（机械设计及理论专业论文）轴类零件校直工艺理论研究.pdf

轴类零件校直工艺理论研究摘要轴类零件和轴系部件是机械装置中的重要组成部分，在机械加工制造中其轴心线会产生弯陆，需要通过校直工艺保证生产质量。轴类零件校直工艺理论研究主要研究实心轴类零件的自动校直工艺，为成功开发国产自动精密校直液压机提供理论支持。本文在分析已有文献的基础上，以弹塑性力学理论为主要理论基础，结合实验研究，分析了轴类零件在校直过程中的应力、应交变化过程，建立了适用于大多数轴类零件的修正r a m b e r g o s g o o d 幂强化材料本构方程并推导出针对单弧度弯曲小变形轴校直的行程控制单步校直行程公式。并在此基础上，分析了轴庸等轴类零件设计要素对校直过程影响采用三维非线性有限元法分析了轴向力对校直工艺的影响问题针对单弧度弯曲大变形校直问题首先根据弹塑性断裂力学中j 积分有关理论，建立了台单边径向裂纹轴的技直行程可行域，并根据实验，建立含单边径向裂纹轴的校直行程递推算法针对单弧度弯曲大变形无裂纹轴校直闯题，根据广义预测控制理论t 立了多步校直行程预铡算法针对多弧度弯曲轴校直问题，根据现代优化理论提出了基于加权评价函数的窟发式算法，并通过实验指出，加权序列对校直过程存在影响。关键词：校直工艺弹塑性j 积分启发式算法广义预测控制r e s e a r c ho nt h es h a f ts t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yt h e o r ya b s t r a c ts h a f tp a r t sa n dc o m p o n e n t sa c ti m p o r t a n tp a r t si nm e c h a n i c a ld e v i c e s t h e i ra x e sw i l lb e n dd u r i n gm a n u f a c t u r i n g s t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yc a nr e d u c et h ea x i a ld e f o r m a t i o nt oe n s u r e 也es h a f t s q u a l i t i e s t h es h a f ts t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yt h e o r yw i l lb er e s e a r c h e do nt h es o l i ds h a f ta u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yt op r o v i d et h et h e o r ys u p p o r ti nd e v e l o p i n gs t a t e - p r o d u c e da u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n gp r e s s a f t e ra n a l y s i st op r e v i o u sp a p e r s ，b a s e do ne l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i ct h e o r ya n de x p e r i m e n t a ls t u d y , t h i sp a p e rp r e s e n tt h em o d i f i e dr a m b e r g - o s g o o di n s t i n c t i v ee q u a t i o n ，w h i c hi sa p p r o p r i a t et om a n yk i n d ss h a f t s m a t e r i a l ，b yi n s p e c t i o no nt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i ni nt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，a n db u i l tu pt h eo n e - s t e ps t r a i g h t e n i n ge q u a t i o nb a s e do ns t r o k e - c o n t r o l l e d ，f o rt h es m a l li n i t i a ld e f o r m a t i o nw i t hs i n g l ea r c t h ee f f e c t sf r o mo t h e rd e s i g ne l e m e n t ss u c ha ss t e p p e ds h a f th a v eb e e ns t u d i e d0 1 1t h eb a s i so ft h ea b o v et h e o r ya