量，因此，难以短时间内将所吸附装夹的工件加热到较高的温度以实现模压成型等加工目的。同理，当高温模压成型结束之后，由于吸盘热容很大，需要花费相当长的时间才能将吸盘及其吸附的工件自然冷却到常温，严重影响加工效率。此外，传统的永磁吸盘在长时间加热过程中，其中的永磁铁的磁性会逐渐减退甚至消失；而传统的电磁吸盘中的电磁线圈距离吸盘表面较近，整体封闭，无隔热措施，其中的电磁线圈在长时间通电工作时还会蓄积热量，因此也不能耐受高温长期工作。另外，传统的电磁吸盘由于内部电磁铁数量少，还存在磁极暴露面积大，吸力不均匀等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对传统电磁吸盘或永磁吸盘无法胜任铁磁性薄板型工件的吸附装夹、高温热压成型问题，提出具有新型结构的耐高温高压的电磁吸盘，并提出相应的加热方法。

本发明的技术方案之一是：

一种耐高温高压的电磁吸盘，其特征是它由方块状基体与嵌入其中的电磁铁组成的电磁吸盘，吸盘的方块状基体由块状耐高温高压的隔热材料(如碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维等)制成，吸盘内部开有阵列式孔腔，孔腔内嵌入安装多个U型铁芯的电磁铁，每个U型铁芯开口向上，U型铁芯的两个圆柱端穿过吸盘中的垂直圆孔直通吸盘表面，且铁芯的端面与吸盘表面保持平齐，U型铁芯的底部用耐高温的漆包线绕制电磁线圈，电磁线圈与铁芯之间设有隔热护套，且电磁线圈距离吸盘表面较远。各个U型电磁铁成矩阵式排列，通过各个电磁线圈的并联或反向并联，使各个U型电磁铁的南北磁极在吸盘表面相间排布，形成多道密集交织且垂直经过吸盘表面的磁力线回路。

为了增强电磁线圈的散热，避免线圈中的漆包线因高温脱漆或熔断，吸盘底部还开设有散热槽，散热槽将安装U型电磁铁的孔腔连通在一起，从而加快电磁线圈的冷却。

为了使吸盘在使用时能够固定在工作台上，在吸盘的四角开设有带沉孔的通孔，这样就可以在通孔中插入螺栓，通过螺栓底部的螺纹将吸盘紧压固定在工作台上。

为了适应接触式加热与单电磁吸盘加热的需要，在保持耐高温高压的电磁吸盘总体高度不变的情况下，将基体的上部替换成与基体底面积相等的埋设有电加热管的铜块，铜块上开有供U型铁芯的两个圆柱端穿过的垂直圆柱孔，各个U型电磁铁的两个圆柱端穿过这些圆柱孔直通铜块表面，且圆柱铁芯的端面与铜块表面保持平齐，基体与铜块通过螺栓连接成一个整体。

本发明的技术方案之二是：

一种薄板型工件加热方法，其特征是：首先，将薄板型工件夹装在两个耐高温高压的电磁吸盘之间，使上下两个电磁吸盘的U型铁芯圆柱两两相对，处于一条直线上，且通过电磁线圈的并联或正负极反向关联，使上下相对的两个磁柱的极性相反，形成垂直贯穿上下吸盘的磁力线回路以实现对薄板型工件的夹持，其次，在上下两个电磁吸盘的中部，即所吸附的工件所在高度位置的四周放置一个由粗导线制成的高频感应加热线圈，并连接高频感应加热器对薄板型工件进行高频感应加热，将薄板型工件加热到模压成形所需的温度。所述的两个耐高温高压的电磁吸盘中均块状耐高温高压的隔热材料(如碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维等)制成。

本发明的技术方案之三是：

一种采用高频感应加热的工件加热方法，其特征是采用基体由块状耐高温高压的隔热材料和铜块组成的电磁吸盘，把电磁吸盘的铜块中埋设的电加热管通电，从而通过铜块的发热与接触热传导将吸附在吸盘表面的工件加热到预定的温度。当需要用上下两个吸盘同时夹住工件进行热压成型时，同样可以采用前述调整U型电磁铁磁极极性的方法，使上下相对的两个磁极的极性相反，从而使上下两个吸盘互相吸引，将工件紧紧地夹住。

