基于萬向柔性研磨技術(shù)的鋁合金壁板自動去毛刺工藝技術(shù)研究

李洋，崔鑫，姚輝，郭東亮，王德廷

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

貯箱是運載火箭的重要組成部件，承載著箭體中的全部燃料及助燃劑。而貯箱是由一塊塊貯箱壁板經(jīng)焊接組合而成，貯箱壁板最大規(guī)格為5000 mm×2500 mm。為滿足新一代火箭輕量化的要求，壁板中包含大量的型腔特征，最薄處不足2 mm，如圖1所示，根據(jù)形狀可分為正三角形型腔、正方形型腔、梯形型腔及各種不規(guī)則型腔等。貯箱壁板采用機械銑切成形技術(shù)，因此在工件棱邊上存在大量銑削毛刺待去除。

圖1 鋁合金壁板機械銑削

壁板銑削毛刺直接影響壁板工件的表面粗糙度，對后續(xù)加工工序和設(shè)備造成不利影響，對工人人身安全造成威脅。此外，毛刺脫落產(chǎn)生的多余物可引發(fā)運載火箭產(chǎn)品故障。因此，壁板機械銑削后需進行去毛刺處理。

1 工藝分析

1.1 傳統(tǒng)毛刺去除工藝

目前壁板去毛刺由工人蹲伏在壁板成品上，手持高速鋼刮刀對壁板網(wǎng)格、下陷、孔等結(jié)構(gòu)的棱邊進行逐條去毛刺倒鈍，如圖2所示。手工去除毛刺后，為保證零件的清潔，還需要使用高壓氣槍吹除并使用酒精、汽油等反復(fù)擦拭壁板上殘余的鋁屑。

圖2 壁板手工去毛刺

隨著壁板任務(wù)量的逐年增大，手工去毛刺存在的高強度、低效率，對產(chǎn)品、對操作人員都存在較大的安全隱患，存在二次毛刺的風(fēng)險，去除一致性差，存在毛刺漏去除等，這一系列風(fēng)險、缺點越來越成為制約生產(chǎn)的瓶頸。鑒于此，亟待找到更加安全高效的新的壁板去毛刺工藝方法來解決以上問題。

1.2 新毛刺去除工藝

目前常見的金屬零件去毛刺工藝有數(shù)十種，經(jīng)調(diào)研只有機械工具去毛刺工藝中的柔性研磨去毛刺工藝適用于鋁合金壁板的去毛刺處理。

針對鋁合金壁板結(jié)構(gòu)和機械銑削毛刺特點，設(shè)計了鋁合金壁板網(wǎng)格棱邊（尤其是等高棱邊）萬向柔性研磨自動去毛刺方案。如圖3所示，根據(jù)零件尺寸確定滾刷數(shù)量及布局方案，實現(xiàn)鋁合金壁板網(wǎng)格各方向棱邊的萬向柔性研磨去毛刺和倒鈍。

圖3 鋁合金壁板萬向柔性研磨自動去毛刺示意圖

該柔性輥刷工位采用多組輥刷自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)復(fù)合運動方式，如圖4所示。在自轉(zhuǎn)作用下，輥刷刷條與網(wǎng)格棱邊不斷接觸、重復(fù)研磨，實現(xiàn)對棱邊的高效去毛刺和倒鈍處理。在公轉(zhuǎn)作用下，輥刷能夠360°全覆蓋壁板工件，配合自轉(zhuǎn)形成萬向研磨效果，實現(xiàn)對各方向棱邊的無死角均勻去毛刺和倒鈍處理。

圖4 360°無死角柔性輥刷工位

加工前通過觸屏控制系統(tǒng)設(shè)置工件厚度、傳送速度、砂帶速度、輥刷自轉(zhuǎn)速度、輥刷公轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，控制萬向柔性研磨自動去毛刺的運行。加工過程中，壁板在自重作用下固定在傳送裝置上，隨傳送裝置勻速移至工作區(qū)，依次經(jīng)過柔性砂帶工位和柔性輥刷工位。壁板等高網(wǎng)格棱邊在各工位的萬向柔性研磨作用下實現(xiàn)自動去毛刺和倒鈍處理。處理后的壁板隨傳送裝置移出工作區(qū)，完成去毛刺加工。整個去毛刺處理過程無需人工干預(yù)。

