基于万向柔性研磨技术的铝合金壁板自动去毛刺工艺技术研究

2021-12-22李洋崔鑫姚辉郭东亮王德廷

机械工程师 2021年12期

李洋，崔鑫，姚辉，郭东亮，王德廷

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

贮箱是运载火箭的重要组成部件，承载着箭体中的全部燃料及助燃剂。而贮箱是由一块块贮箱壁板经焊接组合而成，贮箱壁板最大规格为5000 mm×2500 mm。为满足新一代火箭轻量化的要求，壁板中包含大量的型腔特征，最薄处不足2 mm，如图1所示，根据形状可分为正三角形型腔、正方形型腔、梯形型腔及各种不规则型腔等。贮箱壁板采用机械铣切成形技术，因此在工件棱边上存在大量铣削毛刺待去除。

图1 铝合金壁板机械铣削

壁板铣削毛刺直接影响壁板工件的表面粗糙度，对后续加工工序和设备造成不利影响，对工人人身安全造成威胁。此外，毛刺脱落产生的多余物可引发运载火箭产品故障。因此，壁板机械铣削后需进行去毛刺处理。

1 工艺分析

1.1 传统毛刺去除工艺

目前壁板去毛刺由工人蹲伏在壁板成品上，手持高速钢刮刀对壁板网格、下陷、孔等结构的棱边进行逐条去毛刺倒钝，如图2所示。手工去除毛刺后，为保证零件的清洁，还需要使用高压气枪吹除并使用酒精、汽油等反复擦拭壁板上残余的铝屑。

图2 壁板手工去毛刺

随着壁板任务量的逐年增大，手工去毛刺存在的高强度、低效率，对产品、对操作人员都存在较大的安全隐患，存在二次毛刺的风险，去除一致性差，存在毛刺漏去除等，这一系列风险、缺点越来越成为制约生产的瓶颈。鉴于此，亟待找到更加安全高效的新的壁板去毛刺工艺方法来解决以上问题。

1.2 新毛刺去除工艺

目前常见的金属零件去毛刺工艺有数十种，经调研只有机械工具去毛刺工艺中的柔性研磨去毛刺工艺适用于铝合金壁板的去毛刺处理。

针对铝合金壁板结构和机械铣削毛刺特点，设计了铝合金壁板网格棱边（尤其是等高棱边）万向柔性研磨自动去毛刺方案。如图3所示，根据零件尺寸确定滚刷数量及布局方案，实现铝合金壁板网格各方向棱边的万向柔性研磨去毛刺和倒钝。

图3 铝合金壁板万向柔性研磨自动去毛刺示意图

该柔性辊刷工位采用多组辊刷自转、公转复合运动方式，如图4所示。在自转作用下，辊刷刷条与网格棱边不断接触、重复研磨，实现对棱边的高效去毛刺和倒钝处理。在公转作用下，辊刷能够360°全覆盖壁板工件，配合自转形成万向研磨效果，实现对各方向棱边的无死角均匀去毛刺和倒钝处理。

图4 360°无死角柔性辊刷工位

加工前通过触屏控制系统设置工件厚度、传送速度、砂带速度、辊刷自转速度、辊刷公转速度等参数，控制万向柔性研磨自动去毛刺的运行。加工过程中，壁板在自重作用下固定在传送装置上，随传送装置匀速移至工作区，依次经过柔性砂带工位和柔性辊刷工位。壁板等高网格棱边在各工位的万向柔性研磨作用下实现自动去毛刺和倒钝处理。处理后的壁板随传送装置移出工作区，完成去毛刺加工。整个去毛刺处理过程无需人工干预。

2 新工艺具体实施方案

因市面上常规的万向柔性研磨自动去毛刺设备主要是针对小型钣金件而研制，尺寸普遍较小，国内外相关厂家的标准机型可加工宽度均在1400 mm以内。为验证该方案的实际可行性及可能存在的问题，进行了缩比件的相关实验。根据万向柔性研磨自动去毛刺过程中产生的金属碎屑、脱落磨粒等废屑等实现效果及板幅增宽可能存在的问题，设计了一套适用于宽板幅长尺寸壁板的设备方案。

2.1 小于1300 mm的铝合金壁板缩比试验件自动去毛刺工艺试验

为验证实际效果，试验零件尽量集合了各类网格特征，根据现有壁板状态设计小于1300 mm的宽幅铝合金壁板自动去毛刺工艺试件。小于1300 mm的宽幅壁板工艺试件采用2219铝合金，外形轮廓2200 mm×1280 mm×12（10.9）mm，网格深5 mm，网格类型包括矩形、圆形、小三角形、大三角形、放射扇形和不规则形状，共计246个特征（如图5），覆盖现有壁板网格结构，并按照图示数字标记位置。按现行机械铣削方式加工2件小于1300 mm的宽幅壁板工艺试件，保留加工后的毛刺。

