一种可控尺寸的精密珩磨工具及控制装置的制作方法

本发明具体涉及一种可控尺寸的精密珩磨工具及控制装置，属于珩磨工具。

背景技术：

1、珩磨是内孔精密加工的关键工艺，广泛应用于油缸缸筒、气缸套、精密阀体等零部件内孔精加工；如中国专利授权公告号：cn121756173b，公开的一种压缩缸缸体内壁精磨装置，该压缩缸缸体内壁精磨装置包括机体和升降座，升降座可上下滑动地安装于机体上，升降座上安装有刀杆，刀杆上环形阵列设置有多个可沿径向滑动的安装块，安装块上设置有油石；升降座上转动设置有滑动架，滑动架上设置有贯穿刀杆的肋条，肋条上安装有楔形件，楔形件上设置有与肋条对应的楔形条；安装块上设置有抵块，安装块与抵块之间通过第一弹性件相连接通过设置涨刀单元；现有的珩磨工具普遍采用手动或简单机械式涨缩机构，珩磨油石的径向扩张量依靠机械限位预先设定，加工过程中无法实时动态调整油石径向尺寸；在实际加工过程中，油石会持续产生磨损，同时磨削热会造成工件发生热变形，导致加工孔径尺寸出现偏差；现有技术中，大多在加工完成后取出工件进行离线检测，再人工修正珩磨进给参数，存在检测滞后、补偿不及时的问题，加工一致性差，很难实现高精度闭环尺寸控制；此外，现有珩磨单次往复行程仅能实现单一磨削功能，粗磨、精磨需要更换油石或切换珩磨头，加工效率低，且换刀过程会产生二次安装定位误差。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种可控尺寸的精密珩磨工具及控制装置，能够实时检测孔径和误差补偿，且可动态控制油石涨缩尺寸，且能在单次往复中实现粗精磨复合加工。

2、本发明的可控尺寸的精密珩磨工具，包括珩磨头单元和涨缩控制单元，所述珩磨头单元包括：

3、刀体，所述刀体前端周向间隔开设有多组涨缩槽；

4、芯轴，所述芯轴前端为锥形结构，所述芯轴正对涨缩槽开设有t形槽；

5、锥刀座，所述锥刀座内面为与芯轴贴合的坡面结构，所述锥刀座内面一体制成有与t形槽卡合的t形卡筋；通过锥刀座内面与芯轴外面的坡面结构配合，同时，通过锥刀座内面t形卡筋与芯轴外面的t形槽配合，能够实现整个锥刀座各个位置进行等径外扩或内缩，整个调整线性度高；

6、油石座，所述油石座固定于锥刀座远离芯轴一侧；

7、油石体，所述油石体固定于油石座上；

8、压盖，所述压盖固定于刀体端部；

9、所述涨缩控制单元包括轴座体；

10、主轴体，所述主轴体为空心结构，所述主轴体两端通过轴承总成旋转安装于轴座体上；

11、第一尾座，所述第一尾座固定于轴座体后端；

12、涨缩驱动模组，所述涨缩驱动模组包括滑动设置于第一尾座内侧的滑座，所述滑座前端中心处开设有环槽，所述滑座后端固定有丝母体，所述环槽内侧设置有顶杆，所述顶杆滚动设置于主轴体内侧，所述顶杆后端一体制成有限位环，所述顶杆于限位环两侧套接有止推轴承，所述滑座前端通过螺栓固定有与止推轴承顶紧的前压盘；所述第一尾座后端固定有第二尾座，所述第二尾座后端固定有减速机，所述减速机输入轴与伺服电机连接；所述减速机输出轴固定有与丝母体旋接的滚珠丝杆；所述滚珠丝杆前端活动伸入到顶杆内侧，所述滚珠丝杆后端设置有光轴段，所述光轴段处套接有限位轴承，所述限位轴承与第二尾座嵌合，并通过后压盘顶紧；所述主轴体远离限位环一端固定有珩磨杆，所述珩磨杆另一端与刀体固定；所述芯轴后端活动穿入珩磨杆，并与顶杆嵌合固定。

13、加工时，机床动力系统驱动主轴体沿轴座体的轴承总成旋转，主轴体带动珩磨杆同步旋转，珩磨杆带动刀体同步旋转；刀体旋转时，通过t形槽与t形卡筋的卡合传动，芯轴、锥刀座、油石座及油石体同步旋转；芯轴旋转时，顶杆前端随动旋转，后端通过止推轴承进行径向支撑和旋转导向，止推轴承对顶杆进行轴向限位，确保顶杆只传递轴向推力而不传递径向扭矩；当伺服电机经减速机驱动滚珠丝杆旋转时，滚珠丝杆与丝母体配合，将旋转运动转化为滑座的直线运动；滑座通过前压盘、止推轴承推动顶杆沿主轴体内腔做轴向直线滑动，顶杆进而推动芯轴轴向进退；芯轴锥形结构轴向移动时，锥面挤压锥刀座内坡面，将轴向位移转化为锥刀座的径向涨缩，从而实现油石体的径向尺寸调节；珩磨旋转运动与油石涨缩进给运动完全独立，主轴高速旋转时，伺服驱动端的滑座、滚珠丝杆均不随动旋转，仅做直线进给，消除了旋转离心力对进给精度的影响；t形槽与t形卡筋配合既传递周向扭矩，又允许径向滑动，导向精度高；滚珠丝杆和伺服电机配合进给，分辨率高，可实现油石体径向尺寸的微米级精密调控。

