飛行器蒙皮防腐涂層自動(dòng)噴涂工藝

羅和平，劉永吉，汲 軍，何 艷

(1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前言

腐蝕和磨損是造成材料和零部件失效的主要原因，發(fā)達(dá)國(guó)家每年由腐蝕和磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3.2%～4.5%，由于野外日曬雨淋和大氣銹蝕使全世界每年生產(chǎn)的鋼材約有1/10變成鐵銹[1，2]。現(xiàn)代工程對(duì)材料性能的要求往往是多重性的，有時(shí)甚至是矛盾的。許多工程結(jié)構(gòu)部件，要求很高的強(qiáng)韌性、表面硬度、耐磨性，同時(shí)要求具有高的高溫強(qiáng)度和良好的隔熱性。這些材料的特殊性能要求通常發(fā)生在材料工作的表面，噴涂技術(shù)就是在不改變基體材料性能的基礎(chǔ)上，賦予材料或零部件表面特殊功能性能，達(dá)到提高綜合性能的目的，是制備復(fù)合材料最有效的工藝技術(shù)之一。

飛行器蒙皮的作用是維持飛行器外形，并使之具有優(yōu)良的空氣動(dòng)力特性[3]。由于工作在惡劣的工況，飛行器比其它產(chǎn)品需要更強(qiáng)的表面性能，飛行器的表面涂層不僅直接決定飛機(jī)的外觀，而且對(duì)機(jī)身起到極為重要的保護(hù)作用[4]。有助于機(jī)身抵御空氣摩擦產(chǎn)生的熱量以及酸雨、冰雹等災(zāi)害天氣造成的侵蝕[5]。

蒙皮作為飛行器的主要構(gòu)架之一屬于薄壁殼體，主要起包容和支撐作用，但由于其剛度低、易變性的特點(diǎn),在加工過(guò)程中裝夾易產(chǎn)生加工變形[6-8]。因此蒙皮裝夾采用的夾具及裝夾方式至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了大直徑內(nèi)部漲緊夾具和隨行夾具，很好地解決了殼體在裝夾生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生變形的問(wèn)題，并制作了一套完整的生產(chǎn)方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了滿足飛機(jī)蒙皮所需的強(qiáng)韌、耐磨、抗腐、熱障等性能需求，并根據(jù)生產(chǎn)要求，設(shè)定工藝規(guī)程如下：

(1)噴涂0.1～0.2 mm，噴涂時(shí)間根據(jù)不同工件大小，約為10 min～1 h;

(2)自然晾干1 h；

(3)噴涂0.1～0.2 mm；

(4)進(jìn)入烘干房烘干，并隨爐冷卻，時(shí)間約為1.5 h左右；

工藝規(guī)程(1)～(4)為一個(gè)循環(huán)，約進(jìn)行20個(gè)循環(huán)，蒙皮需要噴涂4 mm厚。為此設(shè)計(jì)了三種噴涂方案：

(1)方案1。如圖1所示，該方案采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)工件在各工序之間的自動(dòng)傳送。工藝過(guò)程為：首先在上線區(qū)將工件上線，工件經(jīng)過(guò)掃碼識(shí)別后，進(jìn)入噴漆房，噴涂完成后工件經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌進(jìn)入晾干區(qū)；然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌再返回噴漆房，之后通過(guò)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌進(jìn)入烘干房，完成一次噴涂循環(huán)。

圖1 方案1布局示意圖

圖2 方案2布局示意圖

(2)方案2。如圖2所示，該方案通過(guò)雙軌道實(shí)現(xiàn)工件在各工序之間的傳送。

(1)方案3。如圖3所示，該方案借助懸架吊車(chē)和地面軌道之間的相互配合實(shí)現(xiàn)工件在各工序之間的傳送。盡管該方案大大節(jié)省了空間，但為安全性帶來(lái)了隱患。

圖3 方案3布局示意圖

根據(jù)對(duì)三種方案的分析，最終選定按方案1進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)樵摲桨腹?jié)省空間、安全性高而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2 具體結(jié)構(gòu)

方案1所采用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌方案所涉及的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：

殼體夾具具有以下要求：殼體直徑為600～1000 mm，內(nèi)部漲緊，傳統(tǒng)的內(nèi)部漲緊結(jié)構(gòu)不能滿足如此大的尺寸要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)；殼體在噴涂時(shí)需要旋轉(zhuǎn)且與噴涂槍移動(dòng)速度需要匹配；移動(dòng)夾具需要整體進(jìn)入烘干房，溫度達(dá)到150℃，所以不能采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，需要外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌：為了實(shí)現(xiàn)快速將工件在噴漆房、涼曬區(qū)和烘烤房之間輸送，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌最好放置在噴漆房、涼曬區(qū)和烘烤房，且可以選擇，這樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化比較容易。

工件旋轉(zhuǎn)與噴槍移動(dòng)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)：由于夾具與工件固定在移動(dòng)車(chē)上，車(chē)上不能直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以需要外部動(dòng)力源通過(guò)聯(lián)軸器、離合器等連接隨行夾具的旋轉(zhuǎn)部分，在外部帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。

噴槍移動(dòng)結(jié)構(gòu)：噴槍結(jié)構(gòu)最重要的是與工件轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件表面均勻噴涂。