n dt h ee f f e c tf r e lt h ea x i a lf c l r o eh a sb e e nd i s c u s s e db yt h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t or e m o v et h el a r g ed e f o r m a t i o nw i t hs i n g l ea r ca n dc r a c k ，ji n t e g r a lt h e o r yh a sb e e na p p l i e di ns t u d y i n go nt h ec a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t so fs t r a i g h t e n i n gs h a f tw i t hs i n g l e - e d g e dc r a c k ，t h es t r a i g h t e n i n gf e a s i b l ef i e l do fs h a f ta n dt h es t r a i g h t e n i n gs t o k es e q u e n t i a le q u a t i o nh a v e b e e np r o p o s e d h o w e v e rt ot h el a r g ed e f o r m a t i o ns h a f tw i t h o u tc r a c k ，g e n e r a lp r e d i c t i v et h e o r yh a sb e e na p p l i e dt ob u i l tu pt h em u l t i - s t e p ss t r a i g h t e n i n gs t r o k ep r e d i c t i v ea l g o r i t h m t h ep r o b l e mf r o ms t r a i g h t e n i n gm u l t i - a r c ss h a f tm u s tb es o l v e db yt h ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h eh e u r i s t i ca l g o r i t h mb a s e do nt h ee v a l u a t i o nf u n c t i o nw i t hw e i g h sh a sb e e np r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h ew e i g hs e q u e n c ew i l la f f e c tt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g y ，e l a s t i c p l a s t i c ，j - i n t e g r a l ，h e u r i s t i ca l g o r i t h m ，g e n e r a lp r e d i c t i v ec o n t r o l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒肥工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者躲器辱签字魄哆年7 月掣日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金肥工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：程军导师签名签字日期：跏3 年7 月纠日签字日期：歹哆年8 月f 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：合肥工业大学机械与汽车工程学院电话：0 8 6 0 5 5 1 2 9 0 5 1 0 5通讯地址：合肥工业大学机械与汽车工程学院邮编：2 3 0 0 0 9致谢感谢导师柯尊忠教授近几年来孜孜不倦的指导和教诲，他严谨的学风和正直的品格将一直影响我今后的工作和学习。感谢余琼芳老师在生活上悉心关照。感谢蒋守仁教授和戴英华老师近几年来的关心，在他们的帮助下，我得以完成许多实验研究工作。感谢合肥工业大学精密校赢技术研究所的全体同仁，韩春明教授、丁曙光副教授、丁苏赤老师、祖匾工程师，通过他们的努力，诞生了国产首台自动精密校直机，和他们在一起愉快工作的同时，也学 - - j 了他们的许多长处，获益匪浅。感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院机械设计教研室的全体老师，王卫荣教授、高荣慧副教授、祁新梅副教授、黄康副教授和赵小勇老师，在他们的帮助下，我得以在不影响本职工作的前提下，顺利完成此论文。感谢我的师妹王芳同志，在含单边径向裂纹轴校直行程可行域的研究中，她参与了全部实验工作，并且通过和她的讨论使我最终形成了本文中关于含单边径向裂纹轴校直部分的有关内容。