14、进一步地，所述油石体包括粗磨油石和精磨油石，所述粗磨油石和精磨油石沿刀体交错布置；所述刀体前端一体制成有直线段，所述直线段内侧开设有棱槽，所述刀体前端设置有与棱槽嵌合的前锥形段，所述前锥形段轴心处通过螺栓与直线段固定；所述前锥形段和刀体的锥形结构缩径方向相反，且所述前锥形段正对涨缩槽开设有t形槽。

15、粗磨油石与精磨油石沿刀体周向交错布置，配合反向设置的双锥面结构，可实现前进粗磨、后退精磨和直线段退孔的复合加工功能，具体工作过程如下：

16、前进粗磨：芯轴向刀体前端进给时，芯轴主体锥形段（大端朝后、小端朝前）的锥面逐步挤压锥刀座内坡面，油石体径向张开量逐渐增大；此时珩磨头向前走刀，粗磨油石以较大涨缩量接触工件内孔，承担主要余量去除任务，实现大进给量粗磨；

17、后退精磨：芯轴向刀体后端回退时，芯轴锥面张开量减小，而前端反向设置的前锥形段（大端朝前、小端朝后）进入工作位置，反向锥面推动精磨油石以较小且稳定的涨缩量贴靠孔壁；此时珩磨头向后走刀，精磨油石对孔壁进行光整加工，提升表面光洁度；

18、直线段退孔：当芯轴退至刀体直线段位置时，主锥面与前锥面均将锥刀座拉向刀体内的退孔位（粗磨油石和精磨油石外径均与工件内孔形成安全退孔间隙），油石体径向收缩至顺利退孔的外径，此时珩磨头可自由进出工件内孔，完成退刀动作；棱槽结构保证前锥形段周向定位精准，不发生相对转动；螺栓固定方式便于前锥形段拆卸更换；双锥面反向布置配合交错油石，单次往复行程即可完成粗磨和精磨两道工序，加工效率提升，且避免了中途换刀带来的定位误差。

19、进一步地，所述油石座与锥刀座的配合面之间设置有可拆卸的磨损补偿垫片；磨损补偿垫片可在油石体安装完成后，进行校准初始外径，及长期磨削后会产生径向磨损，导致油石外径减小，相同芯轴进给量下实际切削半径变小；此时如果整体更换油石体，成本高且停机时间长，因此，在油石座与锥刀座之间加装可拆卸的磨损补偿垫片，当油石磨损后，拆下油石座，更换厚度更大的补偿垫片，即可将油石座整体向外垫高，补偿油石磨损造成的径向尺寸损失；垫片可做成系列化标准厚度（如0.05mm、0.1mm、0.2mm），根据磨损量灵活选配；该结构显著延长单组油石体的使用寿命，垫片更换操作简单，无需重新标定整个珩磨头，大幅减少停机维护时间。

20、一种精密珩磨工具的控制装置，用于控制可控尺寸的精密珩磨工具，包括孔径检测单元，所述孔径检测单元接入控制器，所述刀体于自身直径两端开设有孔槽，且所述孔槽设置于涨缩槽之间，所述孔槽内嵌合固定有孔径检测单元；所述孔径检测单元为回弹式电感测爪或激光三角位移传感器，所述回弹式电感测爪或激光三角位移传感器；所述伺服电机接入到控制器。

21、孔径检测单元内嵌于刀体直径两端的孔槽内，随刀体一同旋转和往复运动，在加工位置直接实时检测工件内孔实际直径，无需将工件取出离线测量，消除了二次装夹误差和检测滞后；孔槽布置在涨缩槽之间，不占用油石安装空间，也不干涉锥刀座的径向涨缩运动；直径两端对称布置两个检测点，取平均值作为实际孔径，可抵消刀体径向跳动带来的检测误差；根据不同工况，选择采用回弹式电感测爪或激光三角位移传感器，回弹式电感测爪为接触式检测，测爪弹性抵靠孔壁，抗油污、抗切屑干扰能力强，适合重切削、大余量粗磨工况；激光三角位移传感器为非接触式检测，响应速度快、无测量力，不会划伤已精加工表面，适合精磨阶段的高精度检测；控制器接收孔径检测单元的实时数据，与目标孔径比对后输出控制信号至伺服电机。

