一种基于球头铣刀的机床导轨自动刮研方法与流程

本发明涉及自动化加工领域中的机床，尤其涉及一种基于球头铣刀的机床导轨自动刮研方法。
背景技术：
：目前，为了提高机床导轨的配合精度，国内外普遍采用的做法是对导轨进行刮研加工，刮研加工对于高精度机床设备是必需的。刮研是利用刮刀、基准表面和显示剂等边研点边刮研加工，使工件达到工艺上规定的尺寸、几何形状、表面粗糙度和密合性等要求的一项精加工工序。刮研加工的目的是为了降低表面的粗糙度值，提高接触精度和几何精度，从而提高机床及平面度整体的配合刚度、润滑性能、机械效益和使用寿命。现有的刮研方法普遍由钳工通过手工完成，其劳动强度大、耗费大，且加工质量和加工效率完全取决于操作工人的熟练程度。技术实现要素：发明目的：本发明提出一种基于球头铣刀的机床导轨自动刮研方法，以解决现有技术中存在的不足之处。技术方案：本发明基于球头铣刀的机床导轨自动刮研方法，包括以下步骤：步骤(1)，由刮刀对待刮研导轨进行刮研，通过相机拍摄粗刮、细刮和精刮过程中刮刀围绕某待刮研点刮研时刮刀的刀尖运动轨迹和刀痕(3)形貌；步骤(2)，通过刮研时刮刀的刀尖运动轨迹以及刀痕形貌确定自动刮研装置中球头铣刀在粗刮、细刮和精刮过程中的铣削参数和运动轨迹，采用球头铣刀模拟人工刮研时的每刀的刀痕形貌，通过对人工刮研的粗刮、细刮和精刮过程的模拟完成对机床导轨的自动化刮研。该球头铣刀的铣削参数包括铣刀半径、铣刀齿数、铣刀长度和铣刀材料。在粗刮阶段，通过刮刀刀尖的运动轨迹和刀痕长度和宽度确定铣刀的运动轨迹，球头铣刀在粗刮运动轨迹中的铣刀轨迹行距0.8mm<d≤1.5mm。细刮阶段是将粗刮后的高点刮去，球头铣刀在细刮运动轨迹中的铣刀轨迹行距0.4mm<d≤0.8mm。精刮的目的是为了提高工件的表面质量，球头铣刀在精刮运动轨迹中的铣刀轨迹行距0.05mm<d≤0.4mm。在步骤(2)中，对导轨高点进行自动化刮研后，在导轨上涂抹显示剂，经标准平板对研，观察显点数量判断该刮研阶段是否结束；如果显点不满足设定的标准，则按上一轮中设置的球头铣刀的铣削参数和路径继续重复刮研操作。当任意刮方中显点数达到4～6点时粗刮阶段结束，当任意刮方显点数达到10～12点时细刮阶段中止，当显点增加到每任意刮方20～25点时，则精刮结束。在人工刮研过程的粗刮阶段，围绕某一待刮研点(12)刮研时，刮刀的第一次进给方向(13)和刮刀的第二次进给方向(14)垂直且所有刮研点的刮研方向一致。在人工刮研过程中的细刮阶段，围绕某一待刮研点(12)刮研时，刮刀的第一次进给方向和第二次进给方向成45°或60°方向交叉刮出网纹。在人工刮研过程中的精刮阶段，每个点只刮研一刀，随后进行研点显示。工作原理：本发明将待刮研工件通过卡紧装置固定在载物台上，采用高速拍摄系统观察不同刮研阶段人工手持刮刀刮研时每一刀的刀具轨迹和刀痕形状，观察每刀之间的运动规律，采用自动刮研装置中的球头铣刀铣削的方式，模拟人工刮研时的每一刀的刀具轨迹和刀痕效果，其次按照人工刮研时每刀之间的运动规律，模拟下一刀的刀具轨迹和刀痕，依次完成整个人工过程的模拟，进而实现整个机床导轨的自动化刮研。有益效果：本发明采用自动化刮研装置替代人工刮研，减轻了工人劳动强度，节约了人工成本，提高了生产效率。附图说明图1为本发明中采用相机拍摄人工刮研过程示意图；图2为本发明刮研方法流程图；图3为人工刮研后的刮刀刀痕形状示意图；图4为图3中b-b剖面图；图5为刮刀刀尖处位移轨迹；图6为模拟刮刀轨迹时铣刀在水平方向上的运动轨迹；图7为图6中a-a剖视图；图8为粗刮中围绕某一刮研点刮刀进给方向示意图；图9为细刮中围绕某一刮研点刮刀进给方向示意图。具体实施方式如图1、图2所示，首先将待刮研导轨2通过卡紧装置6固定在载物台7上，采用高速拍摄系统观察不同刮研阶段人工手5持刮刀4刮研时每一刀的刀具轨迹和刀痕形状，观察每刀之间的运动规律，采用自动刮研装置中的球头铣刀11铣削的方式，模拟人工刮研时的每一刀的刀具轨迹和刀痕效果，本发明中的实施例具体内容如下：本实施例中采用的高速拍摄系统包括高速相机1、三角支架10、升降装置9和万象转动装置8，其中升降装置9底部安装在三角支架10上，顶部连接万象转动装置8，高速相机1安装在万象转动装置8上；待刮研工件2通过卡紧装置6固定在载物台7的中间位置，高速拍摄系统摆放在载物台7的侧面，用来观察不同刮研阶段人工手5持刮刀4刮研时每一刀的刀具轨迹和刀痕3形状。