席波濤，權(quán)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(guò)程中需根據(jù)成品規(guī)格將板材進(jìn)行分切，由于材料的特殊性，分切過(guò)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(guò)程不可避免地將使板材的分切面產(chǎn)生毛刺。毛刺的存在，會(huì)增加校平時(shí)局部平面度測(cè)量的不準(zhǔn)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(huì)在拋光時(shí)形成粉末或小顆粒，對(duì)板材表面進(jìn)行破壞，造成局部劃痕和凹陷點(diǎn)。為此，研發(fā)一種高效率的毛刺去除方式，保證板材加工精度和表面質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率，對(duì)鋯合金板材加工過(guò)程尤為重要。

1 模擬人工去除毛刺過(guò)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(tǒng)人工去毛刺過(guò)程由作業(yè)人員利用百潔布或砂紙沿板材邊部進(jìn)行往復(fù)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(guī)毛刺去除設(shè)備對(duì)工件的物理敲擊和磨削過(guò)程，手工磨削時(shí)砂紙或百潔布僅與板材邊部接觸而不會(huì)對(duì)板材的上下表面造成損傷。為汲取人工去除毛刺方式的優(yōu)勢(shì)，一種全自動(dòng)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(guò)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(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)使其表面在板材邊部形成包角，如圖3 所示，進(jìn)而根據(jù)板材邊部毛刺在水平位置和垂直位置的分布特點(diǎn)，可以通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整百潔布輪的傾角，進(jìn)而控制百潔布在板材邊部的壓力分配，達(dá)到去除邊部毛刺的效果。

圖3 磨削過(guò)程

2 設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足百潔布輪的運(yùn)動(dòng)需求

為了保證百潔布輪可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)滿足傾角調(diào)節(jié)的需求，進(jìn)而提供維持百潔布輪傾角的力矩，設(shè)計(jì)制作磨頭（圖4、圖5）。

圖4 磨頭結(jié)構(gòu)

圖5 斜齒輪結(jié)構(gòu)

磨頭部分結(jié)合斜齒輪特性，利用圖5 所示轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接42 步進(jìn)電機(jī)擺架，進(jìn)采用A4988 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板調(diào)節(jié)磨頭俯仰角度，同時(shí)利用步進(jìn)電機(jī)的最大勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩給予百潔布輪適當(dāng)扭矩。直流電機(jī)部分通過(guò)圖5 所示傳動(dòng)軸與百潔布輪連接，進(jìn)而通過(guò)PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）方式，利用L298N 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)其底座沿光軸上下移動(dòng)，設(shè)備上電后，程序控制磨頭整體向下移動(dòng)，待限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與限位開(kāi)關(guān)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(nèi)設(shè)計(jì)安裝了轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)，端部磨頭整體旋轉(zhuǎn)，用于增強(qiáng)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(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多規(guī)格板材毛刺去除功能

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，板材剪切后產(chǎn)生毛刺的位置如圖8 所示。板材分切過(guò)程產(chǎn)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(shí)考慮到較長(zhǎng)規(guī)格板材毛刺的去除，設(shè)計(jì)毛刺去除設(shè)備采用板材通過(guò)式結(jié)構(gòu)，A、C 邊毛刺由邊部磨頭負(fù)責(zé)去除，而E、H 邊均由端部磨頭負(fù)責(zé)去除，單道次去除后進(jìn)行人工翻面。

