气动工具基础知识

气动工具基础知识

1．什么是气动工具

气动工具是一种能把压缩空气的能量转化为各种机械能，从而完成各项工作的机具。通常形式为手持式。

2．气动工具的分类

（A）从运动形式分：a 旋转式（如气钻）

b 往复式（如气铲）

c 旋转+往复式（如气锤钻）

注：当往复的速度快到一定程度时，就体现为冲击式

（B）从马达动力形式分： a 活塞式（如气动锚索钻机）

b 叶片式（如气砂轮）

c 涡轮式（如高速小型气砂轮，典型为前哨S10-2）

d 齿轮式（如气动煤钻）

（C）从用途上分：①旋转式 a 气扳机

b 气螺刀

c 气钻

d 气砂轮

e 气动抛光机

f 气动磨光机

g 气动砂带机

h 气动攻丝机

i 气剪刀

j 气锯

k 气铣

l 气动捆扎机

m气动雕刻机（旋转式）

n 气动除锈机（旋转式）

o 气动震动机（旋转式）

②往复式 a 气铲

b 气镐

c 气动铆钉机

d 气冲剪

e 气锉刀

f 气动钳

g 气动油枪

h 气动捣固机

i 气顶把

j 气动打钉机

k 气动封口机

l 气动订合机

m 气动扎网机

n 气动雕刻机（往复式）

o气动除锈机（往复式）

p气动震动机（往复式）

③旋转+往复式 a 气锤钻

b 气动气门研磨机

c 气动自动进给钻

需要补充的是：除了气动工具外，整个“气动家族”还包括凿岩机械（凿岩机、钻车、钻机、破碎机、凿岩辅助设备）、气动机械（各式气泵、气动吊、气动绞车、气动打桩机等）和气动马达（活塞式、叶片式、涡轮式和齿轮式各类气动马达）等。

以上是行业产品组划细目，在应用中不便记忆。实际开发营销过程中，我们建议采用以下简明分类（仅气动工具类）：

①旋转式 a 气扳机

b 气螺刀

c 气钻

d 气砂轮

②往复式 a 气铲

b 气镐

c 气动铆钉机

③旋转+往复式 a 气锤钻

把其余各产品统统划入其余类中。

3．气动工具的特点（与电动工具比较）

由于气动工具一般是作为手持工具使用，要求小型轻量，所以，通过构造合理化以及高精度的加工、严格的材质选择、多次的热处理等达成这一目的。其与电动工具相比具有如下长处：

