新型激光沖淬金屬針布齒條聯合線的研究與設計

王 軍，于月琴，陶 偉，馬海波(.金輪針布

(江蘇)有限公司 梳理技術研究部，江蘇 南通 226009；2.華潤建筑有限公司，廣東 深圳 518000)

1 現有沖淬金屬針布齒條聯合線流程及存在問題

為了獲得優質高效的成紗質量，要求梳理用金屬針布具備良好的穿刺與分梳能力、握持與釋放能力，以及良好的鋒利度和耐磨性，這些均取決于金屬針布齒條的制造精度和工藝水平[1]。

沖淬聯合線是制造金屬針布齒條的流水生產線，主要包括放料、校直、沖齒、淬火、圖像測量和卷繞包裝等工序。生產線的設計原理、工藝流程、加工精度以及員工操作水平，均會影響金屬針布齒條的質量和生產效率；其中，沖齒和淬火是生產線最重要的工序。沖齒工序采用高速旋沖設備，沖切出尺寸、形狀一致的齒形；淬火工序要保證幾千米長度的金屬針布齒條在一定速度下運行，齒形部分淬火穩定。為此，應選擇精度較高的伺服電機，保證沖齒設備的旋轉精度和牽料設備的進給精度，使兩設備協調同步，保證產品的一致性[2]。

目前，主流金屬針布齒條制造企業的設備效率、精度、自動化以及智能化水平已有大幅度提高，但仍然存在一些弊端：如放料料盤小，影響生產效率，增加工人上料強度；淬火采用的火焰工藝不穩定，環境污染較大；無在線監測功能，生產異常時無法及時解決，容易造成質量問題和經濟損失。

筆者提出新型激光沖淬聯合生產線設計思路，通過采用最新的激光淬火工藝和圖像測量技術，提升金屬針布齒條的質量與生產效率，達到降低成本、提升效率、減少勞動力資源消耗等目的。

2 新型激光沖淬聯合線工藝過程與設備功能

2.1 工藝過程

金屬針布齒條參數包括：前角、齒尖角、齒距、基部厚度、齒頂長、齒高和齒深，等。適當的前角有利于提高梳理產量；齒尖角與針布的穿刺能力有關；齒距和基部厚決定金屬針布的齒密，對梳理效能有直接影響；齒頂長與穿刺能力和抓取纖維能力有關；齒高和齒深影響齒的強度和齒隙容纖量[3]。根據以上齒形特征對生產線工藝和設備功能提出要求。

新型激光沖淬金屬針布齒條聯合線的主要工藝包括放料、校直、沖齒、激光淬火(含高頻退火和高頻回火功能)、圖像測量和卷繞包裝等，附有控制電柜和排煙裝置。放料和卷繞包裝工序是該生產線的開始和結束工序，放料設備中的來料是前道工序——軋制生產線的半成品坯條，放料機需人工上料；卷繞包裝后的產品即為成品，只需掃碼入庫即可。

2.2 設備功能要求

根據金屬針布齒條制造工藝流程要求，生產線應具備以下主要功能。

a) 經前道軋制的半成品坯條為盤狀卷料，放料機應適應各類盤料的安裝，具備主動放料與急停功能。

b) 放料設備前需設置牽料校直機構，作為牽引產品的第1道動力源，對坯條進行校直，保證進入后道沖齒工序半成品坯條的通徑水平。

c) 坯條校直后進行連續旋轉沖切，旋沖機構由高扭矩變頻電機與高精度旋轉編碼器共同驅動，沖切模具根據產品齒形進行設計；沖齒設備中的牽料機構作為第2道動力源。

d) 經過沖切成型的金屬針布齒條需經熱處理，生產線中需配備退火、淬火以及回火工藝用設備；該工序的牽料機構作為第3道動力源。

e) 為實現金屬針布齒條質量在線控制，避免有質量問題的針布齒條流入包裝工序，應設置在線圖像測量工序，通過滿足高速攝像并有效識別的CCD裝置，及時發現異常齒形，發出報警。

