激光切割設備中空氣動卡盤的設計

□ 馬建潤 □ 石利軍 □ 江 淵 □ 蔣習鋒 □ 岳念舉

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1 設計背景

激光切割是激光加工行業中應用最廣泛的一項技術,用激光光束代替傳統機械刀具,具有精度高、切割快速、不受切割圖案復雜程度限制、自動排版、節省材料、切口平滑、加工成本低等特點,已廣泛應用于汽車、機車、航空、化工、輕工、電器、電子、石油、冶金等領域。

近年來,激光切割技術發展很快,國際上激光切割設備的產量每年都以20%～30%的速度增長。我國自1985年以來,以每年25%以上的速度增長。由于我國激光工業起步晚,基礎較差,激光加工技術的應用尚不普遍,激光加工整體水平與先進國家相比仍有較大差距。激光切管機是一種激光切割設備,隨著激光切管機市場的日益擴大,目前沒有專業匹配激光切管機與激光板管一體機的氣動卡盤,用于裝夾切割管材。根據市場切割管材的需求反饋,激光切割設備整機廠目前配備的氣動卡盤存在制造精度低、前后夾緊一致性差、安裝不便捷、自身慣量大等問題。市場需要一款性能優越的卡盤來替換目前客戶使用的簡陋卡盤,設計一種全新的激光切管機專用中空氣動卡盤成為當務之急。

2 結構設計

中空氣動卡盤專為激光切管機和激光板管一體機設計制造。

中空氣動卡盤可以作為獨立主軸使用,同時又能夾持零件。中空氣動卡盤內置兩個獨立氣缸動力源,用于驅動卡爪,實現四個卡爪兩兩聯動、自動定心,且不相互干涉動作。氣路采用配氣環進氣結構,在裝夾零件時,中空氣動卡盤不轉動。夾緊零件后,通過氣路中的誘導止回閥實現氣路單向保壓,使產品加工時不受突然斷氣影響。卡盤體為前置式結構,在保證夾持范圍的前提下,有效降低整體高度,解決激光板管一體機行走橫梁高、運動慣量大而導致振動,造成加工精度差的問題。中空氣動卡盤的底座與工作臺固定,只需加裝驅動電機和氣源,就可實現不同管類零件的夾持。中空氣動卡盤卡爪上的滾輪結構可以使管材在連續加工狀態下動作順暢,表面無損傷。

中空氣動卡盤的整體結構如圖1所示。中空氣動卡盤可適用于激光切管機、激光板管一體機等激光切割設備,通用性好。中空氣動卡盤軸向尺寸小,加工尾料短,材料利用率高。中空氣動卡盤具有夾緊定位精度高、重復定位精度高、夾持力穩定可靠等優點。中空氣動卡盤的轉動慣量小,能夠適應高轉速運轉,加工效率高。

3 外形尺寸設計

根據市場調研,國內卡盤存在夾緊精度低、加工尾料長、旋轉慣量大、防塵差四大缺點。解決方案如下:① 減小中空氣動卡盤軸向尺寸;② 對內部結構增強密封,在滑動塊位置增加毛氈條密封;③ 減小中空氣動卡盤外徑,從而減輕卡盤質量;④ 提高中空氣動卡盤各零部件的加工精度及裝配精度。

▲圖1 中空氣動卡盤整體結構

中空氣動卡盤外形尺寸如圖2所示。

為減少裝夾尾料,中空氣動卡盤需盡量減小軸向尺寸。回轉支撐軸承的兩側外止口直接和卡盤本體及氣密封盤的內止口配合,這樣既縮短了軸向尺寸,又減少了零件數量,防止灰塵進入卡盤體內部。

