刮研加工自動(dòng)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析*

李小朋 孫雷雷 劉永紅

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266555）

刮研加工是通過(guò)相互配合的工件表面之間或者工件表面與標(biāo)準(zhǔn)表面之間互研來(lái)顯示出工件表面的高點(diǎn)，然后用刮刀以微量切削的方式刮去高出的部分，以使工件獲得較高的形狀、位置、尺寸精度和較小的表面粗糙度值，并改善工件表面配合性能的機(jī)械加工方法。

刮研加工的特點(diǎn)是:（1）切削量較小，不會(huì)使工件發(fā)生熱變形，裝夾變形也小;（2）刮研加工后的工件表面接觸點(diǎn)分布均勻，接觸精度比較高，能形成存油空隙，提高表面耐磨性;（3）刮研加工不受工件大小、位置約束，加工自由度大，不像機(jī)床加工要受工作臺(tái)約束，并可將工件有意識(shí)地加工成中凹或中凸等特殊要求。這些優(yōu)點(diǎn)決定了刮研加工不能被普通的機(jī)床切削取代，哪怕是現(xiàn)代高精密的機(jī)床也需要刮研加工。刮研工藝通常應(yīng)用于機(jī)床的滑動(dòng)導(dǎo)軌面、精密齒輪、各種工作平臺(tái)和滑動(dòng)軸承的軸瓦等重要零件表面的精加工和修配作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品壽命和可靠性至關(guān)重要。

刮研工藝一般屬于鉗工加工的范疇，其過(guò)程包括清潔工件、涂抹顯示劑、研磨顯點(diǎn)、刮削和檢測(cè)等具體操作。目前，刮研加工基本停留在手工操作的水平，除了可以人工手持動(dòng)力刮刀代替人力來(lái)刮去高點(diǎn)，其他工作基本全由人力完成，工人勞動(dòng)量大，對(duì)工人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平要求較高，加工效率非常低，加工質(zhì)量難于保證。工廠中，刮研技藝一般以師徒相傳的形式傳承，培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，成才率低，制約著該工藝的應(yīng)用和發(fā)展。

為了提高刮研技術(shù)的加工效率和加工質(zhì)量，降低對(duì)工人技術(shù)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的要求，長(zhǎng)期以來(lái)人們不斷地進(jìn)行著刮研加工機(jī)械化和自動(dòng)化的研究工作，在動(dòng)力刮刀、刮削質(zhì)量檢測(cè)和刮研整機(jī)的研發(fā)等方面取得了一定的成果。

1 動(dòng)力刮刀的研究及應(yīng)用

動(dòng)力刮刀又稱為自動(dòng)刮刀、動(dòng)力式刮研機(jī)等，它通過(guò)刀片的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作代替人力去除工件材料，但仍需人工手持進(jìn)行定位，其切削壓力等也需要人工進(jìn)行控制。根據(jù)能量來(lái)源不同，動(dòng)力刮刀一般分電動(dòng)、氣動(dòng)等類型，它的使用可以在保證刮削質(zhì)量的前提下，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高刮削效率。

動(dòng)力刮刀原理一般都是通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。國(guó)外對(duì)此研究很多，并申請(qǐng)了眾多專利，但是由于可靠性等問(wèn)題，真正實(shí)用的并不多見(jiàn)。

Anderson發(fā)明了一種表面工作機(jī)，工具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由機(jī)械能提供，需要人工手持引導(dǎo)動(dòng)力工具在工件表面加工，可用于刮削工藝［1］。該裝置尺寸較大，工具的一端需要1個(gè)橫梁或者導(dǎo)軌作支撐，結(jié)構(gòu)和操作較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。KIROV NIKOLAJ V等人發(fā)明的動(dòng)力刮刀通過(guò)圓錐齒輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)［2］。Aspeek采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)端面凸輪的形式為刮刀提供切削動(dòng)力，刀具后退的動(dòng)力由工件表面和刀尖的接觸壓力提供［3］。這種只有前進(jìn)時(shí)才提供動(dòng)力的刮刀可以減少刀具后刀面的磨損，并能避免刀具回退時(shí)劃傷工件表面。

