一种便携式低压电磁铆枪
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，尤其涉及一种应用于电磁铆接技术的便携式低压电磁铆枪。
背景技术
铆接是一种在航空航天、汽车、电子电器等制造领域广泛应用的机械连接技术，它主要包括锤击铆接、压铆和电磁铆接等工艺形式。
锤击铆接是一种被普遍采用的铆接方法。铆接时利用冲击力量连续若干次打击铆钉杆的头部，使铆钉材料沿径向流动，形成了连接零件的铆成头，其工艺特点是：需要的冲击力较大；被铆件和铆接工具有较大的震动；铆钉杆头部受力不均衡，产品质量不稳定；铆成头部表面质量差，同时破坏了铆钉杆头部材料的组织结构；操作人员的劳动强度大；噪音分贝高，对操作人员的身心健康有不利影响。当对应变速率敏感的铆钉材料，如钛合金，进行普通锤铆加工时，铆钉容易在镦头部位产生开裂，铆接质量很不稳定。
压铆是利用压铆机产生的静压力镦粗铆钉杆形成镦头的一种铆接方法。压铆的铆接件具有表面质量好、变形小、连接强度高的特点。但是，由于压铆设备结构和开场性的限制，一般适用于结构边缘铆缝的单钉铆接。
随着新型航空航天飞行器承载能力和飞行距离要求的提高，复合材料和金属(铝合金、钛合金等)的复合结构应用越来越广泛，因此，必然涉及到两种材料之间的连接问题，在现有的技术工艺条件下，铆接方法仍然是必然选择的工艺方法。考虑到连接强度、结构减重以及复合材料和金属之间的生物相容性等问题，必然选择高强度的钛合金或铝合金铆钉。但在复合材料结构铆接中，采用锤铆和压铆，容易使复合材料产生安装损伤、分层等缺陷，并且难以严格控制干涉量。
电磁铆接是利用基于脉冲磁场力产生的应力波脉冲对铆钉钉杆头部施加一次载荷，零距离接触加载，使铆钉材料产生径向流动形成铆接接头。相对于锤击铆接，由于是在高速率加载下铆钉变形，有利于提高铆钉材料塑性，能够进行大直径铆钉的铆接。单钉铆接只需单次加载过程，能够显著降低劳动强度和噪音。另外，电磁铆接工艺灵活性高，非常适于开场性差、压铆设备操作不便的工况条件。
电磁铆接设备主要包括三部分：控制部分、电源部分和电磁铆枪，其中，后者是实现电磁铆接接头的直接加工“工具”。要获得满足技术要求的铆接接头，电磁铆枪需要满足的要求包括：(1)足够的冲击力、(2)低噪音、小后坐力、(3)低重量、(4)保证电绝缘安全。其中要素(1)取决于电磁铆接设备电容量C、放电能量、放电回路的等效电感L和电阻R等。
由于单次冲击载荷下实现铆钉变形，铆接力非常大，根据质心定律，铆枪必然产生作用于铆接操作者的后坐力。根据一般的力学原理，后坐力大小是和铆枪整体质量成反比的，即铆枪质量越大，后坐力越小。目前，已有的电磁铆枪在处理后坐力方面，多采用增大铆枪枪体质量的方法，以减小后坐力，虽然效果显著，但是不可避免地增加铆枪质量，造成操作者手持操作困难，常常需要借助附加结构吊装铆枪，相对于手持气动铆接而言，造成铆接操作不便，影响铆接质量。一般，随电磁铆枪铆接能力提高，其质量越大，如十～几十公斤。
现有的铆枪结构一般减震部分和动力部分都置于封闭或半封闭的枪筒内，在冲击力的作用下，线圈及与之接线柱连接的电源导线也会产生后作运动，与枪筒产生几十毫米的相对滑动和摩擦。
现有铆枪线圈结构较复杂，需要匝线绕组、绝缘材料等多部分通过螺栓等零件紧固而成，常在线圈匝线两端与回路导线之间需要附加的连接线，连接接头没有被封装在线圈或铆枪枪筒之内。
发明内容
