王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻(xiàn)金

（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備研制

王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻(xiàn)金

（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備是環(huán)槽鉚釘拉制成型的專用設(shè)備，論文主要研究了高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備的關(guān)鍵控制技術(shù)，并進(jìn)行了成套設(shè)備的研制。重點(diǎn)對工作過程中成型控制技術(shù)和系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

高壓；液動(dòng)拉鉚設(shè)備；成型控制；可靠性

0 引言

高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備是用于環(huán)槽鉚釘拉制成型的專用設(shè)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(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于鐵路、礦山機(jī)械、航空等領(lǐng)域[1～4]。

根據(jù)力學(xué)知識(shí)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(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕巧便攜，特別是實(shí)現(xiàn)大直徑規(guī)格環(huán)槽鉚釘設(shè)備的便攜、緊湊特點(diǎn)，提高液壓系統(tǒng)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(guān)鍵液壓元器件等諸多方面的限制，國內(nèi)系統(tǒng)一直采用中高壓（≤35MPa）設(shè)計(jì)，體積龐大，實(shí)用性能差的現(xiàn)狀制約了大直徑規(guī)格環(huán)槽鉚釘設(shè)備的國產(chǎn)化推廣應(yīng)用。因此，采用超高壓(≥50MPa)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直徑Ф20mm以上大直徑規(guī)格環(huán)槽鉚釘設(shè)備的國產(chǎn)化推廣應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)我國貨運(yùn)機(jī)車的重載化，有著重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)最大直徑Ф22mm規(guī)格環(huán)槽鉚釘?shù)母邏海ㄏ到y(tǒng)壓力60MPa）液動(dòng)拉鉚設(shè)備，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工作原理

工作時(shí)液壓裝置提供動(dòng)力，拉鉚槍內(nèi)部的三爪卡套扣緊鉚釘尾部的環(huán)槽，鉚槍鼻子作為鉚釘套環(huán)的成型模具，在液壓拉力的作用下將鉚釘套環(huán)擠壓成型同時(shí)將環(huán)槽鉚釘?shù)奈膊坷瓟啵瓿衫T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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)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(jī)械部分——拉鉚槍

拉鉚槍是高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備的機(jī)械部分，它是整個(gè)拉鉚設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成環(huán)槽鉚釘?shù)睦瓟嗪豌T釘套的鉚接成型功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高壓液動(dòng)拉鉚槍結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural scheme of high pressure riveting puller

拉鉚時(shí)活塞桿在圖2所示結(jié)構(gòu)的左側(cè)高壓油管總成油壓的驅(qū)動(dòng)下，通過連接螺紋套帶動(dòng)內(nèi)筒向右運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，三爪卡套在內(nèi)筒斜面產(chǎn)生的軸向拉力作用下收縮直至閉合并卡緊鉚釘，同時(shí)推動(dòng)復(fù)位彈簧壓縮至最小，至此活塞桿、連接螺紋套、彈簧支撐筒、內(nèi)筒、推套、拉套、三爪卡套、從動(dòng)推套將作為一個(gè)整體向右平動(dòng)，而此時(shí)作為成型模的鉚槍鼻子開始收縮鉚釘套使其達(dá)到預(yù)期的成型尺寸，當(dāng)收縮至鉚釘套根部時(shí)無法繼續(xù)收縮，此時(shí)鉚釘?shù)沫h(huán)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(guān)鍵零件，應(yīng)該盡量提高其安全可靠性，因此，在設(shè)計(jì)上均采用疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并選擇較高的安全系數(shù)，材質(zhì)均選用優(yōu)質(zhì)合金鋼42Cr-Mo，并進(jìn)行合適的熱處理工藝和表面滲氮處理，充分保證材料的強(qiáng)度、剛度和柔韌性，為了避免應(yīng)力集中，過渡臺(tái)階處采用強(qiáng)化處理；為了防止油壓外漲導(dǎo)致的螺紋松動(dòng)，缸筒高壓有桿腔采用封閉的一體式設(shè)計(jì)，低壓無桿腔采用可拆卸的螺紋連接，保證其具有更好的結(jié)構(gòu)安全性；拉鉚槍端部的端蓋采用防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)活塞桿出現(xiàn)斷裂意外發(fā)生時(shí)，利用液壓油產(chǎn)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(shí)，是與環(huán)槽鉚釘直接接觸的零件，因此，在設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jù)塑性力學(xué)的相關(guān)知識(shí)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的成型要求，其成型孔前段設(shè)計(jì)成錐形斜面，便于材料塑變時(shí)的流動(dòng)，保障成型，中間段設(shè)計(jì)為圓柱面，保障鉚釘套的成型尺寸，末段也設(shè)計(jì)成錐形斜面，以保障活塞桿退回時(shí)拉套順利同心退回。三爪卡套的卡槽與環(huán)槽鉚釘?shù)沫h(huán)槽牙型和牙距相同，同時(shí)為了穿釘時(shí)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(dòng)拉鉚設(shè)備的動(dòng)力提供裝置，主要由電機(jī)、液壓泵、方向控制閥、溢流閥、閥塊、油箱以及移動(dòng)小車等組成。液壓系統(tǒng)采用60MPa的超高壓設(shè)計(jì)，泵、閥采用瑞士進(jìn)口單元部件，軟管總成及管接頭采用進(jìn)口Paker品牌，保證系統(tǒng)的安全與可靠性。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備液壓原理圖Fig.3 Hydraulic system principle of high pressure riveting puller

