釘槍機(jī)廣泛地使用于家居裝修、沙發(fā)、建筑、制鞋、制革、包裝等行業(yè)。尤其是裝修行業(yè)，早已大量使用釘槍機(jī)作業(yè)了。釘槍機(jī)使用F10-F30的T型釘。由于釘槍機(jī)的廣泛使用，多種多樣型號(hào)的新產(chǎn)品不斷問(wèn)世，如氣動(dòng)釘槍機(jī)、電動(dòng)釘槍機(jī)。

目前市場(chǎng)上的釘槍機(jī)絕大多數(shù)都是氣釘槍。氣釘槍作業(yè)時(shí)必須攜帶空壓機(jī)適合專(zhuān)業(yè)裝修團(tuán)隊(duì)使用。早在上世紀(jì)九十年代初，美國(guó)工匠牌電釘槍就已經(jīng)在國(guó)內(nèi)有銷(xiāo)售。同時(shí)國(guó)內(nèi)浙江地區(qū)也有廠家生產(chǎn)電釘槍。電釘槍成本低、攜帶方便適合家庭DIY裝修及一些便攜的場(chǎng)合。

上世紀(jì)九十年代初由于電力電網(wǎng)的不穩(wěn)定及電釘槍本身的局限性，即電釘槍動(dòng)力不足導(dǎo)致槍釘不能完全釘入較硬的木質(zhì)。電釘槍也就缺乏了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

本試驗(yàn)就是針對(duì)電釘槍動(dòng)力不足的主要問(wèn)題，對(duì)其參數(shù)做優(yōu)化設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)的方法與實(shí)驗(yàn)僅供針對(duì)直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考。

1．電釘槍的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1電釘槍的結(jié)構(gòu)所示，電釘槍由線(xiàn)圈、鐵芯、槍針、槍頭部分、彈夾、復(fù)位彈簧、觸發(fā)開(kāi)關(guān)、控制電路、減震墊、減震墊片和外殼等部分組成。

電釘槍使用220v50Hz的工頻交流電源，使用F10-F30的T型釘，F(xiàn)30的T型釘長(zhǎng)度為30mm，本試驗(yàn)是建立在F30的T型釘?shù)幕A(chǔ)上。F30的T型釘是安裝在彈夾中，由彈簧頂向槍頭部分。

接通電源后，按觸發(fā)開(kāi)關(guān)一次，控制電路使線(xiàn)圈得到一個(gè)正半波的電壓，線(xiàn)圈的電磁力使鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，鐵芯向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)槍針，槍針頂出一枚T型釘沖出槍嘴擠入木頭。此電釘槍的機(jī)構(gòu)為直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)。

圖1 電釘槍的結(jié)構(gòu)

2．電釘槍結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)及分析

本機(jī)構(gòu)選用直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)，F(xiàn)30的T型釘必須在瞬間被擠入木頭，機(jī)構(gòu)特點(diǎn) ：瞬間沖擊力大（沖擊電流大），動(dòng)作時(shí)間短，動(dòng)作頻率高。

控制電路特點(diǎn) ：零壓觸發(fā)，半波導(dǎo)通。（采用工頻交流電供電）

2.1 機(jī)構(gòu)的反力特征

如圖2所示，機(jī)構(gòu)的反力有下列特征：首先鐵芯啟動(dòng)后槍針將頂?shù)絋型釘，T型釘是整排并排膠聯(lián)著，需要足夠的初始頂力方可頂開(kāi)(T0時(shí)刻)；其次T型釘釘入木頭瞬間鐵芯要有足夠的動(dòng)力（T1）；再者隨著T型釘?shù)纳钊胱枇哟螅═1~T2），鐵芯要有足夠的沖力方能將T型釘擠入木頭。

圖2 機(jī)構(gòu)的反力特征

2.2 機(jī)構(gòu)的沖力特征

機(jī)構(gòu)的沖力特征也是我們要研究和試驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，它涉及到多方面的復(fù)雜因素。

2.2.1 線(xiàn)圈電壓、電流與沖力的關(guān)系

如圖3所示為線(xiàn)圈的電壓電流波形，電流的關(guān)系將在t1時(shí)刻達(dá)到最大值，電磁吸力F與然后逐步減小。

2.2.2 線(xiàn)圈骨架的主要參數(shù)

線(xiàn)圈骨架如圖4所示，主要參數(shù)是線(xiàn)圈長(zhǎng)度L和內(nèi)徑Φ，其他參數(shù)是內(nèi)壁和二邊的厚度。 線(xiàn)圈骨架的參數(shù)取決去鐵芯直徑、行程和材料等。

