激光切割设备中空气动卡盘卡爪设计研究

蒋习锋 岳念举 马建润

摘要：在激光切割设备的使用中，中空气动卡盘（前卡）卡爪根据卡盘使用情况及加工零件（管材）规格的情况选择使用不同种类的卡爪。本文通过对不同零件（管材）选择不同卡盘卡爪的分析与研究，介绍了卡盘卡爪的设计与制造，为中空气动卡盘（前卡）卡爪的设计、制造提供了依据。

关键词：激光切割设备;中空气动卡盘（前卡）;卡爪

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）04-0159-02

激光切割设备对零件（管材）的加工是通过中空气动卡盘（前卡）对零件（管材）来夹持、定位，送料卡盘（尾卡）夹持零件（管材）做相应的拉、送料运动，确切的是说通过卡盘卡爪来实现夹持、定位、拉送料的，通过数控系统程序控制完成以上运动，并通过激光器对零件（管材）进行切割。对于卡盘卡爪一般分为两大类：（1）中空气动卡盘（前卡）作为中卡或前卡的卡爪;（2）作为送料卡盘（尾卡）的卡爪。

1 卡盘作为中卡或前卡的卡爪设计分析

当中空气动卡盘（前卡）作为中卡或前卡时，与送料卡盘（尾卡）同时夹持管材，此时卡盘主要作为管材的定位夹持，保证管材的旋转精度和重复定位精度，同时还需保证管材可以根据激光切割设备的程序要求做相应的拉、送料运动，因此此时的卡盘卡爪既要能保证夹持精度，也要能够保证管材在连续加工状态下，动作顺畅，卡爪表面无损伤。根据以上的要求，卡盘卡爪需两两联动、自定心，又不相互干涉动作，卡爪可快速调整和精准定位，适应加工不同规格的管材，且管材可以在卡爪上运动顺畅，不卡滞。

1.1夹持圆管、方管和矩形管的卡爪设计

夹持圆管、方管和矩形管的卡盘卡爪可以设计成如图1、图2所示的结构，图1为卡爪1组合件，1对，矮一些;图2为卡爪2组合件，1对，高一些。这样四个卡爪可以通过卡盘内部传动结构控制，实现两两联动、自定心，卡爪一对高一对矮，能保证不相互干涉的夹紧、松开运动，其安装方式如图3所示，每个卡爪通过平键与卡盘定位，内六角圆柱头螺钉固定。卡爪1组合件和卡爪2组合件主要由卡爪1、卡爪2、滚轴、销轴、偏心套、轴承和滚轮护罩等零件组成。卡盘与卡爪通过平键定位，螺钉固定。卡盘卡爪的调整通过松开卡爪上内、外处的内六角平端紧定螺钉，微调偏心套来调整，实现保证管材的定位、夹持精度。滚轴与销轴之间装有轴承，可以保证管材在滚轴上连续加工状态下，动作顺畅，不卡滞。卡爪1和卡爪2均采用45钢调质处理，硬度HB（280-320），加工制作，成品表面发黑处理，这样卡爪既保证了刚性，又保证了在使用过程中不易生锈、美观。卡爪结构成“T”型结构，头部宽，尾部窄，头部加工有安装滚轴、销轴、偏心套等零件的通孔和槽;头部平面上加工有安装滚轮护罩的螺纹孔及卡爪调整螺孔，背面加工有减轻槽，以减轻卡爪重量，减小卡盘转动惯量;尾部加工有卡爪定位键槽和固定螺钉通孔。卡爪与卡盘固定面需保证加工尺寸和形位公差，偏心套安装通孔需控制尺寸和形位公差。滚轴采用SUS420F不锈钢材料，零件淬火处理，表面硬度HRC50以上，这样保证了管材在卡爪上做往复运动时，表面不易损伤。滚轴中间通孔贯通，用于安装销轴;滚轴两端加工有内止口，用于安装轴承。滚轴外圆需磨削加工以保证尺寸精度，两端内止口需控制尺寸和形位公差，保证轴承的安装精度。销轴采用GCr15轴承钢材料，淬火处理，硬度HRC（55-60），这样保证了在管材夹持过程中卡爪的支撑刚性，使用中不会变形，引起夹持精度的降低。销轴外圆需磨削加工以保证尺寸精度和形位公差。偏心套采用40Cr材料，零件调质处理，硬度HB（300-340），这样保证在卡爪调整过程中有足够的硬度和刚性，调整不易磨损或损坏。偏心套加工需控制偏心套外圆和内孔的尺寸及形位公差，且保证每批次偏心量的一致性。滚轮护罩采用06Cr19Ni10不锈钢材料，保证在使用过程中美观、不生锈。

1.2夹持槽钢、工字钢的卡爪设计

对于夹持槽钢、工字钢的卡盘卡爪，其结构设计与夹持圆管、方管和矩形管的卡盘卡爪类似，矮的一对还是采用卡爪1组合件，高的一对是在卡爪2组合件的基础上把卡爪头部部分加宽，对应的滚轴、销轴及滚轮护罩也加长，根据不同型号规格的槽钢和工字钢可做不同的滚轴、销轴长度来夹持，对应卡爪头部相应加宽。例如：原滚轴长度为113mm，为夹持20号以内的槽钢或工字钢可以把滚轴长度加长至211mm，对于销轴、滚轮护罩也相应加宽。卡爪安装方式与夹持圆管、方管和矩形管的卡盘卡爪安装方式相同，每个卡爪通过平键与卡盘定位，内六角圆柱头螺钉固定。

