新型激光沖淬金屬針布齒條聯(lián)合線的研究與設(shè)計(jì)

王 軍，于月琴，陶 偉，馬海波(.金輪針布

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

1 現(xiàn)有沖淬金屬針布齒條聯(lián)合線流程及存在問題

為了獲得優(yōu)質(zhì)高效的成紗質(zhì)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(lián)合線是制造金屬針布齒條的流水生產(chǎn)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(chǎn)線的設(shè)計(jì)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(zhì)量和生產(chǎn)效率；其中，沖齒和淬火是生產(chǎn)線最重要的工序。沖齒工序采用高速旋沖設(shè)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(yùn)行，齒形部分淬火穩(wěn)定。為此，應(yīng)選擇精度較高的伺服電機(jī)，保證沖齒設(shè)備的旋轉(zhuǎn)精度和牽料設(shè)備的進(jìn)給精度，使兩設(shè)備協(xié)調(diào)同步，保證產(chǎn)品的一致性[2]。

目前，主流金屬針布齒條制造企業(yè)的設(shè)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(chǎn)效率，增加工人上料強(qiáng)度；淬火采用的火焰工藝不穩(wěn)定，環(huán)境污染較大；無在線監(jiān)測功能，生產(chǎn)異常時(shí)無法及時(shí)解決，容易造成質(zhì)量問題和經(jīng)濟(jì)損失。

筆者提出新型激光沖淬聯(lián)合生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路，通過采用最新的激光淬火工藝和圖像測量技術(shù)，提升金屬針布齒條的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，達(dá)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(lián)合線工藝過程與設(shè)備功能

2.1 工藝過程

金屬針布齒條參數(shù)包括：前角、齒尖角、齒距、基部厚度、齒頂長、齒高和齒深，等。適當(dāng)?shù)那敖怯欣谔岣呤崂懋a(chǎn)量；齒尖角與針布的穿刺能力有關(guān)；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(guān)；齒高和齒深影響齒的強(qiáng)度和齒隙容纖量[3]。根據(jù)以上齒形特征對生產(chǎn)線工藝和設(shè)備功能提出要求。

新型激光沖淬金屬針布齒條聯(lián)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(chǎn)線的開始和結(jié)束工序，放料設(shè)備中的來料是前道工序——軋制生產(chǎn)線的半成品坯條，放料機(jī)需人工上料；卷繞包裝后的產(chǎn)品即為成品，只需掃碼入庫即可。

2.2 設(shè)備功能要求

根據(jù)金屬針布齒條制造工藝流程要求，生產(chǎn)線應(yīng)具備以下主要功能。

a) 經(jīng)前道軋制的半成品坯條為盤狀卷料，放料機(jī)應(yīng)適應(yīng)各類盤料的安裝，具備主動放料與急停功能。

b) 放料設(shè)備前需設(shè)置牽料校直機(jī)構(gòu)，作為牽引產(chǎn)品的第1道動力源，對坯條進(jìn)行校直，保證進(jìn)入后道沖齒工序半成品坯條的通徑水平。

c) 坯條校直后進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)沖切，旋沖機(jī)構(gòu)由高扭矩變頻電機(jī)與高精度旋轉(zhuǎn)編碼器共同驅(qū)動，沖切模具根據(jù)產(chǎn)品齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)；沖齒設(shè)備中的牽料機(jī)構(gòu)作為第2道動力源。

d) 經(jīng)過沖切成型的金屬針布齒條需經(jīng)熱處理，生產(chǎn)線中需配備退火、淬火以及回火工藝用設(shè)備；該工序的牽料機(jī)構(gòu)作為第3道動力源。

e) 為實(shí)現(xiàn)金屬針布齒條質(zhì)量在線控制，避免有質(zhì)量問題的針布齒條流入包裝工序，應(yīng)設(shè)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(shí)發(fā)現(xiàn)異常齒形，發(fā)出報(bào)警。

f) 經(jīng)過熱處理的金屬針布齒條最終進(jìn)入包卷工序，包卷裝置應(yīng)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(hù)紙。

g) 具備成品卷裝稱量功能，卷裝料達(dá)標(biāo)時(shí)應(yīng)能對現(xiàn)場人員進(jìn)行報(bào)警提示，進(jìn)行下料操作。

h) 沖切和熱處理工序易產(chǎn)生油煙或油霧，沖淬線需安裝排油煙管道。

3 方案設(shè)計(jì)