1）同样重量体积下输出功率大。

2）没有超负荷故障（电动工具此时会烧电机）。

3）使用维修简单。

4）耐水性能强（浸水虽然对工具有害，但气动工具没有致命危险）。

5）速度和输出功率易调节。

6）很容易达到高速运转。

7）在本质上为防爆构造（适合易燃易爆场合）。

弱点：

1）没有电动工具那样随处都有能源（电源），连接管路也比电动工具之电缆粗重。

2）能量二次转换，能源利用率低（通常要将电能转化为高压空气的压力能，再转化为机械能；而电动工具直接将电能转化为机械能）。

4．气动工具安全使用规则

1）供气管路中必须安装调压阀、分水滤气器及油雾器，保证供气压力稳定，压缩空气干燥清洁且含有足够的雾状润滑油。

2）每班工作前应向气动工具进气口注入3～5滴20#机油，并空转1～2秒，充分润滑内部机件。

3）供气压力应符合说明书或标牌上的规定。

4）下列情况下要及时关闭气路：

A 更换附件时（如更换扳套、螺刀头、钻头、砂轮等）。

B 发现故障或进行维修时。

C 停止工作时。

5）排气方向不要朝向自己或周围的人。

6）经常检查气管，一旦发现松动或破损要及时维修或更换。

7）工作时不要用手触摸工具的旋转部分，并要防止衣服、饰物、头发等被工具缠绕。

8）附件（扳套、钻头、螺刀头等）的安装必须牢靠，并尽量避免空转。

9）砂轮类工具必须按说明书要求，使用线速度符合规定的砂轮，不得随意加大砂轮直径，更不得取消砂轮罩。

10）在装配线上使用的工具应悬挂在平衡器上，禁止随便乱扔或随意摔打。

11）在有切屑或砂粒飞溅的场合，应佩戴防护眼镜。

12）在灰尘飞扬的环境中工作要佩戴口罩。

13）注意工作环境的安全，防止滑倒或被压缩空气管线绊倒。

14）振动和噪声会对操作者的健康造成一定的影响，应按国家卫生标准进行适当保护。

15）停用半年以上的气动工具需经清洗、油封后保存。

5．气动工具常见故障现象及排除方法

由于气动工具精度高、转速快、外壳轻薄、结构紧凑，如果使用不当会造成各种故障。常见的故障现象及排除方法如下：

1）长期不用后无法运转

原因：气路堵塞、开关失效或轴承、各运动件及叶片锈死。

排除：先检查气路是否畅通？开关是否动作正常？这些都正常时，必须分解后

更换轴承及用清洗煤油清洗各零件。

2）使用一段时间后无法运转

原因：a.轴承损坏、某运动件变形或叶片破碎。

b.进入赃物。

排除：a.分解后更换轴承、更换变形件或更换叶片。

b.分解后清洗。

3）跌落或摔打后无法运转

原因：外壳变形、开裂或零件变形、移位。

排除：分解后更换变形（开裂）件或重新调整装配。

4）使用一段时间后运转无力

原因：a.叶片磨损。

b.气缸或缸盖（往复式还有缸筒）磨损。

c.运动件失效。

排除：a.更换叶片。

b.更换磨损件。

c.更换失效件。

注：气动工具属易耗品，使用一定时期后如没有维修价值时，应予以报废。

6．气动工具相关参考资料及注意事项

（A）空气压缩机容量的确定

为了保证整个管路系统中每个气动工具都能得到正常的供气压力，空气压缩机的

容量是由系统中气动工具的使用数量决定的。也就是用气动工具的平均耗气量与使用台数相乘（总计空气消耗量T）来决定空气压缩机的容量。但是，实际上所设置的气动工具不可能同时被使用，所以，如下表所示，根据总使用台数来推定同时作业系数。

通常，需要空气1m3/min（表压为6Kgf/cm2）时，约需要7.5Kw的电动机。气动工具的作业条件，有连续作业（主要使用气砂轮时）和断续作业（主要使用冲击式气扳机时）两种情况。根据实际作业情况多少会有一些区别，将连续作业时定为1（7.5Kw），将断续作业时定为0.5(3.7Kw)。

注：断续作业指每1次的操作时间不超过1分钟（主要使用冲击式气扳机时，每1次的操作时间为0.5～5sec 左右）。

Q=7.5(Kw)·T·K·S+X

Q=空气压缩机电动机的输出功率

T=总计空气消耗量

K=同时作业系数

S=由作业条件决定的系数（连续作业为1，断续作业为0.5）

X=空气外泄、排管、管路等的损耗

（B）关于排管

气动工具是利用空气压缩机产生的压缩空气的能量来工作的。输送的压缩空气必须是清洁、干燥的冷空气。因此，无论空气压缩机设置的多么合理，如果不注意排管的话，仍然会由于压力降低、冷凝水等原因对工具造成不良影响，产生输出功率降低及工具过早损坏等现象，所以必须充分注意。离空气压缩机距离的远近，必然在压力上会产生差距，特别是空气流速快时会达到相当的值。这种情况一般称为中途损失或导管损失。空气气流和导管或软管的内壁产生摩擦，是造成损失的原因。压力降低现象，可以通过增大管径相应减少。损失与管道的长度成正比，如下图所示那样，空气从储气罐经各段管道，通过油水分离器、调压阀、油雾器清除冷凝水及灰尘，以确保适当的压力，进行自动注油，防止种种对工具的不良影响。

8.油雾器 9.联接阀 10.气动工具

（C）软管使用注意事项

气动工具运转时，气动工具入口处与送气管之间产生压力差，这是由于软管造成的压力损失，一般称为软管损失。在选定软管时，尽可能注意选择软管损失少，并且不会因重量给作业带来负担的软管是气动工具使用上的一个非常重要的事项。当软管损失达到0.7Kgf/cm2以上时，应该理解为软管或有关零件选择不当，造成了软管损失过大，必须采取相应措施。下表给出了软管损失造成具体压力下降数据。

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（D）气动工具的常规保养

1）避免不必要的无负荷运转

气动工具无负荷运转，是造成工具零件早期损耗和发热，使作业效率降低的原因，请务必注意。特别是冲击式气扳机类的无负荷冲击运转，是导致冲击零件损伤并降低冲击效果的原因。

2）请勿忘记每天注油

由于气动工具的马达部分经常进行高速运转（旋转或往复运动），使用时注油量的不足会使零件的磨损急剧加快，造成运转不正常能力下降等现象，对工具的使用寿命影响很大。因此，始动时请给气动工具注入少量的润滑油（20#机油）后用低速运转。这样，润滑油会自动地喷向马达内部，马达运转顺滑，使用寿命自然延长。这种注油每天2～3次，从油塞或进气口处注入。