1.3夹持细管的卡爪设计

对于细管（例如直径小于30mm）的管材夹持，因管材又细又长（例如直径30mm，长度6000mm的细管零件），在激光切割设备加工旋转过程中很容易“甩管”，夹持精度很难保证，因此可选择使用双滚轮卡爪夹持，这种卡爪是在原卡爪1和卡爪2组合件基础上又增加了一层卡爪1和卡爪2组合件。第一层卡爪组合件上的卡爪零件在表面上增加了键槽和与第二层卡爪组合件固定的螺紋孔，如果不固定使用上面一层卡爪组合件，即可作为夹持一般的圆管、方管和矩形管的卡盘卡爪，两侧卡爪组合件都使用即为夹持细管的双滚轮卡爪。中空气动卡盘（前卡）作为中卡或前卡，前面就是激光头，卡爪对零件（管材）的夹持精度决定了激光头的切割精度，对于细管，双滚轮卡爪相当于夹持住了细管的两处，比单滚轮卡爪更能保证前面激光头处零件（管材）的夹持精度和稳定性。卡爪其安装方式也与夹持圆管、方管和矩形管的卡盘卡爪安装方式相同，第一层两对卡爪通过平键与卡盘定位，内六角圆柱头螺钉固定;第二层两对卡爪也是用平键定位，再用内六角圆柱头螺钉与第一层卡爪固定。

2 卡盘作为送料卡盘（尾卡）的卡爪设计分析

当中空气动卡盘（前卡）作为送料卡盘（尾卡）时，与中空气动卡盘（前卡）同时夹持管材，此时作为管材的夹持送、拉料卡盘，卡盘卡爪需保证夹持的管材稳定性，不能脱料，且为了减少尾料长度，需能进入到前卡内孔内，因此卡盘卡爪需带“牙”，保证管材夹持的稳定性，卡爪长度需加长，保证能够夹持管材进入到前卡内孔内，以减少尾料。卡盘卡爪可以设计成如图4所示结构。卡盘与卡爪通过平键定位，螺钉固定。卡爪由L型悬臂卡爪，内夹、外撑卡爪组件，夹持压板组件和护板等零部件组成。

L型悬臂卡爪采用45钢或40Cr调质处理，硬度HB（280-320），加工制作，成品表面发黑处理，这样卡爪既保证了刚性，又保证了在使用过程中不易生锈、美观;L型悬臂卡爪的长度根据中空气动卡盘（前卡）的轴向尺寸和要求的最终尾料长度决定。L型悬臂卡爪与卡盘固定面和与其他夹持部分配合面都需保证加工尺寸和形位公差。内夹、外撑卡爪组件和夹持压板组件的夹持、外撑部分均采用42CrMo材質，零件调质处理，硬度HB（280-320），表面氮化处理，硬度不低于HV650，保证夹持部分的硬度和耐磨性，且夹持部分制作成“牙”型，如图5所示，保证卡盘管材夹持的稳定性，不脱料;且可以通过内夹、外撑卡爪组件和夹持压板组件的互换来夹持不同规格的管材。护板采用Q235钢板制作，零件发黑处理;护板为限位、抽尘部件，当卡盘卡爪不进入前卡内孔时，可以把护板去掉，这样可以夹持更大规格的管材，不需要采用外撑夹持，但激光切割整机不可以有抽尘功能;当采用护板时，卡盘卡爪可以进入前卡内孔内，此时激光切割整机的抽尘效果显著，但对于大规格管材只能采用外撑的夹持方式。

3 结语

中空气动卡盘（前卡）是激光切割设备的主要部件，中空气动卡盘（前卡）作为中卡或前卡和作为送料卡盘（尾卡）需选用不同的卡盘卡爪，且对于零件（管材）不同的规格、型号也需选择不同的卡盘卡爪。本文通过对不同零件（管材）选择不同卡盘卡爪的分析与研究，介绍了卡盘卡爪的设计与制造，为中空气动卡盘（前卡）卡爪的设计、制造提供了依据。

参考文献

[1]林艳华.机械制造技术基础[M].北京：化学工业出版社，2010，9.

[2]中国机械工程学会热处理分会编.热处理工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999，5.

[3]吕亚臣主编.重型机械工艺手册[M].哈尔滨：哈尔滨出版社，1998，6.

[4]马蕾，马巍，李立强.卡爪结构的改进[J].制造技术与机床，2010（10）.

[5]李萍，刘学元.偏心卡爪座的加工[J].机械工人.冷加工，2006（12）.

作者简介

马建润/1981年生/男/河北邢台人/本科/高级工程师/研究方向为齿轮、齿轮箱的设计、制造，激光切割卡盘的设计、制造（江苏常州213125）

蒋习锋/1977年生/男/山东济南人/本科/中级工程师/研究方向为光纤激光切割机、金属非金属混合激光切割机以及激光切割等研究开发（山东济南250109）

岳念举/1989年生/男/山东邹城人/本科/助理工程师/研究方向为光纤激光切割机、金属非金属混合激光切割机以及激光切割等研究开发（山东济南250109）