氣動錘鉚試驗臺設計與工藝研究

魯 明，錢 煒，劉 鋼2

（1.上海理工大學機械工程學院，上海200093；2.上海拓璞數控科技有限公司，上海201111）

目前國內外航空航天業采用的鉚接方式主要有兩種，一種是錘鉚，即通過沖錘不斷地沖擊使鉚釘產生變形的鉚接方式，一般由兩個工人一個手持氣動鉚槍一個手持頂鐵手動完成；另一種是壓鉚，即給鉚釘施加很大的壓鉚力使鉚釘變形的鉚接方式，一般在專用鉆鉚機上自動完成［1］。前者是一種比較傳統的鉚接方式，優點是適用于各種鉚接結構，甚至不開敞的、較復雜的結構，鉚接時裝配件可處于各種位置和狀態，缺點是與壓鉚相比，質量穩定性較差、效率低、噪聲大；后者是相對比較先進的鉚接方式，優點是釘桿能較均勻地鐓粗而填滿釘孔，質量穩定、表面質量好、效率高、勞動條件好，缺點是應用范圍受結構限制［2］。

自動鉆鉚機結構復雜，技術水平要求高，造價昂貴。與自動鉆鉚機相比，工業機器人具有成本低、靈活性高、安裝空間小及自動化程度高等優點［3］。氣動錘鉚的主要部件是氣動鉚槍，其結構簡單、結實輕便、成本低廉，將其與工業機器人結合，代替人工實現機器人自動鉆鉚是目前國內外學者研究的一個新方向。

基于這樣的背景，本文設計用于氣動錘鉚的試驗平臺，并進行錘鉚試驗，優選出能得到合格鉚接質量的錘鉚工藝參數，為實現機器人自動鉚接工藝提供理論與試驗支撐。

1 氣動錘鉚原理

1.1 氣鉚槍工作原理

氣鉚槍外部結構和內部結構如圖1、圖2所示，實物圖如圖3所示。其主要工作原理是：接好氣管，打開氣閥，按下氣鉚槍開關，空氣進入鉚槍氣缸，由于壓力差，內部活塞開始快速的往復運動，并撞擊鉚錘，受撞擊的鉚錘獲得速度后沖擊鉚釘使其變形。

圖1 氣鉚槍外部示意圖

1.2 氣動錘鉚工作原理

氣動錘鉚是一種傳統的鉚接工藝，分為正鉚法和反鉚法兩種。正鉚法即用頂鐵頂住鉚釘頭，氣鉚槍鉚錘的錘擊力直接作用在釘桿上形成鐓頭，優點是與反鉚法相比，鉚接變形小，表面質量好，缺點是勞動強度大，效率低，應用范圍受結構限制，常用于表面質量要求較高的裝配件，如機翼。反鉚法則是氣鉚槍鉚錘頂住鉚釘頭，鉚錘直接在鉚釘頭那側錘擊，頂鐵頂住釘桿的另一側形成墩頭，優點是能夠使零件貼緊，應用范圍廣，頂鐵輕，僅為正鉚頂鐵重量的1／4，缺點是鉚接變形大，嚴重時鉚釘頭周圍會出現局部下陷，多用在機體各組合件和部件［4］。由于試驗臺對鉚接表面質量要求并不高，為了能讓零件貼緊，所以這里選用應用更廣的反鉚法進行鉚接。工作原理如圖4所示，鉚錘頂緊鉚釘頭部，頂桿頂緊鉚釘另一端，按下氣鉚槍開關，氣鉚槍內部活塞不斷撞擊鉚錘，鉚錘不斷沖擊鉚釘使其變形。

圖2 氣鉚槍內部示意圖

圖3 氣鉚槍實物圖

圖4 氣動錘鉚原理圖(反鉚法)

2 氣動錘鉚試驗臺設計

2.1 試驗臺機械部件

試驗臺設計的關鍵點在于，在鉚錘頂緊鉚釘頭不斷錘擊形成鐓頭過程中，用于頂緊釘桿的頂桿也應該隨著做軸向進給運動并始終保持頂緊狀態。因此，需引入彈簧［5］，頂桿頂緊釘桿的力主要由壓縮彈簧獲得，為使鉚接前能獲得較大的彈簧力，引入兩個螺母鎖緊壓縮的彈簧，并通過擰螺母來壓縮和釋放彈簧。

試驗臺設計的要求有以下幾點：（1）保證氣鉚槍、鉚釘和頂桿同軸，這樣能得到質量更好的鉚接件，防止鉚釘變形不均勻；（2）為保證硬度，鉚錘頭部和頂桿頭部須高頻淬火處理；（3）要方便拆卸與裝配。鑒于此，用三維軟件SolidWorks建模，模型如圖5所示，實物圖如圖6。

圖5 試驗臺三維模型

圖6 試驗臺實物

2.2 試驗臺電氣元件

鉚槍的輸入氣壓和鉚接時間是影響錘鉚工藝的重要參數［6］。為了能實現對錘鉚工藝參數的有效控制，引入調壓閥（調節范圍0～1 MPa）、延時繼電器（調節范圍0～10 s）、調速閥和電磁閥等，電氣元件如圖7，并接入電路和氣路。

