釘槍機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作業(yè)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(chǎn)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(shù)都是氣釘槍。氣釘槍作業(yè)時必須攜帶空壓機適合專業(yè)裝修團隊使用。早在上世紀(jì)九十年代初，美國工匠牌電釘槍就已經(jīng)在國內(nèi)有銷售。同時國內(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(shù)做優(yōu)化設(shè)計。本試驗的方法與實驗僅供針對直流螺管式開路磁系統(tǒng)的設(shè)計參考。

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，電釘槍由線圈、鐵芯、槍針、槍頭部分、彈夾、復(fù)位彈簧、觸發(fā)開關(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型釘長度為30mm，本試驗是建立在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)開關(guān)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(gòu)為直流螺管式開路磁系統(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

本機構(gòu)選用直流螺管式開路磁系統(tǒng)，F(xiàn)30的T型釘必須在瞬間被擠入木頭，機構(gòu)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(fā)，半波導(dǎo)通。（采用工頻交流電供電）

2.1 機構(gòu)的反力特征

如圖2所示，機構(gòu)的反力有下列特征：首先鐵芯啟動后槍針將頂?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(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?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 機構(gòu)的反力特征

2.2 機構(gòu)的沖力特征

機構(gòu)的沖力特征也是我們要研究和試驗的重點內(nèi)容，它涉及到多方面的復(fù)雜因素。

2.2.1 線圈電壓、電流與沖力的關(guān)系

如圖3所示為線圈的電壓電流波形，電流的關(guān)系將在t1時刻達(dá)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(shù)

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

圖3 線圈電壓與電流關(guān)系

2.2.3 線圈的主要參數(shù)與鐵芯沖力的關(guān)系

線圈的主要參數(shù)有線圈的直徑和匝數(shù)，線圈長度L和內(nèi)徑Φ取決于骨架的參數(shù)。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(shù)成正比，但增加線圈的匝數(shù)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(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(nèi)徑。長度略大于線圈骨架的長度。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動的加速度。

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(nèi)置F30的T型釘。T型釘?shù)南轮裹c離彈夾的下沿還有一定距離（看彈夾開模尺寸），T型釘?shù)南轮裹c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(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法頂出T型釘，距離太遠(yuǎn)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?shù)木嚯x+ F30 T型釘?shù)拈L度+槍嘴長度+出針長度。

2.2.6 機構(gòu)的沖力特征分析

對于直流螺管式開路磁系統(tǒng)的磁力一般有二個分量：其一是由主氣隙磁導(dǎo)和相應(yīng)的主磁場能量的變化產(chǎn)生的；另一是由銜鐵側(cè)面的有效磁通（通過銜鐵側(cè)面且切割線圈的漏磁通）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)計采用了試驗研究的方法，通過參數(shù)優(yōu)選完成設(shè)計。

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

試驗條件為：本試驗選擇了供電環(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，電源電壓實測約穩(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測約穩(wěn)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(zhì)堅硬、細(xì)膩、一致性好的特點）；

試驗結(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）；

試驗研究的方法：析因法、優(yōu)選法和正交試驗法。

以下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)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(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)增加鐵芯的長度，本試驗槍針露出槍頭取3.0（-0.5mm）為佳。

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

（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(yuǎn)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?shù)奶鴦印?

3.2.3 鐵芯行程為靜態(tài)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(tài)時槍頭離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(nèi)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(tài)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(jié)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(nèi)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(shù)據(jù)觀察效果。

試驗結(jié)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(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(nèi)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(dāng)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(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(jù)：鐵芯行程=鐵芯上止點—鐵芯下止點

試驗得出當(dāng)鐵芯上止點未含入線圈內(nèi)，啟動力欠佳，以含入線圈內(nèi)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(shù)如表一所示：

表一 線圈參數(shù)表

對于裝甲螺管式磁系統(tǒng)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(tǒng)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(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(fā)熱量也加大。線圈的重量增加，槍身的重心向前移動，穩(wěn)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(gòu)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(fā)，半波導(dǎo)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(chǎn)品的電路及其它觸發(fā)電路等。以如下電路設(shè)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(fā)開關(guān)，觸發(fā)一次Q2導(dǎo)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(diào)的作用，通過R8可以調(diào)整電路電流。R8見圖六試驗樣機尾部。本電路采用純阻容設(shè)計，電路工作穩(wěn)定可靠功耗及成本低。

結(jié)論

本報告建立在大量的試驗基礎(chǔ)上。試驗研究采用析因、優(yōu)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(shù)做優(yōu)化設(shè)計。試驗結(jié)果非常滿意，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)堅硬的柚木?？刂齐娐啡缒茉O(shè)計成力度自動可調(diào)對產(chǎn)品化具有更大的意義。

本試驗的方法、試驗結(jié)果和控制電路僅供針對直流螺管式開路磁系統(tǒng)的設(shè)計與零壓觸發(fā)電路設(shè)計參考。

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