三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管的夾具設計

梁萬冀

摘 要：應用三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管時，有與薄壁鋼管剛性差容易造成在切割過程中引起鋼管變形，通過對夾具進行設計能夠避免此種情況的出現，同時確保不銹鋼鋼管的加工質量，提高生產效率。

關鍵詞：夾具 不銹鋼圓管 薄壁 激光切割 設計

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0062-02

隨著加工科技的飛速發展。傳統切割技術已經逐漸發展為高科技、高精度、高靈活性以及高效率的新型切割方法。在此種情況下，科技含量更高，切割手段更加先進的激光切割技術也開始發展起來。激光切割目前已經成為加工領域應用最為廣泛的切割方法，約占材料加工的60%以上。三維激光切割在激光切割的基礎上更進一步，其具有切縫不變形、加工精度高、切割速度快、切口無毛刺、不受加工形狀限制且熱影響區小等優點，特別是在切割圓形不銹鋼薄壁鋼管方面意義重大。不銹鋼薄壁圓管由于具有經久耐用外觀靚麗等優點，因此被應用于各個領域，作為明管的安裝材料有著衛生環保、經濟適用、安全可靠等優點。同時在生活用水、煤氣管路、消防管網、供暖系統中也有著廣泛的應用。但由于不銹鋼薄壁圓管存在剛性差、強度低的特點，在加工切割時容易造成變形。因此設計適用于不銹鋼薄壁圓管切割的夾具意義重大，不僅能夠提高加工質量同時也能夠提高大規模生產的效率。

1 激光切割

1.1 激光切割的機理及分類

激光切割的原理為重復或者連續的脈沖激光，在切割時激光聚集為極小的光斑，此時光斑的功率密度是特別高的，被光斑照射到的材料會急速的融化，使之汽化或者液化，在切割材料表面形成小孔，通過激光或者切割材料的移動，是小孔連續形成一條細小的切割線，通過激光連續或者重復照射，并且應用與激光同軸的高速氣流吹除已經融化的物質，從而達到切斷被切割工件的目的。通常輔助氣體的選擇根據被切割工件的不同而不同。對于不銹鋼薄壁圓管通常不采用氧氣作為輔助氣體，因為用氧氣切割時所產生的溫度會很高，導致氧氣和不銹鋼產生鐵氧反應，在切口會形成黑色物質，影響美觀，同時奧氏體不銹鋼中含有鎳鉻等元素，這回造成氧化層不完全導致切口處留下殘渣，同時切口間存在較大的粘附力。因此，輔助氣體最好選用高壓氬氣或者高壓氮氣等惰性氣體，這樣切割出來的切口切縫窄、表面平滑無殘渣、顏色統一，且能夠用于焊接。對于切割的分類可以從切割物理形式、輔助氣體、被切割材料方面考慮，可分為4類：控制斷裂切割、氧助熔切割、熔化切割、汽化切割。這樣看來對于不銹鋼薄壁圓管的切割應該屬于熔化切割，其激光切割原理為高密度的激光作用于不銹鋼薄壁圓管表面，使照射部分迅速熔化，通過工件和光束的相對位移是鋼管形成切縫，同時應用高壓氬氣或者氮氣將熔化的物質吹掉，完成整個切割過程。此時不銹鋼圓管的切口具有表面平整、切面無殘渣等特點，易于下道工序的使用。

1.2 三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管問題

如圖1所示為三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管系統，水平移動的x軸y軸以及轉動軸z軸共同組成系統的工作臺。進行切割時，激光不動，通過x軸平移加上z軸的轉動是不銹鋼管與激光產生相對位移，從而在鋼管上切割出空間曲線。但在切割過程中往往會由于薄壁不銹鋼管剛性太差，造成z軸的夾緊力使鋼管出現形變，加工精度受到影響，出現切割完成后不銹鋼圓管的切面呈現橢圓的形狀。同時由于不銹鋼圓管自身重力的作用，還可能出現圓管彎曲變形，切先割過程中預計的切割曲線出現偏差，使切口表面與不銹鋼圓管不是垂直關系，這些因素都會影響三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管的加工精度以及加工質量。

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

通過實際應用，驗證了本夾具能夠有效地避免不銹鋼薄壁圓管在三維激光切割時，由于直接加裝而產生的圓管變形加工精度降低等問題。本夾具具有定位精準、結構簡單、操作方便、成品合格率高、使用壽命長等優點，是三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管工作中有力的輔助工具，值得各加工不銹鋼薄壁圓管的企業借鑒與使用。

參考文獻

[1] 左鐵釧.21世紀的先進制造：激光技術與工程[M].北京：科學出版社，2007：125.

[2] 洪蕾，米承龍，柳德金.旋轉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.三維激光切割技術在空間曲線加工中的應用[J].機械制造，2005，43（490）：36-38.

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

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

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

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

[8] 張永康，周建忠，葉云霞.激光加工技術[M].北京：化學工業出版社，2004：40.

