新型激光冲淬金属针布齿条联合线的研究与设计

2021-04-06于月琴马海波金轮针布

纺织器材 2021年1期

王军，于月琴，陶伟，马海波(.金轮针布

(江苏)有限公司梳理技术研究部，江苏南通 226009；2.华润建筑有限公司，广东深圳 518000)

1 现有冲淬金属针布齿条联合线流程及存在问题

为了获得优质高效的成纱质量，要求梳理用金属针布具备良好的穿刺与分梳能力、握持与释放能力，以及良好的锋利度和耐磨性，这些均取决于金属针布齿条的制造精度和工艺水平[1]。

冲淬联合线是制造金属针布齿条的流水生产线，主要包括放料、校直、冲齿、淬火、图像测量和卷绕包装等工序。生产线的设计原理、工艺流程、加工精度以及员工操作水平，均会影响金属针布齿条的质量和生产效率；其中，冲齿和淬火是生产线最重要的工序。冲齿工序采用高速旋冲设备，冲切出尺寸、形状一致的齿形；淬火工序要保证几千米长度的金属针布齿条在一定速度下运行，齿形部分淬火稳定。为此，应选择精度较高的伺服电机，保证冲齿设备的旋转精度和牵料设备的进给精度，使两设备协调同步，保证产品的一致性[2]。

目前，主流金属针布齿条制造企业的设备效率、精度、自动化以及智能化水平已有大幅度提高，但仍然存在一些弊端：如放料料盘小，影响生产效率，增加工人上料强度；淬火采用的火焰工艺不稳定，环境污染较大；无在线监测功能，生产异常时无法及时解决，容易造成质量问题和经济损失。

笔者提出新型激光冲淬联合生产线设计思路，通过采用最新的激光淬火工艺和图像测量技术，提升金属针布齿条的质量与生产效率，达到降低成本、提升效率、减少劳动力资源消耗等目的。

2 新型激光冲淬联合线工艺过程与设备功能

2.1 工艺过程

金属针布齿条参数包括：前角、齿尖角、齿距、基部厚度、齿顶长、齿高和齿深，等。适当的前角有利于提高梳理产量；齿尖角与针布的穿刺能力有关；齿距和基部厚决定金属针布的齿密，对梳理效能有直接影响；齿顶长与穿刺能力和抓取纤维能力有关；齿高和齿深影响齿的强度和齿隙容纤量[3]。根据以上齿形特征对生产线工艺和设备功能提出要求。

新型激光冲淬金属针布齿条联合线的主要工艺包括放料、校直、冲齿、激光淬火(含高频退火和高频回火功能)、图像测量和卷绕包装等，附有控制电柜和排烟装置。放料和卷绕包装工序是该生产线的开始和结束工序，放料设备中的来料是前道工序——轧制生产线的半成品坯条，放料机需人工上料；卷绕包装后的产品即为成品，只需扫码入库即可。

2.2 设备功能要求

根据金属针布齿条制造工艺流程要求，生产线应具备以下主要功能。

a) 经前道轧制的半成品坯条为盘状卷料，放料机应适应各类盘料的安装，具备主动放料与急停功能。

b) 放料设备前需设置牵料校直机构，作为牵引产品的第1道动力源，对坯条进行校直，保证进入后道冲齿工序半成品坯条的通径水平。

c) 坯条校直后进行连续旋转冲切，旋冲机构由高扭矩变频电机与高精度旋转编码器共同驱动，冲切模具根据产品齿形进行设计；冲齿设备中的牵料机构作为第2道动力源。

d) 经过冲切成型的金属针布齿条需经热处理，生产线中需配备退火、淬火以及回火工艺用设备；该工序的牵料机构作为第3道动力源。

e) 为实现金属针布齿条质量在线控制，避免有质量问题的针布齿条流入包装工序，应设置在线图像测量工序，通过满足高速摄像并有效识别的CCD装置，及时发现异常齿形，发出报警。

f) 经过热处理的金属针布齿条最终进入包卷工序，包卷装置应满足宽度均布、叠层排布的要求，且层与层之间需要垫有防护纸。

g) 具备成品卷装称量功能，卷装料达标时应能对现场人员进行报警提示，进行下料操作。

h) 冲切和热处理工序易产生油烟或油雾，冲淬线需安装排油烟管道。

3 方案设计

根据新型金属针布齿条冲淬联合线各工步、工序要求，将生产线功能划分为放料机(含急停阻尼机构)、校直牵料机(含张力控制)、冲模设备(含牵料机构及张力控制)、激光淬火处理机(含退火前校直、清洁及张力控制)、图像测量设备、卷绕包装机(含垫纸、切纸及送纸机构)、称量设备、排油烟管道等；另外，还需要有电气控制系统和气动执行系统。图1为金属针布齿条冲淬联合线的整体布局示意。