2 新工藝具體實施方案

因市面上常規(guī)的萬向柔性研磨自動去毛刺設(shè)備主要是針對小型鈑金件而研制，尺寸普遍較小，國內(nèi)外相關(guān)廠家的標(biāo)準(zhǔn)機型可加工寬度均在1400 mm以內(nèi)。為驗證該方案的實際可行性及可能存在的問題，進行了縮比件的相關(guān)實驗。根據(jù)萬向柔性研磨自動去毛刺過程中產(chǎn)生的金屬碎屑、脫落磨粒等廢屑等實現(xiàn)效果及板幅增寬可能存在的問題，設(shè)計了一套適用于寬板幅長尺寸壁板的設(shè)備方案。

2.1 小于1300 mm的鋁合金壁板縮比試驗件自動去毛刺工藝試驗

為驗證實際效果，試驗零件盡量集合了各類網(wǎng)格特征，根據(jù)現(xiàn)有壁板狀態(tài)設(shè)計小于1300 mm的寬幅鋁合金壁板自動去毛刺工藝試件。小于1300 mm的寬幅壁板工藝試件采用2219鋁合金，外形輪廓2200 mm×1280 mm×12（10.9）mm，網(wǎng)格深5 mm，網(wǎng)格類型包括矩形、圓形、小三角形、大三角形、放射扇形和不規(guī)則形狀，共計246個特征（如圖5），覆蓋現(xiàn)有壁板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并按照圖示數(shù)字標(biāo)記位置。按現(xiàn)行機械銑削方式加工2件小于1300 mm的寬幅壁板工藝試件，保留加工后的毛刺。

圖5 小于1300 mm的寬幅鋁合金壁板自動去毛刺工藝試件

對試驗過程的參數(shù)進行記錄，對試驗前后的工件進行測量，記錄于表1～表3中，分析壁板等比試件萬向柔性研磨自動去毛刺的效率和效果。

表1 小于1300 mm的寬幅壁板工藝試件自動去毛刺試驗對比

通過分析對比試驗件試驗前后等高網(wǎng)格棱邊狀態(tài)、表面粗糙度、壁厚實測值、筋寬實測值等驗證參數(shù)，發(fā)現(xiàn)試驗后毛刺無殘留、去除效果達到工藝要求，如圖6所示，表面粗糙度、壁厚、筋寬基本未受影響，試驗達到了預(yù)期效果。

圖6 毛刺去除前、自動去除及手工去除后效果

此外，通過參考傳統(tǒng)鈑金去毛刺的參數(shù)組合并進行優(yōu)化，使該次試驗單位長度壁板耗時達到1.67 min，核算成最大長度壁板也能達到單塊壁板耗時在10 min以內(nèi)。

綜上所述，數(shù)項實驗?zāi)繕?biāo)均已達到了，但實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，諸如自動去毛刺后，型腔內(nèi)會殘留附著較多黑色鋁屑，如圖9所示，此外，當(dāng)設(shè)備有效加工寬度由1.4 m增大到2.5 m后，在保證效率的前提下，整個幅寬范圍如何保證毛刺均勻去除也是后續(xù)需要研究的內(nèi)容之一。

2.2 寬幅鋁合金壁板自動去毛刺工藝平臺方案設(shè)計

2.2.1 工藝平臺設(shè)計思路

在小于1300 mm的寬幅鋁合金壁板萬向柔性研磨自動去毛刺工藝試驗的基礎(chǔ)上，開展小于2500 mm的寬幅鋁合金壁板自動去毛刺工藝平臺設(shè)計。通過增加研磨工位、增大研磨工具尺寸、工位錯位設(shè)置等方法（如圖8），來實現(xiàn)大寬幅鋁合金壁板自動去毛刺，同時保證去毛刺的效率和效果。