[9] 洪蕾，吳鋼.激光加工技術基礎[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint

摘 要：應用三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管時，有與薄壁鋼管剛性差容易造成在切割過程中引起鋼管變形，通過對夾具進行設計能夠避免此種情況的出現，同時確保不銹鋼鋼管的加工質量，提高生產效率。

關鍵詞：夾具 不銹鋼圓管 薄壁 激光切割 設計

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0062-02

隨著加工科技的飛速發展。傳統切割技術已經逐漸發展為高科技、高精度、高靈活性以及高效率的新型切割方法。在此種情況下，科技含量更高，切割手段更加先進的激光切割技術也開始發展起來。激光切割目前已經成為加工領域應用最為廣泛的切割方法，約占材料加工的60%以上。三維激光切割在激光切割的基礎上更進一步，其具有切縫不變形、加工精度高、切割速度快、切口無毛刺、不受加工形狀限制且熱影響區小等優點，特別是在切割圓形不銹鋼薄壁鋼管方面意義重大。不銹鋼薄壁圓管由于具有經久耐用外觀靚麗等優點，因此被應用于各個領域，作為明管的安裝材料有著衛生環保、經濟適用、安全可靠等優點。同時在生活用水、煤氣管路、消防管網、供暖系統中也有著廣泛的應用。但由于不銹鋼薄壁圓管存在剛性差、強度低的特點，在加工切割時容易造成變形。因此設計適用于不銹鋼薄壁圓管切割的夾具意義重大，不僅能夠提高加工質量同時也能夠提高大規模生產的效率。

1 激光切割

1.1 激光切割的機理及分類

激光切割的原理為重復或者連續的脈沖激光，在切割時激光聚集為極小的光斑，此時光斑的功率密度是特別高的，被光斑照射到的材料會急速的融化，使之汽化或者液化，在切割材料表面形成小孔，通過激光或者切割材料的移動，是小孔連續形成一條細小的切割線，通過激光連續或者重復照射，并且應用與激光同軸的高速氣流吹除已經融化的物質，從而達到切斷被切割工件的目的。通常輔助氣體的選擇根據被切割工件的不同而不同。對于不銹鋼薄壁圓管通常不采用氧氣作為輔助氣體，因為用氧氣切割時所產生的溫度會很高，導致氧氣和不銹鋼產生鐵氧反應，在切口會形成黑色物質，影響美觀，同時奧氏體不銹鋼中含有鎳鉻等元素，這回造成氧化層不完全導致切口處留下殘渣，同時切口間存在較大的粘附力。因此，輔助氣體最好選用高壓氬氣或者高壓氮氣等惰性氣體，這樣切割出來的切口切縫窄、表面平滑無殘渣、顏色統一，且能夠用于焊接。對于切割的分類可以從切割物理形式、輔助氣體、被切割材料方面考慮，可分為4類：控制斷裂切割、氧助熔切割、熔化切割、汽化切割。這樣看來對于不銹鋼薄壁圓管的切割應該屬于熔化切割，其激光切割原理為高密度的激光作用于不銹鋼薄壁圓管表面，使照射部分迅速熔化，通過工件和光束的相對位移是鋼管形成切縫，同時應用高壓氬氣或者氮氣將熔化的物質吹掉，完成整個切割過程。此時不銹鋼圓管的切口具有表面平整、切面無殘渣等特點，易于下道工序的使用。

1.2 三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管問題

如圖1所示為三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管系統，水平移動的x軸y軸以及轉動軸z軸共同組成系統的工作臺。進行切割時，激光不動，通過x軸平移加上z軸的轉動是不銹鋼管與激光產生相對位移，從而在鋼管上切割出空間曲線。但在切割過程中往往會由于薄壁不銹鋼管剛性太差，造成z軸的夾緊力使鋼管出現形變，加工精度受到影響，出現切割完成后不銹鋼圓管的切面呈現橢圓的形狀。同時由于不銹鋼圓管自身重力的作用，還可能出現圓管彎曲變形，切先割過程中預計的切割曲線出現偏差，使切口表面與不銹鋼圓管不是垂直關系，這些因素都會影響三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管的加工精度以及加工質量。

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

通過實際應用，驗證了本夾具能夠有效地避免不銹鋼薄壁圓管在三維激光切割時，由于直接加裝而產生的圓管變形加工精度降低等問題。本夾具具有定位精準、結構簡單、操作方便、成品合格率高、使用壽命長等優點，是三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管工作中有力的輔助工具，值得各加工不銹鋼薄壁圓管的企業借鑒與使用。

參考文獻

[1] 左鐵釧.21世紀的先進制造：激光技術與工程[M].北京：科學出版社，2007：125.

[2] 洪蕾，米承龍，柳德金.旋轉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.三維激光切割技術在空間曲線加工中的應用[J].機械制造，2005，43（490）：36-38.

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

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

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

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

[8] 張永康，周建忠，葉云霞.激光加工技術[M].北京：化學工業出版社，2004：40.