中空氣動卡盤由氣密封盤、回轉支撐軸承、卡盤本體三大部件組成。回轉支撐軸承底座上增加一個定位鍵槽,可以提高中空氣動卡盤整機裝配的精度和可調整性。

中空氣動卡盤使用齒輪傳動,并增加滾針和多處潤滑,提高傳動精度,減小摩擦損耗,提高力的傳遞效率,最終提高整體精度。

4 夾緊原理

中空氣動卡盤傳動結構如圖3所示。兩個氣缸安裝銷安裝在卡盤本體上,氣缸一端與氣缸安裝銷連接,另一端與內、外盤導向銷連接,內、外盤導向銷分別通過側耳與兩個齒盤連接固定。通過連接,氣缸推力傳遞至齒盤。過橋齒輪軸一段齒與齒盤嚙合,另一段齒與滑動塊嚙合,這樣氣缸推力通過過橋齒輪軸傳遞至滑動塊。滑動塊的軌跡受壓條和卡盤本體限制,只能做徑向滑動。卡爪固定在滑動塊上,通過滑動塊的來回移動使卡爪對不同規格的零件進行夾緊和松開。

5 夾緊力計算

以通徑為225 mm的中空氣動卡盤為例,對夾緊力進行計算。

中空氣動卡盤氣源壓強一般在1 MPa以內,根據被夾管材零件壁厚的不同,選擇不同的壓強。

根據JB/T 5923—2013《氣動氣缸技術條件》,缸徑為32～400 mm的氣缸,最大理論輸出力F為:

F=0.8pπD2/4

(1)

▲圖3 中空氣動卡盤傳動結構

式中:p為公稱壓力;D為氣缸內徑。

以氣缸推力對零件夾緊,選擇缸徑為63 mm的氣缸,壓力為0.9 MPa,最大理論輸出力為2 243 N。

氣缸行程如圖4所示,選擇為52 mm。

▲圖4 氣缸行程

氣缸的原始安裝長度為240 mm。當卡爪最大張開時,作用力臂為166.1 mm,所產生的力矩為372.5 N·m。當氣缸達到最大行程時,卡爪最小夾緊,此時作用力臂為143.8 mm,所產生的力矩為322.5 N·m。

過橋齒輪軸1和過橋齒輪軸2的齒部為直齒,模數為2 mm,齒數為20,壓力角為20°,分度圓直徑為40 mm。

滑動塊齒條的模數為2 mm,齒數為14,壓力角為20°。

齒盤與過橋齒輪軸嚙合處的力臂為160 mm,齒盤與過橋齒輪軸嚙合處產生的最大圓周力為2 328 N，最小圓周力為2 015.6 N。齒盤與過橋齒輪軸最大嚙合處的最大法向力為2 187.6 N,最小法向力為1 894 N。根據牛頓第三定律,過橋齒輪軸與齒盤嚙合處產生的最大法向力為2 187.6 N,最小法向力為1 894 N。過橋齒輪軸與滑動塊齒條嚙合處的最大法向力為2 187.6 N,最小法向力為1 894 N。過橋齒輪軸作用于滑動塊齒條上的水平方向分力最大為2 055.7 N,最小為1 779.8 N。過橋齒輪軸作用于滑動塊齒條上的豎直方向分力最大為748.2 N,最小為647.8 N。

取摩擦因數為0.1,滑動塊摩擦力最大為74.82 N,最小為64.78 N。單側滑動塊水平方向的最大夾緊力為1 980 N,最小夾緊力為1 715 N。取綜合損耗為20%,最終產生的最大夾緊力為1 584 N,最小夾緊力為1 372 N。

卡爪與滑動塊齒條通過螺釘固定,通過鍵槽定位,鍵槽之間的距離為50 mm。滑動塊齒條結構如圖5所示。滑動塊齒條帶動卡爪做夾緊和松開運動,當用滑動塊齒條內鍵槽定位時,卡爪夾緊的范圍為13.6～120.8 mm。當用外鍵槽定位時,卡爪夾緊的范圍為113.6 mm～220.8 mm。滑動塊齒條內鍵槽定位時卡爪夾緊范圍如圖6所示。