目前，在國(guó)外動(dòng)力刮刀應(yīng)用最廣泛、最具有代表性的是瑞士BIAX機(jī)器股份有限公司生產(chǎn)的系列電動(dòng)刮刀及其配套刀片和附件［4－5］。該刮刀自20世紀(jì)50年代末開(kāi)始申請(qǐng)專利，其原理是無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)降速齒輪傳給1個(gè)特殊的搖擺傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刮刀的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且行程可通過(guò)調(diào)整搖擺機(jī)構(gòu)的偏心大小進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)（一般為0～20 mm），刀頭往復(fù)的沖次最高可達(dá)2 400 min－1。BIAX系列電動(dòng)刮刀自身質(zhì)量從2.7～4.7 kg不等，消耗電源功率為幾百瓦，不同刮刀可以分別或者同時(shí)適應(yīng)平面重載刮研、標(biāo)準(zhǔn)刮研、高精刮研、油密氣密刮研。配備特殊刀片時(shí)，還能用于燕尾槽、棱形面等特殊表面的加工，有的型號(hào)還可用于半月型刀痕刮削。據(jù)稱，使用該刮刀時(shí)刮研效率是普通手工刮研的5倍，并且精度也會(huì)大大提高［6］。但該工具在中國(guó)應(yīng)用并不多，應(yīng)該與其價(jià)格高昂有關(guān)（國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上價(jià)格約3～4萬(wàn)元/把）。同時(shí)，該公司也生產(chǎn)氣動(dòng)類型的動(dòng)力刮刀，可在沒(méi)有電源的情況下或者在不允許使用電源的情況下使用，其使用和電動(dòng)刮刀基本相同。

國(guó)內(nèi)也有一些動(dòng)力刮刀相關(guān)專利，但未見(jiàn)有成熟應(yīng)用案例報(bào)道。崔寶林于1994年提交了一種沖擊刮刀的專利申請(qǐng)［7］，該刮刀刀柄后端連接有電磁式激振器，用電磁線圈的激振力提供刮削能量。王行賢等人的實(shí)用新型專利［8］提出的電動(dòng)刮刀由電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速部分、減速機(jī)構(gòu)、刮研動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)和提繩及刮削刀具等組成，其特征是電動(dòng)機(jī)采用市售沖擊鉆電動(dòng)機(jī)、手把及開(kāi)關(guān)部分，并在手把內(nèi)安裝由可控硅電路和電位器組成的電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速裝置。據(jù)稱，其成本僅相當(dāng)于進(jìn)口產(chǎn)品的1/6。謝祖琴設(shè)計(jì)了1個(gè)旋轉(zhuǎn)式刮刀結(jié)構(gòu)［9］，將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)1個(gè)軟軸輸出到1個(gè)鑲齒的回轉(zhuǎn)刀具上，用于代替三角刮刀進(jìn)行軸瓦的粗刮和半精刮。

動(dòng)力刮刀推動(dòng)了刮研工藝的應(yīng)用和發(fā)展。但其缺點(diǎn)也很明顯:刮刀刀頭只是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，回程沒(méi)有抬刀動(dòng)作，回程時(shí)刀尖也有磨損;每一刀刮削前沒(méi)有人為下壓刀片動(dòng)作，刮削后也不容易控制上抬等動(dòng)作;刀跡變化靈活性小，刮花操作受限制較多;由于是刀頭的高頻振動(dòng)，刀痕形狀和大小難于控制。動(dòng)力刮刀的應(yīng)用同樣也需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)積累才能充分發(fā)揮其潛力。這些因素也限制了其推廣應(yīng)用，特別是在精密刮研的場(chǎng)合。

2 刮削質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)方法研究

刮研的目的是為了減小表面粗糙度值，提高接觸精度和幾何精度，從而提高機(jī)床的配合精度、配合剛度、潤(rùn)滑性能、機(jī)械效率和使用壽命。從刮研加工工藝的角度，刮削質(zhì)量可由高點(diǎn)分布的均勻性和高點(diǎn)分布密度來(lái)衡量。其方法是將工件表面與標(biāo)準(zhǔn)表面之一均勻涂上顏色，然后將兩者對(duì)研，工件上的高點(diǎn)就顯示出來(lái)了，這個(gè)過(guò)程叫研點(diǎn)。研點(diǎn)后，再觀測(cè)高點(diǎn)的大小、密度和分布均勻性等指標(biāo)。該過(guò)程繁瑣，對(duì)工人的要求較高，測(cè)量結(jié)果受人為因素影響較大，而且每刮削一遍，都要重復(fù)一次這樣的過(guò)程，這也是嚴(yán)重制約刮研效率提高的一個(gè)重要原因。

日本九州工業(yè)大學(xué)竹內(nèi)芳美等人在1986年就利用線型CCD攝像頭對(duì)平面刮研工件表面檢測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究，將工件染色以凸顯檢測(cè)高點(diǎn)，利用線型CCD攝像頭取像演算，建構(gòu)出此平面的表面信息，來(lái)作為平面刮研的信息［10］。而堤博貴等人在1996年提出的自動(dòng)刮研機(jī)構(gòu)當(dāng)中，同樣也使用CCD攝像頭拍攝沾染顏料顯示高點(diǎn)后的刮研工件，并利用數(shù)字圖像處理方法來(lái)確定高點(diǎn)［11］。

周睿程等研究了由一般DVD讀取頭發(fā)展而成的刮削表面測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含有一套激光探頭模塊及XY移動(dòng)平臺(tái)，其中激光探頭模塊包含有1個(gè)DVD讀取頭及1套影像采集設(shè)備，可由失焦信號(hào)（FES）表示一點(diǎn)的高度變化。通過(guò)影像采集設(shè)備則可清楚看見(jiàn)工件表面的溝槽輪廓，然后控制XY平臺(tái)以Z字形移動(dòng)，可測(cè)量出整個(gè)刮削面表面輪廓。通過(guò)更換DVD前方聚焦用物鏡，可以改變測(cè)量范圍（300 μm、30 μm、15 μm和4 μm），根據(jù)測(cè)量結(jié)果，判斷出不合格或是不適當(dāng)?shù)奈恢?，也可?duì)凹坑深度進(jìn)行測(cè)量［12］。

覺(jué)文郁等提出的刮研工件自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合了激光位移計(jì)與可編程的雙軸以上載具。激光位移計(jì)將光束投射至刮研工件表面，可測(cè)量刮研工件表面的高度變化，載具裝置著激光位移計(jì)對(duì)需要檢測(cè)的范圍及路徑做掃描，再由軟件接口給定規(guī)劃及執(zhí)行，以驅(qū)使激光沿著刮研工件移動(dòng)，并由自行開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件接口，做原點(diǎn)設(shè)定與采集刮研表面的表面形貌變化的原始數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)作數(shù)值處理，并由Matlab繪出三維與二維半的圖標(biāo)來(lái)分析刮研工件的質(zhì)量［13］。

謝東賢等［14－15］針對(duì)傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法的缺點(diǎn)，運(yùn)用非接觸激光探頭、CNC精密移動(dòng)平臺(tái)和A/D轉(zhuǎn)換卡，配合人機(jī)界面開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化光電式滑動(dòng)導(dǎo)軌量測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可測(cè)量刮研表面的每平方英寸高點(diǎn)數(shù)、每平方英寸接觸率、高低點(diǎn)分布情形以及高點(diǎn)的高度、邊角形狀和平坦度等參數(shù)，其測(cè)量精度達(dá)1 μm，并且可測(cè)量2種不同材質(zhì)（鑄鐵與耐磨片）導(dǎo)軌的三維形貌，測(cè)量速率達(dá)100 mm/s。

