自动校直——平衡校正技术在轴类零件制造中的应用
1 概述自动校直是平衡校正技术的一个重要领域，指的是机械产品中作旋转运动或往复运动的细长轴、杆类零件，在加工或热处理过程中产生的弯曲变形，通过高精度测量后迅速地予以校正，使工件恢复直线状态的一组自动进行的操作。自动校直工序在汽车工业，特别是轿车工业中用得最多，如发动机中的曲轴、凸轮轴，变速箱中的传动轴等轴类零件以及转向机中的转向拉杆，减振器中的连杆等杆类零件均需要经过严格的校直。相比之下，机床等工业产品中的某些轴类零件，虽然也有很严的直线性要求，需在制造中设置校直工序，但很少用自动校正方式。其原因是轿车为大批量生产方式，除了确保质量外，还必须有很高的效率和较低的成本。图1是几种有代表性的零件的示意图。尽管形状、尺寸各异，但对所有这些工件的校直，性质都是相类似的，甚至都可以在同一种但不同规格的自动校直机上进行校正。轴类、杆类零件的自动校直过程包括自动测定工件的校直量、自动实施校直操作和事后的检验。尽管这类设备有很多品种，结构、性能各不相同，但基本形式却颇多共同处，最主要的一点就是上述三项功能一般都在一个工位上实现，不象另一些自动校正设备，如动平衡、称重去重自动机的总体布置那么形式繁多。按自动化程度的高低，它们被分成全自动和半自动两类。主要差别在于工件的上、下料方式。对后一种情况，被校正的轴类零件进入和退出工位由操作者人工进行，工件到位后，操作人员按下按钮，以下的测量、校正和检验工作全部由机器自动完成。全自动校直机的上、下料多数采用抬起步伐式输送方式。这是一种同步作用的多工位梁式输送装置，不但具有较高的输送速度，而且动作可靠。驱动源为液压，但也有用气动和机械的。图2是这类自动校直机中的一种。根据工件的不同规格，即使同一专业生产厂的产品也分成多个品种、若干个系列，不仅表现在工作压力上(适应规格不同的轴类零件)，而且在主机形式和工作驱动方式等方面也有所区别。以主机形式为例，目前主要有两种：C型类似于硬度机样式，门型则类似于压力机。前一种形式的机型在大小不等的各种自动校直机上都有应用，而后一种主要用在中、大型校直机上。表1所示为三种系列化自动校直机的主要技术指标。
图1
被校工件外径(mm)
?10～?30
?20～?40
?30～?60
被校工件长度(mm)
≤540
≤900
≤1300
主机型式
C型
门型
测量点数
1～3
2～4
校正点数
1
2～4
测量精度(μm)
±2．5
测量循环时间(s)
1～3
工件转速(r/min)
30～120
工件驱动方式
两顶尖夹持旋转
最大工作压力(kN×10）
10
20
50
2 自动校直过程的实现及典型自动校直机剖析
下面通过剖析上表中第二种自动校直机(在轿车生产中用得较多的一个品种)，对这类设备的动作原理以及测量、校正过程作些介绍。图3是其结构示意图。这种门型全自动校直设备适用于图1中的各种零件，包括轿车发动机中的凸轮轴和曲轴。虽然图3所示的是一种驱动轴的校正情况，但动作原理、过程与校正凸轮轴、曲轴完全一样，只是测量点数和校正点数有所区别(可参见图1中的箭头标识)。操作者只需将工件放入输送装置中的定梁缺口上，抬起步伐式机构动作，由动梁把工件托起，前移一段距离，再降下时就将它置于测量、校正工位了。与此同时，原来在测量/校正工位上已经校直的工件被移走，送至机器出口处。图3中的13、14、15即为包括驱动部分在内的输送装置。当被校工件就位后，一侧的接近开关发出信号，使回转机构动作，带动轴旋转。图中所示的驱动方式为双顶尖8向中间移动，夹持工件回转方式，利用一套电机和齿形带带动。另一种时有采用的驱动方式是在测量工位上方设置一由电机带动的滚轮，当其下降并压紧工件时通过摩擦力带动轴旋转。但在这种情况下，工件的支承宜考虑两种方式：旋转时利用V型滚动支承，校直时则必须为V型固定支承10。确定凸轮轴、曲轴、驱动轴等工件的弯曲程度和方向，是进行校直的基础，这在自动校直机上是通过测量几个规定截面上的径向跳动来实现的。所采用的传感器为电感式直线位移传感器，有差动电感型和差动变压器型。它们被放置在测量单元中，如图3中9，那里共安排了二个单元。测量单元的具体结构虽各有不同，但跳动量至传感器的传递过程都很相似。图4是一种有代表性的单元，其中包含两个电感传感器，跳动测量信号取二者之平均值。为了测出最大跳动量发生的位置，亦即工件弯曲的方向(位)，该机除了配备上述位移量检测单元，实行位移量检测以外，还进行角度检测。那是一个光电编码器，位于右侧被动顶尖内，当异步电机驱动左侧的主动顶尖带着被测轴回转6～8转时，在测出了规定截面最大跳动值的同时，也确定了它们在圆周上的方位，并通过微机控制系统使工件在实施校正前，其工件弯曲截面处于垂直状态，且凸部向上。
图3
图4
