校直技術與校直設備的應用與發(fā)展

1、校直技術與校直設備的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢一、技術背景工業(yè)構件的精確校直是現(xiàn)代制造業(yè)中普遍存在、亟待解決的一個難題，其工作方法是利用金屬塑性變形后產(chǎn)生殘余變形的原理，對被校直工件在主動加載情況下使其產(chǎn)生與誤差方向相反的塑性變形，當該塑性變形的殘余變形量與誤差量相等時，便實現(xiàn)了對工件的校直。軸類零件是機械工業(yè)最常見的零部件之一，如汽車上常用的臺階軸、齒輪軸、蝸桿、光軸，工具刃具上的麻花鉆、拉刀，石油機械上的實心鉆桿和空心鉆桿等。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國年產(chǎn)這些軸類零件的數(shù)量約為10億件左右，而且隨著機械制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)量和種類還有增多的趨勢。這些零件的原材料在粗加工和熱處理過程中容易出現(xiàn)彎曲變形，如果不進

2、行校直處理就會影響工件的后序加工和使用，甚至可能出現(xiàn)相當數(shù)量的廢品。所以為了減少廢品的數(shù)量，提高原材料的利用率，需要對這些發(fā)生彎曲變形的軸類零件進行校直處理。目前，我國的校直行業(yè)仍處于低水平階段，絕大多數(shù)企業(yè)仍憑人工校直方法實施校直，校直質量全憑工人經(jīng)驗，效率低、勞動強度大。有的采用以普通壓力機改造而成的簡易設備進行校直，先由人工測量，然后由操作人員憑經(jīng)驗和估計來確定校直行程，最后再由檢查人員檢驗。而在工業(yè)發(fā)達國家，他們研制的校直機都有著相當高的技術水平，集中表現(xiàn)在智能化、自動化、測量精度高、生產(chǎn)節(jié)拍快等方面，如德國的MAE公司、日本的東和精機株式會社、意大利的GALDABINI公司等。但是進

3、口自動校直機的價格昂貴，維護費用高，往往令許多企業(yè)望而止步，嚴重束縛了其產(chǎn)品工藝水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始提高自己的產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。企業(yè)開始拋棄生產(chǎn)效率落后的人工校直的方法，開始尋求生產(chǎn)效率高，智能化程度高的自動校直機。二、校直加工工藝現(xiàn)狀校直工藝理論主要是研究通過何種工藝流程或步驟，實現(xiàn)工件的彈塑性變形，以消除或減少零件在機械加工或熱處理過程中產(chǎn)生的彎曲變形，使機械零部件最終達到設計要求。(1)采用輻式校直機實現(xiàn)校直多用于大批量的冶金型材(如棒料、圓材)生產(chǎn)過程中。工件在熱態(tài)下，通過工件旋轉進給和多校直輻反復軋制，實現(xiàn)工件的校直，并有效減小

4、后續(xù)工序的加工損耗。這種方法地特點是雖有較高的精度，但一般只適用于單截面工件和毛坯的加工，對于臺階軸等需經(jīng)復雜機加工的軸類零件則并不適用。(2)松弛-蠕變法校直多用于小批量、大型精密軸類零件的校直加工(如汽輪機轉子大軸校直)，原理工件通過反復加熱、加壓以實現(xiàn)校直。其優(yōu)點是加載力和殘余應力小，缺點是加工時間長、溫度控制比較困難。（3）熱校直（也稱火焰校直）在大型軸類零件的修復中（如挖掘機拉緊軸的修復），受場地和環(huán)境的影響，通過加工設備進行校直的條件有限，可采用熱校直的方法對彎曲軸的最高點加熱，加熱區(qū)材料受熱膨脹體現(xiàn)為拉應力狀態(tài)，冷卻后又體現(xiàn)為壓應力狀態(tài)，兩種情形下彎曲變形的差值就是校直量的大小。

5、這種方法簡便，但難以控制精度。（4）電液脈沖法利用HM在液體中形成的沖擊波對工件表面形成沖擊力，從而實現(xiàn)校直。這種方法的要點是需準確控制沖擊波的方向和強度，僅用于特定的場合。（5）3點彎曲法廣泛應用于中小型軸類、圓管類零件的校直加工。工件在自然冷態(tài)下校直，原理簡單、實現(xiàn)容易，且適合于復雜零件的校直加工。國內機加工行業(yè)大多采用此類方法。上述校直加工工藝分別適用于不同工件和工作場地、環(huán)境，功能特點也各不相同。三、自動校直設備研究現(xiàn)狀自動校直設備是根據(jù)校直工藝理論研究成果，運用先進的科學技術開發(fā)的自動校直的專用設備。由于自動校直設備能有效提高產(chǎn)品質量，因此發(fā)達國家十分重視此項技術，投入大量的人力、物

