釘槍機廣泛地使用于家居裝修、沙發、建筑、制鞋、制革、包裝等行業。尤其是裝修行業，早已大量使用釘槍機作業了。釘槍機使用F10-F30的T型釘。由于釘槍機的廣泛使用，多種多樣型號的新產品不斷問世，如氣動釘槍機、電動釘槍機。

目前市場上的釘槍機絕大多數都是氣釘槍。氣釘槍作業時必須攜帶空壓機適合專業裝修團隊使用。早在上世紀九十年代初，美國工匠牌電釘槍就已經在國內有銷售。同時國內浙江地區也有廠家生產電釘槍。電釘槍成本低、攜帶方便適合家庭DIY裝修及一些便攜的場合。

上世紀九十年代初由于電力電網的不穩定及電釘槍本身的局限性，即電釘槍動力不足導致槍釘不能完全釘入較硬的木質。電釘槍也就缺乏了其市場競爭能力。

本試驗就是針對電釘槍動力不足的主要問題，對其參數做優化設計。本試驗的方法與實驗僅供針對直流螺管式開路磁系統的設計參考。

1．電釘槍的結構與工作原理

如圖1電釘槍的結構所示，電釘槍由線圈、鐵芯、槍針、槍頭部分、彈夾、復位彈簧、觸發開關、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，F30的T型釘長度為30mm，本試驗是建立在F30的T型釘的基礎上。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，按觸發開關一次，控制電路使線圈得到一個正半波的電壓，線圈的電磁力使鐵芯向下運動，鐵芯向下運動帶動槍針，槍針頂出一枚T型釘沖出槍嘴擠入木頭。此電釘槍的機構為直流螺管式開路磁系統。

圖1 電釘槍的結構

2．電釘槍結構的主要參數及分析

本機構選用直流螺管式開路磁系統，F30的T型釘必須在瞬間被擠入木頭，機構特點 ：瞬間沖擊力大（沖擊電流大），動作時間短，動作頻率高。

控制電路特點 ：零壓觸發，半波導通。（采用工頻交流電供電）

2.1 機構的反力特征

如圖2所示，機構的反力有下列特征：首先鐵芯啟動后槍針將頂到T型釘，T型釘是整排并排膠聯著，需要足夠的初始頂力方可頂開(T0時刻)；其次T型釘釘入木頭瞬間鐵芯要有足夠的動力（T1）；再者隨著T型釘的深入阻力加大（T1~T2），鐵芯要有足夠的沖力方能將T型釘擠入木頭。

圖2 機構的反力特征

2.2 機構的沖力特征

機構的沖力特征也是我們要研究和試驗的重點內容，它涉及到多方面的復雜因素。

2.2.1 線圈電壓、電流與沖力的關系

如圖3所示為線圈的電壓電流波形，電流的關系將在t1時刻達到最大值，電磁吸力F與然后逐步減小。

2.2.2 線圈骨架的主要參數

線圈骨架如圖4所示，主要參數是線圈長度L和內徑Φ，其他參數是內壁和二邊的厚度。 線圈骨架的參數取決去鐵芯直徑、行程和材料等。

圖3 線圈電壓與電流關系

2.2.3 線圈的主要參數與鐵芯沖力的關系

線圈的主要參數有線圈的直徑和匝數，線圈長度L和內徑Φ取決于骨架的參數。線圈與骨架示意圖如圖４所示。

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

圖4 鐵芯與骨架

鐵芯的沖力與線圈的匝數成正比，但增加線圈的匝數的同時將增加線圈的直流阻抗，直流阻抗增加則電流減小沖力下降。

2.2.4 鐵芯的主要參數與鐵芯沖力的關系

鐵芯的主要參數是鐵芯的直徑、長度和重量。鐵芯材料采用DT3電工軟鐵。鐵芯的直徑略小于線圈骨架的內徑。長度略大于線圈骨架的長度。根據 F=ma，在電磁吸力F一定的情況下，適當減輕鐵芯的重量可以提高鐵芯運動的加速度。

2.2.5 槍頭部分結構的主要參數

如圖2所示，槍頭部分在線圈下方，線圈與槍頭部分之間含一減震墊片。

槍頭部分與彈夾連接，彈夾內置F30的T型釘。T型釘的下止點離彈夾的下沿還有一定距離（看彈夾開模尺寸），T型釘的下止點至彈夾下部分的即為槍嘴，槍嘴太短不利于操作。

鐵芯帶動槍針，槍針頭應離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法頂出T型釘，距離太遠鐵芯的行程太長最后將無法將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型釘會可靠的擠入木頭。我們把這段距離稱為出針長度。

槍頭部分決定了鐵芯的行程：槍針頭離T型釘的距離+ F30 T型釘的長度+槍嘴長度+出針長度。

2.2.6 機構的沖力特征分析

對于直流螺管式開路磁系統的磁力一般有二個分量：其一是由主氣隙磁導和相應的主磁場能量的變化產生的；另一是由銜鐵側面的有效磁通（通過銜鐵側面且切割線圈的漏磁通）產生的電磁吸力。

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。

以上是電釘槍結構的主要參數與受力的定性分析，由于其受力的動態分析涉及的因數復雜，而相關性各不相同。所以本設計采用了試驗研究的方法，通過參數優選完成設計。

3．電釘槍結構的主要試驗研究與主要試驗數據

試驗條件為：本試驗選擇了供電環境較差的電力變壓器容量不小于50KVA的環境，晚間居民用電高峰期，電源電壓實測約穩定為190v50hz交流電（或可以選擇供電環境較好的電源電壓實測約穩定為220v50hz交流電，電釘槍輸入電源時加接一條12m的0.75平軟線延長線，軟線延長線起到電壓衰減的作用）；

