激光切割設(shè)備中空氣動卡盤的設(shè)計(jì)

□ 馬建潤 □ 石利軍 □ 江 淵 □ 蔣習(xí)鋒 □ 岳念舉

1.常州市潤淵精密機(jī)械科技有限公司 江蘇常州 213125 2.濟(jì)南金威刻科技發(fā)展有限公司 濟(jì)南 250109

1 設(shè)計(jì)背景

激光切割是激光加工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù),用激光光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械刀具,具有精度高、切割快速、不受切割圖案復(fù)雜程度限制、自動排版、節(jié)省材料、切口平滑、加工成本低等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)車、航空、化工、輕工、電器、電子、石油、冶金等領(lǐng)域。

近年來,激光切割技術(shù)發(fā)展很快,國際上激光切割設(shè)備的產(chǎn)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(yè)起步晚,基礎(chǔ)較差,激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍,激光加工整體水平與先進(jìn)國家相比仍有較大差距。激光切管機(jī)是一種激光切割設(shè)備,隨著激光切管機(jī)市場的日益擴(kuò)大,目前沒有專業(yè)匹配激光切管機(jī)與激光板管一體機(jī)的氣動卡盤,用于裝夾切割管材。根據(jù)市場切割管材的需求反饋,激光切割設(shè)備整機(jī)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(yōu)越的卡盤來替換目前客戶使用的簡陋卡盤,設(shè)計(jì)一種全新的激光切管機(jī)專用中空氣動卡盤成為當(dāng)務(wù)之急。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中空氣動卡盤專為激光切管機(jī)和激光板管一體機(jī)設(shè)計(jì)制造。

中空氣動卡盤可以作為獨(dú)立主軸使用,同時又能夾持零件。中空氣動卡盤內(nèi)置兩個獨(dú)立氣缸動力源,用于驅(qū)動卡爪,實(shí)現(xiàn)四個卡爪兩兩聯(lián)動、自動定心,且不相互干涉動作。氣路采用配氣環(huán)進(jìn)氣結(jié)構(gòu),在裝夾零件時,中空氣動卡盤不轉(zhuǎn)動。夾緊零件后,通過氣路中的誘導(dǎo)止回閥實(shí)現(xiàn)氣路單向保壓,使產(chǎn)品加工時不受突然斷氣影響?？ūP體為前置式結(jié)構(gòu),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(jī)行走橫梁高、運(yùn)動慣量大而導(dǎo)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(qū)動電機(jī)和氣源,就可實(shí)現(xiàn)不同管類零件的夾持。中空氣動卡盤卡爪上的滾輪結(jié)構(gòu)可以使管材在連續(xù)加工狀態(tài)下動作順暢,表面無損傷。

中空氣動卡盤的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。中空氣動卡盤可適用于激光切管機(jī)、激光板管一體機(jī)等激光切割設(shè)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(fù)定位精度高、夾持力穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。中空氣動卡盤的轉(zhuǎn)動慣量小,能夠適應(yīng)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),加工效率高。

3 外形尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)市場調(diào)研,國內(nèi)卡盤存在夾緊精度低、加工尾料長、旋轉(zhuǎn)慣量大、防塵差四大缺點(diǎn)。解決方案如下:① 減小中空氣動卡盤軸向尺寸;② 對內(nèi)部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(zhì)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(jié)構(gòu)

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?；剞D(zhuǎn)支撐軸承的兩側(cè)外止口直接和卡盤本體及氣密封盤的內(nèi)止口配合,這樣既縮短了軸向尺寸,又減少了零件數(shù)量,防止灰塵進(jìn)入卡盤體內(nèi)部。

中空氣動卡盤由氣密封盤、回轉(zhuǎn)支撐軸承、卡盤本體三大部件組成?；剞D(zhuǎn)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(jī)裝配的精度和可調(diào)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(jié)構(gòu)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(nèi)、外盤導(dǎo)向銷連接,內(nèi)、外盤導(dǎo)向銷分別通過側(cè)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?；瑒訅K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(guī)格的零件進(jìn)行夾緊和松開。

