薄壁不銹鋼圓管三維激光切割?yuàn)A具設(shè)計(jì)

王斌修 田新國

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的切割方法向高精度、高效率和高靈活性的方向發(fā)展，激光切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，激光切割是激光加工領(lǐng)域應(yīng)用最廣的一種加工方法，可以占到材料加工應(yīng)用的60%［1］。三維激光切割具有加工精度高、切縫不變形、切口無毛刺、切割速度快、熱影響區(qū)小且不受加工形狀限制等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，尤其在薄壁不銹鋼圓管切割方面具有重要的意義。薄壁不銹鋼圓管外觀亮麗、經(jīng)久耐用，比較適合明管安裝而且具有安全可靠、衛(wèi)生環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用等眾多優(yōu)點(diǎn)，在供暖系統(tǒng)、生活用水、小口徑煤氣管網(wǎng)、消防管網(wǎng)和直飲水等方面有大量的應(yīng)用［4］。但薄壁不銹鋼圓管同時(shí)具有壁厚薄、剛性差和強(qiáng)度弱等特點(diǎn)，在裝夾和切割過程中極易產(chǎn)生變形。設(shè)計(jì)薄壁不銹鋼圓管激光切割?yuàn)A具，解決其直接裝夾時(shí)裝夾變形和定位精度低的問題，提高切割質(zhì)量。

1 激光切割

1．1 激光切割的機(jī)理及分類

激光切割以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作，切割時(shí)激光束聚焦成很小的光斑，光斑具有非常高的功率密度，被光斑照射的材料迅速熔化、汽化或達(dá)到燃點(diǎn)，蒸發(fā)形成孔洞。隨著激光束與材料的相對(duì)移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，激光束沿著切割的前沿繼續(xù)照射，切縫中的熔融物質(zhì)被與激光束同軸的高速氣流吹除，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法［5－7］。

激光切割薄壁不銹鋼圓管時(shí)若采用氧氣作為輔助氣體，切割過程中氧氣與不銹鋼在高溫下會(huì)發(fā)生鐵氧反應(yīng)，使切口氧化變黑，而且奧氏體不銹鋼中鉻、鎳等元素使得熔化層氧化不完全，與工件之間有較大的粘附力，易在切口的下沿留有熔化殘?jiān)?。但采用高壓氮?dú)饣驓鍤獾容o助切割薄壁不銹鋼圓管時(shí)，切縫更窄，切口表面粗糙度值更小，而且切口表面無殘?jiān)?，無燒邊現(xiàn)象，能有效提高切割質(zhì)量，并可直接用來焊接［8］。從被切割材料、輔助氣體及切割過程中的物理形式來看，激光切割大體上可以分為汽化切割、熔化切割、氧助熔切割和控制斷裂切割4類。所以采用高壓氮?dú)饣驓鍤獾容o助切割薄壁不銹鋼圓管屬于熔化切割，其激光作用機(jī)理為利用一定功率密度的激光加熱工件，使之熔化形成孔洞，小孔隨著工件的移動(dòng)而移動(dòng)從而形成切縫，與激光束同軸的高壓氮?dú)饣驓鍤獾确茄趸愿邏狠o助氣流將孔洞周圍的熔融材料帶走，完成對(duì)工件的切割［9］。

1．2 薄壁不銹鋼圓管三維激光切割系統(tǒng)及問題

薄壁不銹鋼圓管三維激光切割系統(tǒng)如圖1所示，其中工作臺(tái)由水平移動(dòng)軸x軸和y軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸z軸組成。當(dāng)進(jìn)行空間曲線的切割時(shí)，由x軸的平移和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成工件相對(duì)激光束的移動(dòng)，按照要求在圓管上切割出空間曲線。薄壁不銹鋼圓管切割過程中，由于薄壁圓管的剛性不足，在z軸徑向夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，降低了定位精度，造成切割后的不銹鋼圓管出現(xiàn)橢圓等不規(guī)則變形情況。而且在薄壁圓管自身重力的作用下造成圓管翹曲變形，經(jīng)過三維激光切割后的圓管也會(huì)隨之產(chǎn)生形位誤差，引起圓管切割形狀和切口的相對(duì)位置偏差，這些都將最終影響薄壁不銹鋼圓管加工精度和切割質(zhì)量。