本发明的有益效果是：

1）电磁吸盘的基体由耐高温隔热材料制成，热容小，传热慢，因此吸盘本身不会吸收多少热量，这样外界施加的热量能有效作用到工件上，提高能量利用率，使工件在加热时能够快速升温，在停止加热后能够快速冷却，进而提高了生产加工效率；

2）电磁吸盘中的电磁线圈处于U型铁芯的下半部，距离吸盘表面较远，而且电磁铁周围都是隔热的基体材料，U型铁芯与工件底面接触的圆柱端面的面积很小，电磁线圈U型铁芯之间还有隔热护套，这样工件的热量不易传递到电磁线圈，即使工件处于高温时，电磁线圈也会保持很大的温差；电磁吸盘底部开设的散热槽还有利于电磁线圈通风冷却，避免其在长时间通电工作时热量的蓄积，从而保证了电磁吸盘能够在表面高温条件下长时间稳定工作而不会发生损坏；

3）电磁吸盘的基体是由整块耐高温高压的隔热材料制成，其中的U型电磁铁只是嵌入其中，并不承受重力和压力，而且电磁吸盘的基体表面只有少许几个面积仅为U型铁芯圆柱截面积的开口，因此电磁吸盘的基体完整性好，可以承受较大的垂直压力；

4）电磁吸盘对工件的吸力是由多个矩阵排列的U型电磁铁提供的，并且各个U型电磁铁的南北磁极在吸盘表面相间排布，形成多道密集交织且垂直经过吸盘表面的磁力线回路，因此电磁吸盘对工件的吸力作用点多，吸力均匀，吸附牢固；

5）提出了将两个所发明的电磁吸盘组成上下对称结构的一对电磁吸盘的方法，能够使两个吸盘互相吸引，将工件紧紧地夹住，有利于模压成型工艺的实施；

6）对于所发明的耐高温高压的电磁吸盘，提出了高频感应加热与叠加铜块加热两种方法，具有加热快、工件受热均匀等优点，且不会对吸盘中的电磁铁正常工作造成不利影响；

7）鉴于电磁式吸盘的固有特点，只需通电或断电即可控制吸力的有无，因此对工件的装夹与拆卸控制简便。

附图说明

图1为由隔热基体与多个U型电磁铁组成的电磁吸盘结构原理图。

图2为自制电磁吸盘核心部件——U型电磁铁结构图。

图3为实现相邻磁极极性互斥相间排布的电磁铁供电电路原理图。

图4为上下两个电磁吸盘组成一对相互吸引的电磁吸盘的磁路原理图。

图5为对上下两个电磁吸盘之间的工件进行高频感应热压原理图。

图6为将吸盘基体上部替换为可加热铜块的电磁吸盘结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

1、如图1所示，本发明的电磁吸盘由方块状基体101与嵌入其中的多个矩阵排列的U型电磁铁102组成。吸盘的基体101由块状耐高温隔热材料(如碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维等)制成，吸盘内部开有阵列式孔腔，孔腔内嵌入安装多个U型电磁铁，每个U型铁芯开口向上，U型铁芯的两个圆柱端穿过吸盘中的垂直圆孔直通吸盘表面，且铁芯的端面与吸盘表面保持平齐（当安装误差无法达到完全平齐时，圆柱铁芯的端面可低于吸盘表面0.1-0.5mm）。

U型电磁铁102的结构如图2所示，包括U型铁芯201、隔热护套202与电磁线圈203组成。隔热护套202介于电磁线圈203与U型铁芯201之间。电磁线圈由耐高温的漆包线绕制而成。漆包线只缠绕在U型铁芯的底部，在U型铁芯的两个圆柱端没有缠绕漆包线，因此U型电磁铁安装完成后，电磁线圈距离吸盘表面较远，从而可以保护电磁线圈，防止其过热损坏。