圖8 板材剪切后產(chǎn)生毛刺的位置

設(shè)計(jì)該裝置采用通過(guò)式結(jié)構(gòu)，在滿足板材長(zhǎng)度方向規(guī)格不一的同時(shí)，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(dòng)，因此端部磨頭配合直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9 所示。端部磨頭由底部步進(jìn)電機(jī)及同步帶帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿板材端部移動(dòng)的功能。此外，為了滿足不同寬度板材毛刺的去除，設(shè)計(jì)了寬度可調(diào)傳送帶（圖10），傳動(dòng)帶主電機(jī)通過(guò)同步帶使得花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，花鍵軸驅(qū)動(dòng)主同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳送帶和從動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)板材輸送，同時(shí)由于花鍵軸的傳動(dòng)特點(diǎn)，當(dāng)兩條傳送帶間距發(fā)生變化時(shí)，依舊能夠保持穩(wěn)定傳動(dòng)。由于板材在加工時(shí)，板材邊部將受到來(lái)自磨頭沿重力方向的壓力，為了穩(wěn)定的固定板材，配合寬度調(diào)節(jié)輸送帶設(shè)置了兩組夾送輥用于提供穩(wěn)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)完畢，采用歐標(biāo)2020 和2040鋁型材制作裝置主框架，裝置結(jié)構(gòu)如圖12 所示

圖9 磨頭直線導(dǎo)軌

圖10 寬度可調(diào)傳送帶

圖11 板材夾送情況

圖12 主框架

5 實(shí)施方式

設(shè)備上電后，在限位開(kāi)關(guān)作用下，完成磨頭傾角歸零，端、側(cè)磨頭高度歸零，磨頭旋轉(zhuǎn)至機(jī)械限位，完成磨頭傾角歸零。隨后磨頭下降至機(jī)械限位，完成磨頭高度歸零。主磨頭與側(cè)磨頭指令相同。設(shè)備初始化完畢。設(shè)備初始化完畢后，可通過(guò)HMI 界面或設(shè)備控制屏依次輸入板材寬度、厚度、初始磨頭傾角，隨機(jī)設(shè)備根據(jù)輸入數(shù)值換算為輥道間距步進(jìn)電機(jī)脈沖，磨頭高度電機(jī)脈沖以及磨頭傾角電機(jī)脈沖，各電機(jī)運(yùn)動(dòng)至指定位置。通過(guò)HMI 界面或設(shè)備控制屏依次輸入磨頭轉(zhuǎn)速、傳送帶轉(zhuǎn)速，并啟動(dòng)二者電機(jī)，磨頭及轉(zhuǎn)動(dòng)帶部分開(kāi)始選轉(zhuǎn)，設(shè)備啟動(dòng)完畢。

將待加工板材置于傳送帶表面，板材隨傳送帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)入設(shè)備，板材側(cè)磨頭接觸板材邊部，隨即對(duì)邊部毛刺進(jìn)行清除，待板材端部運(yùn)動(dòng)至對(duì)射開(kāi)關(guān)位置，側(cè)模頭和傳送帶同時(shí)停止，如圖13所示，傳送帶繼續(xù)輸送板材，直至板材完全離開(kāi)設(shè)備后觀察毛刺去除情況，如毛刺尚未徹底清除，則通過(guò)控制調(diào)整磨頭高度或調(diào)整磨頭傾角增大百潔布輪對(duì)板材邊部的包角面積，從而達(dá)到增加去除毛刺壓力的目的；如板材邊部產(chǎn)生塌邊等缺陷則調(diào)整磨頭減小其包角范圍，直至參數(shù)與毛刺去除情況相匹配，即可大批量生產(chǎn)。

圖13 開(kāi)關(guān)位置

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鋯合金板材毛刺去除裝置解決了傳統(tǒng)人工板材毛刺去除效率不高的問(wèn)題，降低毛刺造成板材表面質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了板材去毛刺過(guò)程中產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)拋磨系統(tǒng)可進(jìn)行獨(dú)立的多參數(shù)調(diào)整，如角度、壓下量、位置等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)板材拋磨去除量的精確控制。角度是根據(jù)板材厚度的變化進(jìn)行調(diào)整，而磨頭則根據(jù)上下位置的調(diào)整來(lái)改變壓下量，而磨頭左右的調(diào)整則是根據(jù)板材寬度進(jìn)行變化。在三組數(shù)據(jù)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。