另外，离合器、减速器及冲击器等运转部件处，请每月1～２次，涂敷少量锂基润滑脂；轴承等部分，请根据使用频度实行相应的定期检查（3个月1次），补充锂基润滑脂。

3）禁止随便乱扔或随意摔打

气动工具外壳多使用轻合金材料制造，内部零件间的间隙很小，请爱护使用，禁止随便乱扔或随意摔打。

4）修理、分解保养，请在理解了机体结构、机能后实施

适度注油和防止灰尘侵入，是使用时应注意的事项。此外，还必须实施轴承或齿轮部分的润滑脂交换及叶片检查等定期分解保养。定期性保养不但可以使工具始终保持良好状态，还可明显地延长工具的使用寿命。

（E）关于螺纹紧固类气动工具——气扳机及气螺刀（重点）

气扳机和气螺刀从性质上其实属于一类工具，都是螺纹紧固类气动工具。由于M6及以下规格的紧固件多以螺钉形式出现，其相应的拧紧工具在手动工具上体现为螺丝刀，在气动工具上体现为气螺刀；而M6以上规格的紧固件通常以螺栓螺母形式出现，其相应的拧紧工具在手动工具上体现为各种扳手，在气动工具上体现为气扳机。

气扳机和气螺刀从工作特性上具有很多种形式，如：静扭式、静扭自停式、离合限扭式、离合增扭式、冲击式（包括：腰块式、环块式、销式、端面式、三爪式、液压脉冲式等）。静态特性越明显的形式，其工作越平稳且扭矩也越容易控制精准，但反扭矩大，一般用于小扭矩输出的气动工具上（多以气螺刀形式出现。一些需要精度高的大扭矩场合，有时也会采用静扭自停式，但必须设置反力臂以抵消反扭矩）；冲击特性越明显的形式，其工作越强劲有力，反扭矩越小，但扭矩精度难控制，多用于气扳机上。另外，冲击式气扳机还有旋转一周冲击一次和旋转一周冲击二次等等。

无论气扳机和气螺刀采用哪种形式，其制扭控扭部件都是非常重要的，直接体现工具的优劣，也是整个工具寿命的关键部件。在具体使用中应结合不同场合的特点来确定选取哪种形式。如：需要多大扭矩？对扭矩的精度要求如何？紧固件的强度等级是多少？被紧固各件的结构形式怎样？被紧固各件的材料是什么？是否使用垫片？是否采

用润滑？扭矩提升速度的要求等等。

现代工业对产品质量的要求越来越高，对产品生产过程中的设备及工具的要求也越来越高。高精度、高效率、长寿命、性能稳定的工具是市场发展的方向。行业的多元化使得气动工具的品种也不断增多，螺纹紧固类气动工具的现状更为突出。在使用和推介过程中需要掌握的知识也较多，下面就一些基础知识简单介绍一下：

什么是扭矩？

扭矩是沿着轴心旋转的力或合力，扭矩=力x距离。用一支1m长的扳手去锁紧一个螺栓，如果在扳手柄端施加一个10Kgf的力，那么就会产生一个10Kgf·m的扭矩在螺栓的中心轴线上。如下图所示。

在

是1Kgf=9.807N，因此上面施加的扭矩为98.07N·m。

扭矩控制的重要性

虽然将两个或两个以上物体结合在一起的方法很多，但可拆解的结合方法采用螺纹方式是容易而理想的。

螺纹结合主要是夹紧物体的力必须大于使它们分开的力，而螺栓须处于固定的应力下且不受疲劳强度的影响。但是，如果初始的张力太小，作用在螺栓上的不同方向的负载会很快让螺栓松脱；如果初始张力太大，锁紧的过程可能导致螺栓失效。由此可见，螺栓可靠度完全依赖正确的初始张力。实际上大部分确认初始张力的方式都是由控制扭矩值来达到的。

螺丝的张力

当螺母和螺栓锁紧时，会产生张力到螺栓上，此时会有一个相对的力量产生，压缩到物体上进而将此二者紧密结合。如下图所示。

基本上螺栓锁紧的力量是介于屈服点时张力的75%～90%。

在螺栓连接处的摩擦力

当一个螺纹结合是在锁紧的情况下，螺栓头底部和螺纹处的摩擦将影响螺栓张力的大小。一般情况下，克服螺栓头底部和被连接物之间的摩擦相当于50%的扭矩被消耗，而其它30%～40%的扭矩损失在克服螺纹处的摩擦，仅剩下10%的扭矩才能有效作用在锁紧上。如下图所示。