给电磁线圈通上直流电，U型铁芯的两个圆柱端部即会分别呈现出南极S和北极N磁性。通过改变电源正负极性，即可实现南北磁极的交换。由于各个U型电磁铁成矩阵式排列，因此如图3的电路所示，对编号依次为#1-#6的各个电磁线圈并联或正负极反向并联，就可以使各个U型电磁铁的南北磁极在吸盘表面相间排布，如图1吸盘表面所示，第一排为N-S-N-S极，第二排为S-N-S-N极，第三排N-S-N-S极，任意相邻的两个磁极的极性总是相反。如此，形成多道密集交织且垂直经过吸盘表面的磁力线回路，使电磁吸盘对工件具有多个吸力作用点，吸力强且吸力均匀。

2、为了增强电磁线圈的散热，避免线圈中的漆包线因高温脱漆或熔断，吸盘基体底部还开设有如图1所示的散热槽，散热槽将安装U型电磁铁的孔腔连通在一起，如图5中的上吸盘所示，从而加快电磁线圈的冷却。

3、为了使吸盘在使用时能够固定在工作台上，在吸盘的四角开设有带沉孔的通孔，如图1所示，这样就可以在通孔中插入螺栓，通过螺栓底部的螺纹将吸盘紧压固定在工作台上。螺栓帽处于沉孔内，没有凸起，因此不会对吸盘上吸附的工件造成干涉。

4、在加工实践中，有时需要用上下两个吸盘同时夹住工件再进行热压成型。如果上下两个吸盘的磁极极性相同，就会产生同极相斥无法夹住工件的不良后果。为此，提出了将两个电磁吸盘组成上下对称结构的一对电磁吸盘的方法：将上下两个电磁吸盘的U型铁芯圆柱两两相对，处于一条直线上，且通过电磁线圈的并联或正负极反向并联，使上下相对的两个磁柱的极性相反，形成垂直贯穿上下吸盘的磁力线回路。如图4所示，上吸盘第一排磁极的极性依次为S-N-S-N，与此相对的下吸盘第一排磁极的极性为N-S-N-S,这样，一个吸盘某个磁极的磁力线得以穿过工件到达另一个吸盘同一位置的磁极，从而使两个吸盘互相吸引，将工件紧紧地夹住。

5、上述结构的电磁吸盘已经具备了装夹吸附铁磁性薄板型工件的功能，但它不能对所吸附的工件进行加热。而工件通常需要加热到高温状态才能进行模压成型加工。此外，当使用上述上下两个吸盘同时夹住薄板型工件时，由于吸盘之间空隙很小，很难通过热传导的方法对工件进行均匀加热。为此，提出了对薄板型工件进行高频感应加热的方法：如图5所示，在上下两个电磁吸盘的中部（即所吸附的工件所在高度位置）的四周放置一个由粗导线制成的加热线圈，并将加热线圈连接高频感应加热器对工件进行高频感应加热，这样加热快，工件受热均匀，且吸盘中的电磁线圈不会受到高频感应线圈的影响。

6、由于采用上述加热方法时，工件必须处于高频感应线圈的中间，即高频感应线圈必须将工件团团包围，这在某些场合会导致实施的不便，对此本发明提出了如图6所示的叠加铜块的电磁吸盘：先削掉上面一部分基体，降低基体的高度，再在其上叠加与基体101底面积相等的内含加热管105的铜块106，铜块中同样开有圆柱孔，这样各个U型电磁铁102的两个圆柱端正好能够穿过铜块中的圆柱孔到达铜块表面，且圆柱铁芯的端面与铜块表面保持平齐。吸盘的基体101与铜块106通过螺栓孔104中的螺栓连接成一个整体。由于在铜块中埋设电加热管105，通电即可对铜块进行加热，进而通过接触热传导将吸附在吸盘表面的工件加热到预定的温度。由于铜材不导磁，因此不影响电磁吸盘的磁力。当需要用上下两个吸盘同时夹住工件进行热压成型时，同样可以采用前述调整U型电磁铁磁极极性的方法，使上下相对的两个磁极的极性相反，从而使上下两个吸盘互相吸引，将工件紧紧地夹住。

