全自動鋯合金板材毛刺去除裝置結構設計

席波濤，權繼鋒，王宏星，張宏軍，劉 杰，劉海明，李宇力

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

鋯合金板材加工過程中需根據成品規格將板材進行分切，由于材料的特殊性，分切過程多采用沖裁剪切的冷加工方式，剪切沖頭為單邊受力[1]，剪切過程不可避免地將使板材的分切面產生毛刺。毛刺的存在，會增加校平時局部平面度測量的不準確性，影響板材的拋光和板差的控制，最終影響板材尺寸的精度；邊部毛刺也會在拋光時形成粉末或小顆粒，對板材表面進行破壞，造成局部劃痕和凹陷點。為此，研發一種高效率的毛刺去除方式，保證板材加工精度和表面質量，提高產品成品率，對鋯合金板材加工過程尤為重要。

1 模擬人工去除毛刺過程選擇毛刺去除方式

去掉毛刺的方式有切削式和脆性斷裂式[2]。傳統人工去毛刺過程由作業人員利用百潔布或砂紙沿板材邊部進行往復打磨，最終將毛刺去除，其原理上類似切削式去毛刺。人工去除毛刺的方式，避免了常規毛刺去除設備對工件的物理敲擊和磨削過程，手工磨削時砂紙或百潔布僅與板材邊部接觸而不會對板材的上下表面造成損傷。為汲取人工去除毛刺方式的優勢，一種全自動鋯合金板材毛刺去除裝裝置采用的磨削方式如圖1 所示，百潔布輪如圖2 所示，磨削過程如圖3 所示。

圖1 磨削方式

圖2 百潔布輪

該方式利用百潔布自身彈性，通過機械結構使其表面在板材邊部形成包角，如圖3 所示，進而根據板材邊部毛刺在水平位置和垂直位置的分布特點，可以通過機械結構調整百潔布輪的傾角，進而控制百潔布在板材邊部的壓力分配，達到去除邊部毛刺的效果。

圖3 磨削過程

2 設計機械結構滿足百潔布輪的運動需求

為了保證百潔布輪可進行旋轉，同時滿足傾角調節的需求，進而提供維持百潔布輪傾角的力矩，設計制作磨頭（圖4、圖5）。

圖4 磨頭結構

圖5 斜齒輪結構

磨頭部分結合斜齒輪特性，利用圖5 所示轉動軸連接42 步進電機擺架，進采用A4988 步進電機驅動板調節磨頭俯仰角度，同時利用步進電機的最大勵磁轉矩給予百潔布輪適當扭矩。直流電機部分通過圖5 所示傳動軸與百潔布輪連接，進而通過PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）方式，利用L298N 控制電機轉速。

3 設計機械結構滿足不同厚度板材的去毛刺需求

如圖6、圖7 所示，板材邊部和端部磨頭均由一根絲桿驅動其底座沿光軸上下移動，設備上電后，程序控制磨頭整體向下移動，待限位開關觸點與限位開關接觸，完成磨頭高度歸零。此外，與板材邊部磨頭不同，板材端部磨頭上連接板內設計安裝了轉向步進電機，端部磨頭整體旋轉，用于增強板材邊部毛刺的去除能力。

圖6 板材邊部磨頭

圖7 板材端部磨頭

4 設計機械結構實現多規格板材毛刺去除功能

根據生產實際，板材剪切后產生毛刺的位置如圖8 所示。板材分切過程產生的毛刺主要集中于深色箭頭所示的A、E 邊和淺色箭頭所示的C、H 邊，同時考慮到較長規格板材毛刺的去除，設計毛刺去除設備采用板材通過式結構，A、C 邊毛刺由邊部磨頭負責去除，而E、H 邊均由端部磨頭負責去除，單道次去除后進行人工翻面。

圖8 板材剪切后產生毛刺的位置

設計該裝置采用通過式結構，在滿足板材長度方向規格不一的同時，方便板材邊部毛刺的去除，而板材端部毛刺的去除，還需端部磨頭沿著板材端部移動，因此端部磨頭配合直線導軌設計結構如圖9 所示。端部磨頭由底部步進電機及同步帶帶動實現沿板材端部移動的功能。此外，為了滿足不同寬度板材毛刺的去除，設計了寬度可調傳送帶（圖10），傳動帶主電機通過同步帶使得花鍵軸轉動，花鍵軸驅動主同步輪轉動，進而帶動傳送帶和從動同步輪轉動，實現板材輸送，同時由于花鍵軸的傳動特點，當兩條傳送帶間距發生變化時，依舊能夠保持穩定傳動。由于板材在加工時，板材邊部將受到來自磨頭沿重力方向的壓力，為了穩定的固定板材，配合寬度調節輸送帶設置了兩組夾送輥用于提供穩定的板材夾送力，板材夾送情況如圖11 所示，板材在夾送輥壓力所用下保持與傳送帶表面的緊密貼合。至此，機械結構部分設計完畢，采用歐標2020 和2040鋁型材制作裝置主框架，裝置結構如圖12 所示

圖9 磨頭直線導軌

圖10 寬度可調傳送帶

圖11 板材夾送情況

圖12 主框架

5 實施方式

設備上電后，在限位開關作用下，完成磨頭傾角歸零，端、側磨頭高度歸零，磨頭旋轉至機械限位，完成磨頭傾角歸零。隨后磨頭下降至機械限位，完成磨頭高度歸零。主磨頭與側磨頭指令相同。設備初始化完畢。設備初始化完畢后，可通過HMI 界面或設備控制屏依次輸入板材寬度、厚度、初始磨頭傾角，隨機設備根據輸入數值換算為輥道間距步進電機脈沖，磨頭高度電機脈沖以及磨頭傾角電機脈沖，各電機運動至指定位置。通過HMI 界面或設備控制屏依次輸入磨頭轉速、傳送帶轉速，并啟動二者電機，磨頭及轉動帶部分開始選轉，設備啟動完畢。

將待加工板材置于傳送帶表面，板材隨傳送帶運動進入設備，板材側磨頭接觸板材邊部，隨即對邊部毛刺進行清除，待板材端部運動至對射開關位置，側模頭和傳送帶同時停止，如圖13所示，傳送帶繼續輸送板材，直至板材完全離開設備后觀察毛刺去除情況，如毛刺尚未徹底清除，則通過控制調整磨頭高度或調整磨頭傾角增大百潔布輪對板材邊部的包角面積，從而達到增加去除毛刺壓力的目的；如板材邊部產生塌邊等缺陷則調整磨頭減小其包角范圍，直至參數與毛刺去除情況相匹配，即可大批量生產。

圖13 開關位置

6 結束語

設計的全自動鋯合金板材毛刺去除裝置解決了傳統人工板材毛刺去除效率不高的問題，降低毛刺造成板材表面質量問題的風險，同時也降低了板材去毛刺過程中產生的安全風險。同時拋磨系統可進行獨立的多參數調整，如角度、壓下量、位置等，進而實現板材拋磨去除量的精確控制。角度是根據板材厚度的變化進行調整，而磨頭則根據上下位置的調整來改變壓下量，而磨頭左右的調整則是根據板材寬度進行變化。在三組數據的保證下，板材邊部能有效的貼合磨頭，形成包角，保證板材邊部的毛刺去除。