校直技術(shù)與校直設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展

1、校直技術(shù)與校直設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)一、技術(shù)背景工業(yè)構(gòu)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(gè)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(duì)被校直工件在主動(dòng)加載情況下使其產(chǎn)生與誤差方向相反的塑性變形，當(dāng)該塑性變形的殘余變形量與誤差量相等時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的校直。軸類零件是機(jī)械工業(yè)最常見的零部件之一，如汽車上常用的臺(tái)階軸、齒輪軸、蝸桿、光 軸，工具刃具上的麻花鉆、拉刀，石油機(jī)械上的實(shí)心鉆桿和空心鉆桿等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我 國(guó)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(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)量和種類還有增多的趨勢(shì)。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

2、果不進(jìn)行校直處理就會(huì)影響工件的后序加工和使用，甚至可能出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的廢品。所以為了減少?gòu)U品的數(shù)量，提高原材料的利用率，需要對(duì)這些發(fā)生彎曲變形的軸類零件進(jìn)行校直處理。目前，我國(guó)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(shí)施校直， 校直質(zhì)量全憑工人經(jīng)驗(yàn)，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。有的采用以普通壓力機(jī)改造而成的簡(jiǎn)易設(shè)備進(jìn)行校直，先由人工測(cè)量，然后由操作人員憑經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)來確定校直行程，最后再由檢查人員檢驗(yàn)。而在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， 他們研制的校直機(jī)都有著相當(dāng)高的技術(shù)水平，集中表現(xiàn)在智能化、自動(dòng)化、測(cè)量精度高、生產(chǎn)節(jié)拍快等方面，如德國(guó)的MAE 公司、日本的東和精機(jī)株式會(huì)社、意大利的 GALDABINI

3、 公司等。但是進(jìn)口自動(dòng)校直機(jī)的價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，往往 令許多企業(yè)望而止步，嚴(yán)重束縛了其產(chǎn)品工藝水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(dòng)校直機(jī)。二、校直加工工藝現(xiàn)狀校直工藝?yán)碚撝饕茄芯客ㄟ^何種工藝流程或步驟，實(shí)現(xiàn)工件的彈塑性變形，以消除或減少零件在機(jī)械加工或熱處理過程中產(chǎn)生的彎曲變形，使機(jī)械零部件最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。(1) 采用車?yán)ナ叫Ｖ睓C(jī)實(shí)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(zhuǎn)進(jìn)給 和多校直輾反復(fù)軋制，

4、 實(shí)現(xiàn)工件的校直，并有效減小后續(xù)工序的加工損耗。這種方法地特點(diǎn)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(duì)于臺(tái)階軸等需經(jīng)復(fù)雜機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子大軸校直)，原理工件通過反 復(fù)加熱、加壓以實(shí)現(xiàn)校直。其優(yōu)點(diǎn)是加載力和殘余應(yīng)力小，缺點(diǎn)是加工時(shí)間長(zhǎng)、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(fù)中（如挖掘機(jī)拉緊軸的修復(fù)），受場(chǎng)地和環(huán)境的影響，通過加工設(shè)備進(jìn)行校直的條件有限，可采用熱校直的方法對(duì)彎曲軸的最高點(diǎn)加熱，加熱區(qū)材料受熱膨脹體現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，冷卻后又體現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，兩種情形下

5、彎曲變形的差值就是校直量的大 小。這種方法簡(jiǎn)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(duì)工件表面形成沖擊力，從而實(shí)現(xiàn)校直。這種方法的要點(diǎn)是需準(zhǔn)確控制沖擊波的方向和強(qiáng)度，僅用于特定的場(chǎng)合。（5）3 點(diǎn)彎曲法廣泛應(yīng)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(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn) 容易，且適合于復(fù)雜零件的校直加工。國(guó)內(nèi)機(jī)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(chǎng)地、環(huán)境，功能特點(diǎn)也各不相同。三、自動(dòng)校直設(shè)備研究現(xiàn)狀自動(dòng)校直設(shè)備是根據(jù)校直工藝?yán)碚撗芯砍晒?，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)校直的專用設(shè)備。由于自動(dòng)校直設(shè)備能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此發(fā)

