基于三維激光切割技術(shù)的異型管切割夾具設(shè)計

劉仍平 劉作厚 劉海波

1. 概述

三維激光切割在冷彎異型鋼管的切割加工方面具有很多獨特的優(yōu)勢，近年來，各大工程機械和農(nóng)用機械駕駛室制造廠在樣車的試制和開發(fā)過程中都在使用這項工藝。在異型鋼管的三維激光切割工藝中，待切割工件準(zhǔn)確和快速定位是提高異型管加工質(zhì)量和切割效率的有力保證，切割夾具是工件定位的最終執(zhí)行者，同時也是異型管定位問題研究的核心內(nèi)容，因此，有必要對三維激光切割工藝中的工件定位問題，尤其是切割夾具的設(shè)計方法進行深入的研究。

2. 三維激光切割原理及切割系統(tǒng)

三維激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦到材料表面，在極短的時間將材料加熱，使材料熔化或汽化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化或汽化的材料，達到切割材料的目的，并使激光束與材料沿著一定的軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫(見圖1)。三維激光切割具有很多優(yōu)點：①切縫窄（一般可達到0.1~0.3mm）。②工件熱變形小。③工件無機械應(yīng)力和表面損傷。④能切割脆性材料和極軟、極硬的材料。⑤切口平行度好、表面質(zhì)量好。⑥切割速度高（可達10m/min以上，并且無配件損耗。⑦柔性好，易于實現(xiàn)數(shù)控和計算機控制，不僅能切割二位板材，對于復(fù)雜的三維零件，只要厚度合適，都可以進行三維激光切割。

現(xiàn)代激光切割技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成完備的激光切割系統(tǒng)，除了功率大、模式好的激光器外還配有滾珠絲杠傳動的高精度工作臺，可由計算機控制多坐標(biāo)聯(lián)動實現(xiàn)各種復(fù)雜的空間圖形切割。冷彎異型材料的三維加工系統(tǒng)主要包括激光器和激光加工機兩部分，其中加工機主要由導(dǎo)光系統(tǒng)、切割嘴、控制系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)、工件運動系統(tǒng)以及一些輔助的外圍設(shè)備構(gòu)成。

圖1 激光切割機

我公司的激光切割機為日本日平富山（NTC)NTC TLM—610C20F三維五軸激光切割機切割系統(tǒng)，最大輸出功率2kW，切割鋼材厚度9mm, 切割速度X、Y、Z軸30～30 000mm/min，根據(jù)切割條件調(diào)整，最大切割工件尺寸為3 100mm×1 900mm ×800mm。此機型可以切割不銹鋼、碳鋼、硅鋼、鍍鋅鋼板、鎳鈦合金、鉻鎳鐵合金、鋁、鋁合金、鈦合金及銅等金屬材料。

3. 三維激光切割在冷彎異型鋼管上的應(yīng)用

冷彎異型鋼管是一種經(jīng)濟的截面輕型薄壁鋼材，也稱為鋼制冷彎型材或冷彎型材。冷彎異型鋼管重量輕、強度高，使用它可以簡化焊接工藝和焊接變形帶來的裝配問題，減少結(jié)構(gòu)安裝的勞動力，同時可以改進制品的工藝性能，改善其外觀形狀。因此在建筑用輕型鋼結(jié)構(gòu)、各種車輛結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)作業(yè)線的鋼結(jié)構(gòu)、高層貨架、集裝箱等各個領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用，是國家大力推廣的新型材料。我公司所用的異型鋼管品種多樣，具有復(fù)雜的空間三維幾何形狀，成品件的長度差別很大，對異型管的定位加工和夾具設(shè)計提出了較高的要求。隨著計算機水平的發(fā)展和各種CAD/CAN/CAE軟件的出現(xiàn)，異型管的夾具定位變得不是那么高不可攀，現(xiàn)代夾具的設(shè)計和制作方法也發(fā)生了很大的變化。從概念設(shè)計、異型管結(jié)構(gòu)分析直到優(yōu)化設(shè)計以及后續(xù)的諸多環(huán)節(jié)都采用先進的Pro/E軟件設(shè)計平臺和PEPS Penta cut三維五軸激光切割離線編程軟件。圖2為彩橋公司利用NTC TLM－610C20F三維五軸激光切割機下料成的異型鋼管組對焊接成的駕駛室框架，該框架具有高強度、很少的焊縫、簡單的焊接組對工藝和較好的裝配后的視野。

圖2 冷彎異型鋼管組對焊接后的框架

4. 冷彎異型鋼管切割夾具設(shè)計和制作

（1）異型鋼管切割夾具設(shè)計流程 異型鋼管作為駕駛室的主體框架結(jié)構(gòu)，其精度的高低，大大影響駕駛室的外部形狀和裝配效果，切割夾具是工件定位的最終執(zhí)行者，更是工件切割精度和質(zhì)量的最有效保證。目前，對切割工件的夾具設(shè)計沒有統(tǒng)一的規(guī)定，在本文中，根據(jù)夾具的實際設(shè)計過程，將切割夾具的設(shè)計過程分為兩個階段：概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

