錠桿直線度誤差的分析與測量

陳 芳,楊承濤,曹秀成

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710089;2.西安工程大學(xué),西安 710048;3.河南二紡機(jī)股份有限公司,河南 信陽 464000)

1 錠桿直線度誤差產(chǎn)生的原因

為了提高紡紗質(zhì)量和生產(chǎn)效率,延長錠子使用壽命,除采用GCr15軸承鋼外,還要求其工作運動平穩(wěn)不振動,即直線度誤差要盡可能小[1]。而錠桿是細(xì)長撓性軸,在其毛坯成型、熱處理、機(jī)械加工環(huán)節(jié)中均易產(chǎn)生直線度誤差。

圖1為細(xì)紗錠子錠桿結(jié)構(gòu)示意,要求其全長約為330 mm的直線度極限偏差不大于0.01 mm。

1.1 錠桿毛坯成型產(chǎn)生直線度誤差

錠桿毛坯的成型方式有兩種,即熱軋成型和縱切成型法車削成型。

1.1.1 熱軋成型

錠桿熱軋成型有兩種,一是在改裝的普通車床上將錠桿毛坯一端夾持,另一端頂住,成型后工件作旋轉(zhuǎn)運動,利用電加熱滾輪將其加熱并沿縱向和徑向作成型運動,以形成不同圓錐面和圓柱面;二是在拉床上,利用夾鉗夾持工件的端部,拉動其作縱向運動,電加熱滾輪除作旋轉(zhuǎn)運動外還沿徑向移動,以使工件形成不同圓錐面和圓柱面。熱軋時,工件在加熱滾輪瞬時大電流作用下迅速加熱至相變溫度以上,熱軋后毛坯圓錐面的最大直徑為10.5 mm,最小直徑為5.5 mm。由于直徑不同,冷卻速度差異較大,從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。加之熱軋后錠桿水平放置,使其產(chǎn)生一定的直線度誤差。拉床熱軋成型錠桿的直線度誤差見表1。

圖1 細(xì)紗錠子錠桿結(jié)構(gòu)示意

表1 熱軋成型錠桿的直線度誤差統(tǒng)計

1.1.2 縱切成型法車削成型

錠桿毛坯縱切成型的工作原理類似于縱切成型自動車床的原理,即毛坯桿料由帶夾持器的送料裝置沿縱向送進(jìn)。切削時,刀具在支撐導(dǎo)套附近切削工件,工件縱向進(jìn)給,刀具沿徑向運動,以形成圓錐面等成型面。由于切削刀具始終在支撐導(dǎo)套旁進(jìn)行切削,故加工時不易產(chǎn)生彎曲變形[2]。

錠桿毛坯切削后沿縱向運動,若懸空部分未支撐好,則工件由于自重在旋轉(zhuǎn)運動作用下會產(chǎn)生彎曲變形。且毛坯為較長棒料,雖然在送料套管內(nèi)被支撐,但由于送料套管內(nèi)徑約為30 mm,而工件毛坯直徑約為12 mm,工件高速旋轉(zhuǎn)時毛坯棒料在自重作用下與送料套管內(nèi)壁碰撞,也會產(chǎn)生直線度誤差,見表2。

表2 車削成型錠桿毛坯的直線度誤差統(tǒng)計

從表2中可以看出,車削成型錠桿毛坯的最大直線度誤差為1.3 mm,遠(yuǎn)超不大于0.15 mm的工藝要求。車削成型的錠桿毛坯雖然無熱軋毛坯時產(chǎn)生的熱軋應(yīng)力,但其材料利用率較低,耗費切削刀具,因此其應(yīng)用范圍受到一定的限制。

1.2 錠桿熱處理產(chǎn)生直線度誤差

為了提高GCr15軸承鋼錠桿耐磨性,要求淬火至62 HRC～65 HRC。通常淬火時錠桿水平放置,之后在油中快速冷卻。錠桿多為圓錐形表面,由于加熱和冷卻時放置方式及加熱至相變溫度后快速冷卻速度不同會產(chǎn)生淬火后變形。車削成型錠桿毛坯經(jīng)校直處理、粗磨工序、淬火處理后的直線度誤差見表3。

表3 錠桿毛坯經(jīng)熱處理后的直線度誤差統(tǒng)計

1.3 錠桿人工校直工序產(chǎn)生直線度誤差

錠桿毛坯成型及熱處理過程中產(chǎn)生的直線度誤差,須在后道磨削加工工序進(jìn)行校直。目前國內(nèi)多為人工錘擊校直,而國外氣動榔頭錘擊校直工藝方法見圖2,經(jīng)過錘擊校直后錠桿內(nèi)應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài),但并未完全消除,而經(jīng)過后道磨削工序?qū)⑵浔砻嫒サ粢粚佑嗔亢?應(yīng)力的平衡狀態(tài)被破壞,雖然彎曲程度有所降低,但還是會產(chǎn)生彎曲變形[3]。