最后感谢我的妻子盂凡红同志和我的父母及岳父母，没有他们的督促，估计各位读者现在还只能在电脑上阅读部分章节内容。再一次感谢以上各位对我的鼓励，以及对我的论文最终成稿提供的大力支持。合肥工业大学博士学位论文第一章概论1 1 校直和自动校直技术机械加工中，为消除材料或制件的弯曲、翘曲、凸凹不平等缺陷的机械加工方法称为矫正【1 1 ，也称作校形 2 1 。矫正从加工形式上分手工矫正和机械矫正。手工矫正是工人用手工工具在矫正平台、铁砧、或虎钳上进行，采用的工具是手锤、百分表锋简单工、量具加工对象是小型制件或材料。机械矫正是在校直机、压力机上进行，由校直机、压力机提供矫正力，加工对象是较大型的毛坯件或制成件。根据材料或制件缺陷的特点，矫正方法分扭转法、延展法、伸张法和弯曲法。1 ) 扭转法主要矫正板形零件的扭曲变形。2 ) 延展法主要矫正各种翘曲的角钢和板件，这一工艺过程也称作校平h3 1 。3 ) 伸张法主要用来矫正各种线材的扭瞎和弯曲。4 ) 弯曲法主要矫正各种弯曲的轴、管、棒形零件和在宽度方向上弯曲的条形零件，这一工艺过程也称作校直“j 。在不同的场合和环境下，为消除材科和制件弯曲变形的校直过程又采用不同的具体方法，常见有以下几种情形。1 ) 在批量较大的大型型材冶金生产中 4 1 ( 如圆材、棒材生产) 。常采用辊式矫直机等冶金设备实施校直，工件在热态下通过工件旋转进给和多校直辊反复轧制，实现工件校直可有效减小零件后续加工工序中材料的损耗。它的特点是校直精度较高，校直效率高，缺点是只适用于单截面工件，对台阶轴等需经复杂机加工的轴类零件不适用。2 ) 在批量较小的精密大型轴类零件的校直加工中( 如汽轮机转子大轴校直) ，常采用松弛蠕变直轴法进行校直，工件通过反复加热、加压实现校直。它具有残余应力小加载力小等优点，但加工时间较长，而且温度控制也较困难i s ”。3 ) 在大型轴类零件的修复过程中( 如挖掘机拉紧轴修复) ，如果在施工现场环境下，不具备相应的加工条件，采用热校直1 7j 是一种有效的校直方法( 也称火焰校直p 】) 。它是在轴类零件弯曲最高点加热。加热区材料因受热膨胀体现为拉应力状态，轴两端向下弯曲。当轴冷却时。加热区处于较太的压应力状态，零件两端上翘弯曲变形超过了加热时的弯曲程度。超过部分就是校直部分它加工倚便，但需要正确判断弯曲的位置和方向加热的火焰要和弯曲方向一致。加热时间、加热区域和加热温度是保证热校直质量的关键i ”。4 ) 在大批量小型刃具校直加工中( 如螺旋麻花钻钻身校直) ，采用类似于无心外圆磨削原理，通过滚轮滚压工作贯通方式实现校直1 ”l 。其特点是生产效率高，但要求设计专用机床加工中需台理调节滚轮位置否则会产生崩刃现象。2第一章概论5 ) 电液脉冲方法实现校直”】利用h v 波释放方法在液体中生成的冲击波在工件表面形成冲击力。控制冲击波的大小和方向，是按要求实现工件的校直的关键6 ) 在中小型轴、管类零件的校直加工中1 1 3 ，主要采用三点弯校直加工方法，工件在冷态下实现校直。它具有原理简单实现容易、适用复杂零件等特点，普遍应用于轴类零件的校直生产工艺中。手工校直采用的基本工、量具为压力机( 常采用螺旋压力机或液压压装机) 、百分表、校直铁砧、校直平台等随着机械工业的发展中、小型轴类零件生产批量越来越大。种类繁多手工校直已远远不能满足生产需要因此产生了自动校直技术。本文将主要针对此种校直工艺方法展开研究【作自动校直技术是一种先进制造技术通过自动校直设备完成对轴、管、棒等类零件的校直l 艺是机械加工中保证产品质量的重要工序，广泛应用于汽车、拖拉机、i 程机械、纺织机械、军【机械等机械制造行业。自动校直技术主要包括两方面的研究内容，第一是校直工艺理论的研究第二是自动校直设备的研究开发。校胄i 艺理论是实现零件精密校直的关键，主要研究零件通过何种工艺过程或步冁实现i 件的弹塑性变形以消除或减少零部件在机械加工或热处理过程中产生的弯曲变形使机械零部件最终达到设计要求。自动校直设备是根据校直工艺理论研究开发的。实现机械零件精密校直工艺的专h l 蹬备。因此自动校直设备应能根据校直工艺理论的需要完成相应的动作要求实现必要的功能要求。这两个研究内容之间关系是相辅相成的。校直工艺理论需要通过校直设备应用于实际校直工艺理论的研究必须考虑校直设备的方便实现校直设备的研究开发则在生产成本和生产效率的前提下，应尽可能满足校直工艺动作要求保证零件的梗直精度。因此只研究一方面的问题而忽视另一方面的阀题。都将影响自动校直技术的研究【作。在研究校直r 艺理论的同时应当兼顾校直设备的设计及制造问题。1 2 轴类零件校直工艺理论及其自动校直设备研究现状轴是组成机械的一种重要零件，它一般通过轴承和机架联接支承着其他转动件并传递扭矩轴上装配的其它零件都将圈绕轴心作回转运动。形成丁以轴为基准的组合体一一轴系部件。它的制造糟度直接影响到机械运行的平稳性常见的轴类零部件包括。汽车上常用的光轴、台阶轴、丝杠、齿轮轴、蜗杆、汽车半轴等，纺织机械上常用的罗拉轴、长主轴工具刃具上常用的麻花钻、控刀等石油机械上的实心钻杆和空心钻杆等，小型船舶发动机的尾轴等据不完全统计我国年产轴类零件的总量约在1 0 亿件左右。