6、力開展與此相關的研究工作。尤以意大利、美國、德國和日本為突出，都開發(fā)出了各具特色的自動校直設備。其中知名度較高的有德國MA公司、意大利GALDABIN公司、美國的EITEL公司、日本的東和精機株式會社和國際計測器株式會社等。德國MA公司的自動校直設備具有如下工藝特點：（1）校直工藝順序決策程序能根據(jù)校直工件彎曲程度，按照由粗加工到精加工的不同要求，采用不同的校直策略；（2）每次校直完成后，實時在線檢測殘余變形，如校直精度仍未達到設計要求，則自動計算新的校直行程，繼續(xù)實施校直工藝。校直行程算法采用遞推算法，并且在計算過程中采用了優(yōu)化思想；（3）根據(jù)零件的彎曲情況，將校直工藝動作和檢測環(huán)節(jié)之間的配

7、合分成四種模式，進一步提高了生產(chǎn)效率。（4）采用三點彎曲力學加載模式，具有多個支點和壓點，支點數(shù)多于壓點數(shù)，壓點始終在兩支點之間，且壓點始終對應檢測點布置。意大利GALDABIN校直設備具有如下特點：（1）校直參數(shù)是控制校直行程關鍵因素，通過調整校直參數(shù)，能夠改善校直質量。而且校直參數(shù)的調整也是更換不同種類零件前必須做的工作。調整過程圍繞著每一個壓點進行，對每個壓點可能的動作進行詳細說明，給每一壓點配備固定的支點組合；（2）配備先進的裂紋檢測裝置，能夠有效防止因校直行程量過大造成的工件斷裂現(xiàn)象；（3）參數(shù)設定由具有經(jīng)驗的技術人員完成，設備本身不具有自學習功能。日本精機株式會社的校直機產(chǎn)品：該公

8、司生產(chǎn)的校直機控制系統(tǒng)可根據(jù)軸的不同材料、不同軸徑、不同熱處理工藝，將軸的變形規(guī)律及校直后的反彈量等參數(shù)存儲起來，建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。校直時，系統(tǒng)自動根據(jù)測得的最大變形量從多個方面與庫中存儲的經(jīng)驗變形量比較，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)去制定合理的壓點行程，以盡可能減少校直次數(shù)，提高校直精度。在國內，合肥工業(yè)大學校直技術研究所較早地系統(tǒng)開展了校直理論及技術并開發(fā)了YH40-25精密液壓校直機。1994年起，長春試驗研究所與日本國際計測器株式會社合作生產(chǎn)了ASCI列C型自動校直機。2003年開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的ASC-n系列自動校直機，該系列自動校直機有出和門型兩種規(guī)格，該系列產(chǎn)品消化吸收國外技術

9、具有更精確的校直理論和校直精度，提高了整機的綜合性能、可靠性和工作效率。山東通欲集團有限公司研制的25MN大型數(shù)控精密校直液壓機也通過了新產(chǎn)品鑒定，被認為達到了國際領先水平。2009年重慶智恒精機科技有限公司提出智能校直機的概念，2013推出一系列具有特征編程、加工仿真、實時監(jiān)控、智能診斷、智能學習、遠程控制等功能的智能校直機，雖然提高了自動校直的效率與精度，具有相當?shù)淖詫W習和自適應能力，但在智能化程度上仍有很大的提高空間。通過以上各種校直設備的特點分析可知，目前，軸類零件自動校直機的控制并不是建立在對校直工藝過程做出系統(tǒng)、完整的理論模型基礎之上，而是將操作者的經(jīng)驗直接轉化為數(shù)據(jù)庫或專家?guī)熘械?/p>

10、數(shù)據(jù)，根據(jù)校直進程中的實時狀況，經(jīng)驗地使用這些數(shù)據(jù)。由于沒有形成完整、系統(tǒng)的軸類零件校直工藝理論數(shù)學模型，相應的控制系統(tǒng)只能是針對某一特定校直對象構成相應的校直策略，而沒有出現(xiàn)功能全面的、智能化的校直決策工藝控制系統(tǒng)。四、存在的主要問題從國內外現(xiàn)有塑變校直加工技術的研究情況來看，大體上主要有以下一些問題尚待解決。(1)校直理論分析和計算結果與校直加工時實際參數(shù)間存在偏差國內外研究人員從理論上對各類典型構件的塑變校直過程和機理進行了大量較為系統(tǒng)、深入的力學分析與計算，力圖揭示塑變殘余變形與加載力或行程之間的行為變化規(guī)律，并通過相應的實驗加以驗證。盡管從原理和方法上基本上已經(jīng)比較成熟，但計算和分析

