高壓液動拉鉚設備關鍵技術研究及設備研制

王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻金

（機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京 100044）

高壓液動拉鉚設備關鍵技術研究及設備研制

王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻金

（機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京 100044）

高壓液動拉鉚設備是環槽鉚釘拉制成型的專用設備，論文主要研究了高壓液動拉鉚設備的關鍵控制技術，并進行了成套設備的研制。重點對工作過程中成型控制技術和系統可靠性進行了理論分析和試驗驗證，對設備結構設計和功能實現進行了詳細介紹。

高壓；液動拉鉚設備；成型控制；可靠性

0 引言

高壓液動拉鉚設備是用于環槽鉚釘拉制成型的專用設備，其主要由拉鉚槍、液壓站、電控柜以及高壓軟管總成等附件組成，具有連接性能好、體積小、成型效果好、效率高的特點，已廣泛應用于鐵路、礦山機械、航空等領域[1～4]。

根據力學知識可知，拉力與缸徑的平方和壓力的乘積成正比，在拉鉚力相同的情況下，缸徑的平方和壓力成反比關系。為了實現設備的輕巧便攜，特別是實現大直徑規格環槽鉚釘設備的便攜、緊湊特點，提高液壓系統的壓力是減小拉鉚槍尺寸的唯一途徑。目前，由于材料、熱處理以及關鍵液壓元器件等諸多方面的限制，國內系統一直采用中高壓（≤35MPa）設計，體積龐大，實用性能差的現狀制約了大直徑規格環槽鉚釘設備的國產化推廣應用。因此，采用超高壓(≥50MPa)的系統設計，實現直徑Ф20mm以上大直徑規格環槽鉚釘設備的國產化推廣應用，對實現我國貨運機車的重載化，有著重要的應用價值和社會效益。本文設計了一種可實現最大直徑Ф22mm規格環槽鉚釘的高壓（系統壓力60MPa）液動拉鉚設備，并對其關鍵技術進行了研究。

1 工作原理

工作時液壓裝置提供動力，拉鉚槍內部的三爪卡套扣緊鉚釘尾部的環槽，鉚槍鼻子作為鉚釘套環的成型模具，在液壓拉力的作用下將鉚釘套環擠壓成型同時將環槽鉚釘的尾部拉斷，完成拉鉚過程。其工作原理如圖1所示。

圖1 拉鉚原理圖Fig.1 The principle of pull riveting

2 結構設計

高壓液動拉鉚設備主要由拉鉚槍、液壓站、電控柜以及高壓軟管總成等附件組成，其中拉鉚槍和液壓站為其核心部件單元。

2.1 機械部分——拉鉚槍

拉鉚槍是高壓液動拉鉚設備的機械部分，它是整個拉鉚設備的執行機構，主要完成環槽鉚釘的拉斷和鉚釘套的鉚接成型功能，其結構如圖2所示。

圖2 高壓液動拉鉚槍結構示意圖Fig.2 Structural scheme of high pressure riveting puller

拉鉚時活塞桿在圖2所示結構的左側高壓油管總成油壓的驅動下，通過連接螺紋套帶動內筒向右運動，與此同時，三爪卡套在內筒斜面產生的軸向拉力作用下收縮直至閉合并卡緊鉚釘，同時推動復位彈簧壓縮至最小，至此活塞桿、連接螺紋套、彈簧支撐筒、內筒、推套、拉套、三爪卡套、從動推套將作為一個整體向右平動，而此時作為成型模的鉚槍鼻子開始收縮鉚釘套使其達到預期的成型尺寸，當收縮至鉚釘套根部時無法繼續收縮，此時鉚釘的環槽面開始塑性拉伸并斷裂，完成拉鉚。