本发明的目的是，相对于现有电磁铆枪体积大、质量沉重、操作不灵活(需要附加吊装结构)的现状，提出一种便携式的低压电磁铆接铆枪，为中小直径铆钉铆接、操作环境开场性差、铆接工艺灵活性要求高的工况提供一种电磁铆接方法。
本发明的工作原理如下：电磁铆接加工过程：通过控制箱闭合电磁铆接充电开关，连通由整流器、限流电阻R和电容器组C构成的低压电磁铆接装置的充电回路。外网380V或220V电源通过充电回路对电容器组C充电。当充电至预设电压后，通过控制箱断开电磁铆接充电开关，切断充电回路。再通过控制箱控制高压脉冲发生器产生高压脉冲，触发高频晶闸管放电开关，导通由电容器组C、电磁铆枪中的线圈构成的放电回路。由于电容器组C和线圈构成典型的RLC回路，通过线圈的放电电流具有衰减震荡特性，根据电磁感应定律，该电流使与之邻近的高导电率的驱动片(电磁铆枪自带)中产生感应电流，而后者又产生感应磁场。由此，线圈电流磁场和感应电流磁场在线圈和驱动片间隙内产生叠加而增强。这一增强磁场和驱动片感应电流作用使驱动片受到轴向向右的脉冲载荷，再通过绝缘衬板和应力波调制器的放大作用后，经冲头作用于铆钉，实现铆钉的变形和铆接过程。
实现本发明的技术方案是：本发明提出的电磁铆枪主要包括前盖、枪筒、后盖、弹簧滑道和后盖法兰以及线圈、放大器、冲头、减震橡胶、减震弹簧等部件构成，其特征是：
(1)动力部位结构：将铜带嵌装入线圈骨架的空间内，使铜带的外圈匝线与线圈骨架的空间的内侧面接触，铜带的边缘接线柱穿过线圈骨架内的通道与边缘电源导线相连。而铜带内的中心接线柱与线圈骨架内孔接触面紧密配合，并使中心接线柱的底面与线圈骨架接线空间的顶面对齐，其底面与中心导线相连。铜带外缠绕高耐压强度的绝缘带，实现各匝线之间的电绝缘。
通过铆枪线圈的后盖使线圈骨架与接线柱隔板的固连，进而使铜带及其及接线柱、线圈骨架、接线柱隔板、线圈后盖、导线实现固连，即实现铆枪线圈结构自封闭，结构强度高。同时，使线圈接线柱和放电回路导线的连接接头嵌埋在线圈框架线圈骨架结构内部，使接头与操作者和铆枪枪筒完全隔离。
(2)降温装置：为了实现线圈工作过程中的有效降温，在线圈骨架、中心接线柱、前盖、枪筒和接线柱隔板上预留压缩空气通道。由枪筒上的压缩空气入口、线圈骨架上的压缩空气进气通道构成进气道，由线圈骨架上空气通道、中心接线柱空气通道以及枪筒的空气出口和前盖的开孔构成压缩空气出气道。通过上述4-6条压缩空气通道，有效降低电磁铆枪线圈放电产生的焦耳热，使之在80-100摄氏度的温度下长时间稳定工作。
(3)加载部位：驱动片与绝缘衬板固接，绝缘衬板与放大器固接，放大器与铆接冲头固接(可替换冲头)。使驱动片、绝缘衬板、放大器和冲头同轴装配为一体，与线圈一起构成铆枪的加载部分。
(4)减震装置：减震橡胶被置于枪体尾部，与线圈的后盖直接接触，同时与上述铆枪的加载部分一起被封闭在由枪筒、前盖和后盖构成的封闭结构内，即实现铆枪主体结构自封闭。
后盖与装有减震弹簧的弹簧滑道同轴装配，通过内六角螺钉实现限位和连接，二者之间滑动配合。
本发明的积极效果是：
1、实现在保证中小直径铆钉铆接能力的情况下，减小铆枪质量和后坐力，提高操作灵活性。
2、在低压电磁铆接的条件下：300-1000V，可进行直径达5mm高强度铝合金铆钉铆接，如2A10、2A16等，以及其他金属材料的中小直径铆钉的铆接。
3、由减震橡胶、减震弹簧构成的复合减震模块的减震效果显著，后坐力低。