[9] 洪蕾，吳鋼.激光加工技術基礎[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint

摘 要：應用三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管時，有與薄壁鋼管剛性差容易造成在切割過程中引起鋼管變形，通過對夾具進行設計能夠避免此種情況的出現，同時確保不銹鋼鋼管的加工質量，提高生產效率。

關鍵詞：夾具 不銹鋼圓管 薄壁 激光切割 設計

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0062-02

隨著加工科技的飛速發展。傳統切割技術已經逐漸發展為高科技、高精度、高靈活性以及高效率的新型切割方法。在此種情況下，科技含量更高，切割手段更加先進的激光切割技術也開始發展起來。激光切割目前已經成為加工領域應用最為廣泛的切割方法，約占材料加工的60%以上。三維激光切割在激光切割的基礎上更進一步，其具有切縫不變形、加工精度高、切割速度快、切口無毛刺、不受加工形狀限制且熱影響區小等優點，特別是在切割圓形不銹鋼薄壁鋼管方面意義重大。不銹鋼薄壁圓管由于具有經久耐用外觀靚麗等優點，因此被應用于各個領域，作為明管的安裝材料有著衛生環保、經濟適用、安全可靠等優點。同時在生活用水、煤氣管路、消防管網、供暖系統中也有著廣泛的應用。但由于不銹鋼薄壁圓管存在剛性差、強度低的特點，在加工切割時容易造成變形。因此設計適用于不銹鋼薄壁圓管切割的夾具意義重大，不僅能夠提高加工質量同時也能夠提高大規模生產的效率。

1 激光切割

1.1 激光切割的機理及分類

激光切割的原理為重復或者連續的脈沖激光，在切割時激光聚集為極小的光斑，此時光斑的功率密度是特別高的，被光斑照射到的材料會急速的融化，使之汽化或者液化，在切割材料表面形成小孔，通過激光或者切割材料的移動，是小孔連續形成一條細小的切割線，通過激光連續或者重復照射，并且應用與激光同軸的高速氣流吹除已經融化的物質，從而達到切斷被切割工件的目的。通常輔助氣體的選擇根據被切割工件的不同而不同。對于不銹鋼薄壁圓管通常不采用氧氣作為輔助氣體，因為用氧氣切割時所產生的溫度會很高，導致氧氣和不銹鋼產生鐵氧反應，在切口會形成黑色物質，影響美觀，同時奧氏體不銹鋼中含有鎳鉻等元素，這回造成氧化層不完全導致切口處留下殘渣，同時切口間存在較大的粘附力。因此，輔助氣體最好選用高壓氬氣或者高壓氮氣等惰性氣體，這樣切割出來的切口切縫窄、表面平滑無殘渣、顏色統一，且能夠用于焊接。對于切割的分類可以從切割物理形式、輔助氣體、被切割材料方面考慮，可分為4類：控制斷裂切割、氧助熔切割、熔化切割、汽化切割。這樣看來對于不銹鋼薄壁圓管的切割應該屬于熔化切割，其激光切割原理為高密度的激光作用于不銹鋼薄壁圓管表面，使照射部分迅速熔化，通過工件和光束的相對位移是鋼管形成切縫，同時應用高壓氬氣或者氮氣將熔化的物質吹掉，完成整個切割過程。此時不銹鋼圓管的切口具有表面平整、切面無殘渣等特點，易于下道工序的使用。

1.2 三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管問題

如圖1所示為三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管系統，水平移動的x軸y軸以及轉動軸z軸共同組成系統的工作臺。進行切割時，激光不動，通過x軸平移加上z軸的轉動是不銹鋼管與激光產生相對位移，從而在鋼管上切割出空間曲線。但在切割過程中往往會由于薄壁不銹鋼管剛性太差，造成z軸的夾緊力使鋼管出現形變，加工精度受到影響，出現切割完成后不銹鋼圓管的切面呈現橢圓的形狀。同時由于不銹鋼圓管自身重力的作用，還可能出現圓管彎曲變形，切先割過程中預計的切割曲線出現偏差，使切口表面與不銹鋼圓管不是垂直關系，這些因素都會影響三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管的加工精度以及加工質量。

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

通過實際應用，驗證了本夾具能夠有效地避免不銹鋼薄壁圓管在三維激光切割時，由于直接加裝而產生的圓管變形加工精度降低等問題。本夾具具有定位精準、結構簡單、操作方便、成品合格率高、使用壽命長等優點，是三維激光切割不銹鋼薄壁圓形鋼管工作中有力的輔助工具，值得各加工不銹鋼薄壁圓管的企業借鑒與使用。

參考文獻

[1] 左鐵釧.21世紀的先進制造：激光技術與工程[M].北京：科學出版社，2007：125.

[2] 洪蕾，米承龍，柳德金.旋轉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.三維激光切割技術在空間曲線加工中的應用[J].機械制造，2005，43（490）：36-38.

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

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

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

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

[8] 張永康，周建忠，葉云霞.激光加工技術[M].北京：化學工業出版社，2004：40.

[9] 洪蕾，吳鋼.激光加工技術基礎[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint