锭杆直线度误差的分析与测量

陈 芳,杨承涛,曹秀成

(1.西安航空职业技术学院,西安 710089;2.西安工程大学,西安 710048;3.河南二纺机股份有限公司,河南 信阳 464000)

1 锭杆直线度误差产生的原因

为了提高纺纱质量和生产效率,延长锭子使用寿命,除采用GCr15轴承钢外,还要求其工作运动平稳不振动,即直线度误差要尽可能小[1]。而锭杆是细长挠性轴,在其毛坯成型、热处理、机械加工环节中均易产生直线度误差。

图1为细纱锭子锭杆结构示意,要求其全长约为330 mm的直线度极限偏差不大于0.01 mm。

1.1 锭杆毛坯成型产生直线度误差

锭杆毛坯的成型方式有两种,即热轧成型和纵切成型法车削成型。

1.1.1 热轧成型

锭杆热轧成型有两种,一是在改装的普通车床上将锭杆毛坯一端夹持,另一端顶住,成型后工件作旋转运动,利用电加热滚轮将其加热并沿纵向和径向作成型运动,以形成不同圆锥面和圆柱面;二是在拉床上,利用夹钳夹持工件的端部,拉动其作纵向运动,电加热滚轮除作旋转运动外还沿径向移动,以使工件形成不同圆锥面和圆柱面。热轧时,工件在加热滚轮瞬时大电流作用下迅速加热至相变温度以上,热轧后毛坯圆锥面的最大直径为10.5 mm,最小直径为5.5 mm。由于直径不同,冷却速度差异较大,从而产生较大的内应力。加之热轧后锭杆水平放置,使其产生一定的直线度误差。拉床热轧成型锭杆的直线度误差见表1。

图1 细纱锭子锭杆结构示意

表1 热轧成型锭杆的直线度误差统计

1.1.2 纵切成型法车削成型

锭杆毛坯纵切成型的工作原理类似于纵切成型自动车床的原理,即毛坯杆料由带夹持器的送料装置沿纵向送进。切削时,刀具在支撑导套附近切削工件,工件纵向进给,刀具沿径向运动,以形成圆锥面等成型面。由于切削刀具始终在支撑导套旁进行切削,故加工时不易产生弯曲变形[2]。

锭杆毛坯切削后沿纵向运动,若悬空部分未支撑好,则工件由于自重在旋转运动作用下会产生弯曲变形。且毛坯为较长棒料,虽然在送料套管内被支撑,但由于送料套管内径约为30 mm,而工件毛坯直径约为12 mm,工件高速旋转时毛坯棒料在自重作用下与送料套管内壁碰撞,也会产生直线度误差,见表2。

表2 车削成型锭杆毛坯的直线度误差统计

从表2中可以看出,车削成型锭杆毛坯的最大直线度误差为1.3 mm,远超不大于0.15 mm的工艺要求。车削成型的锭杆毛坯虽然无热轧毛坯时产生的热轧应力,但其材料利用率较低,耗费切削刀具,因此其应用范围受到一定的限制。

1.2 锭杆热处理产生直线度误差

为了提高GCr15轴承钢锭杆耐磨性,要求淬火至62 HRC～65 HRC。通常淬火时锭杆水平放置,之后在油中快速冷却。锭杆多为圆锥形表面,由于加热和冷却时放置方式及加热至相变温度后快速冷却速度不同会产生淬火后变形。车削成型锭杆毛坯经校直处理、粗磨工序、淬火处理后的直线度误差见表3。

表3 锭杆毛坯经热处理后的直线度误差统计

1.3 锭杆人工校直工序产生直线度误差

锭杆毛坯成型及热处理过程中产生的直线度误差,须在后道磨削加工工序进行校直。目前国内多为人工锤击校直,而国外气动榔头锤击校直工艺方法见图2,经过锤击校直后锭杆内应力达到平衡状态,但并未完全消除,而经过后道磨削工序将其表面去掉一层余量后,应力的平衡状态被破坏,虽然弯曲程度有所降低,但还是会产生弯曲变形[3]。

图2 锤击法校直时锭杆应力分布及变化

粗磨后锭杆的直线度误差统计见表4,其为热轧成型锭杆经过人工校直,在无心磨床上粗磨后因残余应力未消除,应力平衡状态被破坏后重新产生的弯曲变形。

表4 粗磨后锭杆的直线度误差统计

从表4可看出,人工校直后锭杆的直线度误差不大于0.30 mm,而粗磨后最大为0.90 mm。在其运输或放置过程中,随残余内应力的消失产生弯曲变形,还会形成直线度误差,影响锭杆的工作质量和使用寿命。

2 锭杆直线度误差的检测方法

2.1 两端支撑,千分表检测

这是最常用的检测方法,即在平台上将锭杆置于2个V型支架上,人工转动锭杆并移动千分表测量要求的6个测量点的跳动量,得出直线度误差。

2.2 利用锭子测振仪进行检测

20世纪80年代研发的锭子测振仪,可在不同转速、不同频率下测量其振动量值,从而确定锭杆直线度误差是否合格。

2.3 全自动锭杆综合测量仪

该装置为专用装置,其上有4～5个测量触头。当锭杆放置在检测位置后即可自动测量直径尺寸、跳动量、直线度误差,并可将检测数据传送到计算机进行处理,以掌握加工过程中零件尺寸偏差变化趋势,为控制加工质量提供有效帮助。这是目前最为先进的锭杆自动检测装置。

3 降低锭杆直线度误差的措施

3.1 热轧毛坯

锭杆热轧成型的热应力以及各圆锥面直径的差异,使其易产生弯曲变形,加之水平放置时工件自重和形状也使弯曲变形加大。为此,轧制后毛坯应垂直放置,待完全冷却后再水平放置。

3.2 车削锭杆

车削成型的锭杆虽然无热轧内应力,但在加工过程中,已加工面悬伸一定长度,待加工毛坯在料管中间隙较大,当工件转速较高时会在重力作用下弯曲变形。解决此问题较为理想的方法是将毛坯料管改装成密封液压式套管,并将毛坯料纵向送进,这在纵切成型自动机床的送料套管中已经实现,并取得较好的效果。另外,对锭杆已加工过的悬伸部分在车床尾座方向增加支撑装置,并带有塑料内衬,除防止加工表面与支撑套碰撞损伤外,也可减少工件在高速旋转中因自重而产生的弯曲变形。

3.3 热处理

国内已有企业采用三辊夹持方法将锭杆从箱式炉中加热后放入油冷却液箱中,防止冷却产生弯曲变形,效果良好。其不足之处在于锭杆加热和冷却时仍为水平放置,无法避免因自重和形状产生的弯曲变形;较为理想的方法是加热和冷却时,使其均保持垂直状态。

3.4 人工校直

人工校直的缺点是无法从根本上消除锭杆内部的残余应力,且耗时、费力。解决途径是以自动化校直代替人工校直。由于锭杆是刚性较差的细长工件,外圆表面由多个圆锥面和圆柱面组成,无法采用现有的圆柱形长棒料的多辊校直法。但从理论分析和实际试验看,采用双辊轮校直仍有希望达到锭杆自动化校直的目的,若这种方法得到突破,不仅能够减轻劳动强度、提高生产效率,还能消除锭杆内部的残余应力,更能提高锭杆质量和使用寿命。目前,已有攻关小组在进行此项试验,有望攻克这一难关[4]。

4 结语

锭子直线度误差对纺纱质量、生产效率及使用寿命有较大影响,通过分析探讨笔者提出降低直线度误差的措施,希望对提高我国纺织机械、器材专件制造质量贡献一份力量,以提高锭子产品的国际竞争力。