刮研加工自動化研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析*

李小朋 孫雷雷 劉永紅

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島 266555）

刮研加工是通過相互配合的工件表面之間或者工件表面與標準表面之間互研來顯示出工件表面的高點，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械加工方法。

刮研加工的特點是:（1）切削量較小，不會使工件發(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，不像機床加工要受工作臺約束，并可將工件有意識地加工成中凹或中凸等特殊要求。這些優(yōu)點決定了刮研加工不能被普通的機床切削取代，哪怕是現(xiàn)代高精密的機床也需要刮研加工。刮研工藝通常應(yīng)用于機床的滑動導(dǎo)軌面、精密齒輪、各種工作平臺和滑動軸承的軸瓦等重要零件表面的精加工和修配作業(yè)，對產(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，其過程包括清潔工件、涂抹顯示劑、研磨顯點、刮削和檢測等具體操作。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力刮刀代替人力來刮去高點，其他工作基本全由人力完成，工人勞動量大，對工人的經(jīng)驗和技術(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，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，降低對工人技術(shù)水平和實踐經(jīng)驗的要求，長期以來人們不斷地進行著刮研加工機械化和自動化的研究工作，在動力刮刀、刮削質(zhì)量檢測和刮研整機的研發(fā)等方面取得了一定的成果。

1 動力刮刀的研究及應(yīng)用

動力刮刀又稱為自動刮刀、動力式刮研機等，它通過刀片的振動、旋轉(zhuǎn)等動作代替人力去除工件材料，但仍需人工手持進行定位，其切削壓力等也需要人工進行控制。根據(jù)能量來源不同，動力刮刀一般分電動、氣動等類型，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強度并提高刮削效率。

動力刮刀原理一般都是通過機械傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刀具的直線往復(fù)運動。國外對此研究很多，并申請了眾多專利，但是由于可靠性等問題，真正實用的并不多見。

Anderson發(fā)明了一種表面工作機，工具的往復(fù)運動由機械能提供，需要人工手持引導(dǎo)動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個橫梁或者導(dǎo)軌作支撐，結(jié)構(gòu)和操作較復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。KIROV NIKOLAJ V等人發(fā)明的動力刮刀通過圓錐齒輪將旋轉(zhuǎn)運動傳給曲柄連桿滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)刀具往復(fù)運動［2］。Aspeek采用電動機帶動端面凸輪的形式為刮刀提供切削動力，刀具后退的動力由工件表面和刀尖的接觸壓力提供［3］。這種只有前進時才提供動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劃傷工件表面。

目前，在國外動力刮刀應(yīng)用最廣泛、最具有代表性的是瑞士BIAX機器股份有限公司生產(chǎn)的系列電動刮刀及其配套刀片和附件［4－5］。該刮刀自20世紀50年代末開始申請專利，其原理是無級調(diào)速電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)降速齒輪傳給1個特殊的搖擺傳動機構(gòu)，將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刮刀的直線往復(fù)運動，并且行程可通過調(diào)整搖擺機構(gòu)的偏心大小進行大范圍調(diào)節(jié)（一般為0～20 mm），刀頭往復(fù)的沖次最高可達2 400 min－1。BIAX系列電動刮刀自身質(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適應(yīng)平面重載刮研、標準刮研、高精刮研、油密氣密刮研。配備特殊刀片時，還能用于燕尾槽、棱形面等特殊表面的加工，有的型號還可用于半月型刀痕刮削。據(jù)稱，使用該刮刀時刮研效率是普通手工刮研的5倍，并且精度也會大大提高［6］。但該工具在中國應(yīng)用并不多，應(yīng)該與其價格高昂有關(guān)（國內(nèi)市場上價格約3～4萬元/把）。同時，該公司也生產(chǎn)氣動類型的動力刮刀，可在沒有電源的情況下或者在不允許使用電源的情況下使用，其使用和電動刮刀基本相同。

國內(nèi)也有一些動力刮刀相關(guān)專利，但未見有成熟應(yīng)用案例報道。崔寶林于1994年提交了一種沖擊刮刀的專利申請［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。王行賢等人的實用新型專利［8］提出的電動刮刀由電動機及其調(diào)速部分、減速機構(gòu)、刮研動作執(zhí)行機構(gòu)和提繩及刮削刀具等組成，其特征是電動機采用市售沖擊鉆電動機、手把及開關(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機無級調(diào)速裝置。據(jù)稱，其成本僅相當于進口產(chǎn)品的1/6。謝祖琴設(shè)計了1個旋轉(zhuǎn)式刮刀結(jié)構(gòu)［9］，將電動機動力通過1個軟軸輸出到1個鑲齒的回轉(zhuǎn)刀具上，用于代替三角刮刀進行軸瓦的粗刮和半精刮。

動力刮刀推動了刮研工藝的應(yīng)用和發(fā)展。但其缺點也很明顯:刮刀刀頭只是往復(fù)直線運動，回程沒有抬刀動作，回程時刀尖也有磨損;每一刀刮削前沒有人為下壓刀片動作，刮削后也不容易控制上抬等動作;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，刀痕形狀和大小難于控制。動力刮刀的應(yīng)用同樣也需要經(jīng)過一段時間的培訓(xùn)和經(jīng)驗積累才能充分發(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合。

2 刮削質(zhì)量自動檢測方法研究

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，從而提高機床的配合精度、配合剛度、潤滑性能、機械效率和使用壽命。從刮研加工工藝的角度，刮削質(zhì)量可由高點分布的均勻性和高點分布密度來衡量。其方法是將工件表面與標準表面之一均勻涂上顏色，然后將兩者對研，工件上的高點就顯示出來了，這個過程叫研點。研點后，再觀測高點的大小、密度和分布均勻性等指標。該過程繁瑣，對工人的要求較高，測量結(jié)果受人為因素影響較大，而且每刮削一遍，都要重復(fù)一次這樣的過程，這也是嚴重制約刮研效率提高的一個重要原因。