如图3所示为刮刀4的刀痕形状示意图，图3中b-b位置的剖面图如图4所示，代表拍摄的刮刀轨迹示意图，其中a为刀痕长度，h为最大刮削厚度即刀痕深度，从图中可以看出，刮刀每次运动过程中的运动轨迹分为三个阶段，ⅰ为切入阶段，ⅱ为水平切削阶段，ⅲ为抬刀阶段，其中ⅰ和ⅲ为弧形，不同阶段的刀痕和刀具轨迹参数如表1所示：在粗刮阶段，刀痕长度a为30-60mm,刀痕宽度b为10-15mm，切削深度h为0.03-0.2mm；在细刮阶段，刀痕长度a为10-25mm，刀痕宽度b为6-8mm，切削深度h为0.03-0.08mm；在精刮阶段，刀痕长度a为3-7mm，刀痕宽度b为3-5mm，切削深度h为0.01-0.03mm。通过高速相机观察刀具的运动规律，以刀具切入点0为坐标原点，建立图4中所示坐标系，分析刀具的位移，位移曲线如图5所示，该位移曲线中，坐标x代表刮刀刀尖处的刮痕长度，单位为mm；坐标y代表刮刀刀尖处的刮削厚度，单位为mm。由于刮研过程受工人手法和工件材料的影响，以粗刮过程为例，拍摄一名熟练工人的刮研过程，导轨材料为灰口铸铁，刀具材料为t12a碳素工具钢，在粗刮时，分析拍摄结果得刀痕长度为40mm，宽度为12mm，测量得到刮削厚度h为0.08mm，图5中3点坐标为(40,0)，1点坐标为(4,0.08),2点坐标为(36,0.08)，据此可建立粗刮过程中刮刀刀尖处的位移方程，如下列公式(1)所示：其中，x代表刮刀刀尖处的刮痕长度，单位为mm；y代表刮刀刀尖处的刮削厚度，单位为mm。在细刮时，刀具材料和导轨材料不变，分析拍摄结果得刀痕长度为20mm，宽度为6mm，测量得到刮削厚度h为0.05mm，则图5中点3坐标为(20,0)，点1坐标为(2,0.05),点2坐标为(18,0.05)，据此可建立细刮过程中刮刀刀尖处的位移方程，如下公式(2)所示：在精刮时，刀具材料和导轨材料不变，分析得到刀痕长度5mm，宽度4mm，测量刮削铁屑得刮削厚度h为0.015mm，则图5中点3的坐标为(5,0)，1点坐标近似为(1,0.015),2点坐标近似为(4,0.015)，0-1和2-3之间的圆弧半径近似为5，可建立精刮过程中刮刀刀尖处的位移方程，如下列公式(3)所示：表1刀痕长度a(/mm)刀痕宽度b(/mm)切削深度h(/mm)粗刮30-6010-150.03-0.2细刮10-256-80.03-0.08精刮3-73-50.01-0.03观察人工刮研时每刀之间的运动规律，采用自动刮研装置，该自动刮研装置包括球头铣刀11，该球头铣刀仿形人工刮刀留下的弧形刮痕，通过球头铣刀11铣削的方式，设计铣刀的运动参数和运动路径，模拟人工刮研时每一刀的刀具轨迹和刀痕3的形状；其次按照人工刮研时每刀之间的运动规律，模拟下一刀的刀具轨迹和刀痕3的形状，依次完成整个人工过程的模拟，以实现对整个机床导轨的自动化刮研。高速拍摄系统中，根据拍摄现场实际情况移动三角支架1，调整升降装置9和万象转动装置8，进而调整高速相机1的拍摄位置和角度以保证拍摄效果。刮研过程分为粗刮、细刮、精刮三个阶段，各个阶段的高点数量大小不一，选用的刮刀4大小宽度也不同，刮刀4的走刀路径也不一样。图6所示为铣刀11模拟其中一次人工刮研过程中刮痕3时在水平面内的运动路径,在不同阶段刮痕3的大小形状有差异，图6中的轨迹也不同，其中d为铣刀走刀行距，不同刮研阶段d的值不同。如图7所示为图6中a-a位置的剖面图，其中b为刀痕宽度，不同刮研阶段刮削厚度以及刮痕长度和宽度均不同，由于铣刀11在竖直方向上的进给路径不同，因此可以通过自动刮研装置设置铣刀不同的走刀路径模拟不同刮研阶段的刮刀路径和刮痕3形貌，以此来模拟整个人工刮研过程。