需要经过校直工艺的约占7 0 - 目前绝大多数企业仍采用手1 = 校直方法实施校直工艺校直质量完全依靠t 人经验生产效率低劳动强度夫用传统的手 校直方法已不能满足生产需要台肥工业大学博士学位论文迫切需要自动校直设备替代手工校直。虽然少数大型汽车制造企业已引进国外自动校直设备，但其核心技术仍未完全掌握。大多数中小型机械加工企业由于经费原因，更希望拥有具有国内自主知识产权的自动校直设备。轴类零件校直工艺理论研究现状轴类零件校直工艺理论是校直工艺理论研究中的一个重要分支该理论研究是以实心轴类零件校直为主要研究对象，在总结传统手工校直工艺方法的蒸础上，建立适台自动校直设备设计及制遣的数学模型和校直工艺，并且分析影响轴类零件校直精度和校直效率的各项因素，逐步完善和优化轴类零件校直工艺数学模型。目前，田内对钢材多辊式校直理论1 1 4 1 6 研究已经习趋成熟而对压点式反弯校直理论的研究仅限于理论分析尚无实用的数学模型和理论公式。有关文献总结如下：文献【”。1s 】基于弹塑性理论首先作如下假设：1 、金属材料连续均匀。且各项同性；2 、零件弯曲符台伯努力平面假说；3 、假定中性轴偏离不大，计算中可忽略不计。该文以校直过程中截面的弹区比和塑弯比之间关系为基础建立了反弯挠度和曲率之间的方程。已知初始弯曲曲率，可以求出反弯挠度。该理论的提出首先采用弹塑性理论方法解决校直问题，有其较大的理论意义，但在实用中不难发现该理论要求已知各截面的初始曲率值可现有检测曲率的方法主要根据检测数据，通过数值算法拟台实现。由于轴类零件的弯曲变形复杂性，很难找到一种合适算法适用于各种零件的曲率计算。因此实用中不能保证校直辅度。文献1 1 9 介绍了依据此方法开发的校直机产品，它开发出在线曲率测量设备。在校直中通过基于p c 的数据系统收集力变形数据井指导校直过程，一次循环校直方法被应用在该机的控制系统中。文献【2 0 】依据校直是一弹塑性变形特点，应用有限元法计算轴类零件在各点加压时产生的挠度和塑性变形，建立在不同压点处的弯曲量和压下曩关系表，校直时，根据需要的弯曲量插值查出压下量。即可求得校直量该方法简单明了，适用于任何形状零件。但它依赖于有限元计算中对材料常数准确取值、几何模型的精确建立、边界条件的真实模拟、加戴步骤的合理简化等诸多囡素的共同配合才能保证可靠的校直糖度。文献【2 1 】从应用角度，依据大量实验研究和数值计算分析了文献【1 7 】中导致较大校直误差可能的几种原因，总结出弹复量的非线性曲线，结合实验中轴娄零件的金属力学性能提出了修正校直工艺行程计算方法。丈献认为影响校童精度的几种原因有：1 、弹复量是外载荷的非线性函数；2 、零件复杂应力状态的影响：3 、残余应力及包辛格效应的影响；4 、支点( 或铁砧) 定位的、影响等文中提出的修正校直工艺行程算法进一步提高了校直精确性并考虑捌曲率的涮量困难。建空了下压量和力矩、初始弯曲变形阃的联系佴其缺点是由于将力矩引入数学模型中，使得自动校直设备控制设计难以实现。实际应用中有一定困难。以上文献都是基于轴类零件仅有一个弯曲情况对多弯曲情况的轴类零件校直问题没有加以讨论。另一方面t 由于假设轴类零件都是连续均匀t 且备向同性，因此也没有考虑校直行程的临界值问题。认为对任意大的初始弯曲量可以仅通过一次校直4第一章概论完成。实际上。轴类零件弯曲情况千差万别。而且为消除一点处的弯曲，可能需要通过多次反复校直才能完成。对于多弯曲情况的轴类零件的压点反弯校直研究，可以参考辊式矫直机的有关理论。文献 2 2 介绍了通过滚轮法实现校直的个实例通过调整多组滚轮的空间位置实现具有空间弯曲变形钢筋的校直校直精度为2 m m m 。通过合理调整多组滚轮的空间位置，才能保证带螺纹肋钢筋校直精度因此多组滚轮空问位置的调整，是该工艺的难点问题。但同时具有参考意义的是，对空问弯曲轴类零件必须经过反复多次、多方向的弹塑性变形，才能实现整体精密校直。文献 2 3 。2 4 3 探讨了通过多辊校直多弯曲长线材的情况，实验了双弧弯曲线材通过三辊校直情况。文中指出多弯曲情况可以分解为单一弯曲进行校直。压点反弯校直可以参考此观点，通过压点和支点的组合分解多弯曲情况为单一弯曲，对每一单一弯曲实施校直。文献f 2 5 依据实践经验探讨了涤纶高速纺丝卷绕机主轴韵精密校童工艺文中阐述了台阶轴校直的若干实用经验，即先校直各轴段，后校直台阶过渡截面的工艺方法。该方法也可以进一步应用在其它轴类零件的校直工艺中。文献【2 6 研究了圆棒材和线材的计算机辅助校直工艺设计问题，根据计算机提供的材料和几何参数计算有关校直机执行系统的调整量，井由铡量环节反馈形成闭环控制，控制算法中提出了预先决策恩想文献【2 7 提出了基于自适应方法控制技术的硬化零件校直工艺方法，该方法在提高校直效率中有显著优势。由以上两文献可以看出控制论在校直工艺领域中的应用，校直工艺问题已不完全局限于理论的弹塑性力学问题，需要在实用工艺阶段迸一步引入合适的控制方法。综上分析多次多循环校直方法在轴类零件校直工艺实践中已普遍应用。僵仅停留在经验应用层次进一步的系统理论分析并不多见。虽然计算机技术已应用在校直机的控制系统中，但由于理论研究的不足仍然只限于在存储有关经验参数功能方面将经验通过计算机简单再现，不能适应复杂校直情况。在应用计算机技术实现实时在线的较高智能化校直工艺参数决策系统的研究方面，也尚未见到有关文献报道。