对测量结果进行判断，若每个截面的实测径向跳动量都在允许公差范围以内，则此工件为合格品，不需再进行校直。这种情况下，两夹持顶尖退回，步伐式输送机构动作，动梁托起工件移出测量、校正工位。反之，若每个跳动量的实测值既超出公差范围，也超出了可校直的上、下限临界点，则该轴为废品，由输送装置移走，并被推入一专门盛放不合格品的料箱中。只有当工件的测量结果介于校直范围，即超出合格品界限，但小于废品临界点时，才真正开始按校正程序对工件执行校直。此时，脱离两顶尖夹持状态的轴被支承在固定V型架和中间若干个可移动的支承11(根据需要确定工作位置，图3中有一个活动支承)上，对准工件第一个校正截面的压头7在液压缸2的驱动下快速下移(图3中3为液压缸运动导向装置)。当距离接触表面6～7mm时，由一接近开关发出信号，使压头转而以很慢的且很精确的速度下降，在压头接触轴上表面的一瞬间，一个零位检测系统发出精确的触发信号，使微机系统能准确地测出压头的工作行程，而且消除了由于压头磨损可能引起的误差。压头的校正量(工作行程)是由工件的自身特性和截面所在位置的弯曲程度决定的。另外，除轴两端的固定支承外，中间支承的数量和位置也是预先确定的。因为实施校正时，在压头加力时，只有邻近两支承真正起作用。第一次校正操作完成后，压头上升至起始点与工件的中间位置，然后工件在静止状态下由测量单元对经校正的工件弯曲度进行检查。如果测得结果已在允差以内，则这一点(截面)的校正就暂告结束。微机控制系统会通过图3中的电机6，利用滚珠丝杠5驱动压头装置沿导轨移至轴上的第二个校正位置，类似第一个那样进行作业。若实测结果显示仍处在允差以外，即原有弯曲度未得到有效的校正，这就意味着第一次校正时压头行程太小，此时微机系统会对原来行程量加以修正，确定一个新的合适的工作行程，然后对工件的这个截面进行新一轮校直作业。反之，假如检测后表明校正过量，则说明压头的工作行程太大，微机控制系统一方面将根据实际过量情况作修正，再次确定对这个点进行校正的压头工作行程；另一方面，通过机器又一次启动，重复前面的步骤，经双顶尖相向移动、重新夹持工件旋转以及测量、定位等动作过程，仍从第一点起实施校正。需要指出的是，轴类零件的校直往往有反复现象，即同一点(截面)常需经过数次校正。上面介绍的两种情况还是比较简单的，有时还存在校正完毕后，前面点的弯曲度又超差，再得返回作业的情况。在批量生产情况下，为保证必要的效率，一般都在自动校直时规定了每个点最多校正次数，超过次数仍未达到要求的工件，作废品处理。图5是自动校直的程序框图，反映了整机的主要工作过程及其相互关系。
图5
图3所示的自动校直机还具有以下9项统计分析的功能：1)经过校正工件的总数；2)合格品总数；3)废品总数；4)合格品所占百分比；5)一批被校工件中，每个点的最大跳动值；6)一批被校工件中，每个点的最小跳动值；7)一批被校工件中，每个点在校正前的平均跳动值；8)各点的标准偏差；9)各点的CP值。
3 自动校直的机理简介
校直的机理涉及工件的变形规律，而工件的变形规律直接与其几何形状、材料和热处理等因素有关。事实上，即使在批量生产情况下，两根任意抽取的工件的负荷/变形特性曲线之间也总有微小差别，因此，自动校直机在校正程序设计过程中，只能采取统计分析的方法，以确定压头工作行程、行程补偿等数值。另一方面，在轴类工件中，有相当部分并非在圆周各个方向都是对称的，如凸轮轴、曲轴等。为简化程序，凸轮轴还是作为全对称工件来处理的，而曲轴则比较复杂。图6a是一种四缸发动机曲轴及其相应的负荷/变形特性曲线图(图6b)。在图中，显示了在工件同一截面X、Y、Z三个方向施加压力后的变形规律。其中，工件在Z方向的刚度最大，故其在弹性区内线性段的斜率也最大；X、Y两个方向的刚性很接近。图6b还说明了一批工件力学性能之间客观上存在的差别，图中几根曲线分别反映编号为1、2、3的三组工件的负荷/变形规律。由于斜率较大，故确定它们的弹性极限和对应的变形量还较容易。如图中工件在Z方向的变形量超过1.67mm、在Y方向超过2.19mm时，就会产生塑性变形，X方向的弹性极限介于Y和Z之间，故压头的工作行程必须大于1.67mm或2.19mm。在此基础上，再叠加校正值，且考虑一些其他因素的影响。由此可见，压头对工件的校正完全是以上述这些基本情况为基础的。当测量结果表明，最大跳动发生的平面(即校正面)位于图6a中X、Y和Z轴以外的方位时，校正过程就比较复杂。一种方法是把弯曲度分解到X(Y)、Z两个方向，分量的确定既要依据偏转度，又要考虑相邻两方向的不同刚度值，然后再在X、Y和Z三个方向通过压头校正；另一种方法是类似一般工件，在任意方向进行校正，但必须先经过微机运算确定此时工件的负荷变形规律，只有在此基础上，压头的工作行程才是合理的。
图6
【MechNet】
文章关键词： 轴类
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