2 夾具設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)時(shí)的具體要求包括:第一，要保證薄壁不銹鋼圓管（工件）在夾具中能夠準(zhǔn)確定位;第二，要盡量減小或消除圓管裝夾產(chǎn)生的裝夾變形和自身重力造成的翹曲變形，提高切割質(zhì)量;第三，夾具應(yīng)具有可調(diào)整性和一定的通用性;第四，夾具結(jié)構(gòu)盡量簡單，圓管（工件）裝夾方便。以尺寸為長×外徑×壁厚=90 mm×Φ60 mm×1 mm的薄壁不銹鋼圓管為例，根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)出的薄壁不銹鋼圓管三維激光切割?yuàn)A具結(jié)構(gòu)如圖2所示。該夾具為心軸、漲套可調(diào)式結(jié)構(gòu)。

其中左、右定位板與薄壁不銹鋼圓管之間的配合為H6/h5，右定位板5與定位夾緊套6之間的配合為E8/h7，定位夾緊套的內(nèi)外錐度及右定位板的內(nèi)錐度均為10°。圓管裝夾過程為:先用緊定螺釘1將左定位板2固定在心軸3上，固定時(shí)使用定力矩扳手保證對(duì)稱布置的2個(gè)緊定螺釘受力相同，防止左定位板產(chǎn)生偏心;然后將其豎起，從心軸的另一端裝入圓管4，將右定位板5裝在心軸上并與圓管內(nèi)孔配合，安裝定位夾緊套6、墊圈7和彈簧10，并使定位夾緊套插入心軸與右定位板之間的間隙中，定位夾緊套的主視圖及左視圖如圖3所示;在定位夾緊套上加工出圓槽和3個(gè)均勻布置的螺釘孔，安裝時(shí)將墊片和彈簧放入圓槽中，然后將帶肩螺母9在心軸上擰緊，安裝定位夾緊套上均勻布置的3個(gè)調(diào)節(jié)螺釘8;通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘，進(jìn)一步提高圓管在夾具上的定位精度，至此，圓管完成裝夾。該夾具能夠有效地消除徑向夾緊力和圓管自身重力的影響，從而有效減小圓管的裝夾和翹曲變形，因而減小變形引起的形位誤差。定位夾緊套的自動(dòng)定心功能和均勻布置的3個(gè)調(diào)節(jié)螺釘可以保證圓管具有較高的定位精度。通過使用該夾具可以有效保證薄壁不銹鋼圓管的切割加工精度，提高其切割質(zhì)量。

3 結(jié)語

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)該夾具有效解決了薄壁不銹鋼圓管直接裝夾產(chǎn)生裝夾和翹曲變形及定位精度低的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、定位可靠、拆裝方便、工件切割合格率高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。另外，該夾具可自動(dòng)定心，并具有可調(diào)整性和一定的通用性，能夠提高薄壁不銹鋼圓管三維激光切割時(shí)的加工效率和切割質(zhì)量。

［1］左鐵釧．21世紀(jì)的先進(jìn)制造:激光技術(shù)與工程［M］．北京:科學(xué)出版社，2007:125．

［2］洪蕾，米承龍，柳德金．旋轉(zhuǎn)氣流控制激光切割特種鋼薄板［J］．中國激光，2007，34（4）:543－547．

［3］王瓊娥，狄瑞坤，張海濤．三維激光切割技術(shù)在空間曲線加工中的應(yīng)用［J］．機(jī)械制造，2005，43（490）:36－38．

［4］郭艾．簡析中國薄壁不銹鋼管市場狀況［J］．建設(shè)工程選材指南，2006（7）:11－12．

［5］詹華西，李艷華．3D激光切割機(jī)的MasterCAM后處理定制技術(shù)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2011（2）:151－153．

［6］滕杰，王斌修．激光切割工業(yè)純鋁的工藝研究［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2009（8）:24－26．

［7］茹冰偉，楊賀來．割縫篩管的激光切割［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2005（11）:23－25．

［8］張永康，周建忠，葉云霞．激光加工技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:40．

［9］洪蕾，吳鋼．激光加工技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:人民交通出版社，2008．