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

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

3.1 放料機(jī)

放料機(jī)主要用于來料卷放，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其運(yùn)行的同步性、穩(wěn)定性以及高精度主動放料功能，其結(jié)構(gòu)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(jī)機(jī)座符合工程學(xué)外形，底部設(shè)有自由移動的萬向腳輪。傳動部件通過皮帶輪傳動來驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。電機(jī)與傳動部件間用電磁離合器連接，工作時(shí)電磁離合器閉合，電機(jī)與傳動部件連接，動力輸出；停止時(shí)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(zhuǎn)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(jī)

校直牽料機(jī)作為金屬針布齒條沖淬聯(lián)合線中牽引產(chǎn)品的第1道動力源，主要用于牽引及來料校直，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

動力機(jī)構(gòu)作為沖切設(shè)備的動力源，通過皮帶輪機(jī)座為校直牽料機(jī)底部支承結(jié)構(gòu)件；張力機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)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(tài)；牽料機(jī)構(gòu)作為動力源，牽引坯條以一定速度向前運(yùn)動；校直機(jī)構(gòu)由多道交錯輥輪組成，對坯條進(jìn)行校直，提高進(jìn)入下道工序的坯條質(zhì)量。

1—牽料機(jī)構(gòu)；2—電控盒；3—機(jī)座；4—張力機(jī)構(gòu)；5—校直機(jī)構(gòu)。

3.3 沖切設(shè)備

沖切設(shè)備是影響金屬針布齒條質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵設(shè)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(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—沖模機(jī)構(gòu)；2—牽料機(jī)構(gòu)；3—電控盒；4—機(jī)座；5—動力機(jī)構(gòu)；6—張力機(jī)構(gòu)。

帶動上模旋轉(zhuǎn)，對坯條進(jìn)行沖切成型。張力機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制坯條的張緊度，保持坯條緊繃。牽料機(jī)構(gòu)作為第2道動力源，牽引金屬針布齒條勻速向前運(yùn)動。沖模機(jī)構(gòu)為上模旋轉(zhuǎn)沖切，下模調(diào)節(jié)模具間隙；整個(gè)沖切設(shè)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?？D，會造成局部齒形不一致。

沖切設(shè)備的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定整條線的生產(chǎn)速度。假設(shè)金屬針布齒條齒距為p(mm)、旋轉(zhuǎn)沖模數(shù)量為n(個(gè))、旋沖機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)速為m(r/min)，則設(shè)備整條線速度v為：

當(dāng)金屬針布齒條齒距為2 mm，沖模數(shù)量為4個(gè)，主軸轉(zhuǎn)速為2800 r/min時(shí)，整條線的速度v為22.4 m/min。

3.4 激光淬火處理機(jī)

激光淬火處理機(jī)是沖淬線金屬針布齒條硬度、晶粒度及壽命等性能指標(biāo)的重要保障設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—牽料機(jī)構(gòu)；2—回火處理裝置；3—熱風(fēng)烘干機(jī)；4—激光淬火裝置；5—退火處理裝置；6—激光水冷機(jī)；7—機(jī)座；8—導(dǎo)向裝置；9—調(diào)速機(jī)構(gòu)；10—水冷油箱；11—回火油箱。

激光淬火處理機(jī)中的牽料機(jī)構(gòu)作為第3道動力源，保持針布齒條的勻速進(jìn)給運(yùn)動；牽料機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度的均勻性可保證淬火質(zhì)量的穩(wěn)定性?；鼗鹛幚硌b置能消除產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品的韌性和壓延性。張力機(jī)構(gòu)作用同前道工序。激光淬火設(shè)備選用成熟的LED激光器作為淬火源，高精度電驅(qū)平臺控制激光器xyz三軸位移及xy面旋轉(zhuǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)線操作環(huán)境，提高齒條質(zhì)量與壽命。本工序相關(guān)外購設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 激光淬火處理機(jī)外購設(shè)備參數(shù)表

