梅花狀徑向鉚接機(jī)的設(shè)計(jì)分析

梅 怡

（貴陽學(xué)院機(jī)電系，貴州 貴陽 550003）

在儀器儀表、電器通訊、五金及汽車零配件等制造行業(yè)中，金屬結(jié)構(gòu)零件多以鉚接形式相互聯(lián)結(jié)。擺動式圓周運(yùn)動鉚接法是目前廣泛使用的鉚接技術(shù)，在鉚接過程中鉚釘變形主要在切向，垂直方向作用力大而徑向作用力較小，使鉚接出的工件變形較大，表面粗糙度差，鉚接質(zhì)量不高。

徑向變形鉚接技術(shù)是當(dāng)前最先進(jìn)的鉚接技術(shù)。其鉚接方法是鉚沖頭在鉚接時(shí)，以相切于圓周的梅花狀的R軌道“徑向運(yùn)動”，每個(gè)梅花狀的R軌道都在圓周中心相交，鉚釘端部材料受到較小的軸向力，使鉚頭和鉚釘之間很小的接觸區(qū)域內(nèi)的鉚接達(dá)到屈服點(diǎn)，使被鉚材料沿徑向流動，使其徑向變形大于切向變形。鉚釘在徑向向外、向內(nèi)和切向垂直3個(gè)方向膨脹，這種膨脹符合金屬變形的自然方向。鉚釘接觸面在鉚接金屬上完成一個(gè)類似滾壓的運(yùn)動，在鉚接件和鉚釘之間產(chǎn)生一個(gè)理論上的點(diǎn)接觸層，當(dāng)有鉚接力作用時(shí)，這種點(diǎn)接觸部分轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，因此只需一個(gè)很小的作用力作用在鉚釘上，就能使鉚接質(zhì)量得到提高。該鉚接機(jī)運(yùn)動巧妙獨(dú)特，可使用于各種型號規(guī)格的空心及空鉚釘、翻邊等工序中，鉚接陶瓷器皿不易破碎，可提高被鉚接件的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及表面質(zhì)量，鉚接點(diǎn)質(zhì)量可通過視覺檢查。該鉚接機(jī)可使用各種材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)鉚釘，可使用各種標(biāo)準(zhǔn)化鉚沖頭進(jìn)行鉚接，還可使用不同型式的特殊鉚沖頭鉚接零件。圖1為兩種特殊鉚接沖頭類型。該機(jī)在垂直軸向上的壓力可由氣壓與液壓來實(shí)現(xiàn)，壓緊力可精確地?zé)o級調(diào)節(jié)，因此可開發(fā)成氣動或液動鉚接機(jī);同時(shí)可根據(jù)鉚接零件的大小，整機(jī)可做成臺式或立式。其運(yùn)動原理見圖2。

1 平面運(yùn)動分析

1.1 鉚接機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

梅花狀徑向鉚接機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖3。外嚙合小齒輪Z1的軸心線為O1O1，內(nèi)齒輪Z2的軸心線為O2O2，軸心線O1O1和O2O2之間的距離為e1。外齒輪Z1與圖中偏心軸1為一體，偏心軸軸心線與外齒輪Z1的軸心線之間的距離為e2。偏心軸1軸心線與鉚壓軸4軸心線交于點(diǎn)M。外齒輪Z1除繞內(nèi)齒輪Z2的軸心公轉(zhuǎn)外，自身也在自轉(zhuǎn)。鉚壓軸4在凹球面塊2的圓弧面上滑動，凸球面塊3在彈簧5的作用下緊貼凹球面塊2。氣壓或油壓產(chǎn)生的軸向力通過活塞推動凹球面塊2作用在凸球面塊3上，再傳遞到鉚壓軸4上，從而作用在鉚接工件上。

1.2 平面運(yùn)動軌跡分析

上述結(jié)構(gòu)中要使鉚沖頭按梅花狀R型運(yùn)動軌跡運(yùn)動，M點(diǎn)的運(yùn)動分析是關(guān)鍵，M點(diǎn)的運(yùn)動軌跡用X，Y來表示。將外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2的內(nèi)嚙合運(yùn)動簡化為圖4。外齒輪Z1的節(jié)圓半徑為r，內(nèi)齒輪Z2的節(jié)圓半徑為R，設(shè)計(jì)取R－r=e1=e2=e;外齒輪Z1不僅自轉(zhuǎn)，同時(shí)與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動。M點(diǎn)是鉚壓軸4的軸心線與偏心軸1的軸心線的交點(diǎn)。根據(jù)內(nèi)擺線（玫瑰葉線）運(yùn)動軌跡方程:

M點(diǎn)的軌跡總是在以O(shè)2為圓心，以4e為直徑的圓中。若想使M點(diǎn)的軌跡過軸線O2O2，應(yīng)滿足e1=e2=R－r=e，因此式（1）化簡為

式中:ω為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2轉(zhuǎn)動的角速度;t為運(yùn)動時(shí)間;ωt=θ（θ為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2轉(zhuǎn)動的角度）。

1.3 實(shí)現(xiàn)梅花狀R型軌跡的參數(shù)選擇

鉚頭要實(shí)現(xiàn)R型梅花狀運(yùn)動軌跡需滿足其外齒輪Z1節(jié)圓直徑大于內(nèi)齒輪Z2節(jié)圓半徑R，該運(yùn)動軌跡才能實(shí)現(xiàn)并有可能通過圓心O2。故偏心距需e1≤r。故取M點(diǎn)為鉚接點(diǎn)，保證e1=e2=e。

由圖3可知，M點(diǎn)的坐標(biāo)（X，Y）在該位置時(shí)有X2+Y2=（2e）2的關(guān)系式，且初始位置要求M點(diǎn)在直徑為4e的圓周上。

外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合實(shí)現(xiàn)內(nèi)擺線運(yùn)動，外齒輪Z1自轉(zhuǎn)的圓弧線與外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合的圓弧線重合，故滿足

式中:β為外齒輪Z1繞軸心線O1O1自轉(zhuǎn)的角度。

由內(nèi)擺線的運(yùn)動條件分析知，外齒輪Z1每自轉(zhuǎn)一周，M點(diǎn)走到軌跡最外端一次，即外齒輪Z1每自轉(zhuǎn)一周就得到一葉R型玫瑰曲線。當(dāng)外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了k圈后，M點(diǎn)走了k片R型葉片。則:由式（4）知

若要求R型曲線為j片（R型曲線葉片的片數(shù)（整數(shù)），k=j），即外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了j（β=2πj）圈時(shí)又回到了其始點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)有外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合，繞軸線O2O2公轉(zhuǎn)整數(shù)p圈（p＜j），才能形成封閉的j片R型曲線，滿足設(shè)計(jì)要求，即外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了j圈，同時(shí)外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2軸心線O2O2公轉(zhuǎn)整數(shù)p圈。

式中:p為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2公轉(zhuǎn)的圈數(shù)（即小齒輪自轉(zhuǎn)角度），p＜j;j為R型曲線葉片的片數(shù)（整數(shù)）;R、r分別為內(nèi)齒輪Z2與外齒輪Z1的節(jié)圓半徑;Z1、Z2分別為外齒輪Z1和內(nèi)齒輪Z2的齒數(shù)。

對內(nèi)齒輪傳動需滿足:Z2－Z1＞4（一般取Z2－Z1=6）

外齒輪的齒數(shù)避免根切的條件是:Z1＞17，則有Z2＞23。

在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，需先選定葉片數(shù)j，再選取模數(shù)m，計(jì)算出e值。式（5）也可以為

進(jìn)一步算出Z1、Z2的具體取值。

在鉚接過程中以鉚接軌跡是11瓣R型梅花軌跡為例，因外齒輪Z1在內(nèi)齒輪Z2上滾動時(shí)，共有11次X2+Y2=（2e）2的情況，經(jīng)過整數(shù)倍2π后，第12個(gè)M點(diǎn)與最初開始的M點(diǎn)重合，同時(shí)當(dāng)外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2的軸心線公轉(zhuǎn)9圈時(shí)，M點(diǎn)與圖3上最初的M點(diǎn)重合，即M點(diǎn)轉(zhuǎn)了11個(gè)R型梅花葉片。

則:取k=11 時(shí)，θ=2π·（r/R）·11。

經(jīng)過以上分析，在設(shè)計(jì)中選取:R=41.25 mm，r=33.75 mm。

故:β=2π·9。得到的設(shè)計(jì)參數(shù)為:j=11，p=9，Z1=27，Z2=33，R=41.25 mm，r=33.75 mm，e=7.5 mm，m=2.5。

運(yùn)動軌跡方程為:

2 鉚接頭球面空間運(yùn)動分析

以上分析是在平面上的內(nèi)擺線運(yùn)動，但實(shí)際鉚接中還有鉚接頭在凹、凸球面塊上的滑動運(yùn)動，因此在鉚接過程中實(shí)際上是一種空間球面運(yùn)動，由鉚壓軸4繞O點(diǎn)的空間球面轉(zhuǎn)動，該運(yùn)動是剛體繞定點(diǎn)O的運(yùn)動。