关于轴类零件搜直工艺理论技术跟踪情况：1 根措对德国m a e 公司自动校直设备校直工作情况i 硐分析，该设备校直工艺的主要特点是：1 ) 压点和支点组合有一基本原则即压点始终对应检测点布置。支点数多于压点数，压点始终在两支点之间。构成三点弯力学加载模式2 ) 在每一次校直完成后- 残余跳动量援实时在线检漓如工件精度还未达到设计要求- 则新的校直行程被计算，继续实施校直工艺校直行程计算方法是递推算法，计算过程中采用了一定的优化思想根据校直进程和状态通过改变两个参数k l 和k 2 实现控制调整校直行程过程3 ) 校直工艺决策程序能根据校直工件弯曲程度，将工件按照由粗加工到精加工不同要求，顺序采取四种不问的校直策略校直压点和支点的组合在不同策略下可以不完全一致。4 ) 根据对被校工件弯曲情况的熟番程度，为进一步提高效率，又将校直工艺中校直工艺动作和检测环节之间的配合分成四种模式。该设备校直工艺中提出的对校直行程优化思想是其它设备校直工艺中所没有的。但是它的总体校直流程是固定的，有关经验参数还需人工输入设置的参数非常繁杂工人要有相当高的素质才能熟练保障机器顺利运行。2 根据对美国e i t e l 公司自动校直设备校直工作情况【2 9 l 研究该设备校直工艺主要特点是：1 ) 校直参数是控制校直过程关键因素，通过调整校直参数。能改善校直时机床的加工水平。而且校直参数的调整也是在更换不同种类加工件前必须的工作。校直参数调整围绕着母一个压点进行，对每一个压点可能的动作进行详细的说明。给每一压点配备固定的支点组合。2 ) 该设备配备有先进的裂纹检测装置能有效控制校直中校直行程量过大造成的工件断裂现象。3 ) 该设备校直控制方式和m a e 公司设备不一样。该设备仅提供了3 个压点，5个支点( 铁砧) 。控制方式在单个校直循环时是通过由检测传感器构成的简单闭环反馈结构，但从整个轴类零件校直过程看控制方式是一开环控制结构。4 ) 参数设定是由有经验的技术人员完成，因此从机器智能角度看，仅是完成一个简单应用过程，不具备有自学习功能但是该设备中考虑了裂纹是导致工件断裂的思想在其它设备中井不多见，同时也揭示出校直行程量计算要受到裂纹扩展约束的结论为研究合理计算校直量提供了一定的实践经验。3 根据对日本精机株式会社校直机产品研究【3 盯该设；备工艺控制系统根据轴的不同材料、不同轴径，不同热处理工艺，将轴酌变形规律以及校直后的反弹等参数存入数据库，建立经验数据库。系统将测得的最大变形量从三个方面与库中相关参数的经验变形量比较，由数据库中的经验数据确定台理的压头行程争取尽可能减少校直次数，消除各种不必要的误差，以获得合格产品通过对上述三种设备的控髑系统分析，可以肴出以上轴类零件自动校直机的控制系统并没有完整地对校直工艺过程做出理论分析。仅韪将操作者的经验或半经验直接地转化为数据库或专家库中的数据，根据校直进程中实对状况经验蛤使用这些数据。并没有形成完整的、统一的、系统的轴类零件校直工艺理论数学模型。相应的控制系统也是针对某一特定校直对象构成相应的校直策略，也投育出现功能全面的、智能化的校直决策工艺控制系统。自动按直设备研究现状t国际上，由于自动校直设备能有效提高产品质量发达国家十分重视此项技术的研究，并投入大量的人力、物力开展此项技术的研究工作意大利、荧田、德国和日6第一章概论本先后开发出具有本国特色的自动校直设备产品其中意大剥g a l d a b i n i 公司的自动校直设备具有最高的技术水平。g a l d a b i n i 公司从1 9 4 0 年开始向世界各主要汽车制造商提供手动耪校机，1 9 7 0 年研制出世界上第一台自动糟校机，主要向菲亚特、福特、雷诺、克莱斯勒、标致、雪铁龙、沃尔沃等汽车制造商供货。同时还向纺织企业和有关机电企业提供相应的校直设备。它们的设备有如下几个特点j ：1 ) 采用“c ”型机身。使其具有根好的易接近性和灵活性，通过使用单一压头和移动工作台结构方式，可达到很高的校直速度。2 ) 设备配备有l i n 9 0 电子控制单元的p l c 系统，由l i n 9 0 控制整个校直工艺过程，使其可达到以下加工性能指标：校直精度：0 0 l m m ；小型件的最大产量：4 0 0 件，j 、时3 ) l i n 9 0 型系统能够检测出与外表面形状误差无关、只因弯曲变形产生的零件径向跳动误差。因此有误差的毛坯、表面仅经粗车加工的零件、以及截面具有较大椭圆度的零件均可获很好的校直精度l 1 n 9 0 型系统与视屏和可编程开关相连，还可实现：人机对话功能；故障显示、帮助功能；通过r s 2 3 2 接口可使l i n 9 0 型系统与外单元相连，用来存储9 9 种轴类零件的校直程序。国外发展趋势：上世纪八十年代末发达国家先后研制出本国的自动精密校直液压机。技术水平提高很快。总的发展趋势如下：1 ) 系列完善，品种规格齐全德国d u n k e s 公司、m u l l e r 公司和m a e 公司以及日本东和糟机株式会社的产品系列划分基本一致，即从6 0 k n 到2 5 0 0 k n 共l o 个规格。2 ) 行程精度高，检测、显示手段完善校直滑块定位精度可达o 0 1 m m ，可满足精密校直工艺的要求【。轴心线检溅可用百分表量，可用光柱，也有用计算机系统对工件进行在线检测、记录，并进行质量分析。测量结果在视屏上显示，不仅能反映零件弯曲状况。