11、過程不可避免的要進行一些假設和簡化，于是造成了理論計算結果和實際加工數(shù)據(jù)的偏差。(2)由于塑性變形的非線性及影響因素的多元、多變性，使得工程實踐中很難通過準確建模的方法進行準確的校直。目前國內的現(xiàn)狀是大多由人工憑經(jīng)驗進行操作，效率低、精度差，使得工業(yè)構件塑變校直技術的應用受到了極大的限制，實踐中有許多零件在機械加工甚至熱處理等工序都已經(jīng)完成的情況下由于某種原因產(chǎn)生了塑性變形，從而導致超差報廢，造成經(jīng)濟上和時間上的浪費。(3)校直機結構形式單一，可校直工件的尺寸范圍具有明顯的局限性。不論是手工操作還是自動化校直，目前國內外絕大多數(shù)校直機的結構形式的特點是校直機自身的結構強度和剛度易于保證，但本體

12、結構過于笨重，2個立柱之間的空間距離至少要大于被校直工件的軸向尺寸。當工件長度長達十幾米甚至數(shù)十米長時，如采用同樣的結構形式,本體結構將會十分龐大，設備本身的加工和強度、剛度保證都將成為問題，因此，研究和開發(fā)可適用于大尺寸工件的校直加工設備，對新的結構形式進行理論上的探索與分析不但具有重要的理論意義，而且具有重要的工程應用價值。(4)自動化、智能化水平不高首先須精確檢測出工件彎曲變形的方向和大小，對于多段、多方向彎曲，要分別針對每個變形段的空間位姿通過數(shù)學模型的推導進行平面化處理。檢測過程中針對不同的變形情況要給出最佳的檢測過程時序和策略，然后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)通過坐標變換計算出工件的準確形狀，獲得

13、校直原始參數(shù)。檢測過程中，除了正常的傳感器測試誤差外，構件的定位誤差、夾具的安裝誤差、校直機本體加工和裝配誤差以及本體在校直過程中的剛度變形等一系列因素都會對校直精度造成影響。其次，在自動化測量的基礎上，實現(xiàn)彎曲變形的自動校直是一個復雜的過程。特別是針對多段、多向彎曲的構件，校直的時序安排和規(guī)劃不同會得到完全不同的結果，校直過程本身受材料、熱處理等各種非線性因素的影響，也不能采用線性控制方法實現(xiàn)，需要采用現(xiàn)代智能控制方法和策略才能完成。另外，針對不同類型、不同規(guī)格尺寸以及熱處理規(guī)范的構件，如何保證校直控制算法的適應性，尚未得到很好的解決。一臺自動精密校直機往往具有較高的價格，如果僅能適應為數(shù)不

14、多的構件校直，勢必造成校直成本的增加。五、校直設備發(fā)展趨勢隨著科學技術的發(fā)展，以及制造業(yè)對產(chǎn)品質量要求的提高，校直技術正朝著高精度、高效率和高可靠性的方向發(fā)展，校直機械產(chǎn)品數(shù)控化已成為自動校直設備的發(fā)展方向。自動校直設備的發(fā)展趨勢如下：(1)數(shù)控化：數(shù)控化的校直設備能大大提高生產(chǎn)率，提高加工精度，提高加工一致性、互換性，減少廢品和返修率，降低了生產(chǎn)成本，提高市場的競爭力。(2)高速度、高精度：效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可以極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。(3)高可靠性：可靠性是衡量數(shù)控系統(tǒng)質量的一項關鍵性指標。衡量可靠性的重要量化指

15、標是平均無故障工作時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)。校直機控制系統(tǒng)運用自動監(jiān)測、故障診斷功能，遇到過載、失速和停電等情況，能自動采取對策，防止事故的發(fā)生，從而提高可靠性和安全性。智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)如加工過程的自適應控制，工藝如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(4)智能化：21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化,參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化,運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、

16、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。開放式：為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的ngc(thenextgenerationwork-station/machinecontrol)、歐共體的osaca(opensystemarchitectureforcontrolwithinautomationsystems)、日本的osec(opensystemenvironmentforcontroller),中國的onc(opennumericalcontrolsystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象(數(shù)控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。(6)網(wǎng)絡化：數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，