2.1 殼體的夾持

為了實(shí)現(xiàn)大直徑薄壁套筒的夾持，設(shè)計(jì)如圖4所示的專(zhuān)用夾具。該夾具鎖緊桿上的齒輪驅(qū)動(dòng)外套筒內(nèi)軸上的齒條移動(dòng)，使內(nèi)軸在外套筒內(nèi)部移動(dòng)，支撐桿通過(guò)鉸鏈連接，外部橡膠圈變大，從而漲緊工件內(nèi)部。根據(jù)工件不同直徑大小，內(nèi)軸可以伸出不同的長(zhǎng)度，以?shī)A緊工件。該部分夾具裝置在小車(chē)上，通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于隨動(dòng)夾具隨小車(chē)會(huì)進(jìn)入到烘干房，不適合直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，避免了溫度對(duì)動(dòng)力源的影響并且保證了工件旋轉(zhuǎn)。

圖4 大直徑內(nèi)部漲緊夾具

對(duì)于葉片狀工件，可采用圖5所示夾具。工件與底面支撐板接觸，側(cè)面有兩個(gè)固定架支撐，側(cè)面固定架可以根據(jù)工件的大小調(diào)節(jié)不同位置。為了減小對(duì)噴涂質(zhì)量的影響，側(cè)面固定架頂端為尖狀的。整個(gè)夾具通過(guò)安裝孔安裝在隨動(dòng)小車(chē)上。根據(jù)零件大小，也可以同時(shí)安裝兩個(gè)或多個(gè)工件，同時(shí)噴涂。

圖5 葉片狀工具夾具結(jié)構(gòu)

2.2 導(dǎo)軌及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌

根據(jù)方案1的布局，設(shè)計(jì)輸送導(dǎo)軌如圖6所示。圖6為自動(dòng)化輸送方案圖，如果不想采用自動(dòng)化方案，則可以在地面單軌道，通過(guò)人工推送。本方案設(shè)計(jì)盡量采用自動(dòng)化輸送方案。

圖7為輸送導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，整個(gè)的主體結(jié)構(gòu)采用型材焊接而成，堅(jiān)固耐用，同時(shí)比較美觀。自動(dòng)化噴涂生產(chǎn)線上的滾筒采用鏈傳動(dòng)，原動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)。滾筒采用雙排鏈輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)鏈輪分別負(fù)責(zé)與前一個(gè)和后一個(gè)鏈輪借助鏈條進(jìn)行連接，從而使全部鏈輪一同旋轉(zhuǎn)。滾筒的支撐結(jié)構(gòu)采用帶座軸承，降低了加工制造成本，縮短了工期。

圖6 自動(dòng)化輸送導(dǎo)軌方案

圖7 輸送導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)托盤(pán)是涂裝線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，決定了涂裝線是否能實(shí)現(xiàn)工位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌由軌道、旋轉(zhuǎn)底座、上托盤(pán)等部件組成，如圖8所示。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的組成部件如圖9所示，其中軌道起支撐作用，旋轉(zhuǎn)底座起轉(zhuǎn)動(dòng)支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行功能，上托盤(pán)完成工件的傳輸和定位。旋轉(zhuǎn)底座采用滾輪支撐，滾輪軸由帶座軸承支撐。

圖8 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)圖

圖9 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的組成部件

2.3 工件旋轉(zhuǎn)與噴槍移動(dòng)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)

工件旋轉(zhuǎn)與噴槍移動(dòng)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，隨行夾具上設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)隨行夾具進(jìn)入噴漆房后，由機(jī)構(gòu)定位，然后外部動(dòng)力源通過(guò)聯(lián)軸器與隨行夾具連接，以驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。在工件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，噴涂槍在軟件控制下，與工件旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行涂裝。噴涂槍由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)情況可以設(shè)置在工件上方或側(cè)面。

圖10 工件旋轉(zhuǎn)與噴槍移動(dòng)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.4 噴槍移動(dòng)結(jié)構(gòu)

如圖11所示，橫向移動(dòng)導(dǎo)軌安置在噴漆房?jī)?nèi)，通過(guò)橫向移動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件表面沿軸向方向全部噴涂。通過(guò)縱向移動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)噴涂槍與工件之間的噴涂距離，通過(guò)擺動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)噴涂槍的方向，實(shí)現(xiàn)工件圓弧表面噴涂。

圖11 噴槍移動(dòng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出了大型殼體的專(zhuān)用裝夾方法即漲緊夾具和隨動(dòng)夾具，專(zhuān)門(mén)配置了相對(duì)應(yīng)的輸送流水線配合作業(yè)，并且基本實(shí)現(xiàn)了噴涂過(guò)程的自動(dòng)化，避免了分散的漆霧和揮發(fā)出來(lái)的溶劑對(duì)人體產(chǎn)生危害，同時(shí)保證了噴涂表面質(zhì)量。噴涂技術(shù)可以制備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、耐磨、耐蝕、耐高溫、耐老化等涂層以及功能涂層，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新有望直接用于零部件的生產(chǎn)，但在我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，需要對(duì)該技術(shù)繼續(xù)研究進(jìn)行突破，希望早日能夠投入到我國(guó)的各項(xiàng)建設(shè)之中。