还能以灯光表示工件的“好”、“坏”、“需要修正”等信号。测量结果能自动保存。满足多点校直工艺的所有蘩求。有的自动校直机上配有裂纹检测装置可及时发琚加工过程中工件产生的裂纹井能显示和自动停机。3 ) 附件齐全，校直工艺范围不断扩大品种多样的附件与校直机配合可满足任何轴类零件校直工作的需要。目前开发出的附件不仅可满足光轴、台阶轴、齿轮轴、花键轴、凸轮轴和曲轴的校直工艺需要，而且还可以对板料进行扭曲校直。由于新的附件不断出现，校直工艺范圈也在砥断扩大。4 ) 向数控化、柔性化、自动化方向发展合肥工业大学博士学位论文上述生产自动校直机的公司都发展了适应太、中批量生产的全自动校童机。这些设备均配备有专用数控系统、校直工艺决策系统、轴类零件数据库、自动检测系统和质量分析系统，有良好的人机对话功能和故障检测功能。国内在自动校直设备的研究方面落后于发达国家。最早研究自动校直技术的单位是合肥工业大学自动校直技术研究所该所白上世纪八十年代末期开始跟踪国外自动校直技术的发展趋势，于九十年代初期，成功研究开发出手动系列伺服校直液压机，为研究开发自动精密校直液压机作好了理论和实践的准备，并于2 0 0 1 年成功研制出国内首台具有自主知识产权的自动精密校直设备一一y h 4 0 2 5 精密校直液压机。该设备已通过鉴定，达到国外九十年代水平，可替代进口。该机主要特点是：1 ) 采用框架型机身配以贯通式送料系统结构设计形式使校直机具有良好的操作性和自动生产线布置的灵活性。使用多压头和多铁砧自动组合工作，实现高速校直。校直工艺范围大，校直精度高，可满足不同零件的校直工艺要求。2 ) 控制系统采用主从式多c p u 开放式结构。主c p u 通过与p l c 、液压伺服系统、自动检测系统之间实时数据交换，完成多智能模块之间的协调动作，系统的维护与升级简便容易。3 ) 自动检测系统结构设计合理，设定基准方便，具有快速灵敏地调整特性。检测算法程序正确、实用，能精确测出被校轴各截面不含有零件几何尺寸及形状误差的轴向弯曲跳动，检测系统可配有多组传感器( 最多1 6 路) ，能按需求适应各种轴类零件的检测工作。4 ) 电液伺服控制系统可在弹性负载、冲击载荷或负载刚度变动的情况下稳定地工作，控制精度高。1 3 论文主要研究内容本课题来源于安徽省“九五”重大装备项目“自动校直技术及其成套设备研究开发”，该项目主要针对汽车、纺织等机械制造行业中因热处理和机械加工导致的轴类零件轴心线弯曲变形，研究轴类零件的自动校直工艺理论问题实现轴类零件高效率、高质量的校直工艺，进一步提高我国机械产品质量。提升我国机械产品的国际竞争力本论文将采用理论分析和实验研究相结合的方法，充分考虑现有自动校赢设各实现的可能，针对轴类零件校直工艺中出现的影响校直精度和校直效率等多方面问题进行深入研究，主要研究目标是z1 ) 在已有单弧度、小弯曲量校直工艺理论模型研究基础上。开展单弧度、大弯曲量的校直工艺理论研究结合实验研究探讨校直工艺递推算法。2 ) 在以上两种+ 理论研究基础上。开展多弧度、多点校直工艺问题研究探讨工步滚动优化模型，建立多点校直工艺优化理论，建立适用于自动校直设备控制的校直工艺决策系统。第一章概论因此围绕以上研究目标，论文将阐述以下几方面的内容；1 ) 轴类零件校直工艺理论基础。主要介绍校直机的工作过程检测方法对校直工艺的影响行程控制型校直工艺计算方法研究台阶轴校直中，轴肩要囊对校直的影响。2 ) 以含单边径向裂纹轴为主要研究对象，解决单弧度、大弯曲量零件校直行程可行域的研究和计算问题，防止由于单步校直行程过大，造成工件断裂现象。3 ) 结合广义预测控制理论，建立多步校直行程预测方法，实现大弯曲量零件的校直。4 ) 针对多弧度、多点校直工艺问题。探讨建立校直工艺决策问题数学模型寻找适用算法求解上述数学模型第二章轴类零件校直工艺理论基础本章主要以单弧度弯曲轴类零件为主耍研究对象，介绍轴类零件技直工艺研究的理论基础。将依次探讨校直机工作流程，轴类零件校直的检测闻题，轴共零件校直工艺需要解决的两个基本问曩。即校直压点、支点缀合和授直量计算阀题。针对后者，以小初始弯曲变形轴类零件为主要研究对象，重点阐述基于弹塑性力学理论的行程控制型单步校直计算方法。2 1 自动校直机工作流程观察手工校直过程不难发现，校直过程实际上是闭环反馈过程。如图2 1 所示，操作者通过观察量具的检测结果。分析判断校直压点和支点的位置，根据经验，施加校直力或校直行程，实施校直。再观察量具变化结果找到新的校直压点和支点，实施新的一次校直，直到量具的结果符合要求校直工作停止图、2 1 ，手工校直控制过程示意圈纵观世界发达国家各自发展的校直机产品虽然在莱些方面具有差异如机身形式、检测系统、控铷系统、机床附件等方面，但它们具有的共性是校直机控制过程均模拟操作者的手工校直过程只不 过校直压点和支点的判断。校直行程数值计算由机床的控制系统完成，取代了操作者的部分工作。文献3 2 1 详细介绍了某进口自动精密校直机的工作流程及其原理，现以我校校直机研究所设计，台肥锻压机床股份有限公司制造。国内暂台舆肴自主知识产权的y h 4 0 2 5型自动校直机为例介绍自动校直机的工作过程。如图2 2 所示机床在自检状态正常后进入校直工作状态。首先由送料装置将零件送到加工位零件由检测装置检测出零件的最大跳动量及其方位角。