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校直技术与校直设备的应用现状与发展趋势
一、技术背景
工业构件的精确校直是现代制造业中普遍存在、亟待解决的一个难题，其工作方法是利用金属塑性变形后产生残余变形的原理，对被校直工件在主动加载情况下使其产生与误差方向相反的塑性变形，当该塑性变形的残余变形量与误差量相等时，便实现了对工件的校直。
轴类零件是机械工业最常见的零部件之一，如汽车上常用的台阶轴、齿轮轴、蜗杆、光轴，工具刃具上的麻花钻、拉刀，石油机械上的实心钻杆和空心钻杆等。据不完全统计，我国年产这些轴类零件的数量约为 10 亿件左右，而且随着机械制造业的发展，数量和种类还有增多的趋势。这些零件的原材料在粗加工和热处理过程中容易出现弯曲变形，如果不进行校直处理就会影响工件的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。所以为了减少废品的数量，提高原材料的利用率，需要对这些发生弯曲变形的轴类零件进行校直处理。
目前，我国的校直行业仍处于低水平阶段，绝大多数企业仍凭人工校直方法实施校直，校直质量全凭工人经验，效率低、劳动强度大。有的采用以普通压力机改造而成的简易设备进行校直，先由人工测量，然后由操作人员凭经验和估计来确定校直行程，最后再由检查人员检验。而在工业发达国家，他们研制的校直机都有着相当高的技术水平，集中表现在智能化、自动化、测量精度高、生产节拍快等方面，如德国的MAE公司、日本的东和精机株式会社、意大利的GALDABINI公司等。但是进口自动校直机的价格昂贵，维护费用高，往往令许多企业望而止步，严重束缚了其产品工艺水平的提高和生产规模的扩大。
随着我国经济的持续高速发展，越来越多的企业开始提高自己的产品质量和生产效率。企业开始抛弃生产效率落后的人工校直的方法，开始寻求生产效率高，智能化程度高的自动校直机。
二、校直加工工艺现状
校直工艺理论主要是研究通过何种工艺流程或步骤，实现工件的弹塑性变形，以消除或减少零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。 （1）采用辊式校直机实现校直
多用于大批量的冶金型材（如棒料、圆材）生产过程中。工件在热态下，通过工件旋转进给和多校直辊反复轧制，实现工件的校直，并有效减小后续工序的加工损耗。这种方法地特点是虽有较高的精度，但一般只适用于单截面工件和毛坯的加工，对于台阶轴等需经复杂机加工的轴类零件则并不适用。 （2）松弛-蠕变法校直
多用于小批量、大型精密轴类零件的校直加工（如汽轮机转子大轴校直），原理工件通过反复加热、加压以实现校直。其优点是加载力和残余应力小，缺点是加工时间长、温度控制比
较困难。
（3）热校直（也称火焰校直）
在大型轴类零件的修复中（如挖掘机拉紧轴的修复），受场地和环境的影响，通过加工设备进行校直的条件有限，可采用热校直的方法对弯曲轴的最高点加热，加热区材料受热膨胀体现为拉应力状态，冷却后又体现为压应力状态，两种情形下弯曲变形的差值就是校直量的大小。这种方法简便，但难以控制精度。 （4）电液脉冲法
利用HV波在液体中形成的冲击波对工件表面形成冲击力，从而实现校直。这种方法的要点是需准确控制冲击波的方向和强度，仅用于特定的场合。 （5）3 点弯曲法
广泛应用于中小型轴类、圆管类零件的校直加工。工件在自然冷态下校直，原理简单、实现容易，且适合于复杂零件的校直加工。国内机加工行业大多采用此类方法。 上述校直加工工艺分别适用于不同工件和工作场地、环境，功能特点也各不相同。 三、自动校直设备研究现状
自动校直设备是根据校直工艺理论研究成果，运用先进的科学技术开发的自动校直的专用设备。
由于自动校直设备能有效提高产品质量，因此发达国家十分重视此项技术，投入大量的人力、物力开展与此相关的研究工作。尤以意大利、美国、德国和日本为突出，都开发出了各具特色的自动校直设备。其中知名度较高的有德国MAE公司、意大利GALDABINI公司、美国的EITEL公司、日本的东和精机株式会社和国际计测器株式会社等。
德国MAE公司的自动校直设备具有如下工艺特点：（1）校直工艺顺序决策程序能根据校直工件弯曲程度，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，实时在线检测残余变形 ，如校直精度仍未达到设计要求，则自动计算新的校直行程，继续实施校直工艺。校直行程算法采用递推算法，并且在计算过程中采用了优化思想；（3）根据零件的弯曲情况，将校直工艺动作和检测环节之间的配合分成四种模式，进一步提高了生产效率。（4）采用三点弯曲力学加载模式，具有多个支点和压点，支点数多于压点数，压点始终在两支点之间 ，且压点始终对应检测点布置。
意大利GALDABINI校直设备具有如下特点：（1）校直参数是控制校直行程关键因素，通过调整校直参数，能够改善校直质量。而且校直参数的调整也是更换不同种类零件前必须做的工作。调整过程围绕着每一个压点进行，对每个压点可能的动作进行详细说明，给每一压点配备固定的支点组合；（2）配备先进的裂纹检测装置，能够有效防止因校直行程量过大造成的工件断裂现象；（3）参数设定由具有经验的技术人员完成，设备本身不具有自学习功能。
日本精机株式会社的校直机产品：该公司生产的校直机控制系统可根据轴的不同材料、
不同轴径、不同热处理工艺，将轴的变形规律及校直后的反弹量等参数存储起来，建立经验数据库。校直时，系统自动根据测得的最大变形量从多个方面与库中存储的经验变形量比较，然后根据数据库中的经验数据去制定合理的压点行程，以尽可能减少校直次数，提高校直精度。
在国内，合肥工业大学校直技术研究所较早地系统开展了校直理论及技术并开发了YH40-25精密液压校直机。1994年起，长春试验研究所与日本国际计测器株式会社合作生产了ASC系列C型自动校直机。2003年开发出具有自主知识产权的ASC—Ⅱ系列自动校直机，该系列自动校直机有C型和门型两种规格，该系列产品消化吸收国外技术具有更精确的校直理论和校直精度，提高了整机的综合性能、可靠性和工作效率。山东通欲集团有限公司研制的25MN 大型数控精密校直液压机也通过了新产品鉴定，被认为达到了国际领先水平。2009年重庆智恒精机科技有限公司提出智能校直机的概念，2013推出一系列具有特征编程、加工仿真、实时监控、智能诊断、智能学习、远程控制等功能的智能校直机，虽然提高了自动校直的效率与精度，具有相当的自学习和自适应能力，但在智能化程度上仍有很大的提高空间。
通过以上各种校直设备的特点分析可知，目前，轴类零件自动校直机的控制并不是建立在对校直工艺过程做出系统、完整的理论模型基础之上，而是将操作者的经验直接转化为数据库或专家库中的数据，根据校直进程中的实时状况，经验地使用这些数据。由于没有形成完整、系统的轴类零件校直工艺理论数学模型，相应的控制系统只能是针对某一特定校直对象构成相应的校直策略，而没有出现功能全面的、智能化的校直决策工艺控制系统。 四、存在的主要问题
从国内外现有塑变校直加工技术的研究情况来看，大体上主要有以下一些问题尚待解决。 （1）校直理论分析和计算结果与校直加工时实际参数间存在偏差
国内外研究人员从理论上对各类典型构件的塑变校直过程和机理进行了大量较为系统、深入的力学分析与计算，力图揭示塑变残余变形与加载力或行程之间的行为变化规律，并通过相应的实验加以验证。
尽管从原理和方法上基本上已经比较成熟，但计算和分析过程不可避免的要进行一些假设和简化，于是造成了理论计算结果和实际加工数据的偏差。
（2）由于塑性变形的非线性及影响因素的多元、多变性，使得工程实践中很难通过准确建模的方法进行准确的校直。目前国内的现状是大多由人工凭经验进行操作，效率低、精度差，使得工业构件塑变校直技术的应用受到了极大的限制，实践中有许多零件在机械加工甚至热处理等工序都已经完成的情况下由于某种原因产生了塑性变形，从而导致超差报废，造成经济上和时间上的浪费。
（3）校直机结构形式单一，可校直工件的尺寸范围具有明显的局限性。
不论是手工操作还是自动化校直，目前国内外绝大多数校直机的结构形式的特点是校直机自身的结构强度和刚度易于保证，但本体结构过于笨重，2个立柱之间的空间距离至少要大于
被校直工件的轴向尺寸。当工件长度长达十几米甚至数十米长时，如采用同样的结构形式，本体结构将会十分庞大，设备本身的加工和强度、刚度保证都将成为问题，因此，研究和开发可适用于大尺寸工件的校直加工设备，对新的结构形式进行理论上的探索与分析不但具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。 （4）自动化、智能化水平不高
首先须精确检测出工件弯曲变形的方向和大小，对于多段、多方向弯曲，要分别针对每个变形段的空间位姿通过数学模型的推导进行平面化处理。检测过程中针对不同的变形情况要给出最佳的检测过程时序和策略，然后根据检测数据通过坐标变换计算出工件的准确形状，获得校直原始参数。检测过程中，除了正常的传感器测试误差外，构件的定位误差、夹具的安装误差、校直机本体加工和装配误差以及本体在校直过程中的刚度变形等一系列因素都会对校直精度造成影响。
其次，在自动化测量的基础上，实现弯曲变形的自动校直是一个复杂的过程。特别是针对多段、多向弯曲的构件，校直的时序安排和规划不同会得到完全不同的结果，校直过程本身受材料、热处理等各种非线性因素的影响，也不能采用线性控制方法实现，需要采用现代智能控制方法和策略才能完成。
另外，针对不同类型、不同规格尺寸以及热处理规范的构件，如何保证校直控制算法的适应性，尚未得到很好的解决。一台自动精密校直机往往具有较高的价格，如果仅能适应为数不多的构件校直，势必造成校直成本的增加。 五、校直设备发展趋势
随着科学技术的发展，以及制造业对产品质量要求的提高，校直技术正朝着高精度、高效率和高可靠性的方向发展，校直机械产品数控化已成为自动校直设备的发展方向。自动校直设备的发展趋势如下：
(1)数控化：数控化的校直设备能大大提高生产率，提高加工精度，提高加工一致性、互换性，减少废品和返修率，降低了生产成本，提高市场的竞争力。
(2)高速度、高精度：效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可以极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
(3)高可靠性：可靠性是衡量数控系统质量的一项关键性指标。衡量可靠性的重要量化指标是平均无故障工作时间MTBF（ Mean Time BetweenFailures）。校直机控制系统运用自动监测、故障诊断功能，遇到过载、失速和停电等情况，能自动采取对策，防止事故的发生，从而提高可靠性和安全性。
(4)智能化：21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能
化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
(5)开放式：为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 ngc(the nextgeneration
work-station/machine control) 、 欧 共 体 的 osaca(open systemarchitecture for control within automation systems)、日本的 osec(open systemenvironment for controller)，中国的 onc(open numerical control system)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
(6)网络化：数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 emo2001 展中，日本山崎马扎克（mazak)公司展出的“cyberproduction center”（智能生产控制中心，简称 cpc)；日本大隈（okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称 IT 广场)；德国西门子(siemens)公司展出的 open manufacturing environment（开放制造环境，简称 ome）等，反映了数控装备向网络化方向发展的趋势。