缸筒和活塞桿是拉鉚槍的關鍵零件，應該盡量提高其安全可靠性，因此，在設計上均采用疲勞強度設計，并選擇較高的安全系數，材質均選用優質合金鋼42Cr-Mo，并進行合適的熱處理工藝和表面滲氮處理，充分保證材料的強度、剛度和柔韌性，為了避免應力集中，過渡臺階處采用強化處理；為了防止油壓外漲導致的螺紋松動，缸筒高壓有桿腔采用封閉的一體式設計，低壓無桿腔采用可拆卸的螺紋連接，保證其具有更好的結構安全性；拉鉚槍端部的端蓋采用防撞結構設計，當活塞桿出現斷裂意外發生時，利用液壓油產生阻尼緩沖，防止對缸筒的傷害。

三爪卡套和鉚槍鼻子在完成拉鉚時，是與環槽鉚釘直接接觸的零件，因此，在設計上均選用冷作模具鋼Cr12MoV，并選擇合適的熱處理工藝，充分保證材料的強度、剛度和耐磨性。鉚槍鼻子是保障鉚釘套成型的主要零件，根據塑性力學的相關知識和相關標準的成型要求，其成型孔前段設計成錐形斜面，便于材料塑變時的流動，保障成型，中間段設計為圓柱面，保障鉚釘套的成型尺寸，末段也設計成錐形斜面，以保障活塞桿退回時拉套順利同心退回。三爪卡套的卡槽與環槽鉚釘的環槽牙型和牙距相同，同時為了穿釘時張開三爪卡套，卡套前后端面均采用15°的斜面。

2.2 液壓站

液壓站是高壓液動拉鉚設備的動力提供裝置，主要由電機、液壓泵、方向控制閥、溢流閥、閥塊、油箱以及移動小車等組成。液壓系統采用60MPa的超高壓設計，泵、閥采用瑞士進口單元部件，軟管總成及管接頭采用進口Paker品牌，保證系統的安全與可靠性。其結構原理如圖3所示。

圖3 高壓液動拉鉚設備液壓原理圖Fig.3 Hydraulic system principle of high pressure riveting puller

3 關鍵技術研究

高壓液動拉鉚機在工作過程中，拉制鉚釘成型控制以及系統可靠性是其關鍵技術。

3.1 成型控制

拉鉚槍的結構設計主要是進行缸筒、活塞桿、三爪卡套和鉚槍鼻子的設計，這是因為缸筒和活塞桿是承受載荷的主要零件，三爪卡套是卡緊鉚釘并承受拉鉚力的零件，鉚槍鼻子是鉚釘套成型的模具，這四個零件關系拉鉚槍的安全性能和功能的實現。設計時，缸筒、活塞桿等重要結構件均采用疲勞強度設計，材質選用高強、高剛、高韌的優質合金鋼并進行優化的熱處理，選取較高的安全系數，保障充足的可靠性。選用冷作模具鋼制作鉚釘套的成型模具，并根據材料的塑性流動性能，設計模具的形狀，保證其成型幾何尺寸。

3.2 可靠性

系統的可靠性驗證主要包括密閉性能和安全性能，可分別采用保壓試驗和拉力試驗進行驗證。

（1）保壓試驗。保壓試驗的目的主要是考察系統的密封性能和安全性能，在沒有鉚釘的情況下，拉鉚槍活塞桿拉至缸筒的最底端，進行保壓。保壓試驗按照不同的油壓，進行一定時間的保壓，分別觀察各個狀況下的油缸情況。表1為保壓記錄結果。試驗表明，整套系統的密封性能和安全性能均為良好。

（2）拉力試驗。拉力試驗的目的主要是考察在最大拉力載荷作用下，系統的安全可靠性能，其試驗方法如下：制作試驗零件，模擬拉鉚槍的正常工況，進行連續拉壓試驗。試驗過程中，為了節省成本，試驗件不被拉斷，當試驗件加載上與鉚釘拉斷力相同的力時，保持3秒，然后模擬回退壓力，反向施壓。試驗為自動模式設計，采用PLC控制開關信號，設置15秒的間隔，連續進行模擬的可靠性試驗。試驗結果表明，在最大工作拉力作用下，整套系統可連續累計拉鉚50000次無安全問題出現，安全可靠性符合相關標準。圖4為正在進行的系統可靠性試驗圖片。