圖3 線(xiàn)圈電壓與電流關(guān)系

2.2.3 線(xiàn)圈的主要參數(shù)與鐵芯沖力的關(guān)系

線(xiàn)圈的主要參數(shù)有線(xiàn)圈的直徑和匝數(shù)，線(xiàn)圈長(zhǎng)度L和內(nèi)徑Φ取決于骨架的參數(shù)。線(xiàn)圈與骨架示意圖如圖４所示。

增加線(xiàn)圈的直徑將減小線(xiàn)圈的直流阻抗，減小線(xiàn)圈的直流阻抗則電流增加沖力提升。但增加線(xiàn)圈的直徑將加大線(xiàn)圈體積及重量，體積增加線(xiàn)圈外圍的作用將降低。

圖4 鐵芯與骨架

鐵芯的沖力與線(xiàn)圈的匝數(shù)成正比，但增加線(xiàn)圈的匝數(shù)的同時(shí)將增加線(xiàn)圈的直流阻抗，直流阻抗增加則電流減小沖力下降。

2.2.4 鐵芯的主要參數(shù)與鐵芯沖力的關(guān)系

鐵芯的主要參數(shù)是鐵芯的直徑、長(zhǎng)度和重量。鐵芯材料采用DT3電工軟鐵。鐵芯的直徑略小于線(xiàn)圈骨架的內(nèi)徑。長(zhǎng)度略大于線(xiàn)圈骨架的長(zhǎng)度。根據(jù) F=ma，在電磁吸力F一定的情況下，適當(dāng)減輕鐵芯的重量可以提高鐵芯運(yùn)動(dòng)的加速度。

2.2.5 槍頭部分結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

如圖2所示，槍頭部分在線(xiàn)圈下方，線(xiàn)圈與槍頭部分之間含一減震墊片。

槍頭部分與彈夾連接，彈夾內(nèi)置F30的T型釘。T型釘?shù)南轮裹c(diǎn)離彈夾的下沿還有一定距離（看彈夾開(kāi)模尺寸），T型釘?shù)南轮裹c(diǎn)至彈夾下部分的即為槍嘴，槍嘴太短不利于操作。

鐵芯帶動(dòng)槍針，槍針頭應(yīng)離F30的T型釘有一定距離，距離太近鐵芯獲得的沖力不足將無(wú)法頂出T型釘，距離太遠(yuǎn)鐵芯的行程太長(zhǎng)最后將無(wú)法將T型釘完全擠入木頭。

在鐵芯有足夠的沖力的情況下，槍針如能沖出槍嘴一定距離，T型釘會(huì)可靠的擠入木頭。我們把這段距離稱(chēng)為出針長(zhǎng)度。

槍頭部分決定了鐵芯的行程：槍針頭離T型釘?shù)木嚯x+ F30 T型釘?shù)拈L(zhǎng)度+槍嘴長(zhǎng)度+出針長(zhǎng)度。

2.2.6 機(jī)構(gòu)的沖力特征分析

對(duì)于直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)的磁力一般有二個(gè)分量：其一是由主氣隙磁導(dǎo)和相應(yīng)的主磁場(chǎng)能量的變化產(chǎn)生的；另一是由銜鐵側(cè)面的有效磁通（通過(guò)銜鐵側(cè)面且切割線(xiàn)圈的漏磁通）產(chǎn)生的電磁吸力。

一般在電流不變的情況下，鐵芯的初始位置吸力為最大，鐵芯完成擊打動(dòng)作位置吸力為最小，但這是的反力為最大。所以要將T型釘完全擠入木頭必須靠鐵芯的沖力，也就是沖量。

以上是電釘槍結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)與受力的定性分析，由于其受力的動(dòng)態(tài)分析涉及的因數(shù)復(fù)雜，而相關(guān)性各不相同。所以本設(shè)計(jì)采用了試驗(yàn)研究的方法，通過(guò)參數(shù)優(yōu)選完成設(shè)計(jì)。

3．電釘槍結(jié)構(gòu)的主要試驗(yàn)研究與主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)條件為：本試驗(yàn)選擇了供電環(huán)境較差的電力變壓器容量不小于50KVA的環(huán)境，晚間居民用電高峰期，電源電壓實(shí)測(cè)約穩(wěn)定為190v50hz交流電（或可以選擇供電環(huán)境較好的電源電壓實(shí)測(cè)約穩(wěn)定為220v50hz交流電，電釘槍輸入電源時(shí)加接一條12m的0.75平軟線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)，軟線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)起到電壓衰減的作用）；