通過(guò)研點(diǎn)方法得到的圖案來(lái)判斷刮研質(zhì)量，是已經(jīng)被實(shí)踐認(rèn)可的成熟方法，通過(guò)圖像識(shí)別來(lái)代替人的主觀判斷是刮研質(zhì)量自動(dòng)化檢測(cè)的一個(gè)比較有前途的發(fā)展方向。利用激光等先進(jìn)的非接觸式傳感器來(lái)檢測(cè)刮研質(zhì)量的設(shè)想很好，如果把這種傳感器與導(dǎo)軌坐標(biāo)系統(tǒng)配合使用，檢測(cè)粗糙度等工件的微觀形貌是合適的，但是用來(lái)檢測(cè)平面度、直線度甚至配合表面的接觸質(zhì)量等宏觀精度指標(biāo)，其檢測(cè)準(zhǔn)確度就會(huì)受到導(dǎo)軌誤差等的影響，恐怕還有不小的困難需要克服。

3 自動(dòng)刮研整機(jī)的研究

自動(dòng)刮研整機(jī)研制的難度較大，目前還未見(jiàn)有成熟工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。現(xiàn)有自動(dòng)刮研機(jī)構(gòu)一般分為機(jī)械手（機(jī)器人）式和坐標(biāo)導(dǎo)軌式2種。

竹內(nèi)芳美等在前述利用線型CCD攝像頭對(duì)平面刮研工件表面進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)上，制作成功了機(jī)器人自動(dòng)刮研系統(tǒng)［16］。該系統(tǒng)通過(guò)微型計(jì)算機(jī)對(duì)CCD攝像頭檢測(cè)到的研點(diǎn)圖案進(jìn)行分析，判斷出哪里需要刮研，然后使用1個(gè)裝有接觸傳感器并能靈活伸縮的磨輪來(lái)間歇性地磨除工件上的高點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人具有從事刮研工作的潛力。

堤博貴等人研制的自動(dòng)刮研機(jī)［17－18］由大尺寸XYZ工作臺(tái)、專用刮刀和CCD攝像頭組成。刮刀固定在工作臺(tái)上，借助其巧妙的結(jié)構(gòu)，能像熟練工人一樣進(jìn)行刮削操作。人工研點(diǎn)以后，配備彩色CCD攝像頭的圖像處理系統(tǒng)從工件表面圖像中識(shí)別出高點(diǎn)（識(shí)別率為88.3%）。通過(guò)圖像位置校正，確定黑點(diǎn)位置，使得工具得以精密定位（精度為0.58 mm）。刮削深度通過(guò)黑點(diǎn)大小來(lái)確定，以盡可能提高刮削效率并減小刮削誤差。該系統(tǒng)刮研的表面平面度為11.6 μm，表面粗糙度為Ra25.42 μm。

國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也在對(duì)自動(dòng)刮研技術(shù)進(jìn)行積極研究，有的已經(jīng)取得了一定的成果。由于公開(kāi)文獻(xiàn)很少，這里不作詳述。

4 刮研自動(dòng)化發(fā)展方向展望

（1）刮研用的動(dòng)力刀具

動(dòng)力刀具可以節(jié)省工人的大部分體力，使工人更專注于改善加工質(zhì)量和提高加工效率。但是目前的動(dòng)力刀具存在這樣那樣的問(wèn)題，市場(chǎng)上成熟的機(jī)型不多，價(jià)格也比較高昂，影響了其推廣應(yīng)用。今后，動(dòng)力刮研刀具會(huì)朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、省力高效的方向發(fā)展，刮削效果也會(huì)越來(lái)越符合刮研加工的期望。

（2）高點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

高點(diǎn)識(shí)別技術(shù)是影響刮研加工自動(dòng)化發(fā)展的難點(diǎn)，也是刮研加工自動(dòng)化最有發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)以及微電子技術(shù)，必將為刮削質(zhì)量的檢測(cè)和高點(diǎn)識(shí)別技術(shù)帶來(lái)革命性的發(fā)展。其發(fā)展方向有二:一是利用傳統(tǒng)的研磨顯點(diǎn)加上圖像識(shí)別技術(shù);二是采用更先進(jìn)的傳感器和識(shí)別方法，不用顯示介質(zhì)直接檢測(cè)刮削表面的形貌。黑點(diǎn)識(shí)別精確度的提高，對(duì)于提高刮研質(zhì)量，減少刮削次數(shù)都將大有裨益。