22、进一步地，所述孔径检测单元为激光三角位移传感器时，所述孔径检测单元边侧固定有两组吹扫气嘴，一组所述吹扫气嘴朝向孔径检测单元检测端，另一组所述吹扫气嘴朝向孔径检测单元自身周边；珩磨加工过程中，会产生大量金属切屑和珩磨油雾，激光三角位移传感器的光学镜头一旦被污染，激光光路会发生偏折或衰减，导致测量数据失真甚至失效；通过两组吹扫气嘴配合，实现金属切屑和珩磨油雾吹扫；第一组吹扫气嘴正对激光三角位移传感器的检测镜头端面，高速气流持续吹扫镜头表面，及时吹走附着的油滴和切屑，保持光学镜面清洁；第二组气嘴朝向传感器周边及孔槽内部，形成环形气幕屏障，阻挡切屑、油雾进入激光三角位移传感器检测区域；压缩空气可由机床气源统一供给，气路沿珩磨杆布设；该结构保障激光三角位移传感器在恶劣磨削环境中长期稳定工作，检测数据可靠性显著提升。

23、进一步地，所述滑座和第一尾座之间安装有光栅尺，所述光栅尺接入到控制器；由于仅依靠伺服电机自带编码器计算进给量，会因滚珠丝杆的螺距误差、反向间隙、弹性变形以及传动链磨损等因素，导致芯轴实际位移与理论位移存在偏差，最终影响油石径向涨缩精度；光栅尺直接安装在滑座与第一尾座之间，以第一尾座为固定基准，直接测量滑座的实际直线位移量，测量结果直接反馈给控制器；能够消除丝杆间隙、热伸长、机械变形等误差；控制器以光栅尺的反馈值作为进给控制依据，而非伺服电机编码器值，可将芯轴轴向进给定位精度提升至亚微米级，进而保证油石体径向涨缩尺寸的高精度控制。

24、进一步地，所述控制器内置有双补偿控制模型，所述控制器接收实际孔径数据，将其与预设目标孔径比对，并将油石体磨损补偿量与工件形变补偿量叠加计算得到芯轴的目标轴向进给量，向伺服电机的伺服驱动单元输出进给控制指令；调节油石体的径向涨缩量；通过对油石磨损和工件热变形分别算出径向补偿量，再转换成芯轴的轴向补偿位移，两个补偿位移直接代数相加，叠加孔径实测反馈的修正量，得到芯轴最终进给位置；其中，油石体越磨越小，需要芯轴多往前顶，补偿油石损耗；磨削发热工件孔径胀大，需要芯轴回撤，避免冷后孔径变小超差；控制器内的双补偿控制模型分别计算油石磨损对应的径向补偿量以及工件热形变对应的径向补偿量，依据预先标定的芯轴进给与油石径向涨缩的对应关系，将两类径向补偿量换算为芯轴的轴向补偿位移；两类轴向补偿位移相互叠加，再结合孔径检测单元实测孔径得到的闭环修正量，输出芯轴最终的目标进给量；油石产生磨损时补偿量使芯轴进给增大；工件受热发生孔径胀大时补偿量使芯轴进给减小；所述双补偿控制模型包括磨损补偿模块与热形变补偿模块；所述磨损补偿模块用于根据累计加工时长、磨削工艺参数实时计算油石体磨损量，并对应生成进给补偿量；所述热形变补偿子模块用于根据加工区域温度、工件壁厚参数计算工件孔径热形变量，并对应修正目标进给量。

25、采用双补偿控制模型，将孔径偏差拆解为油石磨损偏差和工件热形变偏差两个独立分量，分别计算补偿量后叠加输出；控制器先将实时采集的实际孔径与预设目标孔径做差，得到总偏差量；同时分别计算当前时刻的油石磨损补偿量和工件热形变补偿量；将孔径偏差与两项补偿量进行耦合运算，得到芯轴的目标轴向进给量；最终向伺服驱动单元发送脉冲指令，驱动伺服电机带动芯轴移动至目标位置，完成油石径向涨缩量的调节；双补偿控制模型避免了单一补偿的盲目性，例如工件热胀导致孔径偏大时，若按简单偏差补偿会错误地加大进给，导致冷却后孔径超差；而双补偿模型识别出热形变分量后，会修正目标进给量，保证冷却后孔径仍在公差范围内；工作过程具体如下：

26、磨损补偿模块具体如下：建立油石磨损速率数据库，输入参数包括累计加工时长、珩磨压力、往复速度、油石粒度、工件材料硬度等；磨损补偿模块根据当前工艺参数实时计算油石径向磨损速率，积分得到累计磨损量，再通过芯轴锥度比换算为芯轴轴向进给补偿量；油石磨损越严重，补偿进给量越大，始终保持油石有效切削直径稳定；