4、在枪体后坐运动时，线圈本身也作为配重质量发生作用，线圈与铆枪外壳相对滑动位移小(一般不超过5毫米)、震动小、噪音低，避免了一般电磁铆枪结构中线圈和配重质量块之间的冲击以及线圈和枪筒之间的长距离滑动摩擦，有利于提高线圈寿命，减小铆枪质量。
5、铆枪总体质量低，3.0-4.5kg，便于手持操作，操作灵活性高，降低劳动强度。
附图说明
图1是便携式低压电磁铆枪示意图
图2是电磁铆枪线圈骨架结构图
图3是电磁铆枪线圈骨架结构横截面图
图4是电磁铆枪线圈中心接线柱
图5是电磁铆枪线圈中心接线柱横截面图
1-导套；2-前盖；3-枪筒；4-后盖；5-弹簧滑道；6-后盖法兰；7-内六角螺钉；8-驱动片；9-绝缘衬板；10-放大器；11-弹簧；12-螺母；13-冲头；14-铜带；15-线圈骨架；16-边缘接线柱；17-接线柱隔板；18-线圈后盖；19-电源导线；20-减震橡胶；21-减震弹簧；22-铆枪手柄；23-电磁铆接设备；24-控制箱；25-充电开关；26-放电开关；27-高压脉冲发生器；28-整流电路；29-电磁铆枪线圈；30-压缩空气入口；31-压缩空气出口；32-压缩空气通道；33-与中心接线柱38的接触面；34-电源导线19接线空间；35-边缘接线柱16的通道；36-线圈铜带14的装配空间；37-中心接线柱38的侧面；38-中心接线柱；39-压缩空气通道；40-压缩空气进气道；41-装配空间36的内侧面；42-中心接线柱38上与电源导线19的连接面。
具体实施方式
包括本发明提出的便携式电磁铆枪在内的电磁铆接设备原理框图如图1所示，其中线圈骨架15和线圈中心接线柱38结构分别见图2和图4。其中本发明提出的电磁铆枪主要由线圈29、驱动片8、放大器10、冲头13、减震橡胶20、减震弹簧21和由前盖2、枪筒3、后盖4、弹簧滑道5和后盖法兰6等部件构成。
(1)中心接线柱38与铜带14固接。铜带14嵌装入线圈骨架15的空间36内，铜带14的外圈匝线与空间36的内侧面41接触。边缘接线柱16穿过通道35，与电源导线19相连。而中心接线柱38的矩形端头侧面37与线圈骨架线圈内孔接触面33紧密配合，并且底面42与接线空间34的顶面对齐，底面42与电源导线19固接。中心接线柱38与线圈骨架15的配合面为矩形。
通过铆枪线圈29的后盖18、线圈骨架15与接线柱隔板17的固连，实现铜带14及中心接线柱38、边缘接线柱16、线圈骨架15、接线柱隔板17、线圈后盖18、电源导线19的固连，即实现铆枪线圈29结构自封闭，结构强度高。使线圈铜带边缘接线柱16、中心接线柱38和电源导线19的连接接头嵌埋在线圈29框架结构内部，使接头与操作者和铆枪枪筒完全隔离。
铜带14外缠绕高耐压强度的绝缘带，实现各匝线之间的电绝缘。为了实现线圈工作过程中的有效降温，在线圈骨架15、中心接线柱38、前盖2和接线柱隔板17上预留压缩空气通道。由枪筒3上的压缩空气入口30、线圈骨架上的压缩空气通道40构成进气道，由线圈骨架15上通道32、中心接线柱通道39、前盖2和枪筒3的空气出口31构成压缩空气出气道。通过上述4-6条压缩空气通道，有效降低电磁铆枪线圈放电产生的焦耳热，使之在80-100摄氏度的温度下长时间稳定工作。
(2)驱动片8与绝缘衬板9固接，绝缘衬板9与放大器10固接，放大器10与铆接冲头13加工一体或固接(可替换冲头13)。驱动片8、绝缘衬板9、放大器10和冲头13同轴装配一体，与线圈29一起构成铆枪的加载部分。