采用柚木作為試驗(yàn)對(duì)象（柚木具有木質(zhì)堅(jiān)硬、細(xì)膩、一致性好的特點(diǎn)）；

試驗(yàn)結(jié)果：擠入（T型釘正好擠入木頭）、未擠入（T型釘未能完全擠入木頭，分別差-1mm、-2mm、-3mm和大于-5mm）、完全擠入（T型釘完全擠入木頭內(nèi)，分別為+1mm、+2mm、+3mm）；

試驗(yàn)研究的方法：析因法、優(yōu)選法和正交試驗(yàn)法。

以下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)研究所得：

3.1 槍頭部分

3.1.1 槍頭部分太短不利用操作，分別取10 ~15mm試驗(yàn)，不小于12mm取14mm為佳。

3.1.2 彈夾下沿在不影響彈夾性能的情況可減厚，可增加槍頭的有效長(zhǎng)度。

3.2 鐵芯部分

3.2.1 鐵芯最大的行程止點(diǎn)：槍針應(yīng)適當(dāng)露出槍頭，槍針露出槍頭太短由于反彈力的影響不能可靠地把T釘擠入木頭，但加大槍針露出槍頭距離將引起的行程增加應(yīng)增加鐵芯的長(zhǎng)度，本試驗(yàn)槍針露出槍頭取3.0（-0.5mm）為佳。

3.2.2 靜態(tài)時(shí)槍針頭應(yīng)該離F30釘2mm（+0.5mm）。并應(yīng)在彈夾上沿內(nèi)。

（試驗(yàn)證明：1、槍針頭離F30釘太近時(shí)，啟動(dòng)力不足將不能啟動(dòng)。2、槍針頭離F30釘太遠(yuǎn)時(shí)，行程長(zhǎng)而影響動(dòng)作時(shí)間。3、可將彈夾上沿的下邊盡量下移，可減少鐵芯回程時(shí)槍釘?shù)奶鴦?dòng)。)

3.2.3 鐵芯行程為靜態(tài)時(shí)槍針頭上止點(diǎn)到最大的行程下止點(diǎn)的距離：

出槍頭長(zhǎng)度3.0mm+槍頭長(zhǎng)度14mm+彈夾下沿4mm+F30釘長(zhǎng)度30mm+靜態(tài)時(shí)槍頭離F30釘?shù)木嚯x2.5mm=53.5mm。(鐵芯示意圖如圖5所示)

3.2.4 鐵芯長(zhǎng)度（鐵芯材料取DT3電工軟鐵）

試驗(yàn)條件：取鐵芯直徑為20mm；骨架內(nèi)徑大于鐵芯直徑1mm；線(xiàn)圈取Φ=0.77mm×720匝

鐵芯長(zhǎng)度=鐵芯最大行程+靜態(tài)時(shí)鐵芯含入線(xiàn)圈距離（見(jiàn)圖4）+骨架上邊+軟磁墊片厚+反力彈簧的壓縮長(zhǎng)度+靴極厚度=（53.5+1+4.5+1+5+2）mm=67mm

圖5 鐵芯示意圖

試驗(yàn)結(jié)果：鐵芯增長(zhǎng)，動(dòng)作沖擊力減小。

3.2.5 鐵芯直徑

試驗(yàn)條件：取鐵芯長(zhǎng)度為65mm；骨架內(nèi)徑大于鐵芯直徑1mm；線(xiàn)圈取Φ=0.77mm×720匝。

鐵芯直徑分別為18mm、18.5mm、19mm、19.5mm、20mm、20.5mm、21mm。

在其他試驗(yàn)條件相同的情況下做分組試驗(yàn)，每組100個(gè)數(shù)據(jù)觀察效果。

試驗(yàn)結(jié)果得出在鐵芯直徑Φ=19.5mm的時(shí)候，具有最佳的動(dòng)力效果。

3.2.6 鐵芯重量

根據(jù) F=ma，在電磁吸力F一定的情況下，適當(dāng)減輕鐵芯的重量可以提高鐵芯運(yùn)動(dòng)的加速度。

在不影響鐵芯的機(jī)械強(qiáng)度的情況下，鐵芯做成空心的。鐵芯的靴極和槍針用Φ=2mm的銷(xiāo)釘固定。

試驗(yàn)在鐵芯：實(shí)芯或空芯（空芯內(nèi)孔Φ=8mm~Φ=14mm）之間做試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明取空心Φ=14mm較佳。鐵芯重量減輕，動(dòng)作加速度提高，動(dòng)力的效果提高。