根据检测鳍粟，决策系统麴断零件台格与否如需校直。则进一步决策判断出相应的校直压点、支点组合，同时计算出校直行程，由控制系统指挥机床各子系统顺序完成以下动作；1 ) 将零件的最大弯曲点转向上方；2 ) 校直滑块快速下行到暂停位；3 ) 根据校直压点、支点组合决策判断结果，伸出校直压点和支点完成校直压点和支点组合；4 ) 滑块带动校直压点依据校直计算量慢速下压零件；5 ) 滑块返回暂停位然后继续检验，决策系统判断是否符合设计要求，符合要求则由送料装置将零件离线取出否则继续校直，直至台格。当校直次数超过校直机生产节拍将视此零件为废品，离线送出。零件作为废品送出的另外一种情况是。零件的初始跳动量超出了自动检测系统的范围，检测系统无法正确检测零件的初始弯曲值。圈2 2y h 4 0 2 5 自动精密校直液压机校直士作流穗合肥工业大学博士学位论文y h 4 0 2 5 自动精密校直液压机外形如图2 3 所示。图2 3y h 4 0 - 2 5 自动精密校直液压机2 2 自动校直设备检测系统原理从上述自动校直机工作流程不难看出，检测环节是自动校直工作的重要环节。它既是校直决策计算的依据，又对校直结果进行最终检验，同时也是衡量校直决策方法优劣的标尺。而校直决策方案的制定有时和检测系统的工作方式存在紧密联系，因此检测系统研究是自动校直设备研究中重要环节。本文主要阐述作为后续实验研究工作基础的检测方法，以及y h 4 0 2 5 自动校直机的检测系统工作原理。2 2 1 手工检测方法手工校直过程，以及校直工艺理论实验研究的检测环节，都是以轴类零件的跳动作为检测验收指标。如图2 4 所示是光轴的检测过程。4 一l 、百分表2 、零件3 、铁砧图2 4 手工校直实验检测工作原理示意图1 2第二章轴类零件校直工艺理论基础以试件和v 型铁砧接触的两截面为基准，试件在铁砧上旋转一圈，可通过百分表测量截面的最犬跳动值d 。在假设试件截面为一理想圆的基础上，试件被测截面的轴心偏离两基准圆心的数值4 = d 2 。a 即为此截面圆心相对两端截面轴心连线的弯曲量。这仅是对一个截面的弯曲量进行考察，对整体光轴的考察，则需要百分表沿轴线方向移动，逐一测量各截面的轴心偏移量可作出沿轴线方向各截面弯曲量数值曲线，如图2 5 所示，曲线即为轴线弯曲的真实反映。目3 0三2 5哂2 0l b雹1 0静6”“一”“一。轴禺盎”。圈2 5 手工校直实验检测结果当然，这种检测方法也存在不足，导致检测系统误差的因素主要有以下几点：1 )由于建立在零件截面为圆截面假设基础上，检测结果忽略了截面圆度偏差，对由截面形状偏差产生的检测误差没有考虑：2 )由于手工旋转零件，百分表显示的数值均匀性较差，造成检测误差；3 )与v 型铁接触的两基准面圆度偏差直接导致了检测误差；4 )虽能反映各检测截面的轴心偏移量，但轴心空间偏移方向不能准确判定。5 )仅反映离散点的轴心弯曲情况，要掌握轴类零件整体详尽弯曲情况，只有增加检测截面数。因此在手工检测或校直工艺理论实验研究时，应通过加工高质量的试件尽可能避免上述误差。2 2 2 自动检测过程和原理根据检测零件的不同，自动检测系统的原理和方式不完全一样。对长达6 m 的大型的圆截面棒材校直过程，目前先进的检测原理是采用机器视觉原理p 列进行检测。对大型冶金圆材也有用激光扫描原理进行检测 3 4 - 3 7 。对小型的轴类零件校直主要采用接触式方式进行测量，它具有测量精度高，采样速度快价格低廉等优点。y h 4 0 2 5 自动校直机自动检测系统示意图如图2 6 所示。驱动顶针随动项针图2 6 自动检测系统构成示意图采用多个分辨率为5um 差动式电感传感器对轴进行检测。轴两端加工有顶针孔，通过两埔顶针将轴顶紧，由步进电机驱动顶针，带动轴旋转。轴每转2 。，传感器采样一次，因此轴旋转一周后，每个特感器辖采样1 8 0 次采样后敷据通过a d 转换。送入计算机。检羽软件依据最小二乘原理m 。”，将a 、e 两螭障截面计算圆心的连线作理想轴线，即参考基准轴线将中间截面计算圆心和此理想轴线进行比较计算得到中间截面圆心偏离理想轴线的距离和空间方位角度，并依此判断轴心线的弯曲情况。根据直线度误差标准的规定，设f 是采样截面号。，是单个截面上采样点数根据零件校直质量安求确定f 的上限值h ，如图2 6 中f 的上娘值为5 。根据零件的精度要求，确定的上限值，如图2 6 中，j 的上限值可以为l8 0 。r 为瞬时采样半径，0 为瞬时采样方位角。由采样点数据( 只i j ，口，i ) 可以得到零件截面的最小二乘圆心坐标1 4o 】为；弘专薹( r i jc o s 气)誓2 寺薹( 嘞s 拉毛j x z = 口+ q z -【e = 6 + p z ,其中z i 为截面轴向坐标方程系数d 、6 、p 、q 分别为。一鼍藉瓣扣硝瓣。：! 竺! ! 猛墨墨= 墨兰!0 + 1 ) 刃一( z 1 ) 2p t 紫糟自动检测系统处理零件弯曲常用的两种形式1 )按检测截面轴心的弯曲量拟台出宅词轴心城反映整个零件的弯曲情况。采用的方法育多项式擂值、。三次样袭播值、搏壹跨稳分播位j i 】簪尊。弛种方法建立在不同数值逼近方法基础上，不同的方法对采样藏面照要隶不一爿萍 很难找到一种台适的方法能准确反映不同种类零件整体弯曲情况因此实际生产中很少采用。