5 夾緊力計(jì)算

以通徑為225 mm的中空氣動卡盤為例,對夾緊力進(jìn)行計(jì)算。

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

根據(jù)JB/T 5923—2013《氣動氣缸技術(shù)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(jié)構(gòu)

式中:p為公稱壓力;D為氣缸內(nèi)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(dāng)卡爪最大張開時,作用力臂為166.1 mm,所產(chǎn)生的力矩為372.5 N·m。當(dāng)氣缸達(dá)到最大行程時,卡爪最小夾緊,此時作用力臂為143.8 mm,所產(chǎn)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(shù)為2 mm,齒數(shù)為20,壓力角為20°,分度圓直徑為40 mm。

滑動塊齒條的模數(shù)為2 mm,齒數(shù)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(chǎn)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(jù)牛頓第三定律,過橋齒輪軸與齒盤嚙合處產(chǎn)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(shù)為0.1,滑動塊摩擦力最大為74.82 N,最小為64.78 N。單側(cè)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(chǎn)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?；瑒訅K齒條結(jié)構(gòu)如圖5所示?；瑒訅K齒條帶動卡爪做夾緊和松開運(yùn)動,當(dāng)用滑動塊齒條內(nèi)鍵槽定位時,卡爪夾緊的范圍為13.6～120.8 mm。當(dāng)用外鍵槽定位時,卡爪夾緊的范圍為113.6 mm～220.8 mm?；瑒訅K齒條內(nèi)鍵槽定位時卡爪夾緊范圍如圖6所示。

▲圖5 滑動塊齒條結(jié)構(gòu)

▲圖6 滑動塊齒條內(nèi)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(tǒng)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(jù)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(yīng)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(yàn)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(jī)帶動中空氣動卡盤空載運(yùn)轉(zhuǎn),檢查中空氣動卡盤運(yùn)行情況。中空氣動卡盤正反轉(zhuǎn)交替進(jìn)行,停轉(zhuǎn)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(yàn)項(xiàng)目見表1。

三是潛力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(qiáng)，現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)體量穩(wěn)居世界第二，是全球制造業(yè)第一大國，2017年GDP超過12萬億元，高鐵運(yùn)營里程占世界2／3。面對“天量”的潛力資源，延續(xù)以往“大而全”的覆蓋式統(tǒng)計(jì)方式，必然生成“海量”潛力數(shù)據(jù)，大大增加了潛力統(tǒng)計(jì)的工作量。從微觀上看，動員需求提報、潛力對接機(jī)制仍未有效建立，需求清單指向不明確、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對接不順暢的問題比較突出，客觀上加大了潛力統(tǒng)計(jì)的難度。實(shí)際工作中，以各行業(yè)系統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行普遍性填報、規(guī)模性疊加、周期性更新，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余度高、針對性差、可用率低，不利于戰(zhàn)時動員行動的組織實(shí)施。

表1 中空氣動卡盤試驗(yàn)項(xiàng)目

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

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

(3)重復(fù)定位精度?？ㄗA緊測試工裝,用百分表打在測試工裝上,松開、夾緊重復(fù)進(jìn)行十次,記錄數(shù)值的變化,不得大于0.05 mm。

(4)保壓。氣缸夾緊,同時關(guān)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(jì)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(shù)據(jù)。

(6)單爪行程。測量單只卡爪夾緊和松開時的移動數(shù)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(yàn)。接入壓縮空氣,調(diào)整好皮帶,電機(jī)帶動中空氣動卡盤空載運(yùn)轉(zhuǎn),檢查整機(jī)運(yùn)行情況。運(yùn)轉(zhuǎn)次序?yàn)?0 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)30 min,150 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)10 min,200 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)5 min,正反轉(zhuǎn)交替進(jìn)行,停轉(zhuǎn)時卡爪做松開動作。試驗(yàn)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(zhì)量,應(yīng)外觀整潔,無劃傷,油漆完好,整機(jī)無缺件,然后貼警告標(biāo)志,訂鋁標(biāo)牌,印制出廠編號。

8 結(jié)束語

中空氣動卡盤是激光切割設(shè)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(jìn)行了設(shè)計(jì),為中空氣動卡盤的制造提供了依據(jù)。對制造完成的中空氣動卡盤進(jìn)行了試驗(yàn)校核,試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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