自動(dòng)校直——平衡校正技術(shù)在軸類零件制造中的應(yīng)用

1　概述

　　自動(dòng)校直是平衡校正技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，指的是機(jī)械產(chǎn)品中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)軸、桿類零件，在加工或熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的彎曲變形，通過(guò)高精度測(cè)量后迅速地予以校正，使工件恢復(fù)直線狀態(tài)的一組自動(dòng)進(jìn)行的操作。自動(dòng)校直工序在汽車工業(yè)，特別是轎車工業(yè)中用得最多，如發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸、凸輪軸，變速箱中的傳動(dòng)軸等軸類零件以及轉(zhuǎn)向機(jī)中的轉(zhuǎn)向拉桿，減振器中的連桿等桿類零件均需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校直。相比之下，機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品中的某些軸類零件，雖然也有很嚴(yán)的直線性要求，需在制造中設(shè)置校直工序，但很少用自動(dòng)校正方式。其原因是轎車為大批量生產(chǎn)方式，除了確保質(zhì)量外，還必須有很高的效率和較低的成本。圖1是幾種有代表性的零件的示意圖。盡管形狀、尺寸各異，但對(duì)所有這些工件的校直，性質(zhì)都是相類似的，甚至都可以在同一種但不同規(guī)格的自動(dòng)校直機(jī)上進(jìn)行校正。軸類、桿類零件的自動(dòng)校直過(guò)程包括自動(dòng)測(cè)定工件的校直量、自動(dòng)實(shí)施校直操作和事后的檢驗(yàn)。盡管這類設(shè)備有很多品種，結(jié)構(gòu)、性能各不相同，但基本形式卻頗多共同處，最主要的一點(diǎn)就是上述三項(xiàng)功能一般都在一個(gè)工位上實(shí)現(xiàn)，不象另一些自動(dòng)校正設(shè)備，如動(dòng)平衡、稱重去重自動(dòng)機(jī)的總體布置那么形式繁多。按自動(dòng)化程度的高低，它們被分成全自動(dòng)和半自動(dòng)兩類。主要差別在于工件的上、下料方式。對(duì)后一種情況，被校正的軸類零件進(jìn)入和退出工位由操作者人工進(jìn)行，工件到位后，操作人員按下按鈕，以下的測(cè)量、校正和檢驗(yàn)工作全部由機(jī)器自動(dòng)完成。全自動(dòng)校直機(jī)的上、下料多數(shù)采用抬起步伐式輸送方式。這是一種同步作用的多工位梁式輸送裝置，不但具有較高的輸送速度，而且動(dòng)作可靠。驅(qū)動(dòng)源為液壓，但也有用氣動(dòng)和機(jī)械的。圖2是這類自動(dòng)校直機(jī)中的一種。根據(jù)工件的不同規(guī)格，即使同一專業(yè)生產(chǎn)廠的產(chǎn)品也分成多個(gè)品種、若干個(gè)系列，不僅表現(xiàn)在工作壓力上(適應(yīng)規(guī)格不同的軸類零件)，而且在主機(jī)形式和工作驅(qū)動(dòng)方式等方面也有所區(qū)別。以主機(jī)形式為例，目前主要有兩種：C型類似于硬度機(jī)樣式，門型則類似于壓力機(jī)。前一種形式的機(jī)型在大小不等的各種自動(dòng)校直機(jī)上都有應(yīng)用，而后一種主要用在中、大型校直機(jī)上。表1所示為三種系列化自動(dòng)校直機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。

