李洋，崔鑫，姚輝，郭東亮，王德廷

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

貯箱是運(yùn)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(jī)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(jī)械銑削

壁板銑削毛刺直接影響壁板工件的表面粗糙度，對(duì)后續(xù)加工工序和設(shè)備造成不利影響，對(duì)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(yùn)載火箭產(chǎn)品故障。因此，壁板機(jī)械銑削后需進(jìn)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(duì)壁板網(wǎng)格、下陷、孔等結(jié)構(gòu)的棱邊進(jìn)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(qiáng)度、低效率，對(duì)產(chǎn)品、對(duì)操作人員都存在較大的安全隱患，存在二次毛刺的風(fēng)險(xiǎn)，去除一致性差，存在毛刺漏去除等，這一系列風(fēng)險(xiǎn)、缺點(diǎn)越來(lái)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(lái)解決以上問(wèn)題。

1.2 新毛刺去除工藝

目前常見(jiàn)的金屬零件去毛刺工藝有數(shù)十種，經(jīng)調(diào)研只有機(jī)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(duì)鋁合金壁板結(jié)構(gòu)和機(jī)械銑削毛刺特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鋁合金壁板網(wǎng)格棱邊（尤其是等高棱邊）萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)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(shí)現(xiàn)鋁合金壁板網(wǎng)格各方向棱邊的萬(wàn)向柔性研磨去毛刺和倒鈍。

圖3 鋁合金壁板萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wàn)向研磨效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)各方向棱邊的無(wú)死角均勻去毛刺和倒鈍處理。

圖4 360°無(wú)死角柔性輥刷工位

加工前通過(guò)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(wàn)向柔性研磨自動(dòng)去毛刺的運(yùn)行。加工過(guò)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(guò)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(wàn)向柔性研磨作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)去毛刺處理過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。

2 新工藝具體實(shí)施方案

因市面上常規(guī)的萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)去毛刺設(shè)備主要是針對(duì)小型鈑金件而研制，尺寸普遍較小，國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠家的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型可加工寬度均在1400 mm以內(nèi)。為驗(yàn)證該方案的實(shí)際可行性及可能存在的問(wèn)題，進(jìn)行了縮比件的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)去毛刺過(guò)程中產(chǎn)生的金屬碎屑、脫落磨粒等廢屑等實(shí)現(xiàn)效果及板幅增寬可能存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套適用于寬板幅長(zhǎng)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(yàn)件自動(dòng)去毛刺工藝試驗(yàn)

為驗(yàn)證實(shí)際效果，試驗(yàn)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(jì)小于1300 mm的寬幅鋁合金壁板自動(dòng)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(jì)246個(gè)特征（如圖5），覆蓋現(xiàn)有壁板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并按照?qǐng)D示數(shù)字標(biāo)記位置。按現(xiàn)行機(jī)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(dòng)去毛刺工藝試件

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行記錄，對(duì)試驗(yàn)前后的工件進(jìn)行測(cè)量，記錄于表1～表3中，分析壁板等比試件萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)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(dòng)去毛刺試驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)分析對(duì)比試驗(yàn)件試驗(yàn)前后等高網(wǎng)格棱邊狀態(tài)、表面粗糙度、壁厚實(shí)測(cè)值、筋寬實(shí)測(cè)值等驗(yàn)證參數(shù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后毛刺無(wú)殘留、去除效果達(dá)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(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6 毛刺去除前、自動(dòng)去除及手工去除后效果

此外，通過(guò)參考傳統(tǒng)鈑金去毛刺的參數(shù)組合并進(jìn)行優(yōu)化，使該次試驗(yàn)單位長(zhǎng)度壁板耗時(shí)達(dá)到1.67 min，核算成最大長(zhǎng)度壁板也能達(dá)到單塊壁板耗時(shí)在10 min以內(nèi)。

綜上所述，數(shù)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)均已達(dá)到了，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，諸如自動(dòng)去毛刺后，型腔內(nèi)會(huì)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(gè)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(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 工藝平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