性上会有相当的影响，随着不同表面摩擦系数的改变将有不同的结果，综合一般重点可知：

1）当使用垫圈时，因为螺母与垫圈或垫圈与结合表面在锁紧过程中相对作用的结果会改变摩擦半径而因此影响扭矩对张力的关联性。为了有利于螺栓，

一般常使用硬的垫圈来提供较低而稳定的摩擦。

2）使用去油膜的螺栓会降低扭矩所提供的张力，而且可能在达到所需求的张力前螺栓就已经断裂。

3）虽然润滑剂会减小摩擦力，但是除了特定的锁紧扭矩需要使用外，一般均不采用，否则可能导致张力过大而使螺栓产生失效。当然，在严格控制管

理下，较低扭矩的锁紧工具可以使用润滑剂来帮助使其能以较低的扭矩产

生所需的张力。

4）螺栓可能会因外观或防腐蚀因素而电镀，为提高强度而热处理，这些都会影响摩擦系数和扭矩对张力的关联性。

5）螺栓上的摩擦力可减少振动产生的损失。像防松螺母被用来确保锁紧扭矩。

下表概略地提供表面处理与润滑的相对摩擦系数，作为计算锁紧扭矩时所应乘上摩擦系数值。

锁紧至螺栓的屈服点

较小外径螺栓锁紧至其屈服点可提供稳定性较高的预负载，尤以螺栓在重复受到使其逆转松脱的外力时可减少螺栓僵硬和疲劳。例如汽车发动机的汽缸头和连杆螺栓。

理论上，一个螺栓锁至其屈服点会更坚固而且更能抗疲劳，而其屈服点大小与螺栓材料本身的限制和制造处理有关。

下面的方法可精确计算出螺栓在屈服点时所需的扭矩：

紧固时应施加于螺栓头或螺母上的扭矩用T f表示，它等于螺栓头底部摩擦扭矩和螺纹面摩擦扭矩之和，可以从下列方式得到。

T f=1/2F f[d p(1.15μs+tanβ)+d wμw]

其中F f：对螺栓产生的张力

d p：螺纹的有效直径（有效直径基本尺寸d2参见机械手册）

μs：螺纹面的摩擦系数0.15

β:螺纹的导角tanβ=P/(πd2) 式中P为螺距

d w：螺栓头底部接触面摩擦扭矩的等效直径1.3d（d为螺纹公称直径）

μw：螺栓头底部接触面摩擦系数0.15

为了使上面的计算能够顺利应用，特摘录各等级六角螺栓的机械性能列表如下：

关于扭矩精度的保障

如我们所知：螺栓的临界因素是张力而非扭矩，用扭矩的控制只能间接获得张力的保证。虽然这在一般的场合是足够的，但为了获得张力的更高安全性或基于成本的考量是有必要的。不同形式的螺栓或垫圈使用方式的不尽相同，要想获得高精度的张力，必须探询一种统一的监测方式，其中最有效的方式是利用超音波在螺栓锁紧的过程中量测其拉伸长度。

用扭矩的控制来间接保障张力，在目前工业中仍广泛应用。为了保证紧固的可靠性，我们必须随时校验所用的工具。具体就是采用如下图所示的校验仪器：

所要注意的是：不是所有的扭矩校验仪器都能够使用于气动工具，尤其是对于冲击式气扳机。我们必须使用可以校验动态扭矩参数的测扭仪。

感觉与检测仪器对扭矩的判断发生矛盾时

当我们把校验好的气动工具投入使用时，虽然其扭矩参数符合要求，但在以往我们遇到如下错觉：1）矩小的气扳机能够拧紧的螺栓，扭矩大的气扳机却拧不紧它！原因何在？

原因：扭矩大的气动工具已使螺栓屈服，拉伸变形严重。

2）扭矩小的气螺刀拧螺钉很快，扭矩大的气螺刀拧同样的螺钉却较慢。

原因：前者采用的是旋转1周冲击2次的结构，而后者是旋转1周冲击1次的结构。同一种马达、同一尺寸的冲击机构，只是每周冲击次数不同组装出的两种气螺刀，每周冲击2次的冲击频率高，自然扭矩积累得快（适合高速流转的生产线）；每周冲击1次的冲击频率低，扭矩积累得慢，但最终能达到比前者更高的扭矩值（适合维修行业）。可见，两者各有优缺点，应针对不同用户来推介。

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