f) 經過熱處理的金屬針布齒條最終進入包卷工序，包卷裝置應滿足寬度均布、疊層排布的要求，且層與層之間需要墊有防護紙。

g) 具備成品卷裝稱量功能，卷裝料達標時應能對現場人員進行報警提示，進行下料操作。

h) 沖切和熱處理工序易產生油煙或油霧，沖淬線需安裝排油煙管道。

3 方案設計

根據新型金屬針布齒條沖淬聯合線各工步、工序要求，將生產線功能劃分為放料機(含急停阻尼機構)、校直牽料機(含張力控制)、沖模設備(含牽料機構及張力控制)、激光淬火處理機(含退火前校直、清潔及張力控制)、圖像測量設備、卷繞包裝機(含墊紙、切紙及送紙機構)、稱量設備、排油煙管道等；另外，還需要有電氣控制系統和氣動執行系統。圖1為金屬針布齒條沖淬聯合線的整體布局示意。

1—放料機；2—校直牽料機；3—沖齒機；4—激光淬火+圖像識別；5—電箱；6—卷繞包裝機；7—排煙管道。

3.1 放料機

放料機主要用于來料卷放，設計時應考慮其運行的同步性、穩定性以及高精度主動放料功能，其結構如圖2所示。

1—傳動部件；2—主軸部件；3—剎車部件；4—輕便卸料；5—壓板；6—襯套；7—螺釘；8—墊片。

放料機機座符合工程學外形，底部設有自由移動的萬向腳輪。傳動部件通過皮帶輪傳動來驅動主軸旋轉。電機與傳動部件間用電磁離合器連接，工作時電磁離合器閉合，電機與傳動部件連接，動力輸出；停止時電磁離合器斷開，氣缸在電磁閥作用下輸出阻尼，主軸在剎車部件的阻尼作用下停止轉動。主軸部件主要由兩連接軸組成，一端連接料盤，一端傳遞動力。

3.2 校直牽料機

校直牽料機作為金屬針布齒條沖淬聯合線中牽引產品的第1道動力源，主要用于牽引及來料校直，其結構如圖3所示。

動力機構作為沖切設備的動力源，通過皮帶輪機座為校直牽料機底部支承結構件；張力機構調節控制沖淬線中坯條的張緊度，以保持坯條一直處于繃緊狀態；牽料機構作為動力源，牽引坯條以一定速度向前運動；校直機構由多道交錯輥輪組成，對坯條進行校直，提高進入下道工序的坯條質量。

1—牽料機構；2—電控盒；3—機座；4—張力機構；5—校直機構。

3.3 沖切設備

沖切設備是影響金屬針布齒條質量和產量的關鍵設備。坯條在均勻牽引的條件下，由沖切模具沖切出齒高、齒距均勻一致的齒形，其結構如圖4所示。

1—沖模機構；2—牽料機構；3—電控盒；4—機座；5—動力機構；6—張力機構。

帶動上模旋轉，對坯條進行沖切成型。張力機構調節控制坯條的張緊度，保持坯條緊繃。牽料機構作為第2道動力源，牽引金屬針布齒條勻速向前運動。沖模機構為上模旋轉沖切，下模調節模具間隙；整個沖切設備中的牽料與沖模動作必須同步且一致；如牽料打滑或者沖模卡頓，會造成局部齒形不一致。

沖切設備的設計水平決定整條線的生產速度。假設金屬針布齒條齒距為p(mm)、旋轉沖模數量為n(個)、旋沖機構主軸轉速為m(r/min)，則設備整條線速度v為：

當金屬針布齒條齒距為2 mm，沖模數量為4個，主軸轉速為2800 r/min時，整條線的速度v為22.4 m/min。

3.4 激光淬火處理機

激光淬火處理機是沖淬線金屬針布齒條硬度、晶粒度及壽命等性能指標的重要保障設備，其結構如圖5所示。

1—牽料機構；2—回火處理裝置；3—熱風烘干機；4—激光淬火裝置；5—退火處理裝置；6—激光水冷機；7—機座；8—導向裝置；9—調速機構；10—水冷油箱；11—回火油箱。