27、热形变补偿模块：通过温度传感器采集加工区域珩磨油或工件表面温度，结合工件壁厚、材料热膨胀系数，利用热弹性力学公式计算工件内孔的热胀变形量；磨削过程中工件温度升高，孔径胀大，模块根据热胀量反向修正目标进给量，避免热态下加工到尺寸、冷却后孔径收缩超差；加工结束降温阶段，模块同步递减补偿量，确保冷态孔径落在公差带内。

28、进一步地，所述控制器还内置有批次参数自适应模块，所述批次参数自适应模块记录同一批次工件的加工尺寸数据，迭代优化下一件工件的初始进给参数与补偿系数；由于同一批次工件虽然尺寸相同，但因毛坯余量、材料硬度、热处理状态存在离散性，若采用固定初始参数，每件工件的实际加工曲线会有差异，调整时间长，首件合格率低；为此，采用批次参数自适应模块进行同一批次工件的加工工艺适配，具体如下：记录每件工件的初始进给量、粗磨终止孔径、精磨终止孔径、实际补偿量、最终成品孔径等完整数据；对同批次历史数据进行统计回归，迭代更新磨损补偿系数、热形变补偿系数以及粗磨初始进给量；加工下一件工件时，直接采用优化后的参数作为初始值，减少加工过程中的动态调整幅度；随着加工件数增加，参数持续迭代收敛，同批次工件的尺寸一致性逐步提升，首件试切时间大幅缩短，批量生产的综合效率和合格率显著提高。

29、进一步地，所述控制器工作过程如下：

30、s1初始标定：装配精密珩磨工具后，标定并存储芯轴轴向进给量与油石体径向涨缩量的对应映射关系；即建立芯轴轴向位移与油石体径向涨缩的映射表，这是后续所有尺寸控制的基准；标定时，控制器驱动芯轴以固定步距进给，光栅尺记录轴向位移，孔径检测单元记录对应径向尺寸，生成校准曲线并存入控制器，会采用尺规进行精确测量，更换油石体或拆装珩磨头后只需重新标定一次；

31、s2粗磨加工：控制单元输出粗磨进给指令，驱动伺服电机带动芯轴进给至粗磨目标位置，刀体执行旋转与轴向往复运动，开展粗磨加工；以大进给量快速去除大部分加工余量，此时粗磨油石起主要作用，材料去除效率高；

32、s3实时闭环补偿：加工过程中，孔径检测单元实时采集内孔实际孔径数据并反馈至控制器；控制器通过双补偿控制模型计算动态补偿量，实时调整芯轴的轴向进给量，动态修正油石的径向涨缩尺寸；贯穿整个加工过程，双补偿控制模型持续工作，动态抵消油石磨损和热形变，保证孔径增长速率平稳可控；

33、s4精磨加工：当检测到实际孔径达到粗磨终止阈值时，控制单元切换至精磨进给参数，调整油石涨缩量至精磨目标位置，完成精磨加工；余量接近目标时自动切换精磨模式，减小涨缩量，降低切削压力，重点提升表面质量和尺寸精度；

34、s5加工终止：当实际孔径落入目标尺寸公差范围内时，控制器输出退刀指令，伺服电机带动芯轴回退，油石体径向收缩，加工工序结束；孔径进入公差带后自动退刀，避免过切，保证每件工件尺寸一致性，整个流程无需人工干预尺寸调节，加工稳定性和复现性好。

35、与现有技术相比，本发明的可控尺寸的精密珩磨工具及控制装置，具有以下优点：

36、1、伺服电机经滚珠丝杆驱动芯轴实现油石涨缩，搭配光栅尺全闭环位移反馈，珩磨旋转运动与油石涨缩进给完全独立，油石体径向尺寸可实现微米级精准调控，传动稳定无轴向窜动。

37、2、通过锥刀座内面与芯轴外面的坡面结构配合，同时，通过锥刀座内面t形卡筋与芯轴外面的t形槽配合，能够实现整个锥刀座各个位置进行等径外扩或内缩，整个调整线性度高。

38、3、采用反向双锥面配合交错布置的粗磨油石和精磨油石，单次往复行程即可实现前进粗磨、后退精磨，芯轴退至直线段时油石收缩完成安全退孔，加工效率显著提升，同时避免换刀带来的定位误差。

39、4、刀体内嵌孔径检测单元实现加工在位实时检测，配合双补偿控制模型分别对油石磨损、工件热形变进行独立补偿，消除离线检测的滞后性，内孔尺寸控制精度与加工稳定性显著提升；内置批次参数自适应模块可迭代优化同批次工件加工参数，配合可拆卸磨损补偿垫片延长油石使用寿命，批量加工尺寸一致性好，耗材维护成本低、设备停机时间短。