郝慧慧， 張 鵬， 馬 寧， 前里舸爾， 高培軍， 張校鋮

（特種車(chē)輛設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014032）

0 引言

大型鑄鋼件搖枕是鐵路車(chē)輛主要產(chǎn)品， 是鐵路車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，公司擁有搖枕產(chǎn)品十余種，其中轉(zhuǎn)K6 型搖枕是目前生產(chǎn)批量最大的國(guó)鐵貨車(chē)轉(zhuǎn)向架用鑄鋼零部件。由于鑄造產(chǎn)品的特殊性，在產(chǎn)品交檢前必須對(duì)澆冒口余根、毛刺、型芯披縫等缺陷進(jìn)行打磨清理，目前市場(chǎng)上針對(duì)搖枕這類(lèi)大型鑄鋼件的自動(dòng)化清理打磨設(shè)備還沒(méi)有成熟的應(yīng)用案例， 還停留在方案設(shè)計(jì)或工藝研究階段[1-2]，針對(duì)搖枕、側(cè)架鑄鋼件的自動(dòng)化打磨設(shè)備沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用， 更多的是針對(duì)鑄鐵及小型鑄鋼件的自動(dòng)化打磨設(shè)備[3-10]。 當(dāng)前，對(duì)搖枕的打磨主要是采用人工清理方式，工人是直接操作切割槍、電弧氣刨機(jī)等工具進(jìn)行清理打磨，且打磨過(guò)程需要借助吊車(chē)進(jìn)行翻面、轉(zhuǎn)運(yùn)。

人工對(duì)搖枕這類(lèi)大型鑄鋼件進(jìn)行清理打磨存在極大地安全隱患，操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，打磨效率低，氣刨、打磨產(chǎn)生的火花、弧光、煙霧、粉塵及噪音大，對(duì)操作工人的身心健康有很大影響，煙霧、粉塵彌漫于車(chē)間環(huán)境中，作業(yè)環(huán)境非常惡劣，企業(yè)面臨招工難、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問(wèn)題。 所以設(shè)計(jì)并研制一套機(jī)器人自動(dòng)化打磨設(shè)備，“以機(jī)代人”進(jìn)行搖枕鑄鋼件的切割打磨，將工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)， 有效提高打磨工序本質(zhì)安全度，降低職業(yè)病危害，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 本文以鐵路車(chē)輛轉(zhuǎn)K6 搖枕為對(duì)象，設(shè)計(jì)了集“自動(dòng)上下料、智能識(shí)別、自動(dòng)打磨、快速換刀、安全防護(hù)”于一體的機(jī)器人自動(dòng)化打磨方案， 提出了高剛性切割打磨一體化集成清理方法，研發(fā)了機(jī)器人自動(dòng)化打磨成套裝備，實(shí)現(xiàn)了搖枕產(chǎn)品全序自動(dòng)化打磨， 解決了大型鑄件打磨存在的勞動(dòng)強(qiáng)度高、灰塵和噪聲大、安全系數(shù)低等問(wèn)題。

1 鑄件打磨部位分析

打磨對(duì)象是轉(zhuǎn)K6 搖枕， 材質(zhì)是B+級(jí)鋼（ZG25Mn-CrNi），外形尺寸為2429mm×504.6mm×430mm，單件重量約685kg，本體硬度137～228 HBW，熱處理前硬度是150～170HBW。 搖枕是在熱處理前拋丸后進(jìn)行打磨，主要變形位置相對(duì)心盤(pán)面兩側(cè)端頭翹曲，變形量≤±3mm。 主要打磨位置包括心盤(pán)冒口、分型面披縫、拉桿孔及周?chē)?、旁承盒頂面、八字面冒口余根? 項(xiàng)區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 搖枕三維模型圖

2 難點(diǎn)分析及解決辦法

2.1 磨具壽命效率問(wèn)題

鑄鋼件熱處理前粘性較大， 打磨過(guò)程中易粘附磨具， 影響磨具壽命及打磨效率， 且粗糙和含硬質(zhì)點(diǎn)分布不均的鑄件表面會(huì)導(dǎo)致打磨工具受力不均勻， 也對(duì)打磨系統(tǒng)造成較大的沖擊和振動(dòng)，從而造成磨削質(zhì)量降低、工具和機(jī)器人損壞等問(wèn)題。

針對(duì)打磨過(guò)程刀具易被粘附的問(wèn)題，采用了風(fēng)冷+水冷兩種方式對(duì)磨具進(jìn)行降溫，可有效提高磨具壽命，防止鑄件粘附磨具。針對(duì)打磨過(guò)程沖擊振動(dòng)大的問(wèn)題，采用了高剛性的切磨一體機(jī)器人，剛性值約6.2N/μm，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)六關(guān)節(jié)機(jī)器人的剛性值。

2.2 外形尺寸檢測(cè)問(wèn)題

大型鑄鋼件變形量大，變形無(wú)規(guī)律，與鑄鐵件和小型鑄鋼件相比不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打磨。

針對(duì)中大件普遍存在的誤差量問(wèn)題采用了激光檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)誤差的修正，達(dá)到精確打磨效果。 誤差檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一次選擇始終利用的效果。

2.3 設(shè)備精度保持問(wèn)題

打磨現(xiàn)場(chǎng)存在金屬粉塵、鋼屑、火光以及噪聲等有害物質(zhì)，易對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染，對(duì)操作人員身心健康造成損害，對(duì)打磨設(shè)備精度造成影響。