3.5 圖像測量系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的圖像測量系統(tǒng)能夠滿足最大速度為45 m/min時(shí)圖像的拍攝與測量，測量數(shù)值極差約為0.03 mm，且能設(shè)定抽檢頻次、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(包含公差設(shè)定)，不合格則自動判斷、報(bào)警，還能進(jìn)行圖片和數(shù)據(jù)的存儲。該圖像測量系統(tǒng)主要包括：測量儀器、固定座、吹風(fēng)清潔、環(huán)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(diào)節(jié)架。

測量儀器為圖像測量系統(tǒng)的核心部件，包括測量頭、放大器及主機(jī)，用于產(chǎn)品的投影、拍攝及數(shù)據(jù)處理等。密封罩用于保護(hù)測量部件不被污染，增加檢測的精度，延長使用壽命。保護(hù)罩內(nèi)通壓縮空氣，保證內(nèi)部正壓。定位裝置用于保證圖像測量的穩(wěn)定性和精確度。密封罩、吹風(fēng)清潔與環(huán)形氣簾全部用于保證測量系統(tǒng)處在正壓環(huán)境下工作，有利于提高測量精度。

3.6 卷繞包裝機(jī)

卷繞包裝機(jī)為針布齒條下料前的包裝環(huán)節(jié)，主要完成針布齒條的排料、收卷料及隔層墊防護(hù)紙功能，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1—送紙機(jī)構(gòu)；2—傳動機(jī)構(gòu)；3—切紙機(jī)構(gòu)；4—電子秤；5—機(jī)座；6—導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)；7—張力機(jī)構(gòu)；8—導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

傳動機(jī)構(gòu)作為料盤旋轉(zhuǎn)的動力輸出，保證收料盤按照預(yù)定速度收卷料；電子秤實(shí)現(xiàn)在線稱量、達(dá)到規(guī)定質(zhì)量后提醒功能；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)牽引針布齒條左右擺動，進(jìn)行寬度方向的排料，能隨盤料卷繞直徑增大而抬高；切紙機(jī)構(gòu)通過輥輪式傳輸，依靠摩擦力進(jìn)行防護(hù)紙的供給，并按照現(xiàn)有卷料直徑定長切斷；導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切紙預(yù)存功能，使紙張保持一定張力；送紙機(jī)構(gòu)采用大行程氣缸，當(dāng)氣缸下壓與料盤接觸，帶動防護(hù)紙卷入。

3.7 其他部件

其他部件包括排煙設(shè)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(shè)置，排煙設(shè)備由1根總管和3根支管及吸風(fēng)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(jié)構(gòu)見圖8。

1—吸煙罩；2—管道；3—吊箍。

4 結(jié)論

4.1新型激光沖淬金屬針布齒條聯(lián)合線具備主動放料、主動牽料(含3道牽引動力)、旋轉(zhuǎn)沖切、激光淬火、圖像測量、自動墊防護(hù)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(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

4.2該聯(lián)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(chǎn)過程中無大量燃燒氣體產(chǎn)生，基本無污染。

4.3該聯(lián)合線應(yīng)用圖像測量系統(tǒng)，對金屬針布齒條質(zhì)量能進(jìn)行在線控制，具有齒形異常在線報(bào)警功能，避免了不合格品流入市場造成質(zhì)量事故和售后客戶投訴，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和信譽(yù)度。

4.4沖齒設(shè)備為該聯(lián)合線速度控制點(diǎn)，其旋沖機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)與沖模數(shù)量決定了整條線的速度；可從提高驅(qū)動電機(jī)速度和增加沖模數(shù)量兩方面提高整條線速度，以提升整條線生產(chǎn)效率。

4.5與原有沖淬設(shè)備相比，現(xiàn)場操作環(huán)境得到改良，產(chǎn)品性能與質(zhì)量得到提高，經(jīng)濟(jì)效益增加，為金屬針布齒條生產(chǎn)線的研發(fā)提供了方向性參考。