6、達(dá)國(guó)家十分重視此項(xiàng)技術(shù)，投入大量的人力、物力開展與此相關(guān)的研究工作。尤以意大利、美國(guó)、德國(guó)和日本為突出，都開發(fā)出了 各具特色的自動(dòng)校直設(shè)備。 其中知名度較高的有德國(guó) MA 吸司、意大利 GALDABIN 公司、美國(guó) 的 EITEL 公司、日本的東和精機(jī)株式會(huì)社和國(guó)際計(jì)測(cè)器株式會(huì)社等。德國(guó) MA 咬司的自動(dòng)校直設(shè)備具有如下工藝特點(diǎn)：（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(shí)時(shí)在線檢測(cè)殘余變形，如校直精度仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則自動(dòng)計(jì)算新的校直行程，繼續(xù)實(shí)施校直工藝。校直行程算法采用遞推算法，并且在計(jì)算過程中采用了優(yōu)化

7、思想；（3）根據(jù)零件的彎曲情況，將校直工藝動(dòng)作和檢測(cè)環(huán)節(jié)之間的配合分成四種模式，進(jìn)一步 提高了生產(chǎn)效率。（4）采用三點(diǎn)彎曲力學(xué)加載模式，具有多個(gè)支點(diǎn)和壓點(diǎn)，支點(diǎn)數(shù)多于壓 點(diǎn)數(shù)，壓點(diǎn)始終在兩支點(diǎn)之間， 且壓點(diǎn)始終對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)布置。意大利 GALDABIN 校直設(shè)備具有如下特點(diǎn)：（1）校直參數(shù)是控制校直行程關(guān)鍵因素，通過調(diào)整校直參數(shù)，能夠改善校直質(zhì)量。而且校直參數(shù)的調(diào)整也是更換不同種類零件前必須做 的工作。調(diào)整過程圍繞著每一個(gè)壓點(diǎn)進(jìn)行，對(duì)每個(gè)壓點(diǎn)可能的動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)說明，給每一壓點(diǎn)配備固定的支點(diǎn)組合；（2）配備先進(jìn)的裂紋檢測(cè)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(shè)定由具有經(jīng)

8、驗(yàn)的技術(shù)人員完成，設(shè)備本身不具有自學(xué)習(xí) 功能。日本精機(jī)株式會(huì)社的校直機(jī)產(chǎn)品：該公司生產(chǎn)的校直機(jī)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(chǔ)起來，建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。校直時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)測(cè)得的最大變形量從多個(gè)方面與庫(kù)中存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)變形量比較， 然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)去制定合理的壓點(diǎn)行程，以盡可能減少校直次數(shù)， 提高校直精度。在國(guó)內(nèi)，合肥工業(yè)大學(xué)校直技術(shù)研究所較早地系統(tǒng)開展了校直理論及技術(shù)并開發(fā)了 YH40-25 精密液壓校直機(jī)。1994 年起，長(zhǎng)春試驗(yàn)研究所與日本國(guó)際計(jì)測(cè)器株式會(huì)社合作生產(chǎn) 了 AS 帝列 成自動(dòng)校直機(jī)。2003 年開發(fā)出具有自主

9、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 ASC-H 系列自動(dòng)校直機(jī)，該 系列自動(dòng)校直機(jī)有 說和門型兩種規(guī)格，該系列產(chǎn)品消化吸收國(guó)外技術(shù)具有更精確的校直理 論和校直精度，提高了整機(jī)的綜合性能、可靠性和工作效率。山東通欲集團(tuán)有限公司研制的 25MN 大型數(shù)控精密校直液壓機(jī)也通過了新產(chǎn)品鑒定，被認(rèn)為達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。2009 年重慶智恒精機(jī)科技有限公司提出智能校直機(jī)的概念，2013 推出一系列具有特征編程、加工仿真、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能診斷、智能學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程控制等功能的智能校直機(jī)，雖然提高了自動(dòng)校直 的效率與精度，具有相當(dāng)?shù)淖詫W(xué)習(xí)和自適應(yīng)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(shè)備的特點(diǎn)分析可知，目前，軸類零件自動(dòng)

10、校直機(jī)的控制并不是建立在對(duì)校直工藝過程做出系統(tǒng)、完整的理論模型基礎(chǔ)之上，而是將操作者的經(jīng)驗(yàn)直接轉(zhuǎn)化為數(shù) 據(jù)庫(kù)或?qū)＜規(guī)熘械臄?shù)據(jù)，根據(jù)校直進(jìn)程中的實(shí)時(shí)狀況，經(jīng)驗(yàn)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?yán)碚摂?shù)學(xué)模型，相應(yīng)的控制系統(tǒng)只能是針對(duì)某一特定校直對(duì)象構(gòu)成相應(yīng)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有塑變校直加工技術(shù)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(jì)算結(jié)果與校直加工時(shí)實(shí)際參數(shù)間存在偏差國(guó)內(nèi)外研究人員從理論上對(duì)各類典型構(gòu)件的塑變校直過程和機(jī)理進(jìn)行了大量較為系統(tǒng)、深入的力學(xué)分析與計(jì)算，力圖