表1 保壓試驗記錄Tab.1 Keeping pressure test record

4 設備研制

4.1 主要技術參數

根據系統參數、使用范圍以及功能需求，研制了Φ22mm拉鉚成型設備（如圖5所示）。設備主要技術參數分別如表2所示。

圖4 高壓液動拉鉚設備系統可靠性試驗Fig.4 System reliability test of high pressure riveting puller

圖5 Φ22mm拉鉚成型設備Fig.5 Φ22mm riveting puller

表2 液壓系統參數Tab.2 The parameters of hydraulic system

4.2 試驗驗證

研制的Ф22mm環槽鉚釘高壓液動拉鉚設備在某鐵路車輛公司進行了小批量試件試驗，根據試驗結果，形成如下結論：

（1）外形、體積和重量：試制鉚接器結構緊湊，外形合理，體積適中，重量輕，便攜。

（2）使用壓力和密封性：試制的鉚接器采用高壓液壓系統，密封性良好。

（3）可操作性：拉鉚過程正常，鉚接器的夾緊瓣與拉鉚釘匹配性好，鉚接器對鉚釘的拉鉚以及拉斷后鉚釘尾部的退出容易。鉚接器操作簡便，智能性較高。

（4）鉚接效果：鉚接后套環成形效果良好，成形尺寸滿足要求，拉鉚釘拉鉚后拉斷環槽斷面光滑、平整，滿足《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術條件》和運裝貨車[2007] 163號文中規定的要求。

5 結論

通過對高壓液動拉鉚機關鍵技術的研究以及對成型裝備的研制，得出以下結論：

（1）拉鉚機成型控制關鍵技術在于成型系統的機械結構，其中關鍵結構包括缸筒、活塞桿、三爪卡套、成型模的鉚槍鼻子，均需高疲勞強度和較高安全系數，以保證成型的可靠性。

（2）對Φ22mm規格拉鉚機系統密封性能和安全性能進行了試驗驗證，證明系統在最大壓力60MPa情況下可實現標準要求的較高可靠性和安全系數。

（3）Φ22mm規格拉鉚成型設備成功實現了國產化研制并通過了小批量化試制，達到了預期效果，其國產化應用有利于實現貨運機車的重載化。

[1]李國福.火車車體液壓鉚釘機的改進[J].機車車輛工藝，2005,6.

[2]鄧貴亮.飛機裝配氣動拉鉚機的改進研制[D].西安科技大學碩士論文，2010.

[3]黃桂金.拉鉚螺母壓鉚鉚接自動化生產方案設計[J].模具工業，2009，3.

[4]孔凡卿.拉鉚槍的設計與使用[J].機械工藝師，1989.2.

[5]運輸局.鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術條件[Z].貨車2007.163號.

Research on Key Technology of High Pressure Hydraulic Rivet Puller and Equipment Development

WANG Bao-Chao，LIU Hong-Qi，NAN Guang-Xi，SHI Xian-Jin
（China Productivity Center for Machinery,China Academy of Machinery Science&Technology,Beijing 100044,China）

High pressure hydraulic rivet puller is a special ring groove rivet drawing forming equipment.The key control technology of high pressure hydraulic rivet puller was mainly studied and the molding equipment was developed.It puts the focus on the key technology in the process of pull riveting molding control and system reliability theory analysis and experimental verification.The equipment structure design and function realization is introduced in detail.

high pressure hydraulic rivet puller；riveting control technology；development of equipment；test analysis

TH132.1

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.015

1002－6673（2014）03－038－03

2014－05－06

王寶超（1981-），男，碩士研究生，機械科學研究總院中機生產力促進中心制造工程研究所。研究方向：現代設計理論。