激光切割設(shè)備中空氣動卡盤卡爪設(shè)計研究

蔣習(xí)鋒 岳念舉 馬建潤

摘要：在激光切割設(shè)備的使用中，中空氣動卡盤（前卡）卡爪根據(jù)卡盤使用情況及加工零件（管材）規(guī)格的情況選擇使用不同種類的卡爪。本文通過對不同零件（管材）選擇不同卡盤卡爪的分析與研究，介紹了卡盤卡爪的設(shè)計與制造，為中空氣動卡盤（前卡）卡爪的設(shè)計、制造提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：激光切割設(shè)備;中空氣動卡盤（前卡）;卡爪

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0159-02

激光切割設(shè)備對零件（管材）的加工是通過中空氣動卡盤（前卡）對零件（管材）來夾持、定位，送料卡盤（尾卡）夾持零件（管材）做相應(yīng)的拉、送料運動，確切的是說通過卡盤卡爪來實現(xiàn)夾持、定位、拉送料的，通過數(shù)控系統(tǒng)程序控制完成以上運動，并通過激光器對零件（管材）進(jìn)行切割。對于卡盤卡爪一般分為兩大類：（1）中空氣動卡盤（前卡）作為中卡或前卡的卡爪;（2）作為送料卡盤（尾卡）的卡爪。

1 卡盤作為中卡或前卡的卡爪設(shè)計分析

當(dāng)中空氣動卡盤（前卡）作為中卡或前卡時，與送料卡盤（尾卡）同時夾持管材，此時卡盤主要作為管材的定位夾持，保證管材的旋轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度，同時還需保證管材可以根據(jù)激光切割設(shè)備的程序要求做相應(yīng)的拉、送料運動，因此此時的卡盤卡爪既要能保證夾持精度，也要能夠保證管材在連續(xù)加工狀態(tài)下，動作順暢，卡爪表面無損傷。根據(jù)以上的要求，卡盤卡爪需兩兩聯(lián)動、自定心，又不相互干涉動作，卡爪可快速調(diào)整和精準(zhǔn)定位，適應(yīng)加工不同規(guī)格的管材，且管材可以在卡爪上運動順暢，不卡滯。

1.1夾持圓管、方管和矩形管的卡爪設(shè)計

夾持圓管、方管和矩形管的卡盤卡爪可以設(shè)計成如圖1、圖2所示的結(jié)構(gòu)，圖1為卡爪1組合件，1對，矮一些;圖2為卡爪2組合件，1對，高一些。這樣四個卡爪可以通過卡盤內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)控制，實現(xiàn)兩兩聯(lián)動、自定心，卡爪一對高一對矮，能保證不相互干涉的夾緊、松開運動，其安裝方式如圖3所示，每個卡爪通過平鍵與卡盤定位，內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定?？ㄗ?組合件和卡爪2組合件主要由卡爪1、卡爪2、滾軸、銷軸、偏心套、軸承和滾輪護(hù)罩等零件組成?？ūP與卡爪通過平鍵定位，螺釘固定。卡盤卡爪的調(diào)整通過松開卡爪上內(nèi)、外處的內(nèi)六角平端緊定螺釘，微調(diào)偏心套來調(diào)整，實現(xiàn)保證管材的定位、夾持精度。滾軸與銷軸之間裝有軸承，可以保證管材在滾軸上連續(xù)加工狀態(tài)下，動作順暢，不卡滯?？ㄗ?和卡爪2均采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度HB（280-320），加工制作，成品表面發(fā)黑處理，這樣卡爪既保證了剛性，又保證了在使用過程中不易生銹、美觀?？ㄗY(jié)構(gòu)成“T”型結(jié)構(gòu)，頭部寬，尾部窄，頭部加工有安裝滾軸、銷軸、偏心套等零件的通孔和槽;頭部平面上加工有安裝滾輪護(hù)罩的螺紋孔及卡爪調(diào)整螺孔，背面加工有減輕槽，以減輕卡爪重量，減小卡盤轉(zhuǎn)動慣量;尾部加工有卡爪定位鍵槽和固定螺釘通孔?？ㄗεc卡盤固定面需保證加工尺寸和形位公差，偏心套安裝通孔需控制尺寸和形位公差。滾軸采用SUS420F不銹鋼材料，零件淬火處理，表面硬度HRC50以上，這樣保證了管材在卡爪上做往復(fù)運動時，表面不易損傷。滾軸中間通孔貫通，用于安裝銷軸;滾軸兩端加工有內(nèi)止口，用于安裝軸承。滾軸外圓需磨削加工以保證尺寸精度，兩端內(nèi)止口需控制尺寸和形位公差，保證軸承的安裝精度。銷軸采用GCr15軸承鋼材料，淬火處理，硬度HRC（55-60），這樣保證了在管材夾持過程中卡爪的支撐剛性，使用中不會變形，引起夾持精度的降低。銷軸外圓需磨削加工以保證尺寸精度和形位公差。偏心套采用40Cr材料，零件調(diào)質(zhì)處理，硬度HB（300-340），這樣保證在卡爪調(diào)整過程中有足夠的硬度和剛性，調(diào)整不易磨損或損壞。偏心套加工需控制偏心套外圓和內(nèi)孔的尺寸及形位公差，且保證每批次偏心量的一致性。滾輪護(hù)罩采用06Cr19Ni10不銹鋼材料，保證在使用過程中美觀、不生銹。

