CN103949573B - 一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械连接技术领域，涉及一种用于航空、航天工程的采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备。本发明将电磁发射的机理引入电磁铆接领域，通过两组线圈的分时放电，铆接线圈使金属冲头获得加速后撞击铆模进行铆接，回位线圈在铆接完成后使金属冲头返回初始位置。实现了铆接动力头往复运动的方法，采用该方法，通过线圈的电能量可以全部作用于线圈内的金属冲头动子，可使金属冲头在磁场中持续加速，使其加速获得动能。因此可以大幅提高能量利用率，获得最大的动能后撞击到铆模上，实现铆接，线圈中的全部能量均用于使金属冲头加速。发明大幅提高了能量的利用率，体积小、重量轻、发热小、易于操作、更安全。

Description

一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备
技术领域
本发明属于机械连接技术领域，涉及一种用于航空、航天工程的采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备。
背景技术
在航空、航天工程的产品制造装配过程中，需要铆接大量的铆钉。传铆接方法主要有：锤铆、压铆、电磁铆接。
以压缩空气作为动力源的锤铆方法使用最为普遍。但这种铆接方法产生的后坐力和噪音大、劳动条件差，铆接质量不易控制。
压铆方法是采用静压力方法使铆钉变形，铆接质量比较稳定。但压铆机的体积大，不能用于不开敞的部位，在车间移动也不方便；手提式压铆机主要用于小直径铆钉的铆接，对结构开敞性要求比较高。
为解决锤铆、压铆铆接方法带来的问题，美国率先开发出了采用涡流斥力方式的电磁铆接方法。这种铆接方式的技术特征是首先对电容器进行充电储能，然后电容器对铆枪中的初级线圈放电，同时在次级线圈中感应出涡流，在两个线圈之间产生强大的斥力，并传至铆钉，完成铆接。进一步分析其原理可以发现，只有在初级线圈中的电流上升阶段，才会在次级线圈中感应出相同方向的涡流，进而产生斥力，而在电流下降阶段没有斥力产生，因此，其能量利用率不高。由于完成铆接需要很大的斥力，因此，其铆枪中的电流很高，峰值一般在10KA左右。现有电磁铆接设备电容的初始充电能量一般在10kJ左右，放电电流峰值一般在十千安级，导致储能元件及相关的控制开关、变压器等器件的体积和重量大、铆接时发热严重、能量利用率低、设备电气安全防护要求高。工作时，还需要专门的吊装设备分担铆枪重量来配合使用。
发明内容
为了解决电磁铆接设备体积和重量大、能量利用率低和发热问题，同时也为了获得更轻便的长寿命铆接和安装技术，本发明采用电磁发射技术提出了一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备。
本发明的技术解决方案是，电磁铆接设备由电磁铆枪、电源系统和顶铁组成；电磁铆枪由主线圈、副线圈、骨架、动子、铆枪手柄和铆枪外壳构成；铆枪外壳的内腔为沿轴向贯通的空腔，铆枪外壳由前盖、外壳中段和后盖组成，前盖与外壳中段前端连接，外壳中段后端与后盖连接，后盖与铆枪手柄连接；主线圈缠绕在骨架的前端；副线圈缠绕在骨架后端；缠绕主、副线圈后的骨架嵌在铆枪外壳的内腔中，骨架前端与前盖接触，骨架后端与后盖接触；动子嵌入在骨架内，向前或向后活动，动子的材料为铁磁性材料；所述的电源系统由充电组件、主线圈电容组、副线圈电容组、放电组件、主线圈反向续流二极管和副线圈反向续流二极管组成。主线圈电容组经放电组件的主信号正端V1+与主线圈正端相连，主信号负端V1-与主线圈负端相连；副线圈电容组经放电组件的副信号正端V2+与副线圈正端相连，副信号负端V2-与副线圈负端相连。
在电磁铆枪的动子和铆钉之间加上铆模，可以提高铆接质量。
在电磁铆枪的后盖与铆枪手柄之间加减振弹簧或减振垫，减小后坐力。
本发明具有的优点和有益效果，本发明由于利用不同的电动力产生机理，因此使能量利用率提高了一个数量级，本发明涉及的铆接设备的金属冲头运动动力是靠由其在放电线圈形成的磁场中所受的电磁发射力驱动，而原有电磁铆接是靠感应线圈与驱动板间的磁场排斥力来驱动的，由于磁场的斥力与两者距离成反比，一旦力传导头离开线圈，所受力快速衰减，距离大了后电能无法转换成机械能。电能利用率低。本发明将电磁发射的机理引入电磁铆接领域，通过两组线圈的分时放电，铆接线圈使金属冲头获得加速后撞击铆模进行铆接，回位线圈在铆接完成后使金属冲头返回初始位置。实现了铆接动力头往复运动的方法，采用该方法，通过线圈的电能量可以全部作用于线圈内的金属冲头动子，可使金属冲头在磁场中持续加速，使其加速获得动能。因此可以大幅提高能量利用率，获得最大的动能后撞击到铆模上，实现铆接，线圈中的全部能量均用于使金属冲头加速。采用发明的电磁铆接方法，可以大幅提高能量利用率，奠定了其他方面改进的基础，可以体积小、重量轻、发热小、易于操作、更安全。
本发明所涉及的利用充电电容向螺旋线圈放电的电磁发射方式产生动力的方法，需要的电容储能比原来的大幅减少小，因此放电时通过线圈的电流也大幅减小，减少发热，并具有可实施性。本发明所涉及的电磁铆接设备具备了所有电磁铆接的优点，该设备可以应用于各种材料铆钉的铆接成形，可以实现比较理想的、均匀的干涉配合，形成长寿命、高可靠性的连接。本电磁铆接技术是手工和自动化铆接和安装的一个新的解决方案。铆接动力头和电源设备重量轻、体积更小，后坐力更小，适于手工操作，更易于实现自动化装配集成。
附图说明
图1是本发明电磁发射式电磁铆接设备原理图。
具体实施方式
电磁铆接设备由电磁铆枪、电源系统和顶铁1组成；电磁铆枪由主线圈7、副线圈8、骨架5、动子9、铆枪手柄11和铆枪外壳构成；铆枪外壳的内腔为沿轴向贯通的空腔，铆枪外壳由前盖4、外壳中段6和后盖10组成，前盖4与外壳中段6前端连接，外壳中段6后端与后盖10连接，后盖10与铆枪手柄11连接；主线圈7缠绕在骨架5的前端；副线圈8缠绕在骨架5后端；缠绕主、副线圈后的骨架5嵌在铆枪外壳的内腔中，骨架5前端与前盖4接触，骨架5后端与后盖10接触；动子9嵌入在骨架5内，向前或向后活动，动子9的材料为铁磁性材料；所述的电源系统由充电组件21、主线圈电容组C1、副线圈电容组C2、放电组件22、主线圈反向续流二极管D1和副线圈反向续流二极管D2组成。主线圈电容组C1经放电组件22的主信号正端V1+与主线圈正端71相连，主信号负端V1-与主线圈负端72相连；副线圈电容组C2经放电组件22的副信号正端V2+与副线圈正端81相连，副信号负端V2-与副线圈负端82相连。
本发明的电源系统采用两套充电系统、两组电容器和两套放电系统；两套充电系统分别对两组电容器进行充电，两组电容器一组容量较大用于主线圈放电，较小的一组用于对副线圈放电；主线圈7用于铆接、副线圈8用于动子9归位。
设备采用了电磁发射技术来加速动子9，撞击铆模完成铆接。动子9为铁磁性材料，在磁场中会受到磁场力的作用而向磁场增强的方向移动。因此，在设计好动子9的行程后，电容放电在螺旋线圈中产生的磁场使动子9始终受到电磁力的作用下运动至撞击铆模的位置，磁场能量全部被利用使动子运动，从而提高设备的能量利用率，减小发热。
铆枪动子9的材料采用铁磁性材料，顶铁1采用具有一定质量的铁块组成。
为了减小设备的体积，主线圈电容器组C1和副线圈电容器组C2采用了额定电压450V的电容器。
为了减轻设备重量，铆枪外壳选用铝或钛等轻质材料。
本发明的工作原理如下：首先对两组电容器组C1、C2充电到指定电压，然后对副线圈8放电，由于动子9材料为铁磁性材料在磁场中会向磁场强的方向移动，因此动子受到磁场力而回到初始位置，即图中实线位置；铆接时，控制放电电路对主线圈8放电，在磁场力的作用下加速动子，动子9运动到图中虚线位置，最后撞上铆钉3，铆钉3上套接夹层2，同时在铆钉3的另一端用顶铁1进行顶铆，共同完成铆接。
实施例
本实施例按铆枪原理图的结构设计制造了铆枪，按电源原理图制造了电源并配合顶铁，进行了铆接试验。铆接系统电源包括由一组额定电压为450伏、额定电容为4700微法的脉冲电容器并联组成主线圈放电电容器组，副线圈电容器组采用几个额定电压450伏、额定容量2200微法的电容器；两个放电回路采用大功率半导体开关控制放电电路放电；两个充电电路采用谐振软开关控制的方式控制充电。
实施中，先对副线圈电容器充到设定电压，然后放电把动子拉回到初始位置；然后对主线圈电容器组进行充电到设定电压；然后通过放电开关控制主线圈放电完成铆接。通过采用不同的参数可以实现Φ5mm以下铝铆钉的铆接。