采取了封閉式防護(hù)房+排屑機(jī)+除塵器+設(shè)備鈑金的方式，可有效解決工作環(huán)境惡劣的問(wèn)題。防護(hù)房具備隔火降噪功能，可有效阻隔火花及噪聲，打磨過(guò)程產(chǎn)生的粉塵可通過(guò)除塵器及時(shí)過(guò)濾排除， 打磨產(chǎn)生的大部分鋼屑也可通過(guò)排屑機(jī)及時(shí)排出， 同時(shí)需要人工定期清掃防護(hù)房?jī)?nèi)部飛濺的鋼屑，打磨機(jī)器人采用鈑金實(shí)現(xiàn)防護(hù)，物流滑臺(tái)采用風(fēng)琴式鈑金機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防護(hù)。

3 方案設(shè)計(jì)

在分析鑄件屬性及打磨難點(diǎn)， 并進(jìn)行實(shí)際打磨試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了搖枕鑄鋼件機(jī)器人自動(dòng)化打磨方案。由于搖枕外形尺寸大、重量重，所以采用工件固定、機(jī)器人抓持刀具移動(dòng)的打磨方式進(jìn)行打磨。 該方案主要由打磨機(jī)器人、打磨主軸、刀具、激光檢測(cè)系統(tǒng)、零件工裝夾具系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、外圍安全防護(hù)房、懸臂吊和電控系統(tǒng)等組成。 具體布局如圖2 所示。

圖2 搖枕機(jī)器人自動(dòng)化打磨方案

具體工藝流程是： 待打磨鑄件由人工完成澆冒口切割后， 通過(guò)物料轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至單臂吊作業(yè)范圍內(nèi)的上料工位， 由人工使用單臂吊從上料工位將鑄件吊運(yùn)至打磨單元的物流滑臺(tái)系統(tǒng)上，操作人員按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，設(shè)備通電工作，防護(hù)房的安全卷簾門(mén)抬起打開(kāi)，鑄件經(jīng)物流滑臺(tái)系統(tǒng)輸送至防護(hù)房?jī)?nèi)的打磨機(jī)器人打磨工位，防護(hù)房的安全卷簾門(mén)下降關(guān)閉， 機(jī)器人在控制系統(tǒng)的控制下具有自身刀頭切換功能， 配合物流滑臺(tái)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，進(jìn)行鑄件的完全自動(dòng)化打磨，打磨完成后，鑄件再通過(guò)物流滑臺(tái)系統(tǒng)輸送至防護(hù)房外， 人工操作單臂吊進(jìn)行下料，將鑄件卸在下料區(qū)域，人工再操作單臂吊完成下一個(gè)鑄件的上料，依次循環(huán)運(yùn)行。

3.1 打磨機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本高剛度打磨切割（多刀庫(kù)）通用機(jī)器人主體為板焊結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕剛性好。打磨切割機(jī)器人主要部件有：床身、立柱、滑鞍、從動(dòng)臂與主動(dòng)臂、主軸等。機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)采用數(shù)控伺服系統(tǒng)控制，運(yùn)動(dòng)及加工精度高。主軸采用交流伺服控制直聯(lián)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特性好，如圖3 所示。

圖3 打磨機(jī)器人示意圖

3.2 打磨工具的選擇

轉(zhuǎn)K6 搖枕主要材質(zhì)是B+級(jí)鋼， 含硅、錳， 屬于高硬度材質(zhì)，打磨過(guò)程易磨損刀片。針對(duì)轉(zhuǎn)K6 搖枕心盤(pán)大冒口的打磨測(cè)試，分別選用不同的砂輪片：金剛石砂輪片、 樹(shù)脂片、合金片進(jìn)行了搖枕的打磨測(cè)試。 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)K6 搖枕打磨測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)K6 搖枕鑄鋼件打磨測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析， 認(rèn)為用金剛石砂輪片打磨高硬度材質(zhì)的轉(zhuǎn)K6 搖枕較大冒口的效果最好。

3.3 夾緊定位工裝的設(shè)計(jì)

夾緊定位工裝主要用于固定搖枕鑄件，使其安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地固定在打磨工作臺(tái)上。該夾緊定位工裝主要由基座、定位柱、仿形輔助支撐、壓板立柱、壓板活動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺桿等組成，如圖4 所示。

圖4 搖枕夾緊狀態(tài)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以鐵路貨車(chē)轉(zhuǎn)K6 搖枕為例，通過(guò)分析搖枕鑄件毛坯打磨部位，調(diào)研鑄造行業(yè)鑄件清理打磨現(xiàn)狀，針對(duì)自動(dòng)化打磨難點(diǎn)提出了解決措施，設(shè)計(jì)了機(jī)器人自動(dòng)化打磨方案，開(kāi)展了打磨試驗(yàn)，研制并應(yīng)用了自動(dòng)化打磨設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了搖枕鑄件全序自動(dòng)化打磨， 相對(duì)于人工打磨方式，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大減輕，企業(yè)安全系數(shù)大大提高，封閉式防護(hù)房和除塵系統(tǒng)組合配置，減少噪音、粉塵及火花對(duì)操作人員的危害，改善了作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了“機(jī)器換人”。