图5 小于1300 mm的宽幅铝合金壁板自动去毛刺工艺试件

对试验过程的参数进行记录，对试验前后的工件进行测量，记录于表1～表3中，分析壁板等比试件万向柔性研磨自动去毛刺的效率和效果。

表1 小于1300 mm的宽幅壁板工艺试件自动去毛刺试验对比

通过分析对比试验件试验前后等高网格棱边状态、表面粗糙度、壁厚实测值、筋宽实测值等验证参数，发现试验后毛刺无残留、去除效果达到工艺要求，如图6所示，表面粗糙度、壁厚、筋宽基本未受影响，试验达到了预期效果。

图6 毛刺去除前、自动去除及手工去除后效果

此外，通过参考传统钣金去毛刺的参数组合并进行优化，使该次试验单位长度壁板耗时达到1.67 min，核算成最大长度壁板也能达到单块壁板耗时在10 min以内。

综上所述，数项实验目标均已达到了，但实验过程中也发现了一些问题，诸如自动去毛刺后，型腔内会残留附着较多黑色铝屑，如图9所示，此外，当设备有效加工宽度由1.4 m增大到2.5 m后，在保证效率的前提下，整个幅宽范围如何保证毛刺均匀去除也是后续需要研究的内容之一。

2.2 宽幅铝合金壁板自动去毛刺工艺平台方案设计

2.2.1 工艺平台设计思路

在小于1300 mm的宽幅铝合金壁板万向柔性研磨自动去毛刺工艺试验的基础上，开展小于2500 mm的宽幅铝合金壁板自动去毛刺工艺平台设计。通过增加研磨工位、增大研磨工具尺寸、工位错位设置等方法（如图8），来实现大宽幅铝合金壁板自动去毛刺，同时保证去毛刺的效率和效果。

图8 单工位壁板自动去毛刺工艺平台示意图

经过对铝合金壁板万向柔性研磨自动去毛刺工艺试验数据、工艺方案，尤其是试验中出现的问题进行分析，确定磨削单元整体设计思路是：1）不宜采用超大宽幅的滚刷结构设计方案。若针对超大宽幅及长度的工件，设计制造超大型滚刷机构，由于机构庞大，可能带来成本增加，为保证结构强度，会造成设计的机构臃肿、稳定性难以保证，因此不宜采用超大宽幅的滚刷结构设计方案。2）采用成熟的小幅面滚刷结构方案。设计思路有两种，一种是单磨削单元龙门式结构，一种是多磨削单元分布通过式方案。考虑到加工效率因素，最终考虑最后一种方案进行小于2500 mm的宽幅铝合金壁板自动去毛刺工艺平台设计。3）方案中专门针对去毛刺后铝屑的残留增加了清洁装置部分。清洁机构设计方案包括侧立式清洁方案和翻转式下清洁方案，结合磨削单元设计特点及效率，最终选用翻转式下清洁方案。

综合上述分析，最终的技术方案采用“多磨削单元分布通过式+翻转式下清洁”组合方案。

2.2.2 多磨削单元分布通过式铝合金壁板自动去毛刺工艺平台设计

2.2.2.1 工艺平台简介

图7 型腔附着铝屑

本方案为工件移动，工件沿输送线从前到后一次通过，完成去毛刺、清洁的动作。如图9所示，磨削机构选用6辊磨削单元进行品字布局，主要由前导料平台、模组式磨削单元、操作控制台、工件翻转架（机构）、清洁装置、后导料平台构成。一次性通过磨削腔体，完成工件全幅面的去毛刺、倒钝、清洁。磨削机构出口端布置滚架机构，对工件进行180°翻转，将磨削面朝下，以便于后道的下置式清洁工序，使用滚刷式清洁装置去除翻转工件的型腔铝屑等多余物。控制采用数控方式，人机交互。通过工件基本尺寸数据与相应磨削参数的输入，自动完成整个去毛刺动作及清洁工作。

图9 多磨削单元分布通过式铝合金壁板自动去毛刺工艺平台

2.2.2.2 方案技术特点

该多磨削单元分布通过式方案的特点如下：1）由于采用工件通过式结构，处理效率高；2）磨削机构采用现有的成熟结构，稳定可靠，通过多模组式布局，有效覆盖整个加工幅面；3）具有磨料自动补偿功能，可以支持多模组独立运转，以适应大小工件的处理，有效减少功耗及磨料损耗，能够保持长时间运行的质量稳定性；4）简化操作步骤，实现设备操作最简化；5）磨削区域进行独立腔体设计，对粉尘有效隔绝，最大限度减少工作区域的粉尘弥漫，优化工作环境；6）翻转工件后，从下表面进行清洁，便于清洁后污物排除。