薄壁不銹鋼圓管三維激光切割夾具設計

王斌修 田新國

（青島理工大學機械工程學院，山東青島 266033）

隨著科學技術的發展，傳統的切割方法向高精度、高效率和高靈活性的方向發展，激光切割技術應運而生。在實際工業生產中，激光切割是激光加工領域應用最廣的一種加工方法，可以占到材料加工應用的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、熱影響區小且不受加工形狀限制等優點［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、經久耐用，比較適合明管安裝而且具有安全可靠、衛生環保、經濟適用等眾多優點，在供暖系統、生活用水、小口徑煤氣管網、消防管網和直飲水等方面有大量的應用［4］。但薄壁不銹鋼圓管同時具有壁厚薄、剛性差和強度弱等特點，在裝夾和切割過程中極易產生變形。設計薄壁不銹鋼圓管激光切割夾具，解決其直接裝夾時裝夾變形和定位精度低的問題，提高切割質量。

1 激光切割

1．1 激光切割的機理及分類

激光切割以連續或重復脈沖方式工作，切割時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、汽化或達到燃點，蒸發形成孔洞。隨著激光束與材料的相對移動，使孔洞連續形成寬度很窄的切縫，激光束沿著切割的前沿繼續照射，切縫中的熔融物質被與激光束同軸的高速氣流吹除，從而實現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發生鐵氧反應，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渣。但采用高壓氮氣或氬氣等輔助切割薄壁不銹鋼圓管時，切縫更窄，切口表面粗糙度值更小，而且切口表面無殘渣，無燒邊現象，能有效提高切割質量，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。所以采用高壓氮氣或氬氣等輔助切割薄壁不銹鋼圓管屬于熔化切割，其激光作用機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而移動從而形成切縫，與激光束同軸的高壓氮氣或氬氣等非氧化性高壓輔助氣流將孔洞周圍的熔融材料帶走，完成對工件的切割［9］。

1．2 薄壁不銹鋼圓管三維激光切割系統及問題

薄壁不銹鋼圓管三維激光切割系統如圖1所示，其中工作臺由水平移動軸x軸和y軸、轉動軸z軸組成。當進行空間曲線的切割時，由x軸的平移和z軸的轉動完成工件相對激光束的移動，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生變形，降低了定位精度，造成切割后的不銹鋼圓管出現橢圓等不規則變形情況。而且在薄壁圓管自身重力的作用下造成圓管翹曲變形，經過三維激光切割后的圓管也會隨之產生形位誤差，引起圓管切割形狀和切口的相對位置偏差，這些都將最終影響薄壁不銹鋼圓管加工精度和切割質量。

2 夾具設計

夾具設計時的具體要求包括:第一，要保證薄壁不銹鋼圓管（工件）在夾具中能夠準確定位;第二，要盡量減小或消除圓管裝夾產生的裝夾變形和自身重力造成的翹曲變形，提高切割質量;第三，夾具應具有可調整性和一定的通用性;第四，夾具結構盡量簡單，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，根據以上要求，設計出的薄壁不銹鋼圓管三維激光切割夾具結構如圖2所示。該夾具為心軸、漲套可調式結構。

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，定位夾緊套的內外錐度及右定位板的內錐度均為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，固定時使用定力矩扳手保證對稱布置的2個緊定螺釘受力相同，防止左定位板產生偏心;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個均勻布置的螺釘孔，安裝時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個調節螺釘8;通過調整調節螺釘，進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。定位夾緊套的自動定心功能和均勻布置的3個調節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，提高其切割質量。

3 結語

在實際應用中，發現該夾具有效解決了薄壁不銹鋼圓管直接裝夾產生裝夾和翹曲變形及定位精度低的問題，具有結構簡單、定位可靠、拆裝方便、工件切割合格率高和使用壽命長等優點，取得了良好的應用效果。另外，該夾具可自動定心，并具有可調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的加工效率和切割質量。

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