激光淬火處理機中的牽料機構作為第3道動力源，保持針布齒條的勻速進給運動；牽料機構進給速度的均勻性可保證淬火質量的穩定性。回火處理裝置能消除產品內應力，提高產品的韌性和壓延性。張力機構作用同前道工序。激光淬火設備選用成熟的LED激光器作為淬火源，高精度電驅平臺控制激光器xyz三軸位移及xy面旋轉，優化生產線操作環境，提高齒條質量與壽命。本工序相關外購設備參數見表1。

表1 激光淬火處理機外購設備參數表

3.5 圖像測量系統

本設計的圖像測量系統能夠滿足最大速度為45 m/min時圖像的拍攝與測量，測量數值極差約為0.03 mm，且能設定抽檢頻次、數據標準(包含公差設定)，不合格則自動判斷、報警，還能進行圖片和數據的存儲。該圖像測量系統主要包括：測量儀器、固定座、吹風清潔、環形氣簾、密封罩以及定位裝置等，如圖6所示。

1，4—定位裝置；2—測量儀器；3—調節架。

測量儀器為圖像測量系統的核心部件，包括測量頭、放大器及主機，用于產品的投影、拍攝及數據處理等。密封罩用于保護測量部件不被污染，增加檢測的精度，延長使用壽命。保護罩內通壓縮空氣，保證內部正壓。定位裝置用于保證圖像測量的穩定性和精確度。密封罩、吹風清潔與環形氣簾全部用于保證測量系統處在正壓環境下工作，有利于提高測量精度。

3.6 卷繞包裝機

卷繞包裝機為針布齒條下料前的包裝環節，主要完成針布齒條的排料、收卷料及隔層墊防護紙功能，其結構如圖7所示。

1—送紙機構；2—傳動機構；3—切紙機構；4—電子秤；5—機座；6—導紙機構；7—張力機構；8—導向機構。

傳動機構作為料盤旋轉的動力輸出，保證收料盤按照預定速度收卷料；電子秤實現在線稱量、達到規定質量后提醒功能；導向機構牽引針布齒條左右擺動，進行寬度方向的排料，能隨盤料卷繞直徑增大而抬高；切紙機構通過輥輪式傳輸，依靠摩擦力進行防護紙的供給，并按照現有卷料直徑定長切斷；導紙機構實現切紙預存功能，使紙張保持一定張力；送紙機構采用大行程氣缸，當氣缸下壓與料盤接觸，帶動防護紙卷入。

3.7 其他部件

其他部件包括排煙設備、水路、高低壓氣路及電控線路等。其中，管路的各支路按照工序要求設置，排煙設備由1根總管和3根支管及吸風罩組成，分別位于沖齒、激光熱處理和退火處，管道通過吊箍固定于廠房屋面。排煙裝置結構見圖8。

1—吸煙罩；2—管道；3—吊箍。

4 結論

4.1新型激光沖淬金屬針布齒條聯合線具備主動放料、主動牽料(含3道牽引動力)、旋轉沖切、激光淬火、圖像測量、自動墊防護紙、自動排料及在線稱量等功能，除上下料需要人工外，其余工序基本實現自動化生產。

4.2該聯合線采用最新激光淬火工藝，使金屬針布齒條性能得到提升，生產過程中無大量燃燒氣體產生，基本無污染。

4.3該聯合線應用圖像測量系統，對金屬針布齒條質量能進行在線控制，具有齒形異常在線報警功能，避免了不合格品流入市場造成質量事故和售后客戶投訴，提高企業經濟效益和信譽度。

4.4沖齒設備為該聯合線速度控制點，其旋沖機構的驅動電機與沖模數量決定了整條線的速度；可從提高驅動電機速度和增加沖模數量兩方面提高整條線速度，以提升整條線生產效率。

4.5與原有沖淬設備相比，現場操作環境得到改良，產品性能與質量得到提高，經濟效益增加，為金屬針布齒條生產線的研發提供了方向性參考。