圖2 錘擊法校直時錠桿應(yīng)力分布及變化

粗磨后錠桿的直線度誤差統(tǒng)計見表4,其為熱軋成型錠桿經(jīng)過人工校直,在無心磨床上粗磨后因殘余應(yīng)力未消除,應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后重新產(chǎn)生的彎曲變形。

表4 粗磨后錠桿的直線度誤差統(tǒng)計

從表4可看出,人工校直后錠桿的直線度誤差不大于0.30 mm,而粗磨后最大為0.90 mm。在其運輸或放置過程中,隨殘余內(nèi)應(yīng)力的消失產(chǎn)生彎曲變形,還會形成直線度誤差,影響錠桿的工作質(zhì)量和使用壽命。

2 錠桿直線度誤差的檢測方法

2.1 兩端支撐,千分表檢測

這是最常用的檢測方法,即在平臺上將錠桿置于2個V型支架上,人工轉(zhuǎn)動錠桿并移動千分表測量要求的6個測量點的跳動量,得出直線度誤差。

2.2 利用錠子測振儀進(jìn)行檢測

20世紀(jì)80年代研發(fā)的錠子測振儀,可在不同轉(zhuǎn)速、不同頻率下測量其振動量值,從而確定錠桿直線度誤差是否合格。

2.3 全自動錠桿綜合測量儀

該裝置為專用裝置,其上有4～5個測量觸頭。當(dāng)錠桿放置在檢測位置后即可自動測量直徑尺寸、跳動量、直線度誤差,并可將檢測數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)進(jìn)行處理,以掌握加工過程中零件尺寸偏差變化趨勢,為控制加工質(zhì)量提供有效幫助。這是目前最為先進(jìn)的錠桿自動檢測裝置。

3 降低錠桿直線度誤差的措施

3.1 熱軋毛坯

錠桿熱軋成型的熱應(yīng)力以及各圓錐面直徑的差異,使其易產(chǎn)生彎曲變形,加之水平放置時工件自重和形狀也使彎曲變形加大。為此,軋制后毛坯應(yīng)垂直放置,待完全冷卻后再水平放置。

3.2 車削錠桿

車削成型的錠桿雖然無熱軋內(nèi)應(yīng)力,但在加工過程中,已加工面懸伸一定長度,待加工毛坯在料管中間隙較大,當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較高時會在重力作用下彎曲變形。解決此問題較為理想的方法是將毛坯料管改裝成密封液壓式套管,并將毛坯料縱向送進(jìn),這在縱切成型自動機(jī)床的送料套管中已經(jīng)實現(xiàn),并取得較好的效果。另外,對錠桿已加工過的懸伸部分在車床尾座方向增加支撐裝置,并帶有塑料內(nèi)襯,除防止加工表面與支撐套碰撞損傷外,也可減少工件在高速旋轉(zhuǎn)中因自重而產(chǎn)生的彎曲變形。

3.3 熱處理

國內(nèi)已有企業(yè)采用三輥夾持方法將錠桿從箱式爐中加熱后放入油冷卻液箱中,防止冷卻產(chǎn)生彎曲變形,效果良好。其不足之處在于錠桿加熱和冷卻時仍為水平放置,無法避免因自重和形狀產(chǎn)生的彎曲變形;較為理想的方法是加熱和冷卻時,使其均保持垂直狀態(tài)。

3.4 人工校直

人工校直的缺點是無法從根本上消除錠桿內(nèi)部的殘余應(yīng)力,且耗時、費力。解決途徑是以自動化校直代替人工校直。由于錠桿是剛性較差的細(xì)長工件,外圓表面由多個圓錐面和圓柱面組成,無法采用現(xiàn)有的圓柱形長棒料的多輥校直法。但從理論分析和實際試驗看,采用雙輥輪校直仍有希望達(dá)到錠桿自動化校直的目的,若這種方法得到突破,不僅能夠減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率,還能消除錠桿內(nèi)部的殘余應(yīng)力,更能提高錠桿質(zhì)量和使用壽命。目前,已有攻關(guān)小組在進(jìn)行此項試驗,有望攻克這一難關(guān)[4]。

4 結(jié)語

錠子直線度誤差對紡紗質(zhì)量、生產(chǎn)效率及使用壽命有較大影響,通過分析探討筆者提出降低直線度誤差的措施,希望對提高我國紡織機(jī)械、器材專件制造質(zhì)量貢獻(xiàn)一份力量,以提高錠子產(chǎn)品的國際競爭力。