本发明的具体实施例图中所画的3行2列矩阵式U型电磁铁仅作为原理性示例，在实际应用中可缩减为更少的行列数目矩阵，如2行2列、3行1列，等等，或更多的行列数目矩阵，如4行4列，8行6列，等等。无论行列数量，相邻磁极都服从极性相反的排布原则。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

以上具体实施方式及实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐高温高压的电磁吸盘，其特征在于吸盘的基体由块状耐高温高压的隔热材料制成，吸盘内部开有阵列式U型孔腔，每个U型孔腔中嵌入安装有一个U型铁芯的电磁铁，每个U型铁芯开口向上，U型铁芯的两个圆柱端穿过吸盘中的垂直圆孔直通吸盘表面，且铁芯的端面与吸盘表面保持平齐，U型铁芯的底部用耐高温的漆包线绕制电磁线圈，电磁线圈与铁芯之间设有隔热护套，且电磁线圈远离吸盘表面；各个U型电磁铁成矩阵式排列，通过各个电磁线圈的并联或正负极反向并联，使各个U型电磁铁的南北磁极在吸盘表面相间排布，形成多道密集交织且垂直经过吸盘表面的磁力线回路。

2.根据权利要求1所述的电磁吸盘，其特征在于所述的吸盘底部还开设有散热槽，散热槽将安装U型电磁铁的孔腔连通在一起，有利于电磁线圈的冷却。

3.根据权利要求1所述的电磁吸盘，其特征在于所述的吸盘的四角开有带沉孔的通孔，用于安装螺栓，使吸盘固定在工作台上。

4.根据权利要求1所述的电磁吸盘，其特征在于所述的隔热材料为碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维中的一种。

5.根据权利要求1所述的电磁吸盘，其特征在于在保持耐高温高压的电磁吸盘总体高度不变的情况下，将基体的上部替换成与基体底面积相等的埋设有电加热管的铜块，铜块上开有供U型铁芯的两个圆柱端穿过的垂直圆柱孔，各个U型电磁铁的两个圆柱端穿过这些圆柱孔直通铜块表面，且圆柱铁芯的端面与铜块表面保持平齐，基体与铜块通过螺栓连接成一个整体。

6.一种利用权利要求1所述的耐高温高压的电磁吸盘对薄板型工件进行加热的方法，其特征是：首先，将薄板型工件夹装在两个耐高温高压的电磁吸盘之间，使上下两个电磁吸盘的U型铁芯圆柱两两相对，处于一条直线上，且通过电磁线圈的并联或正负极反向关联，使上下相对的两个磁柱的极性相反，形成垂直贯穿上下吸盘的磁力线回路以实现对薄板型工件的夹持，其次，在上下两个电磁吸盘的中部，即所吸附的工件所在高度位置的四周放置一个由粗导线制成的高频感应加热线圈，并连接高频感应加热器对薄板型工件进行高频感应加热，将薄板型工件加热到模压成形所需的温度。

7.一种利用权利要求5所述的耐高温高压的电磁吸盘对工件进行加热的方法，其特征是在铜块中埋设电加热管，通电即能对铜块进行加热，进而通过把电磁吸盘的铜块中埋设的电加热管通电，从而通过铜块的发热与接触热传导将吸附在吸盘表面的工件加热到预定的温度。

8.一种利用权利要求5所述的两个耐高温高压的电磁吸盘对薄板型工件进行加热的方法，其特征是：首先，将薄板型工件夹装在两个耐高温高压的电磁吸盘之间，使上下两个电磁吸盘的U型铁芯圆柱两两相对，处于一条直线上，且通过电磁线圈的并联或正负极反向关联，使上下相对的两个磁柱的极性相反，形成垂直贯穿上下吸盘的磁力线回路以实现对薄板型工件的夹持，其次，把在上下两个电磁吸盘的铜块中埋设的电加热管通电，从而通过铜块的发热与接触热传导将吸附在吸盘表面的工件加热到预定的温度。

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