（3）自動(dòng)刮研工藝研究

為了保證刮研質(zhì)量且省時(shí)省力，在長(zhǎng)期刮研實(shí)踐中，人們開(kāi)發(fā)應(yīng)用了諸如手刮法、挺刮法等眾多成熟的刮研方法。隨著自動(dòng)刮研的興起，適應(yīng)自動(dòng)刮研加工的新刮研工藝也將會(huì)不斷研發(fā)出來(lái)，包括刮研策略、路徑、刮削力以及刀跡的控制等。以傳統(tǒng)刮研工藝為基礎(chǔ)，以當(dāng)代CNC技術(shù)為依托，自動(dòng)刮研工藝的研究也大有前途。

（4）自動(dòng)刮研整機(jī)的開(kāi)發(fā)

要想充分發(fā)揮刮研加工的思想，最大程度提高刮研效率、保證刮研質(zhì)量，自動(dòng)刮研機(jī)器或者自動(dòng)刮研系統(tǒng)的研究刻不容緩。以前述幾項(xiàng)技術(shù)為前提，刮研整機(jī)的研究將是水到渠成的事情。該技術(shù)可從2個(gè)方向發(fā)展:一是開(kāi)發(fā)刮研專用設(shè)備，利用現(xiàn)代機(jī)床、機(jī)器人等成熟技術(shù)開(kāi)發(fā)整套自動(dòng)刮研設(shè)備，這樣做的好處是專用性高，為適應(yīng)不同刮研場(chǎng)合進(jìn)行靈活性地開(kāi)發(fā);二是充分利用現(xiàn)有普通數(shù)控切削機(jī)床特別是數(shù)控銑床和加工中心的軟硬件資源，通過(guò)軟硬件的適當(dāng)擴(kuò)展，將自動(dòng)刮研作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)附加功能，這是刮研技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)突破口，也是提高數(shù)控機(jī)床附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)途徑。

（5）自動(dòng)刮研的應(yīng)用

隨著技術(shù)的成熟，自動(dòng)刮研不僅用于水平面的加工，也能用于豎直表面的加工;不僅能應(yīng)用于普通工作平臺(tái)和平面導(dǎo)軌等形狀簡(jiǎn)單的工件表面加工，而且有望應(yīng)用于燕尾槽導(dǎo)軌、V形導(dǎo)軌、精密軸承、精密齒輪和其他重要零件的復(fù)雜配合表面的加工;不僅能刮研鑄鐵、碳鋼，也能刮研有色金屬和非金屬材料。

總之，刮削工具和刮研加工整機(jī)的研究都將朝著提高刮研效率、降低刮研勞動(dòng)量，并易于保證和提高刮研質(zhì)量的方向發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

我們知道機(jī)械加工的精度受到原始誤差（即工藝系統(tǒng)誤差）的影響，由機(jī)床加工的工件精度一般不會(huì)超過(guò)所使用的工藝系統(tǒng)的精度，這就是機(jī)床所謂的“母性原理”。根據(jù)該原理，機(jī)械加工的精度只能越來(lái)越低。但我們看到的事實(shí)正好相反，機(jī)械加工精度是逐年提高的，這與刮研技術(shù)的應(yīng)用是分不開(kāi)的，刮研工藝是精密機(jī)床基本精度的起點(diǎn)，也是精密機(jī)械制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國(guó)外高精密機(jī)床等設(shè)備的重要配合表面仍需手工刮研進(jìn)行加工和裝配。國(guó)內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)情況則是能不用刮研就不用，能少用刮研就少用，用磨削代替刮研、用角磨機(jī)代替刮刀的情況隨處可見(jiàn)。為了提高國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品的精密程度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，我們有必要重新認(rèn)識(shí)刮研這項(xiàng)神奇的加工技術(shù)。

刮研工藝的優(yōu)勢(shì)決定了其應(yīng)用不會(huì)在短期內(nèi)消亡，但其告別純手工刀具的趨勢(shì)卻是必然的。隨著刮研加工機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，刮研在機(jī)械制造中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛，并將繼續(xù)推動(dòng)機(jī)械制造特別是精密機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的刮研加工方法將獲得又一個(gè)新生。

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