2 )根据零件设计图纸和质量验收需要，校直时只检测和记录零件上若干截面的轴心弯曲变化数据。虽然此方法不能复映出零件整体弯曲变化，但实际生产中由于算法简便，易行。节省了检测算法计算时阃另一方蘧，由于检测结果针对性强，导致校直压点可以直接依据检测位置布置。简化了后续校直工艺决策计算复杂性因此该方法得到了广泛应用。y h 4 0 2 5 自动校宣设备采用此算法检测轴类零件蜜际上。由于这种检测方法在每敬检铡时都要计算最小二乘理想轴线，因此每次校直后，截面轴心偏移都发生相应变化，导致检测计算中最小二乘理想轴线在空间也是实时变化的。2 3 轴类零件校直工艺理论需要解决的两个根本问题在以上轴类校直工艺基本前提工作就绪的基础上紧接着需要讨论的问题是轴类零件校直工艺理论研究的两个根本问题。压点、支点组合问题；校直量计算问题；2 3 1 反弯校直原理为什么说上述两个问题是校直工艺中的基本问题。这主要是由反弯校直法决定。反弯校直法是人们在生产实践中发展最早的校直方法，人们直观地根据不同弯曲程度的金属条材加以不同程度的反向弯曲，最终达到校直目的此过程即称为反弯校直。2 1 中所介绍的手工校直过程和自动校直机校直工作过程都属于反弯校直过程。反弯校直原理解释了反弯校直法能校直金属零件的机理，金属零件之所以能通过反弯校直法进行校直主要原因有：1 )反弯校直的加载方式适合于具有复亲变形特征金属零件的校直。零件在经过不同的金属加工以及不同的热处理工艺后所产生的弯曲变形是复杂的。纯弯曲的方法进行校直是不可行的，因为零件上各处弯曲变形初始曲率并非均匀一致，用同一弯矩进行校直，则各处反弯曲率相等，不能校直零件。而反弯校直可针对零件上局部弯曲变形最大值处进行校直，只影响零件上某一点及其附近区域，因此可分别对复杂变形、复杂几何形状中各局部弯曲变形实施校童最终达到校直目的实践中，一般通过调整支点距离实现对局部变形范围的控制。2 )反弯校直能使金属零件产生不可回复的塑性变形。在前述局部范围确定后，外界提供的反弯校直载荷超过一定界限后将使零件在局部范围产生一定塑性变形，如果在卸载后残留下的塑性变形值和零件初始弯曲变形值相当且方向相反，零件即能被校直【4 j 。实践中。一般通过控制梗直t 方法实现零件愚部变形。由以上反弯校直原理校直工艺理论研究中影响校直精度莉梭直效率的摄雄阀题是压点、支点组合问题和校直量计算阔惩2 3 2 轴类零件的初始弯曲变形模式。在研究压点、支点组合问题之前先要考察通过检测系统检测出的零件基本弯曲情况a 通过对众多轴类零件生产制造厂调查发现。轴类零件的初始弯曲变形既有随机台肥工业大学博士学位论文性又有规律性。随机性包括两方面含义。其一从大的方面来考察，各品种轴类零件弯曲变形存在显著不同。由于各种轴类零件的材料工艺过程，几何形状等不尽相同，即使某工艺上的细微差异，零件的弯曲情况都将真实反映出这种差异。比如对经历相同机加工工艺过程的同种类零件分别在箱式炉和井式炉中进行热处理热处理后的零件弯曲情况截然不同。其二，从小的方面考察同批零件在经历相同的工艺历程后，零件在弯曲点分布和弯曲数值上也是随机的所谓规律性是指同批零件在经历相同的工艺历程后虽然在弯曲点分布和弯曲数值上体现出一定随机性但在某些关键点上仍然体现出一定的规律性。比如同批台阶轴在经历相同的热处理后。台阶过渡截面处总是最大初始弯曲变形点，弯曲数值也近似在同一数量级上。即使对光轴而言，也可能由于工艺历程巾某特殊工艺，使得光轴上某处的初始弯曲变形点显得尤其突出。比如钢号3 5 # ，几何尺寸为巾2 0 4 0 0 的一批光轴经过箱式炉加热井进行淬火处理由于箱式炉的炉底板不平，以及材料自身原因，导致淬火后的此批光轴弯癌变形呈现一定特点。如圈2 7 所示，经过手工检测法，可以发现零件的弯曲表现为“鹅头弯”特点，零件一螭弯曲变形严重，另一端变形不显著，弯曲变形数值上逐渐递减，且是连续的而且此批零件的最大初始弯曲变形量均有相同的数量级，最大弯曲量为2 1 5 m m 。实际零件中如汽车半轴、叉车上超升油缸的活塞杆等细长零件p 它们在经调质处理后产生的弯曲变形现象均符合“鹅头弯”特点。图2 7 某批光轴热处理后弯曲示意圈调研中还发现。截面抗弯模数大盼短粗零件初始弯曲变化梯虞小，截面抗弯模数小的细长零件，初始弯曲变化梯度大工艺越复杂的零件，零件弯峨变形越复杂比如纺织机械上的罗拉轴，其结构形式如图2 8 所示。基本结构尺寸为零件长4 6 0 r a m 夹花直径2 5 5 m m ，轴颈处直径2 4 7 r a m 。其主要工艺流程是：冷拉一磨削一夹花一高频淬火一校直一入库。有的厂家在校直后还进行一道磨削工艺，校直工艺有时也穿插在中间工序中。由于夹花工艺分三次完成。经高频淬火后，轴心线产生复裁弯曲变形。导致各轴颈在夹花后存在复杂残余应力两夹= 艺面跳磅量之差最大可达0 6 m m 。圈2 8 罗拉轴热处理后结构形式经如图2 6 方式检测后，发现弯曲形式有如下几种情况：1 ) 单弯型，2 ) s 型，3 )双峰型4 ) 空间弯曲。如图2 9 所示。其中后两种情况出现的概率要大于第一种情况。1 6第二章轴类零件校直工艺理论基础如果轴心线呈空间分布，则更增加校直难度1 单弯型肌2s 型3 取峰型4 空阅弯曲圈2 9 罗拉轴弯曲的几种情况在了解到上述零件弯曲的基本情况后，可以总结出轴类零件如下三种基本初始弯曲变形模式。1 ) 有一个弧度的初始弯