圖7 電氣元件

3 氣動錘鉚鉚接試驗

3.1 試驗條件

試驗在自制氣動錘鉚試驗臺上進行，按要求裝配好機械部件和連接電氣元件。試驗臺主要可控參數有輸入氣壓、鉚接時間和彈簧初始預緊力。輸入氣壓由調壓閥實現控制，鉚接時間由延時繼電器控制，壓縮彈簧控制彈簧預緊力。彈簧規格為線徑5.5 mm，外徑60 mm，總圈數7圈，材料為彈簧鋼，查機械手冊得彈簧鋼切變模量G=79 000 MPa，由彈簧常數公式（1）可得，該規格彈簧K值為12.4 N／mm。

式中，G為彈簧切變模量；d為彈簧線徑；Dm為彈簧中徑，Dm=D-d，D為彈簧外徑；Nc為彈簧有效圈數，Nc=N-2，N為彈簧總圈數；壓縮彈簧40 mm，給彈簧一定的預緊，預緊力為496 N。

3.2 鉚釘和試片

鉚釘：航天精工股份有限公司河南公司半圓頭鉚釘，規格為Φ4 mm×9 mm，材料為LY10。試片采用兩塊尺寸和厚度相同的平板試片，尺寸為150 mm×40 mm，厚度為2 mm，牌號為7A09-T6鋁合金。

3.3 試驗方案設計

選取4因素3水平正交試驗表，留2空列，總試驗次數為9次，鉚接因素及水平如表1所示。

表1 鉚接試驗因素及水平規劃

3.4 鉚接試驗及結果分析

鉚接前首先需要進行制孔，如圖8所示，鉆頭選用直徑4.2 mm硬質合金鉆頭，主軸轉速和進給速率是影響制孔質量的兩個關鍵因素［7］，設定主軸轉速12 000 r／min，進給速率700 mm／min，能鉆出符合質量要求的孔。

圖8 制孔

制孔完成后，將制好孔的試片按要求裝在試驗臺上，裝入鉚釘，調整試片位置，使氣鉚槍鉚錘軸線、鉚釘軸線和頂桿軸線同軸，用壓塊壓緊試片，氣鉚槍頂緊鉚釘，擰螺母釋放頂桿至頂桿頂緊鉚釘釘桿，通過調壓閥設定輸入氣壓，延時繼電器設定延時時間，準備就緒，按下觸點，開始鉚接。

氣動錘鉚鉚接試驗數據及處理如表2所示。

表2 鉚接試驗數據處理

根據鉚接通用技術要求可知不同直徑鉚釘鐓頭高度標準如表3所示。

表3 鐓頭高度標準 （單位：mm）

通過上述分析可以得出：

（1）輸入氣壓越大，鉚接時間越長，鉚釘鐓頭高度越小。考慮到效率因素，當輸入氣壓為0.5 MPa，鉚接時間為2 s時，鉚接效率更高且能達到鉚接質量要求，并可以推斷出當繼續增大輸入氣壓時，能達到更高的鉚接效率。

（2）影響因素的主次順序為輸入氣壓＞鉚接時間。

4 結 論

（1）根據氣動錘鉚鉚接過程及原理，設計了能用于氣動錘鉚的試驗平臺，為進一步研究氣動錘鉚工藝創造了條件。

（2）用正交試驗方法設計了錘鉚鉚接試驗，分析了各參數對錘鉚的影響。結果表明，輸入氣壓和鉚接時間是影響錘鉚工藝質量的重要參數，且輸入氣壓的影響大于鉚接時間。

（3）以鐓頭高度為主要指標，得出了能滿足4 mm半圓頭鉚釘鉚接質量要求的工藝參數組合，輸入氣壓：0.5 MPa，鉚接時間：2 s。

［1］殷俊清，王仲奇，康永剛，等.自動鉆鉚環境下鉚接工藝研究［J］.航空制造技術，2014，（12）：79-83.

［2］杜兆才，姚艷彬，王 健.機器人鉆鉚系統研究現狀及發展趨勢［J］.航空制造技術，2015，（4）：26-31.

［3］杜寶瑞，馮子明，姚艷彬，等.用于飛機部件自動制孔的機器人制孔系統［J］.航空制造技術，2010，32（02）：47-50.

［4］劉 平，張開富，李 原.鉚接變形及其有限元分析［J］.航空制造技術，2008，22：94-97.

［5］CHERNG J，EKSIOGLU M，KIZILASLAN K.Vibration reduction of pneumatic percussive rivet tools：Mechanical and ergonomic re-design approaches［J］.Applied Ergonomics，2009，01（40）：256-266.

［6］區崴巍，董輝躍，柯映林，等.氣動錘鉚過程仿真分析與試驗［J］.浙江大學學報（工學版），2014，48（8）：1411-1418.

［7］Lauderbaugh L K.Analysis of the effects of process parameters on exit burrs in drilling using a combined simulation and experimental approach［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209：1909-1919.