圖8 單工位壁板自動去毛刺工藝平臺示意圖

經(jīng)過對鋁合金壁板萬向柔性研磨自動去毛刺工藝試驗數(shù)據(jù)、工藝方案，尤其是試驗中出現(xiàn)的問題進行分析，確定磨削單元整體設(shè)計思路是：1）不宜采用超大寬幅的滾刷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。若針對超大寬幅及長度的工件，設(shè)計制造超大型滾刷機構(gòu)，由于機構(gòu)龐大，可能帶來成本增加，為保證結(jié)構(gòu)強度，會造成設(shè)計的機構(gòu)臃腫、穩(wěn)定性難以保證，因此不宜采用超大寬幅的滾刷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。2）采用成熟的小幅面滾刷結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計思路有兩種，一種是單磨削單元龍門式結(jié)構(gòu)，一種是多磨削單元分布通過式方案。考慮到加工效率因素，最終考慮最后一種方案進行小于2500 mm的寬幅鋁合金壁板自動去毛刺工藝平臺設(shè)計。3）方案中專門針對去毛刺后鋁屑的殘留增加了清潔裝置部分。清潔機構(gòu)設(shè)計方案包括側(cè)立式清潔方案和翻轉(zhuǎn)式下清潔方案，結(jié)合磨削單元設(shè)計特點及效率，最終選用翻轉(zhuǎn)式下清潔方案。

綜合上述分析，最終的技術(shù)方案采用“多磨削單元分布通過式+翻轉(zhuǎn)式下清潔”組合方案。

2.2.2 多磨削單元分布通過式鋁合金壁板自動去毛刺工藝平臺設(shè)計

2.2.2.1 工藝平臺簡介

圖7 型腔附著鋁屑

本方案為工件移動，工件沿輸送線從前到后一次通過，完成去毛刺、清潔的動作。如圖9所示，磨削機構(gòu)選用6輥磨削單元進行品字布局，主要由前導(dǎo)料平臺、模組式磨削單元、操作控制臺、工件翻轉(zhuǎn)架（機構(gòu)）、清潔裝置、后導(dǎo)料平臺構(gòu)成。一次性通過磨削腔體，完成工件全幅面的去毛刺、倒鈍、清潔。磨削機構(gòu)出口端布置滾架機構(gòu)，對工件進行180°翻轉(zhuǎn)，將磨削面朝下，以便于后道的下置式清潔工序，使用滾刷式清潔裝置去除翻轉(zhuǎn)工件的型腔鋁屑等多余物。控制采用數(shù)控方式，人機交互。通過工件基本尺寸數(shù)據(jù)與相應(yīng)磨削參數(shù)的輸入，自動完成整個去毛刺動作及清潔工作。

圖9 多磨削單元分布通過式鋁合金壁板自動去毛刺工藝平臺

2.2.2.2 方案技術(shù)特點

該多磨削單元分布通過式方案的特點如下：1）由于采用工件通過式結(jié)構(gòu)，處理效率高；2）磨削機構(gòu)采用現(xiàn)有的成熟結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠，通過多模組式布局，有效覆蓋整個加工幅面；3）具有磨料自動補償功能，可以支持多模組獨立運轉(zhuǎn)，以適應(yīng)大小工件的處理，有效減少功耗及磨料損耗，能夠保持長時間運行的質(zhì)量穩(wěn)定性；4）簡化操作步驟，實現(xiàn)設(shè)備操作最簡化；5）磨削區(qū)域進行獨立腔體設(shè)計，對粉塵有效隔絕，最大限度減少工作區(qū)域的粉塵彌漫，優(yōu)化工作環(huán)境；6）翻轉(zhuǎn)工件后，從下表面進行清潔，便于清潔后污物排除。

3 結(jié)語

基于萬向柔性研磨技術(shù)的自動去毛刺工藝技術(shù)方案，可實現(xiàn)將單塊壁板自動去毛刺實際加工耗時控制在10 min以內(nèi)，效率最大提升幅度約為97.9%；該方案提高了毛刺去除的均勻性，有效避免了壁板毛刺漏去及手工去毛刺過程中的人員及產(chǎn)品安全風(fēng)險，大大降低了勞動強度及人員配置數(shù)量。