采用柚木作為試驗對象（柚木具有木質堅硬、細膩、一致性好的特點）；

試驗結果：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，分別為+1mm、+2mm、+3mm）；

試驗研究的方法：析因法、優選法和正交試驗法。

以下結構數據均為試驗研究所得：

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，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度。

3.2 鐵芯部分

3.2.1 鐵芯最大的行程止點：槍針應適當露出槍頭，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增加鐵芯的長度，本試驗槍針露出槍頭取3.0（-0.5mm）為佳。

3.2.2 靜態時槍針頭應該離F30釘2mm（+0.5mm）。并應在彈夾上沿內。

（試驗證明：1、槍針頭離F30釘太近時，啟動力不足將不能啟動。2、槍針頭離F30釘太遠時，行程長而影響動作時間。3、可將彈夾上沿的下邊盡量下移，可減少鐵芯回程時槍釘的跳動。)

3.2.3 鐵芯行程為靜態時槍針頭上止點到最大的行程下止點的距離：

出槍頭長度3.0mm+槍頭長度14mm+彈夾下沿4mm+F30釘長度30mm+靜態時槍頭離F30釘的距離2.5mm=53.5mm。(鐵芯示意圖如圖5所示)

3.2.4 鐵芯長度（鐵芯材料取DT3電工軟鐵）

試驗條件：取鐵芯直徑為20mm；骨架內徑大于鐵芯直徑1mm；線圈取Φ=0.77mm×720匝

鐵芯長度=鐵芯最大行程+靜態時鐵芯含入線圈距離（見圖4）+骨架上邊+軟磁墊片厚+反力彈簧的壓縮長度+靴極厚度=（53.5+1+4.5+1+5+2）mm=67mm

圖5 鐵芯示意圖

試驗結果：鐵芯增長，動作沖擊力減小。

3.2.5 鐵芯直徑

試驗條件：取鐵芯長度為65mm；骨架內徑大于鐵芯直徑1mm；線圈取Φ=0.77mm×720匝。

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

在其他試驗條件相同的情況下做分組試驗，每組100個數據觀察效果。

試驗結果得出在鐵芯直徑Φ=19.5mm的時候，具有最佳的動力效果。

3.2.6 鐵芯重量

根據 F=ma，在電磁吸力F一定的情況下，適當減輕鐵芯的重量可以提高鐵芯運動的加速度。

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

試驗在鐵芯：實芯或空芯（空芯內孔Φ=8mm~Φ=14mm）之間做試驗。

試驗證明取空心Φ=14mm較佳。鐵芯重量減輕，動作加速度提高，動力的效果提高。

3.2.7 靴極

可以考慮適當增大靴極直徑，可增大動作沖擊力。

鐵芯靴極的作用有：加強對鐵芯靴極的吸力，使吸力中心沿鐵芯中心位置向下移動；可用以起定位作用；

可以考慮鐵芯的靴極與骨架內徑同。

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：上徑19.5mm；下徑50mm；長度105mm；750g；Φ=0.8mm；螺距8mm。

3.3 線圈部分

3.3.1 骨架長（線圈骨架示意圖見圖4）

根據：鐵芯行程=鐵芯上止點—鐵芯下止點

試驗得出當鐵芯上止點未含入線圈內，啟動力欠佳，以含入線圈內1mm為合適，

則：骨架長=鐵芯行程+1mm含入量+上邊厚

=（53.5+1+4.5）mm

= 59mm

(略加長1—2mm可增加含入量)

線圈長度=骨架長—上邊厚—下邊厚

=（59—4.5—4.5）mm

= 50mm

3.3.2 線圈部分（要求線圈品字排繞）

以線圈長度50mm為例，可繞以Φ0.60~0.95mm漆包線。線圈參數如表一所示：

表一 線圈參數表

對于裝甲螺管式磁系統線圈的最佳長度長寬比為7~8，而對于直流螺管式開路磁系統長寬比在此取較小。

試驗證明，隨著漆包線線徑的加粗，吸力略有提高。但電流增大。（電流的測試方法：電路中串聯一直徑Φ為1.2mm的0.1Ω的錳銅絲電阻又示波器波形給出）

線圈的線徑的加粗后，電流增大，盡管線圈的熱容量提高，線圈的發熱量也加大。線圈的重量增加，槍身的重心向前移動，穩定性提高。

試驗得出線圈直徑Φ取0.77mm綜合評價為最好。

3.3.3 其他機構就不再一一說明（如軟磁墊片、抗震墊片等）。

4. 試驗樣機（如圖6所示：試驗樣機外加了外殼抗沖擊保護）

圖6 試驗樣機

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，半波導通。（采用工頻交流電供電）

對于控制電路考證了美國“工匠”牌電動釘槍機的三個時期產品的電路及其它觸發電路等。以如下電路設計為最佳，見圖8：控制電路圖。

圖8 控制電路圖

如圖8所示：S1是觸發開關，觸發一次Q2導通一個半波，L1為主線圈，L2為輔助線圈，Q1起到電磁沖力可調的作用，通過R8可以調整電路電流。R8見圖六試驗樣機尾部。本電路采用純阻容設計，電路工作穩定可靠功耗及成本低。

結論

本報告建立在大量的試驗基礎上。試驗研究采用析因、優選和正交試驗法。

本試驗就是針對電釘槍動力不足的主要問題，對其參數做優化設計。試驗結果非常滿意，能在電網電壓190V的情況下將F30的T型釘（99%）完全擠如木質堅硬的柚木。控制電路如能設計成力度自動可調對產品化具有更大的意義。

本試驗的方法、試驗結果和控制電路僅供針對直流螺管式開路磁系統的設計與零壓觸發電路設計參考。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“直流螺管式開路磁系統的試驗研究”，作者為于季剛。）