圖1

圖3

圖4

　　對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判斷，若每個(gè)截面的實(shí)測(cè)徑向跳動(dòng)量都在允許公差范圍以內(nèi)，則此工件為合格品，不需再進(jìn)行校直。這種情況下，兩夾持頂尖退回，步伐式輸送機(jī)構(gòu)動(dòng)作，動(dòng)梁托起工件移出測(cè)量、校正工位。反之，若每個(gè)跳動(dòng)量的實(shí)測(cè)值既超出公差范圍，也超出了可校直的上、下限臨界點(diǎn)，則該軸為廢品，由輸送裝置移走，并被推入一專門盛放不合格品的料箱中。只有當(dāng)工件的測(cè)量結(jié)果介于校直范圍，即超出合格品界限，但小于廢品臨界點(diǎn)時(shí)，才真正開(kāi)始按校正程序?qū)ぜ?zhí)行校直。此時(shí)，脫離兩頂尖夾持狀態(tài)的軸被支承在固定V型架和中間若干個(gè)可移動(dòng)的支承11(根據(jù)需要確定工作位置，圖3中有一個(gè)活動(dòng)支承)上，對(duì)準(zhǔn)工件第一個(gè)校正截面的壓頭7在液壓缸2的驅(qū)動(dòng)下快速下移(圖3中3為液壓缸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置)。當(dāng)距離接觸表面6～7mm時(shí)，由一接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，使壓頭轉(zhuǎn)而以很慢的且很精確的速度下降，在壓頭接觸軸上表面的一瞬間，一個(gè)零位檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出精確的觸發(fā)信號(hào)，使微機(jī)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測(cè)出壓頭的工作行程，而且消除了由于壓頭磨損可能引起的誤差。壓頭的校正量(工作行程)是由工件的自身特性和截面所在位置的彎曲程度決定的。另外，除軸兩端的固定支承外，中間支承的數(shù)量和位置也是預(yù)先確定的。因?yàn)閷?shí)施校正時(shí)，在壓頭加力時(shí)，只有鄰近兩支承真正起作用。第一次校正操作完成后，壓頭上升至起始點(diǎn)與工件的中間位置，然后工件在靜止?fàn)顟B(tài)下由測(cè)量單元對(duì)經(jīng)校正的工件彎曲度進(jìn)行檢查。如果測(cè)得結(jié)果已在允差以內(nèi)，則這一點(diǎn)(截面)的校正就暫告結(jié)束。微機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)圖3中的電機(jī)6，利用滾珠絲杠5驅(qū)動(dòng)壓頭裝置沿導(dǎo)軌移至軸上的第二個(gè)校正位置，類似第一個(gè)那樣進(jìn)行作業(yè)。若實(shí)測(cè)結(jié)果顯示仍處在允差以外，即原有彎曲度未得到有效的校正，這就意味著第一次校正時(shí)壓頭行程太小，此時(shí)微機(jī)系統(tǒng)會(huì)對(duì)原來(lái)行程量加以修正，確定一個(gè)新的合適的工作行程，然后對(duì)工件的這個(gè)截面進(jìn)行新一輪校直作業(yè)。反之，假如檢測(cè)后表明校正過(guò)量，則說(shuō)明壓頭的工作行程太大，微機(jī)控制系統(tǒng)一方面將根據(jù)實(shí)際過(guò)量情況作修正，再次確定對(duì)這個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校正的壓頭工作行程；另一方面，通過(guò)機(jī)器又一次啟動(dòng)，重復(fù)前面的步驟，經(jīng)雙頂尖相向移動(dòng)、重新夾持工件旋轉(zhuǎn)以及測(cè)量、定位等動(dòng)作過(guò)程，仍從第一點(diǎn)起實(shí)施校正。需要指出的是，軸類零件的校直往往有反復(fù)現(xiàn)象，即同一點(diǎn)(截面)常需經(jīng)過(guò)數(shù)次校正。上面介紹的兩種情況還是比較簡(jiǎn)單的，有時(shí)還存在校正完畢后，前面點(diǎn)的彎曲度又超差，再得返回作業(yè)的情況。在批量生產(chǎn)情況下，為保證必要的效率，一般都在自動(dòng)校直時(shí)規(guī)定了每個(gè)點(diǎn)最多校正次數(shù)，超過(guò)次數(shù)仍未達(dá)到要求的工件，作廢品處理。圖5是自動(dòng)校直的程序框圖，反映了整機(jī)的主要工作過(guò)程及其相互關(guān)系。

圖5

　　圖3所示的自動(dòng)校直機(jī)還具有以下9項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析的功能：1)經(jīng)過(guò)校正工件的總數(shù)；2)合格品總數(shù)；3)廢品總數(shù)；4)合格品所占百分比；5)一批被校工件中，每個(gè)點(diǎn)的最大跳動(dòng)值；6)一批被校工件中，每個(gè)點(diǎn)的最小跳動(dòng)值；7)一批被校工件中，每個(gè)點(diǎn)在校正前的平均跳動(dòng)值；8)各點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；9)各點(diǎn)的C_P值。

3　自動(dòng)校直的機(jī)理簡(jiǎn)介

　　校直的機(jī)理涉及工件的變形規(guī)律，而工件的變形規(guī)律直接與其幾何形狀、材料和熱處理等因素有關(guān)。事實(shí)上，即使在批量生產(chǎn)情況下，兩根任意抽取的工件的負(fù)荷/變形特性曲線之間也總有微小差別，因此，自動(dòng)校直機(jī)在校正程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，只能采取統(tǒng)計(jì)分析的方法，以確定壓頭工作行程、行程補(bǔ)償?shù)葦?shù)值。另一方面，在軸類工件中，有相當(dāng)部分并非在圓周各個(gè)方向都是對(duì)稱的，如凸輪軸、曲軸等。為簡(jiǎn)化程序，凸輪軸還是作為全對(duì)稱工件來(lái)處理的，而曲軸則比較復(fù)雜。圖6a是一種四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及其相應(yīng)的負(fù)荷/變形特性曲線圖(圖6b)。在圖中，顯示了在工件同一截面X、Y、Z三個(gè)方向施加壓力后的變形規(guī)律。其中，工件在Z方向的剛度最大，故其在彈性區(qū)內(nèi)線性段的斜率也最大；X、Y兩個(gè)方向的剛性很接近。圖6b還說(shuō)明了一批工件力學(xué)性能之間客觀上存在的差別，圖中幾根曲線分別反映編號(hào)為1、2、3的三組工件的負(fù)荷/變形規(guī)律。由于斜率較大，故確定它們的彈性極限和對(duì)應(yīng)的變形量還較容易。如圖中工件在Z方向的變形量超過(guò)1.67mm、在Y方向超過(guò)2.19mm時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，X方向的彈性極限介于Y和Z之間，故壓頭的工作行程必須大于1.67mm或2.19mm。在此基礎(chǔ)上，再疊加校正值，且考慮一些其他因素的影響。由此可見(jiàn)，壓頭對(duì)工件的校正完全是以上述這些基本情況為基礎(chǔ)的。當(dāng)測(cè)量結(jié)果表明，最大跳動(dòng)發(fā)生的平面(即校正面)位于圖6a中X、Y和Z軸以外的方位時(shí)，校正過(guò)程就比較復(fù)雜。一種方法是把彎曲度分解到X(Y)、Z兩個(gè)方向，分量的確定既要依據(jù)偏轉(zhuǎn)度，又要考慮相鄰兩方向的不同剛度值，然后再在X、Y和Z三個(gè)方向通過(guò)壓頭校正；另一種方法是類似一般工件，在任意方向進(jìn)行校正，但必須先經(jīng)過(guò)微機(jī)運(yùn)算確定此時(shí)工件的負(fù)荷變形規(guī)律，只有在此基礎(chǔ)上，壓頭的工作行程才是合理的。