▲圖5 滑動塊齒條結構

▲圖6 滑動塊齒條內鍵槽定位時卡爪夾緊范圍

6 材料處理

在中空氣動卡盤的傳動系統中,齒輪的傳動精度直接影響中空氣動卡盤的整體精度。根據制造難度及制造成本,齒盤與過橋齒輪軸齒部加工精度選擇6級,滑動塊齒條加工精度選擇8級。齒盤選擇42CrMo中碳合金鋼材料,氮化處理。過橋齒輪軸選擇42CrMo中碳合金鋼材料,齒部感應淬火處理。滑動塊齒條選擇42CrMo中碳合金鋼材料,氮化處理。

7 試驗校核

將中空氣動卡盤底座與工作臺固定,接入壓縮空氣氣源,壓力為0.4～0.9 MPa,電機帶動中空氣動卡盤空載運轉,檢查中空氣動卡盤運行情況。中空氣動卡盤正反轉交替進行,停轉時卡爪做松開動作。

以通徑為225 mm的中空氣動卡盤為例,試驗項目見表1。

三是潛力數據統計冗余繁雜。從宏觀上看，我國綜合國力和國防動員潛力極大增強，現有經濟體量穩居世界第二，是全球制造業第一大國，2017年GDP超過12萬億元，高鐵運營里程占世界2／3。面對“天量”的潛力資源，延續以往“大而全”的覆蓋式統計方式，必然生成“海量”潛力數據，大大增加了潛力統計的工作量。從微觀上看，動員需求提報、潛力對接機制仍未有效建立，需求清單指向不明確、標準不統一，對接不順暢的問題比較突出，客觀上加大了潛力統計的難度。實際工作中，以各行業系統專業數據為基礎進行普遍性填報、規模性疊加、周期性更新，導致數據冗余度高、針對性差、可用率低，不利于戰時動員行動的組織實施。

表1 中空氣動卡盤試驗項目

(1)跳動。將百分表表座固定在試驗臺上,用百分表靠在氣密封盤內止口及端面處,測試徑向及端面跳動。

(2)回轉精度。夾緊測試工裝,將百分表固定在試驗臺上,產品旋轉一周,測試工裝的跳動不得大于0.05 mm。

(3)重復定位精度。卡爪夾緊測試工裝,用百分表打在測試工裝上,松開、夾緊重復進行十次,記錄數值的變化,不得大于0.05 mm。

(4)保壓。氣缸夾緊,同時關閉氣源,氣壓為0.7 MPa,保壓10 h,氣壓下降不大于0.05 MPa。

(5)夾緊力。用卡爪夾緊測力計測試夾緊力大小,分別在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa壓力下測試,記錄數據。

(6)單爪行程。測量單只卡爪夾緊和松開時的移動數值。

(7)夾緊范圍。測量卡爪夾緊和松開時兩只卡爪間的最大距離和最小距離。

(8)試車試驗。接入壓縮空氣,調整好皮帶,電機帶動中空氣動卡盤空載運轉,檢查整機運行情況。運轉次序為50 r/min運轉30 min,150 r/min運轉10 min,200 r/min運轉5 min,正反轉交替進行,停轉時卡爪做松開動作。試驗時間為12～16 h,要求無異響,卡爪動作順暢。

所有測試完成后,檢查中空氣動卡盤表面質量,應外觀整潔,無劃傷,油漆完好,整機無缺件,然后貼警告標志,訂鋁標牌,印制出廠編號。

8 結束語

中空氣動卡盤是激光切割設備的主要裝夾部件,通過對中空氣動卡盤的研究分析,以通徑為225 mm的中空氣動卡盤為例進行了設計,為中空氣動卡盤的制造提供了依據。對制造完成的中空氣動卡盤進行了試驗校核,試驗結果達到設計要求。

中空氣動卡盤的設計為激光切割設備對加工管材的裝夾提供了新的思路,具有參考價值。