Claims (3)

1.一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备，其特征在于：电磁铆接设备由电磁铆枪、电源系统和顶铁(1)组成；电磁铆枪由主线圈(7)、副线圈(8)、骨架(5)、动子(9)、铆枪手柄(11)和铆枪外壳构成；铆枪外壳的内腔为沿轴向贯通的空腔，铆枪外壳由前盖(4)、外壳中段(6)和后盖(10)组成，前盖(4)与外壳中段(6)前端连接，外壳中段(6)后端与后盖(10)连接，后盖(10)与铆枪手柄(11)连接；主线圈(7)缠绕在骨架(5)的前端；副线圈(8)缠绕在骨架(5)后端；缠绕主、副线圈后的骨架(5)嵌在铆枪外壳的内腔中，骨架(5)前端与前盖(4)接触，骨架(5)后端与后盖(10)接触；动子(9)嵌入在骨架(5)内，向前或向后活动，动子(9)的材料为铁磁性材料；所述的电源系统由充电组件(21)、主线圈电容组(C1)、副线圈电容组(C2)、放电组件(22)、主线圈反向续流二极管(D1)和副线圈反向续流二极管(D2)组成，主线圈电容组(C1)经放电组件(22)的主信号正端V1+与主线圈正端(71)相连，主信号负端V1-与主线圈负端(72)相连；副线圈电容组(C2)经放电组件(22)的副信号正端V2+与副线圈正端(81)相连，副信号负端V2-与副线圈负端(82)相连。
2.根据权利要求1所述的一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备，其特征是，在电磁铆枪的动子(9)和铆钉(3)之间加上铆模，可以提高铆接质量。
3.根据权利要求1所述的一种采用往复式电磁发射技术的电磁铆接设备，其特征是，在电磁铆枪的后盖(10)与铆枪手柄(11)之间加减振弹簧或减振垫，减小后坐力。
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