1.2夾持槽鋼、工字鋼的卡爪設(shè)計

對于夾持槽鋼、工字鋼的卡盤卡爪，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與夾持圓管、方管和矩形管的卡盤卡爪類似，矮的一對還是采用卡爪1組合件，高的一對是在卡爪2組合件的基礎(chǔ)上把卡爪頭部部分加寬，對應(yīng)的滾軸、銷軸及滾輪護(hù)罩也加長，根據(jù)不同型號規(guī)格的槽鋼和工字鋼可做不同的滾軸、銷軸長度來夾持，對應(yīng)卡爪頭部相應(yīng)加寬。例如：原滾軸長度為113mm，為夾持20號以內(nèi)的槽鋼或工字鋼可以把滾軸長度加長至211mm，對于銷軸、滾輪護(hù)罩也相應(yīng)加寬?？ㄗΠ惭b方式與夾持圓管、方管和矩形管的卡盤卡爪安裝方式相同，每個卡爪通過平鍵與卡盤定位，內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定。

1.3夾持細(xì)管的卡爪設(shè)計

對于細(xì)管（例如直徑小于30mm）的管材夾持，因管材又細(xì)又長（例如直徑30mm，長度6000mm的細(xì)管零件），在激光切割設(shè)備加工旋轉(zhuǎn)過程中很容易“甩管”，夾持精度很難保證，因此可選擇使用雙滾輪卡爪夾持，這種卡爪是在原卡爪1和卡爪2組合件基礎(chǔ)上又增加了一層卡爪1和卡爪2組合件。第一層卡爪組合件上的卡爪零件在表面上增加了鍵槽和與第二層卡爪組合件固定的螺紋孔，如果不固定使用上面一層卡爪組合件，即可作為夾持一般的圓管、方管和矩形管的卡盤卡爪，兩側(cè)卡爪組合件都使用即為夾持細(xì)管的雙滾輪卡爪。中空氣動卡盤（前卡）作為中卡或前卡，前面就是激光頭，卡爪對零件（管材）的夾持精度決定了激光頭的切割精度，對于細(xì)管，雙滾輪卡爪相當(dāng)于夾持住了細(xì)管的兩處，比單滾輪卡爪更能保證前面激光頭處零件（管材）的夾持精度和穩(wěn)定性?？ㄗζ浒惭b方式也與夾持圓管、方管和矩形管的卡盤卡爪安裝方式相同，第一層兩對卡爪通過平鍵與卡盤定位，內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定;第二層兩對卡爪也是用平鍵定位，再用內(nèi)六角圓柱頭螺釘與第一層卡爪固定。