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

高壓液動(dòng)拉鉚機(jī)在工作過程中，拉制鉚釘成型控制以及系統(tǒng)可靠性是其關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 成型控制

拉鉚槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行缸筒、活塞桿、三爪卡套和鉚槍鼻子的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)楦淄埠突钊麠U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(gè)零件關(guān)系拉鉚槍的安全性能和功能的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)，缸筒、活塞桿等重要結(jié)構(gòu)件均采用疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，材質(zhì)選用高強(qiáng)、高剛、高韌的優(yōu)質(zhì)合金鋼并進(jìn)行優(yōu)化的熱處理，選取較高的安全系數(shù)，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(jù)材料的塑性流動(dòng)性能，設(shè)計(jì)模具的形狀，保證其成型幾何尺寸。

3.2 可靠性

系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證主要包括密閉性能和安全性能，可分別采用保壓試驗(yàn)和拉力試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）保壓試驗(yàn)。保壓試驗(yàn)的目的主要是考察系統(tǒng)的密封性能和安全性能，在沒有鉚釘?shù)那闆r下，拉鉚槍活塞桿拉至缸筒的最底端，進(jìn)行保壓。保壓試驗(yàn)按照不同的油壓，進(jìn)行一定時(shí)間的保壓，分別觀察各個(gè)狀況下的油缸情況。表1為保壓記錄結(jié)果。試驗(yàn)表明，整套系統(tǒng)的密封性能和安全性能均為良好。

（2）拉力試驗(yàn)。拉力試驗(yàn)的目的主要是考察在最大拉力載荷作用下，系統(tǒng)的安全可靠性能，其試驗(yàn)方法如下：制作試驗(yàn)零件，模擬拉鉚槍的正常工況，進(jìn)行連續(xù)拉壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，為了節(jié)省成本，試驗(yàn)件不被拉斷，當(dāng)試驗(yàn)件加載上與鉚釘拉斷力相同的力時(shí)，保持3秒，然后模擬回退壓力，反向施壓。試驗(yàn)為自動(dòng)模式設(shè)計(jì)，采用PLC控制開關(guān)信號(hào)，設(shè)置15秒的間隔，連續(xù)進(jìn)行模擬的可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最大工作拉力作用下，整套系統(tǒng)可連續(xù)累計(jì)拉鉚50000次無安全問題出現(xiàn)，安全可靠性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。圖4為正在進(jìn)行的系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)圖片。

表1 保壓試驗(yàn)記錄Tab.1 Keeping pressure test record

4 設(shè)備研制

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、使用范圍以及功能需求，研制了Φ22mm拉鉚成型設(shè)備（如圖5所示）。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)分別如表2所示。

圖4 高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)Fig.4 System reliability test of high pressure riveting puller

圖5 Φ22mm拉鉚成型設(shè)備Fig.5 Φ22mm riveting puller

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 The parameters of hydraulic system

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

研制的Ф22mm環(huán)槽鉚釘高壓液動(dòng)拉鉚設(shè)備在某鐵路車輛公司進(jìn)行了小批量試件試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，形成如下結(jié)論：

（1）外形、體積和重量：試制鉚接器結(jié)構(gòu)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(tǒng)，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?shù)睦T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(huán)成形效果良好，成形尺寸滿足要求，拉鉚釘拉鉚后拉斷環(huán)槽斷面光滑、平整，滿足《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》和運(yùn)裝貨車[2007] 163號(hào)文中規(guī)定的要求。

5 結(jié)論

通過對高壓液動(dòng)拉鉚機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究以及對成型裝備的研制，得出以下結(jié)論：

（1）拉鉚機(jī)成型控制關(guān)鍵技術(shù)在于成型系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和較高安全系數(shù)，以保證成型的可靠性。

（2）對Φ22mm規(guī)格拉鉚機(jī)系統(tǒng)密封性能和安全性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明系統(tǒng)在最大壓力60MPa情況下可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的較高可靠性和安全系數(shù)。

（3）Φ22mm規(guī)格拉鉚成型設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化研制并通過了小批量化試制，達(dá)到了預(yù)期效果，其國產(chǎn)化應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)機(jī)車的重載化。

[1]李國福.火車車體液壓鉚釘機(jī)的改進(jìn)[J].機(jī)車車輛工藝，2005,6.

[2]鄧貴亮.飛機(jī)裝配氣動(dòng)拉鉚機(jī)的改進(jìn)研制[D].西安科技大學(xué)碩士論文，2010.

[3]黃桂金.拉鉚螺母壓鉚鉚接自動(dòng)化生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2009，3.

[4]孔凡卿.拉鉚槍的設(shè)計(jì)與使用[J].機(jī)械工藝師，1989.2.

[5]運(yùn)輸局.鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件[Z].貨車2007.163號(hào).

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(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心制造工程研究所。研究方向：現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論。