从图7可以看出，铣刀运动的中间位置对应的是上述三个位移方程中的某一点的位置。具体分析为，如图8所示，在人工刮研过程中的粗刮阶段，围绕某一待刮研点12刮研时，第一次刮刀的进给方向13和第二次进给方向14垂直。在细刮阶段，围绕某一待刮研点12刮研时，第一次刮刀的进给方向13和第二次进给方向14成45度或60度方向交叉刮出网纹。在精刮阶段，每个点只刮研一刀，随后进行研点显示。由于人工刮刀4刀头局部为弧形，因此刮研结束后在导轨面上留下的刮痕也为弧形。铣刀采用微型球头铣刀11，可以仿形人工刮刀留下的弧形刮痕。每一自动化刮研过程完成后，在导轨表面涂抹显示剂，经标准平板对研后，观察每刮方(25mm×25mm)里显点数量判断该刮研阶段是否结束，当任意刮方(25mm×25mm)达到4～6点时粗刮阶段结束，当任意刮方达到10～12点时细刮阶段即宣告中止，当显点增加到每任意刮方20～25点时，则精刮结束。本发明的工作过程是：首先将待刮研导轨2放置在载物台7上，通过卡紧装置6固定，移动三角支架10，调整升降装置9、万象转动装置8，使高速相机1固定在合适的拍摄位置和角度，由人工手5持刮刀4对该待刮研导轨2进行刮研处理，该过程中通过高速相机1分别拍摄人工刮研粗刮、细刮和精刮过程中刮刀4围绕某待刮研点12刮研时刮刀4的刀头运动轨迹和刀痕3形貌，然后通过机床导轨自动刮研装置分别完成球头铣刀11的铣削参数设置和路径规划，模拟人工刮研时的刀痕形貌，依次完成各个阶段的刮研操作。粗刮阶段：采用20mm宽而平的长刮刀，刮削深度在0.03mm以上，刀痕长度30-60mm，刀痕的宽度是刮刀宽度的2/3-3/4，第一次刮刀进给方向13和第二次刮刀进给方向14相互垂直且所有刮研点的刮研方向一致，记录上述两次刮研时刀头运动轨迹和刀痕3形貌，通过刮刀刀尖处的位移方程以及刀痕的长度和宽度确定铣刀的运动轨迹，该运动轨迹如图6所示，其中d为加工轨迹中相邻两行刀具轨迹之间的距离。不同铣削阶段的球头铣刀11的铣削参数设置如表2所示，该参数包括铣刀半径，铣刀齿数，铣刀长度，铣刀材料和每齿进给量。铣削模拟出对应的刀痕形貌，待所有点均完成刮研后，涂抹显示剂，经标准平板对研，观察显点数量，当工件表面研点每25mm×25mm上为4-6点，表面粗糙度为ra2.5-ra3.2时停止粗刮，如果显点数量不满足此标准，则按上一轮中机床导轨自动刮研装置中设置的球头铣刀11的铣削参数和路径继续重复粗刮操作，如果显点数量达到粗刮标准，则开始细刮阶段。表2铣刀的铣削参数和路径细刮阶段；细刮就是将粗刮后的高点刮去，其特点是刀痕宽6-8mm，长10-25mm，细刮时要朝着一定方向刮，如图9所示，对细刮刮研点15的第一次刮刀进给方向16和第二次刮刀进给方向17要成45°或60°方向交叉刮出网纹。记录二次刮研时刀头运动轨迹和刀痕3形貌，通过机床导轨自动刮研装置完成球头铣刀11的铣削参数设置和路径规划，铣削模拟出对应的刀痕形貌，待所有点均完成刮研后，涂抹显示剂，经标准平板对研，观察显点数量，当工件表面研点每25mm×25mm上为10-14个点，表面粗糙度为ra1.6-ra3.2时停止细刮，转入精刮阶段，如果显点数量不满足此标准，则按上一轮中机床导轨自动刮研装置中设置的球头铣刀11的铣削参数和路径继续重复细刮操作。精刮阶段：在细刮的基础上，进一步增加表面的显点数量，使工件符合预期的精度要求。精刮的目的就是提高工件的表面质量，采用小刮刀，每个点只刮一刀，刀痕宽3-7mm，长3-5mm，记录刀头运动轨迹和刀痕3形貌，通过机床导轨自动刮研装置完成球头铣刀11的铣削参数设置和路径规划，铣削模拟出对应的刀痕形貌，依次对所有显点进行刮研处理后，涂抹显示剂，经标准平板对研，观察显点数量，当工件表面研点每25mm×25mm上20-25点，表面粗糙度为(ra0.8-ra1.6)时停止精刮，如果显点数量不满足此标准，则按上一轮中机床导轨自动刮研装置中设置的球头铣刀11的铣削参数和路径继续重复精刮操作，直至达到精刮结束标准。当前第1页12