2 卡盤作為送料卡盤（尾卡）的卡爪設(shè)計分析

當(dāng)中空氣動卡盤（前卡）作為送料卡盤（尾卡）時，與中空氣動卡盤（前卡）同時夾持管材，此時作為管材的夾持送、拉料卡盤，卡盤卡爪需保證夾持的管材穩(wěn)定性，不能脫料，且為了減少尾料長度，需能進(jìn)入到前卡內(nèi)孔內(nèi)，因此卡盤卡爪需帶“牙”，保證管材夾持的穩(wěn)定性，卡爪長度需加長，保證能夠夾持管材進(jìn)入到前卡內(nèi)孔內(nèi)，以減少尾料?？ūP卡爪可以設(shè)計成如圖4所示結(jié)構(gòu)?？ūP與卡爪通過平鍵定位，螺釘固定?？ㄗτ蒐型懸臂卡爪，內(nèi)夾、外撐卡爪組件，夾持壓板組件和護(hù)板等零部件組成。

L型懸臂卡爪采用45鋼或40Cr調(diào)質(zhì)處理，硬度HB（280-320），加工制作，成品表面發(fā)黑處理，這樣卡爪既保證了剛性，又保證了在使用過程中不易生銹、美觀;L型懸臂卡爪的長度根據(jù)中空氣動卡盤（前卡）的軸向尺寸和要求的最終尾料長度決定。L型懸臂卡爪與卡盤固定面和與其他夾持部分配合面都需保證加工尺寸和形位公差。內(nèi)夾、外撐卡爪組件和夾持壓板組件的夾持、外撐部分均采用42CrMo材質(zhì)，零件調(diào)質(zhì)處理，硬度HB（280-320），表面氮化處理，硬度不低于HV650，保證夾持部分的硬度和耐磨性，且夾持部分制作成“牙”型，如圖5所示，保證卡盤管材夾持的穩(wěn)定性，不脫料;且可以通過內(nèi)夾、外撐卡爪組件和夾持壓板組件的互換來夾持不同規(guī)格的管材。護(hù)板采用Q235鋼板制作，零件發(fā)黑處理;護(hù)板為限位、抽塵部件，當(dāng)卡盤卡爪不進(jìn)入前卡內(nèi)孔時，可以把護(hù)板去掉，這樣可以夾持更大規(guī)格的管材，不需要采用外撐夾持，但激光切割整機(jī)不可以有抽塵功能;當(dāng)采用護(hù)板時，卡盤卡爪可以進(jìn)入前卡內(nèi)孔內(nèi)，此時激光切割整機(jī)的抽塵效果顯著，但對于大規(guī)格管材只能采用外撐的夾持方式。

3 結(jié)語

中空氣動卡盤（前卡）是激光切割設(shè)備的主要部件，中空氣動卡盤（前卡）作為中卡或前卡和作為送料卡盤（尾卡）需選用不同的卡盤卡爪，且對于零件（管材）不同的規(guī)格、型號也需選擇不同的卡盤卡爪。本文通過對不同零件（管材）選擇不同卡盤卡爪的分析與研究，介紹了卡盤卡爪的設(shè)計與制造，為中空氣動卡盤（前卡）卡爪的設(shè)計、制造提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]林艷華.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010，9.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理分會編.熱處理工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999，5.

[3]呂亞臣主編.重型機(jī)械工藝手冊[M].哈爾濱：哈爾濱出版社，1998，6.

[4]馬蕾，馬巍，李立強(qiáng).卡爪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010（10）.

[5]李萍，劉學(xué)元.偏心卡爪座的加工[J].機(jī)械工人.冷加工，2006（12）.

作者簡介

馬建潤/1981年生/男/河北邢臺人/本科/高級工程師/研究方向為齒輪、齒輪箱的設(shè)計、制造，激光切割卡盤的設(shè)計、制造（江蘇常州213125）

蔣習(xí)鋒/1977年生/男/山東濟(jì)南人/本科/中級工程師/研究方向為光纖激光切割機(jī)、金屬非金屬混合激光切割機(jī)以及激光切割等研究開發(fā)（山東濟(jì)南250109）

岳念舉/1989年生/男/山東鄒城人/本科/助理工程師/研究方向為光纖激光切割機(jī)、金屬非金屬混合激光切割機(jī)以及激光切割等研究開發(fā)（山東濟(jì)南250109）