在本结构中，减震橡胶20被置于枪体尾部，与线圈29的后盖18直接接触，同时与上述的铆枪的加载部分一起被封闭在由枪筒3、前盖2和后盖4构成的封闭结构内，即实现铆枪主体结构自封闭。在此种铆枪结构条件下，在枪体后坐运动时，线圈本身也作为配重质量发生作用，线圈29与铆枪外壳3滑动配合，相对滑动位移小(其行程一般不超过5毫米)、震动小、噪音低，避免了一般电磁铆枪结构中线圈和配重质量块之间的冲击以及线圈和枪筒之间的长距离滑动摩擦，有利于提高线圈寿命，减小铆枪质量。
(3)由减震橡胶20、减震弹簧21构成的复合减震模块的减震效果显著，后坐力低。
后盖4与弹簧滑道5同轴装配，二者之间滑动配合，初始搭接长度10-20mm。后盖4与弹簧滑道5通过内六角螺钉7实现限位和连接，其中，后盖法兰6的外表面与弹簧滑道5的内表面为滑动配合面。铆接过程中的后坐力通过减震橡胶20的作用后再传递到减震弹簧21上，通过弹簧的减震作用后作用到操作者的手臂上。
工作过程
对照附图详细叙述本发明电磁铆枪内部各部件之间组合关系及工作过程：
(1)充电回路：控制箱24的一个输出端与电磁铆接设备23的充电开关25连接，通过25闭合，连通由整流器28、限流电阻R和电容器组C构成的低压电磁铆接装置23的充电回路。外网380V或220V电源通过充电回路对电容器组C充电。当充电至预设电压后，通过控制箱24断开电磁铆接充电开关25，切断充电回路。
(2)工作过程：当冲头13的前端面与待变形的圆柱形铆钉端面接触，在冲头13和圆柱形铆钉轴线重合时，通过对铆枪手柄22施加一定的推力，克服弹簧11的压缩力，实现驱动片8和线圈29的紧密接触。通过控制箱24控制高压脉冲发生器27产生高压脉冲，触发高频晶闸管放电开关26，导通由电容器组C、电磁铆枪中的线圈29构成的放电回路。由于电容器组C和线圈29构成典型的RLC回路，通过线圈29的放电电流具有衰减震荡特性，根据电磁感应定律，该电流使与之邻近的高导电率的驱动片8(电磁铆枪自带)中产生感应电流，而后者又产生感应磁场。由此，线圈电流磁场和感应电流磁场在线圈29和驱动片8间隙内产生叠加而增强。这一增强磁场和驱动片感应电流作用产生轴向外推的电磁力，在该力的驱动下，驱动片8受到轴向向右的脉冲载荷，再通过绝缘衬板9和应力波调制器10的放大作用后，通过冲头13作用于铆钉，实现铆钉的变形和铆接过程。
(3)两级减震：线圈29放电后，由作用力和反作用力关系及质心定律，线圈29在枪筒3内沿轴向向左运动，线圈后盖18压缩减震橡胶20，使之产生一定得压缩量，实现一级减震。由于线圈29、压缩的减震橡胶20与前盖2、枪筒3和后盖4的固连结构封闭在一起，因此，他们作为整体质量一起沿轴向向右运动，作为一个配重质量压缩减震弹簧21，实现二级减震。最终作用于手柄22(操作者手臂)的后坐力只有几——几十牛顿的力。
后盖4与弹簧滑道5同轴装配，二者之间滑动配合，初始搭接长度10-20mm。后盖4与弹簧滑道5通过内六角螺钉7实现限位和连接，其中，后盖法兰6的外表面与弹簧滑道5的内表面为滑动配合面。
(4)温控装置：枪筒3开有压缩空气进口30，可连接外置压缩空气管道；枪筒内的压缩空气通过出口31和前盖2的开孔排出，实现线圈降温的目的。线圈温度可通过内置温度传感器测量，并反馈给压缩空气控制装置，实现温度的自动控制。
(5)控制误操作：在伸出导套1的冲头13表面上加工有细牙螺纹，装有弹簧11的限位螺母12，从而实现驱动片8、绝缘隔板9、放大器10和冲头13固连结构的外拉力的方便调节，在该力的作用下，在未进行铆接时，使驱动片8和线圈29远离，以避免误操作造成放电对铆接质量的影响。