在小于1300 mm的寬幅鋁合金壁板萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)去毛刺工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展小于2500 mm的寬幅鋁合金壁板自動(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)設(shè)計(jì)。通過(guò)增加研磨工位、增大研磨工具尺寸、工位錯(cuò)位設(shè)置等方法（如圖8），來(lái)實(shí)現(xiàn)大寬幅鋁合金壁板自動(dòng)去毛刺，同時(shí)保證去毛刺的效率和效果。

圖8 單工位壁板自動(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)示意圖

經(jīng)過(guò)對(duì)鋁合金壁板萬(wàn)向柔性研磨自動(dòng)去毛刺工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工藝方案，尤其是試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，確定磨削單元整體設(shè)計(jì)思路是：1）不宜采用超大寬幅的滾刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。若針對(duì)超大寬幅及長(zhǎng)度的工件，設(shè)計(jì)制造超大型滾刷機(jī)構(gòu)，由于機(jī)構(gòu)龐大，可能帶來(lái)成本增加，為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，會(huì)造成設(shè)計(jì)的機(jī)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(jì)方案。2）采用成熟的小幅面滾刷結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計(jì)思路有兩種，一種是單磨削單元龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，一種是多磨削單元分布通過(guò)式方案。考慮到加工效率因素，最終考慮最后一種方案進(jìn)行小于2500 mm的寬幅鋁合金壁板自動(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)設(shè)計(jì)。3）方案中專門(mén)針對(duì)去毛刺后鋁屑的殘留增加了清潔裝置部分。清潔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)特點(diǎn)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(guò)式+翻轉(zhuǎn)式下清潔”組合方案。

2.2.2 多磨削單元分布通過(guò)式鋁合金壁板自動(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.2.1 工藝平臺(tái)簡(jiǎn)介

圖7 型腔附著鋁屑

本方案為工件移動(dòng)，工件沿輸送線從前到后一次通過(guò)，完成去毛刺、清潔的動(dòng)作。如圖9所示，磨削機(jī)構(gòu)選用6輥磨削單元進(jìn)行品字布局，主要由前導(dǎo)料平臺(tái)、模組式磨削單元、操作控制臺(tái)、工件翻轉(zhuǎn)架（機(jī)構(gòu)）、清潔裝置、后導(dǎo)料平臺(tái)構(gòu)成。一次性通過(guò)磨削腔體，完成工件全幅面的去毛刺、倒鈍、清潔。磨削機(jī)構(gòu)出口端布置滾架機(jī)構(gòu)，對(duì)工件進(jìn)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?？刂撇捎脭?shù)控方式，人機(jī)交互。通過(guò)工件基本尺寸數(shù)據(jù)與相應(yīng)磨削參數(shù)的輸入，自動(dòng)完成整個(gè)去毛刺動(dòng)作及清潔工作。

圖9 多磨削單元分布通過(guò)式鋁合金壁板自動(dòng)去毛刺工藝平臺(tái)

2.2.2.2 方案技術(shù)特點(diǎn)

該多磨削單元分布通過(guò)式方案的特點(diǎn)如下：1）由于采用工件通過(guò)式結(jié)構(gòu)，處理效率高；2）磨削機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)有的成熟結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠，通過(guò)多模組式布局，有效覆蓋整個(gè)加工幅面；3）具有磨料自動(dòng)補(bǔ)償功能，可以支持多模組獨(dú)立運(yùn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的質(zhì)量穩(wěn)定性；4）簡(jiǎn)化操作步驟，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作最簡(jiǎn)化；5）磨削區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立腔體設(shè)計(jì)，對(duì)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(jìn)行清潔，便于清潔后污物排除。

3 結(jié)語(yǔ)

基于萬(wàn)向柔性研磨技術(shù)的自動(dòng)去毛刺工藝技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)將單塊壁板自動(dòng)去毛刺實(shí)際加工耗時(shí)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(guò)程中的人員及產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及人員配置數(shù)量。