11、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(yīng)的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。盡管從原理和方法上基本上已經(jīng)比較成熟，但計(jì)算和分析過程不可避免的要進(jìn)行一些假設(shè)和簡(jiǎn)化，于是造成了理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)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(shí)踐中很難通過準(zhǔn)確建模的方法進(jìn)行準(zhǔn)確的校直。目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是大多由人工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，效率低、精度差，使得工業(yè)構(gòu)件塑變校直技術(shù)的應(yīng)用受到了極大的限制，實(shí)踐中有許多零件在機(jī)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(dǎo)致超差報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)上和時(shí)間上的浪費(fèi)。(3) 校直機(jī)結(jié)構(gòu)形式單一，可校直工件的尺寸范圍具

12、有明顯的局限性。不論是手工操作還是自動(dòng)化校直，目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)校直機(jī)的結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是校直機(jī)自被校直工件的軸向尺寸。當(dāng)工件長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)十幾米甚至數(shù)十米長(zhǎng)時(shí)，如采用同樣的結(jié)構(gòu)形式，本體結(jié)構(gòu)將會(huì)十分龐大， 設(shè)備本身的加工和強(qiáng)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(shè)備，對(duì)新的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)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(yīng)用價(jià)值。(4) 自動(dòng)化、智能化水平不高首先須精確檢測(cè)出工件彎曲變形的方向和大小，對(duì)于多段、多方向彎曲，要分別針對(duì)每個(gè)變形段的空間位姿通過數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)進(jìn)行平面化處理。檢測(cè)過程中針對(duì)不同的變形情況要給出最佳的檢測(cè)過程時(shí)序和策略，

13、然后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)變換計(jì)算出工件的準(zhǔn)確形 狀，獲得校直原始參數(shù)。檢測(cè)過程中，除了正常的傳感器測(cè)試誤差外，構(gòu)件的定位誤差、夾 具的安裝誤差、校直機(jī)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(huì)對(duì)校直精度造成影響。其次，在自動(dòng)化測(cè)量的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)彎曲變形的自動(dòng)校直是一個(gè)復(fù)雜的過程。特別是針對(duì)多段、多向彎曲的構(gòu)件，校直的時(shí)序安排和規(guī)劃不同會(huì)得到完全不同的結(jié)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(shí)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(duì)不同類型、不同規(guī)格尺寸以及熱處理規(guī)范的構(gòu)件，如何保證校直控制算法的適應(yīng)性，尚未得到

14、很好的解決。 一臺(tái)自動(dòng)精密校直機(jī)往往具有較高的價(jià)格，如果僅能適應(yīng)為數(shù)不多的構(gòu)件校直，勢(shì)必造成校直成本的增加。五、校直設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 以及制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高， 校直技術(shù)正朝著高精度、 高 效率和高可靠性的方向發(fā)展， 校直機(jī)械產(chǎn)品數(shù)控化已成為自動(dòng)校直設(shè)備的發(fā)展方向。自動(dòng)校直設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)如下：(1) 數(shù)控化：數(shù)控化的校直設(shè)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?gòu)U品和返修率，降低了生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。(2) 高速度、高精度：效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可以極大地 提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)

15、爭(zhēng)能力。(3) 高可靠性：可靠性是衡量數(shù)控系統(tǒng)質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。衡量可靠性的重要量化指標(biāo)是平均無故障工作時(shí)間 MTBF( Mean Time BetweenFailures )。校直機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用自動(dòng)監(jiān) 測(cè)、故障診斷功能，遇到過載、失速和停電等情況，能自動(dòng)采取對(duì)策，防止事故的發(fā)生，從 而提高可靠性和安全性。(4)智能化：21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化, 運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智

16、能化，如智能 化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診 斷身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度易于保證，但本體結(jié)構(gòu)過于笨重,2 個(gè)立柱之間的空間距離至少要大于如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)及維修等。(5)開放式：為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國(guó)家對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的ngc(the nextgenerationwork-station/machine control) 、 歐 共體的 osaca(open systemarchitecture for control withinautomation systems)、日

17、本的 osec(open systemenvironment forcontroller)，中國(guó)的 onc(open numerical control system)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(yùn)行平臺(tái)上， 面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象(數(shù)控功能)，形成系列化，并 可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)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(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研 究的核心。(6)網(wǎng)絡(luò)化：數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需 求，也是實(shí)現(xiàn)新