全自动锆合金板材毛刺去除装置结构设计

席波涛，权继锋，王宏星，张宏军，刘 杰，刘海明，李宇力

（西安西部新锆科技股份有限公司，陕西西安 710200）

0 引言

锆合金板材加工过程中需根据成品规格将板材进行分切，由于材料的特殊性，分切过程多采用冲裁剪切的冷加工方式，剪切冲头为单边受力[1]，剪切过程不可避免地将使板材的分切面产生毛刺。毛刺的存在，会增加校平时局部平面度测量的不准确性，影响板材的抛光和板差的控制，最终影响板材尺寸的精度；边部毛刺也会在抛光时形成粉末或小颗粒，对板材表面进行破坏，造成局部划痕和凹陷点。为此，研发一种高效率的毛刺去除方式，保证板材加工精度和表面质量，提高产品成品率，对锆合金板材加工过程尤为重要。

1 模拟人工去除毛刺过程选择毛刺去除方式

去掉毛刺的方式有切削式和脆性断裂式[2]。传统人工去毛刺过程由作业人员利用百洁布或砂纸沿板材边部进行往复打磨，最终将毛刺去除，其原理上类似切削式去毛刺。人工去除毛刺的方式，避免了常规毛刺去除设备对工件的物理敲击和磨削过程，手工磨削时砂纸或百洁布仅与板材边部接触而不会对板材的上下表面造成损伤。为汲取人工去除毛刺方式的优势，一种全自动锆合金板材毛刺去除装装置采用的磨削方式如图1 所示，百洁布轮如图2 所示，磨削过程如图3 所示。

图1 磨削方式

图2 百洁布轮

该方式利用百洁布自身弹性，通过机械结构使其表面在板材边部形成包角，如图3 所示，进而根据板材边部毛刺在水平位置和垂直位置的分布特点，可以通过机械结构调整百洁布轮的倾角，进而控制百洁布在板材边部的压力分配，达到去除边部毛刺的效果。

图3 磨削过程

2 设计机械结构满足百洁布轮的运动需求

为了保证百洁布轮可进行旋转，同时满足倾角调节的需求，进而提供维持百洁布轮倾角的力矩，设计制作磨头（图4、图5）。

图4 磨头结构

图5 斜齿轮结构

磨头部分结合斜齿轮特性，利用图5 所示转动轴连接42 步进电机摆架，进采用A4988 步进电机驱动板调节磨头俯仰角度，同时利用步进电机的最大励磁转矩给予百洁布轮适当扭矩。直流电机部分通过图5 所示传动轴与百洁布轮连接，进而通过PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）方式，利用L298N 控制电机转速。

3 设计机械结构满足不同厚度板材的去毛刺需求

如图6、图7 所示，板材边部和端部磨头均由一根丝杆驱动其底座沿光轴上下移动，设备上电后，程序控制磨头整体向下移动，待限位开关触点与限位开关接触，完成磨头高度归零。此外，与板材边部磨头不同，板材端部磨头上连接板内设计安装了转向步进电机，端部磨头整体旋转，用于增强板材边部毛刺的去除能力。

图6 板材边部磨头

图7 板材端部磨头

4 设计机械结构实现多规格板材毛刺去除功能

根据生产实际，板材剪切后产生毛刺的位置如图8 所示。板材分切过程产生的毛刺主要集中于深色箭头所示的A、E 边和浅色箭头所示的C、H 边，同时考虑到较长规格板材毛刺的去除，设计毛刺去除设备采用板材通过式结构，A、C 边毛刺由边部磨头负责去除，而E、H 边均由端部磨头负责去除，单道次去除后进行人工翻面。

图8 板材剪切后产生毛刺的位置

设计该装置采用通过式结构，在满足板材长度方向规格不一的同时，方便板材边部毛刺的去除，而板材端部毛刺的去除，还需端部磨头沿着板材端部移动，因此端部磨头配合直线导轨设计结构如图9 所示。端部磨头由底部步进电机及同步带带动实现沿板材端部移动的功能。此外，为了满足不同宽度板材毛刺的去除，设计了宽度可调传送带（图10），传动带主电机通过同步带使得花键轴转动，花键轴驱动主同步轮转动，进而带动传送带和从动同步轮转动，实现板材输送，同时由于花键轴的传动特点，当两条传送带间距发生变化时，依旧能够保持稳定传动。由于板材在加工时，板材边部将受到来自磨头沿重力方向的压力，为了稳定的固定板材，配合宽度调节输送带设置了两组夹送辊用于提供稳定的板材夹送力，板材夹送情况如图11 所示，板材在夹送辊压力所用下保持与传送带表面的紧密贴合。至此，机械结构部分设计完毕，采用欧标2020 和2040铝型材制作装置主框架，装置结构如图12 所示

图9 磨头直线导轨

图10 宽度可调传送带

图11 板材夹送情况

图12 主框架

5 实施方式

设备上电后，在限位开关作用下，完成磨头倾角归零，端、侧磨头高度归零，磨头旋转至机械限位，完成磨头倾角归零。随后磨头下降至机械限位，完成磨头高度归零。主磨头与侧磨头指令相同。设备初始化完毕。设备初始化完毕后，可通过HMI 界面或设备控制屏依次输入板材宽度、厚度、初始磨头倾角，随机设备根据输入数值换算为辊道间距步进电机脉冲，磨头高度电机脉冲以及磨头倾角电机脉冲，各电机运动至指定位置。通过HMI 界面或设备控制屏依次输入磨头转速、传送带转速，并启动二者电机，磨头及转动带部分开始选转，设备启动完毕。

将待加工板材置于传送带表面，板材随传送带运动进入设备，板材侧磨头接触板材边部，随即对边部毛刺进行清除，待板材端部运动至对射开关位置，侧模头和传送带同时停止，如图13所示，传送带继续输送板材，直至板材完全离开设备后观察毛刺去除情况，如毛刺尚未彻底清除，则通过控制调整磨头高度或调整磨头倾角增大百洁布轮对板材边部的包角面积，从而达到增加去除毛刺压力的目的；如板材边部产生塌边等缺陷则调整磨头减小其包角范围，直至参数与毛刺去除情况相匹配，即可大批量生产。

图13 开关位置

6 结束语

设计的全自动锆合金板材毛刺去除装置解决了传统人工板材毛刺去除效率不高的问题，降低毛刺造成板材表面质量问题的风险，同时也降低了板材去毛刺过程中产生的安全风险。同时抛磨系统可进行独立的多参数调整，如角度、压下量、位置等，进而实现板材抛磨去除量的精确控制。角度是根据板材厚度的变化进行调整，而磨头则根据上下位置的调整来改变压下量，而磨头左右的调整则是根据板材宽度进行变化。在三组数据的保证下，板材边部能有效的贴合磨头，形成包角，保证板材边部的毛刺去除。