1—放料机；2—校直牵料机；3—冲齿机；4—激光淬火+图像识别；5—电箱；6—卷绕包装机；7—排烟管道。

3.1 放料机

放料机主要用于来料卷放，设计时应考虑其运行的同步性、稳定性以及高精度主动放料功能，其结构如图2所示。

1—传动部件；2—主轴部件；3—刹车部件；4—轻便卸料；5—压板；6—衬套；7—螺钉；8—垫片。

放料机机座符合工程学外形，底部设有自由移动的万向脚轮。传动部件通过皮带轮传动来驱动主轴旋转。电机与传动部件间用电磁离合器连接，工作时电磁离合器闭合，电机与传动部件连接，动力输出；停止时电磁离合器断开，气缸在电磁阀作用下输出阻尼，主轴在刹车部件的阻尼作用下停止转动。主轴部件主要由两连接轴组成，一端连接料盘，一端传递动力。

3.2 校直牵料机

校直牵料机作为金属针布齿条冲淬联合线中牵引产品的第1道动力源，主要用于牵引及来料校直，其结构如图3所示。

动力机构作为冲切设备的动力源，通过皮带轮机座为校直牵料机底部支承结构件；张力机构调节控制冲淬线中坯条的张紧度，以保持坯条一直处于绷紧状态；牵料机构作为动力源，牵引坯条以一定速度向前运动；校直机构由多道交错辊轮组成，对坯条进行校直，提高进入下道工序的坯条质量。

1—牵料机构；2—电控盒；3—机座；4—张力机构；5—校直机构。

3.3 冲切设备

冲切设备是影响金属针布齿条质量和产量的关键设备。坯条在均匀牵引的条件下，由冲切模具冲切出齿高、齿距均匀一致的齿形，其结构如图4所示。

1—冲模机构；2—牵料机构；3—电控盒；4—机座；5—动力机构；6—张力机构。

带动上模旋转，对坯条进行冲切成型。张力机构调节控制坯条的张紧度，保持坯条紧绷。牵料机构作为第2道动力源，牵引金属针布齿条匀速向前运动。冲模机构为上模旋转冲切，下模调节模具间隙；整个冲切设备中的牵料与冲模动作必须同步且一致；如牵料打滑或者冲模卡顿，会造成局部齿形不一致。

冲切设备的设计水平决定整条线的生产速度。假设金属针布齿条齿距为p(mm)、旋转冲模数量为n(个)、旋冲机构主轴转速为m(r/min)，则设备整条线速度v为：

当金属针布齿条齿距为2 mm，冲模数量为4个，主轴转速为2800 r/min时，整条线的速度v为22.4 m/min。

3.4 激光淬火处理机

激光淬火处理机是冲淬线金属针布齿条硬度、晶粒度及寿命等性能指标的重要保障设备，其结构如图5所示。

1—牵料机构；2—回火处理装置；3—热风烘干机；4—激光淬火装置；5—退火处理装置；6—激光水冷机；7—机座；8—导向装置；9—调速机构；10—水冷油箱；11—回火油箱。

激光淬火处理机中的牵料机构作为第3道动力源，保持针布齿条的匀速进给运动；牵料机构进给速度的均匀性可保证淬火质量的稳定性。回火处理装置能消除产品内应力，提高产品的韧性和压延性。张力机构作用同前道工序。激光淬火设备选用成熟的LED激光器作为淬火源，高精度电驱平台控制激光器xyz三轴位移及xy面旋转，优化生产线操作环境，提高齿条质量与寿命。本工序相关外购设备参数见表1。

表1 激光淬火处理机外购设备参数表

3.5 图像测量系统

本设计的图像测量系统能够满足最大速度为45 m/min时图像的拍摄与测量，测量数值极差约为0.03 mm，且能设定抽检频次、数据标准(包含公差设定)，不合格则自动判断、报警，还能进行图片和数据的存储。该图像测量系统主要包括：测量仪器、固定座、吹风清洁、环形气帘、密封罩以及定位装置等，如图6所示。

1，4—定位装置；2—测量仪器；3—调节架。

测量仪器为图像测量系统的核心部件，包括测量头、放大器及主机，用于产品的投影、拍摄及数据处理等。密封罩用于保护测量部件不被污染，增加检测的精度，延长使用寿命。保护罩内通压缩空气，保证内部正压。定位装置用于保证图像测量的稳定性和精确度。密封罩、吹风清洁与环形气帘全部用于保证测量系统处在正压环境下工作，有利于提高测量精度。

3.6 卷绕包装机

卷绕包装机为针布齿条下料前的包装环节，主要完成针布齿条的排料、收卷料及隔层垫防护纸功能，其结构如图7所示。

1—送纸机构；2—传动机构；3—切纸机构；4—电子秤；5—机座；6—导纸机构；7—张力机构；8—导向机构。

传动机构作为料盘旋转的动力输出，保证收料盘按照预定速度收卷料；电子秤实现在线称量、达到规定质量后提醒功能；导向机构牵引针布齿条左右摆动，进行宽度方向的排料，能随盘料卷绕直径增大而抬高；切纸机构通过辊轮式传输，依靠摩擦力进行防护纸的供给，并按照现有卷料直径定长切断；导纸机构实现切纸预存功能，使纸张保持一定张力；送纸机构采用大行程气缸，当气缸下压与料盘接触，带动防护纸卷入。