根據(jù)理論力學(xué)中的歐拉運(yùn)動學(xué)方程，建立以軸心線O2O2為Z軸，鉚壓軸上的O點(diǎn)所在平面為XY平面的OXYZ固定坐標(biāo)系，以圖3中的凸球面塊3固連一個(gè)動坐標(biāo)系OX'Y'Z'，將凸球面塊3和鉚壓軸4視為同一剛體，Z'軸是鉚壓軸4的軸心線。由于凸球面塊3繞O點(diǎn)擺動，故XOY平面與X'OY'的交線稱為節(jié)線。

由歐拉運(yùn)動學(xué)方程有:

式中:ω為球面剛體的瞬時(shí)角速度;α為章動角，是Z'軸繞節(jié)線的運(yùn)動角度;γ為進(jìn)動角，是Z'軸繞Z軸的運(yùn)動角度;δ為自轉(zhuǎn)動角，是節(jié)線與X'軸的夾角角度;˙α為章動角速度;˙γ為進(jìn)動角速度;˙δ為自轉(zhuǎn)角速度;ωx'、ωy'、ωz'為角速度ω在坐標(biāo)軸上的分量。

在鉚接過程中，由于鉚壓軸4不存在自轉(zhuǎn)，故˙δ=0，式（6）可化簡為

將式（1）改寫為極坐標(biāo)方程為

式（8）中的θ就是式（6）中的γ。對式（8）中的θ求導(dǎo)可得:

對式（2）求導(dǎo)可得:

偏心軸1上M點(diǎn)在鉚接中的速度為vm，由分析知vm=˙α|OM|cosα。由于章動角α就是鉚壓頭繞O點(diǎn)的擺動角度，α值很小，設(shè)計(jì)中一般不超過10°，即cosα≈1，得:

將式（10）式代入式（11）可得（下式中只考慮大小，不考慮方向）:

設(shè)計(jì)中使sinψ=2e/OM，即OM=2e/sinψ，則:

將式（9）和（12）代入式（7）中:

在圖3若取凸球面塊3上的任意一點(diǎn)為i與偏心軸（即M點(diǎn)上）是在同一剛體上，其轉(zhuǎn)動角速度ωi與整個(gè)剛體的轉(zhuǎn)動角速度是一致的，其速度為

式中:Ri為i點(diǎn)矢徑。

3 應(yīng)用

在電器制作行業(yè)中，接觸頭的鉚接點(diǎn)非常多，這些部位的加工費(fèi)時(shí)費(fèi)事。在長征電器廠低壓開關(guān)生產(chǎn)線上將該鉚接機(jī)作為組裝沖鉚壓工序的沖鉚配套設(shè)備，在生產(chǎn)線上臺式布置，可鉚接鉚釘直徑在10 mm以內(nèi)的各種接觸頭部位的鉚接，鉚接出的工件質(zhì)量符合產(chǎn)品工藝要求，生產(chǎn)效率得到較大提高。配套鉚接機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:最大壓鉚力為3.5 kN;鉚頭轉(zhuǎn)速為639 r/min;鉚頭斜度為6.86°;最大油壓為6.3 MPa;電動機(jī)功率為2.2 kW;鉚接時(shí)間為2～4 s;梅花狀葉瓣為11葉;內(nèi)齒輪齒數(shù)為33;外齒輪齒數(shù)為27;偏心距為7.5 mm。

4 結(jié)語

本文通過對梅花狀徑向鉚接機(jī)的運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析，推導(dǎo)出適用于該類徑向鉚接運(yùn)動要求的參數(shù)方程，對該類運(yùn)動的設(shè)計(jì)提供參考。該鉚接機(jī)作為組裝沖鉚壓工序的沖鉚配套設(shè)備在低壓開關(guān)生產(chǎn)線上應(yīng)用，提高了產(chǎn)品工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該設(shè)備可根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需要開發(fā)成臺式或立式，使該技術(shù)在企業(yè)廣泛普及應(yīng)用，提高機(jī)械加工工裝技術(shù)水平。

［1］田文明.翻邊鉚接頭的設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.機(jī)械制造，2006（9）:24－27.

［2］丁明明.薄板專用鉚接機(jī)的設(shè)計(jì)制造［J］.機(jī)電工程，2004（12）:34－36.

［3］劉俊.冷碾鉚接技術(shù)及其應(yīng)用［J］.汽車與配件，1999（23）:19－22.

［4］鄧危梧.理論力學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1987.

［5］邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［6］朱友民，江裕金.機(jī)械原理［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1985.