一种用于锥管加工的激光切割机

洪 超，周鹏飞，潘峻城，曹 欢

（江苏扬力数控机床有限公司，江苏 扬州 225127）

随着城市道路照明灯数量的稳定增加，以及人们对于室外活动景观照明需求的不断上升，照明灯的品种、款式、种类也在不断增多，从而带动了灯杆生产产业往多样化、景观化发展的需求。本文所研制的用于锥形管材加工的激光切割机正是为了适应市场，针对某公司大型灯杆制品及各种特殊加工要求而开发的。要求能够加工长度≤13m、直径≤ø320mm的锥形管材，并同时拥有平面板材、圆形管材、方形管材的加工能力。

1 方案设计

1.1 整机布局及技术参数

图1 功能布局设计

本文设计的用于锥管加工的激光切割机，功能布局设计如图1所示，其主要由以下几部分组成：水冷机、激光器、电器柜、吸尘管路、操作台、平面切割部件、管材切割部件。水冷机放置于整机的后侧，提供整机设备的冷却功能。激光器放置于水冷机右侧，通过消耗电能产生激光光束。电器柜安装于机床的后侧，吸尘管路、操作台安装于机床的右侧。平面切割部件位于整机的右侧，主要功能为平面板材的激光切割加工。管材切割部件位于整机的左侧，该部件用于圆形管材、方形管材、锥形管材的加工。根据设计相关要求，确定主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.2 平面切割部件

图2 平面切割部件

图3 机身重力变形

如图2所示，平面切割部件主要由机身、横梁、出料车、溜板、工作台组成。机身采用钢板焊接结构，加工时使用数控龙门铣床，一次性加工床身两侧的导轨和齿条安装面，保证了机架两侧导轨、齿条安装面精度的一致性。由图3可以看出，机身在重力作用下的最大变形量为0.0196mm，发生在中间的几根焊接件处，机身结构符合设计要求，其导轨安装面并未有很大变形。横梁为分体式加高型设计，使用外侧悬臂式结构，分为左侧横梁底座、右侧横梁底座、上侧横梁共三个部分，其中上侧横梁先与底座安装后，再将底座与机身安装，该设计很好的解决了横梁加高后机加工困难的问题。由图4可以看出，横梁在重力作用下的最大变形量为0.0126mm，发生在悬臂最远处，其导轨安装面并未有很大变形。溜板为控制切割头上下运动的部件，其内部安装有控制切割辅助气体的电磁阀、比例阀等相关部件。工作台的设计，考虑其跨度较大，使用前后组合双固定工作台的结构。

图4 横梁重力变形

1.3 管材切割部件

管材切割部件主要由底座、前卡盘、后卡盘、托料架等组成。底座采用方钢、槽钢组装焊接的结构设计，确保底座焊接强度。前卡盘、后卡盘夹持范围ø20mm～ø320mm，后卡盘在U轴方向的行程为6m。设计切割的最大锥管规格为：小直径ø60mm，大直径ø320mm，长 13m，壁厚 8mm。

图5 管材切割部件

1.4 工作原理

针对机床不同的加工功能，设计为三种运动方式：平面板材切割方式、标准管材切割方式、锥形管材切割方式。定义轴的名称，横梁沿机身前后运动为X轴，溜板沿横梁左右移动为Y轴，切割头沿溜板上下运动为Z轴，后卡盘前后移动为U轴，前后卡盘旋转为W轴。

如图6所示，平面板材切割方式：①溜板位于主机身固定工作台上方；②Z轴通过随动的反馈信号，控制切割头与板材之间的距离；③X轴、Y轴配合运动，通过运动轨迹对材料进行切割加工。

图6 平面板材切割

如图7所示，标准管材切割方式：①溜板位于机身右侧，前卡盘前侧；②Z轴控制切割头与管材之间的距离；③圆形管材（或方形管材）固定于前后卡盘上；④Y轴控制切割头运动，U轴控制管材的送料，W轴控制管材的旋转，X轴、U轴、W轴相互配合进行切割加工。

图7 标准管材切割

如图8所示，锥形管材切割方式：①溜板位于机身右侧，两卡盘中间；②Z轴控制切割头与管材之间的距离；③锥形管材（或其他管材）固定于两卡盘中间；④X轴、Y轴控制切割头运动，W轴控制管材的旋转，X轴、Y轴、W轴相互配合进行切割加工；⑤超过切割行程的工件，需二次夹装后再加工。

图8 锥形管材切割

2 加工展示

使用客户提供的各种规格的管材，进行灯杆线槽孔、灯杆装饰祥云图案等的切割试验，如图9所示为灯杆装饰祥云图案切割。本机床的加工性能具有很强的灵活性，为定制灯杆的设计多样性提供了便利，图10为客户生产的景观灯成品展示。本机床也可批量用于普通灯杆线槽孔的加工，其特点是生产效率得到了很大的提升，比如同样生产一根灯杆产品，该机床20s就能完成，客户原先使用的线切割方式则需要花费3min。

图9 灯杆装饰祥云图案切割

图10 景观灯成品展示

3 结束语

本文设计了一种用于锥形管材加工的激光切割机，该机型是集平面板材、圆形管材、方形管材、锥形管材加工为一体的多功能光纤激光切割机。本文较为详细地介绍了其机械结构特点及其工作原理。该设备可以用来更新现有灯杆加工的生产方式，具有高效的生产能力，可用于景观灯杆产品的多样化加工，缩短了灯杆厂家的设计生产周期，提高了客户的市场竞争力。