3.2.7 靴極

可以考慮適當(dāng)增大靴極直徑，可增大動(dòng)作沖擊力。

鐵芯靴極的作用有：加強(qiáng)對(duì)鐵芯靴極的吸力，使吸力中心沿鐵芯中心位置向下移動(dòng)；可用以起定位作用；

可以考慮鐵芯的靴極與骨架內(nèi)徑同。

3.2.8 反力彈簧（由于釘入的瞬間沖擊力＞＞反力彈簧的反力）

反力彈簧的主要參數(shù)：上徑19.5mm；下徑50mm；長(zhǎng)度105mm；750g；Φ=0.8mm；螺距8mm。

3.3 線(xiàn)圈部分

3.3.1 骨架長(zhǎng)（線(xiàn)圈骨架示意圖見(jiàn)圖4）

根據(jù)：鐵芯行程=鐵芯上止點(diǎn)—鐵芯下止點(diǎn)

試驗(yàn)得出當(dāng)鐵芯上止點(diǎn)未含入線(xiàn)圈內(nèi)，啟動(dòng)力欠佳，以含入線(xiàn)圈內(nèi)1mm為合適，

則：骨架長(zhǎng)=鐵芯行程+1mm含入量+上邊厚

=（53.5+1+4.5）mm

= 59mm

(略加長(zhǎng)1—2mm可增加含入量)

線(xiàn)圈長(zhǎng)度=骨架長(zhǎng)—上邊厚—下邊厚

=（59—4.5—4.5）mm

= 50mm

3.3.2 線(xiàn)圈部分（要求線(xiàn)圈品字排繞）

以線(xiàn)圈長(zhǎng)度50mm為例，可繞以Φ0.60~0.95mm漆包線(xiàn)。線(xiàn)圈參數(shù)如表一所示：

表一 線(xiàn)圈參數(shù)表

對(duì)于裝甲螺管式磁系統(tǒng)線(xiàn)圈的最佳長(zhǎng)度長(zhǎng)寬比為7~8，而對(duì)于直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)長(zhǎng)寬比在此取較小。

試驗(yàn)證明，隨著漆包線(xiàn)線(xiàn)徑的加粗，吸力略有提高。但電流增大。（電流的測(cè)試方法：電路中串聯(lián)一直徑Φ為1.2mm的0.1Ω的錳銅絲電阻又示波器波形給出）

線(xiàn)圈的線(xiàn)徑的加粗后，電流增大，盡管線(xiàn)圈的熱容量提高，線(xiàn)圈的發(fā)熱量也加大。線(xiàn)圈的重量增加，槍身的重心向前移動(dòng)，穩(wěn)定性提高。

試驗(yàn)得出線(xiàn)圈直徑Φ取0.77mm綜合評(píng)價(jià)為最好。

3.3.3 其他機(jī)構(gòu)就不再一一說(shuō)明（如軟磁墊片、抗震墊片等）。

4. 試驗(yàn)樣機(jī)（如圖6所示：試驗(yàn)樣機(jī)外加了外殼抗沖擊保護(hù)）

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)

5. 槍頭部分圖紙（如圖7所示）

圖7 槍頭部分圖紙

6. 控制電路部分

控制電路特征：零壓觸發(fā)，半波導(dǎo)通。（采用工頻交流電供電）

對(duì)于控制電路考證了美國(guó)“工匠”牌電動(dòng)釘槍機(jī)的三個(gè)時(shí)期產(chǎn)品的電路及其它觸發(fā)電路等。以如下電路設(shè)計(jì)為最佳，見(jiàn)圖8：控制電路圖。

圖8 控制電路圖

如圖8所示：S1是觸發(fā)開(kāi)關(guān)，觸發(fā)一次Q2導(dǎo)通一個(gè)半波，L1為主線(xiàn)圈，L2為輔助線(xiàn)圈，Q1起到電磁沖力可調(diào)的作用，通過(guò)R8可以調(diào)整電路電流。R8見(jiàn)圖六試驗(yàn)樣機(jī)尾部。本電路采用純阻容設(shè)計(jì)，電路工作穩(wěn)定可靠功耗及成本低。

結(jié)論

本報(bào)告建立在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上。試驗(yàn)研究采用析因、優(yōu)選和正交試驗(yàn)法。

本試驗(yàn)就是針對(duì)電釘槍動(dòng)力不足的主要問(wèn)題，對(duì)其參數(shù)做優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果非常滿(mǎn)意，能在電網(wǎng)電壓190V的情況下將F30的T型釘（99%）完全擠如木質(zhì)堅(jiān)硬的柚木?？刂齐娐啡缒茉O(shè)計(jì)成力度自動(dòng)可調(diào)對(duì)產(chǎn)品化具有更大的意義。

本試驗(yàn)的方法、試驗(yàn)結(jié)果和控制電路僅供針對(duì)直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與零壓觸發(fā)電路設(shè)計(jì)參考。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“直流螺管式開(kāi)路磁系統(tǒng)的試驗(yàn)研究”，作者為于季剛。）