概念設(shè)計階段是整個夾具設(shè)計進程的最初階段，根據(jù)冷彎異型鋼管強度高、截面形狀復(fù)雜、所切孔徑較多的加工特點，分析具體的設(shè)計要求，從而確定整個切割夾具的種類、結(jié)構(gòu)和定位布置方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計階段是在概念設(shè)計階段完成之后，考慮定位夾具對工件切割偏差的影響，合理設(shè)計切割夾具定位點的布置位置，分析切割夾具的結(jié)構(gòu)和布局方案，以門框異型鋼管舉例，概念設(shè)計時，工件的定位點和支撐架布局不合理，試驗驗證時切割頭與工裝夾具干涉，掛衣鉤定位孔無法切割等，并以此得到反饋信息對定位夾具的布局和結(jié)構(gòu)進行概念設(shè)計的修改，完成工裝夾具每個組成部分以及定位基準(zhǔn)的確定，最后得到符合切割編程要求的切割夾具設(shè)計方案，并繪制出切割工件的編制程序。

（2）切割夾具設(shè)計舉例 在冷彎異型鋼管的三維激光切割中用到的夾具主要包括組合型板夾具、單板型夾具、定位夾頭，支撐滾輪夾具幾種類型。由于冷彎異型鋼管切割長度不一、強度較高，同時考慮異型管切割調(diào)整和其他方面的一些定位要求，定位型板夾具、定位夾頭和支撐滾輪夾具均采用表面滲碳、淬火和防銹一些方面的處理，用以保證工裝夾具的耐磨性和耐久性。

圖3是冷彎異型鋼管三維激光切割中常采用夾具的具體圖例，本文為實現(xiàn)快速確定冷彎異型管定位位置，定位夾具標(biāo)準(zhǔn)化和柔性化設(shè)計的需要，同時考慮冷彎異型管截面形狀和其他一些結(jié)構(gòu)調(diào)整方面的要求，采用的是圖3的結(jié)構(gòu)形式。

（3）定位型板的快速設(shè)計和制作 在異型鋼管的三維激光切割工藝中，待切割工件的準(zhǔn)確和快速定位是提高異型管加工質(zhì)量和切割效率的有力保證，切割夾具中定位型板的制作（見圖4）是切割工件準(zhǔn)確和快速定位的關(guān)鍵。經(jīng)過長期對Pro/E軟件設(shè)計平臺和PEPS Penta cut三維五軸激光切割離線編程軟件的學(xué)習(xí)，定位型板的設(shè)計思路主要是把傳統(tǒng)的空間曲面的三維數(shù)模加工轉(zhuǎn)化為普通的二維加工。這樣需要精細(xì)加工的量大大減少，工裝夾具制造時間大大縮短，制造精度也比較容易滿足。我公司利用NTC TLM—610三維五軸激光切割機下料二維板材比三維工件更加簡單快速，可以極大的降低夾具和安裝支架的制作成本和時間。

圖3 冷彎異型鋼管三維激光切割工裝夾具幾種典型案例

圖4 某冷彎異型鋼管工裝夾具所用的定位型板

5. 結(jié)論與展望

三維激光切割在提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低勞動強度、節(jié)省原材料等方面優(yōu)勢明顯。因此，盡管設(shè)備成本高、一次性投資大，國內(nèi)還是有很多汽車、飛機生產(chǎn)廠家購進了三維激光加工機，部分高校也購進了相應(yīng)設(shè)備進行科研，三維激光技術(shù)勢必在我國制造業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用。冷彎異型鋼管做駕駛室框架結(jié)構(gòu)，組對便利，工藝簡單，截面靈活多變，整體造型美觀個性化，有較好的工藝性和制造特性。切割夾具是工件定位的最終執(zhí)行者，是提高異型管加工質(zhì)量和切割效率的有力保證，本文從工裝夾具的設(shè)計流程、設(shè)計舉例以及工件定位型板的制作著手，將冷彎異型管的三維激光切割應(yīng)用到工程機械駕駛室的實際生產(chǎn)之中，為以新型材料冷彎異型鋼管作為骨架來設(shè)計和開發(fā)駕駛室奠定了基礎(chǔ)。

目前計算機模擬和編程軟件的應(yīng)用已深入各行各業(yè)，異型管的夾具設(shè)計變得不是那么遙不可及，新型材料在駕駛室中的應(yīng)用變得更加廣泛。

本文結(jié)合彩橋公司的實際情況提出以下幾點建議和展望：

（1）異型管激光切割工藝和駕駛室流水線生產(chǎn)結(jié)合的不夠緊密，還需優(yōu)化。

（2）鑒于未來激光切割夾具和定位工裝及支架的發(fā)展趨勢，彩橋公司需建立激光切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，同步做好更新和創(chuàng)新。

（3）數(shù)控操作工和機械設(shè)計技術(shù)人員技術(shù)水平還需提高，取長補短，日積月累，技術(shù)人員和一線工人實現(xiàn)更加默契的配合，制造出更加合格的工藝產(chǎn)品。

[1]武勝，張厚，王偉.冷彎型鋼截面創(chuàng)新設(shè)計思路與方法探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011.

[2]張麗麗，陳輝.冷彎型鋼工程性能研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011.

[3]姜玲玲.基于UG的壓路機駕駛室設(shè)計[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車，2007.

[4]王大齊.冷彎型鋼的特點和應(yīng)用[J].上海金屬，1984.