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攝像頭對平面刮研工件表面檢測進行了相關(guān)研究，將工件染色以凸顯檢測高點，利用線型CCD攝像頭取像演算，建構(gòu)出此平面的表面信息，來作為平面刮研的信息［10］。而堤博貴等人在1996年提出的自動刮研機構(gòu)當中，同樣也使用CCD攝像頭拍攝沾染顏料顯示高點后的刮研工件，并利用數(shù)字圖像處理方法來確定高點［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量系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含有一套激光探頭模塊及XY移動平臺，其中激光探頭模塊包含有1個DVD讀取頭及1套影像采集設(shè)備，可由失焦信號（FES）表示一點的高度變化。通過影像采集設(shè)備則可清楚看見工件表面的溝槽輪廓，然后控制XY平臺以Z字形移動，可測量出整個刮削面表面輪廓。通過更換DVD前方聚焦用物鏡，可以改變測量范圍（300 μm、30 μm、15 μm和4 μm），根據(jù)測量結(jié)果，判斷出不合格或是不適當?shù)奈恢茫部蓪Π伎由疃冗M行測量［12］。

覺文郁等提出的刮研工件自動化檢測系統(tǒng)，結(jié)合了激光位移計與可編程的雙軸以上載具。激光位移計將光束投射至刮研工件表面，可測量刮研工件表面的高度變化，載具裝置著激光位移計對需要檢測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，并由自行開發(fā)出來的軟件接口，做原點設(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來分析刮研工件的質(zhì)量［13］。

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

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

3 自動刮研整機的研究

自動刮研整機研制的難度較大，目前還未見有成熟工業(yè)應(yīng)用的報道。現(xiàn)有自動刮研機構(gòu)一般分為機械手（機器人）式和坐標導(dǎo)軌式2種。

竹內(nèi)芳美等在前述利用線型CCD攝像頭對平面刮研工件表面進行檢測的技術(shù)基礎(chǔ)上，制作成功了機器人自動刮研系統(tǒng)［16］。該系統(tǒng)通過微型計算機對CCD攝像頭檢測到的研點圖案進行分析，判斷出哪里需要刮研，然后使用1個裝有接觸傳感器并能靈活伸縮的磨輪來間歇性地磨除工件上的高點。實驗證明，該機器人具有從事刮研工作的潛力。

堤博貴等人研制的自動刮研機［17－18］由大尺寸XYZ工作臺、專用刮刀和CCD攝像頭組成。刮刀固定在工作臺上，借助其巧妙的結(jié)構(gòu)，能像熟練工人一樣進行刮削操作。人工研點以后，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別出高點（識別率為88.3%）。通過圖像位置校正，確定黑點位置，使得工具得以精密定位（精度為0.58 mm）。刮削深度通過黑點大小來確定，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。

國內(nèi)一些大學(xué)和科研機構(gòu)也在對自動刮研技術(shù)進行積極研究，有的已經(jīng)取得了一定的成果。由于公開文獻很少，這里不作詳述。

4 刮研自動化發(fā)展方向展望

（1）刮研用的動力刀具

動力刀具可以節(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。但是目前的動力刀具存在這樣那樣的問題，市場上成熟的機型不多，價格也比較高昂，影響了其推廣應(yīng)用。今后，動力刮研刀具會朝著結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、省力高效的方向發(fā)展，刮削效果也會越來越符合刮研加工的期望。

（2）高點自動識別技術(shù)

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

（3）自動刮研工藝研究

為了保證刮研質(zhì)量且省時省力，在長期刮研實踐中，人們開發(fā)應(yīng)用了諸如手刮法、挺刮法等眾多成熟的刮研方法。隨著自動刮研的興起，適應(yīng)自動刮研加工的新刮研工藝也將會不斷研發(fā)出來，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)，以當代CNC技術(shù)為依托，自動刮研工藝的研究也大有前途。

（4）自動刮研整機的開發(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，自動刮研機器或者自動刮研系統(tǒng)的研究刻不容緩。以前述幾項技術(shù)為前提，刮研整機的研究將是水到渠成的事情。該技術(shù)可從2個方向發(fā)展:一是開發(fā)刮研專用設(shè)備，利用現(xiàn)代機床、機器人等成熟技術(shù)開發(fā)整套自動刮研設(shè)備，這樣做的好處是專用性高，為適應(yīng)不同刮研場合進行靈活性地開發(fā);二是充分利用現(xiàn)有普通數(shù)控切削機床特別是數(shù)控銑床和加工中心的軟硬件資源，通過軟硬件的適當擴展，將自動刮研作為數(shù)控機床的一個附加功能，這是刮研技術(shù)發(fā)展的另一個突破口，也是提高數(shù)控機床附加值和市場競爭力的一個途徑。

（5）自動刮研的應(yīng)用

隨著技術(shù)的成熟，自動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)用于普通工作平臺和平面導(dǎo)軌等形狀簡單的工件表面加工，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的研究都將朝著提高刮研效率、降低刮研勞動量，并易于保證和提高刮研質(zhì)量的方向發(fā)展。

5 結(jié)語

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

目前，國外高精密機床等設(shè)備的重要配合表面仍需手工刮研進行加工和裝配。國內(nèi)機械制造行業(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、用角磨機代替刮刀的情況隨處可見。為了提高國內(nèi)機械產(chǎn)品的精密程度和市場競爭力，我們有必要重新認識刮研這項神奇的加工技術(shù)。

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

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