航空發(fā)動機(jī)柱塞泵球面，離高精密加工只差一步！
#美麗新妝：高精密加工的終極奧秘揭秘！噓！
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01
序言
球面配合作為飛機(jī)零部件一種典型的摩擦副，涉及零件較多，常見于柱塞滑靴、球擋支座、球擋保持架等零件中，傳統(tǒng)工藝路線中，無論是外球面還是內(nèi)球面，多以手工研磨作為最終的精加工工序，而手工研磨存在效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點，成為精加工過程的瓶頸。同時，零件球面配合的精密級別會影響流量和壓力等性能指標(biāo)，甚至兩者之間的磨損會降低整泵的效率和壽命，因此球面加工方法至關(guān)重要。球面加工工藝流程為“粗加工→熱處理→（半精加工）→精加工”，本文主要針對航空發(fā)動機(jī)柱塞泵的一些典型球面結(jié)構(gòu)和幾種常用的精加工方法進(jìn)行分析。從球面加工的幾種方法入手，分別對車削、銑削、磨削和研磨工藝進(jìn)行分析比較和客觀評價。
02
車削
利用數(shù)控車床進(jìn)行球面加工的時候，通常采用軌跡法，即通過數(shù)控宏程序或點位編程確定加工軌跡，從而實現(xiàn)球面加工，通常要求機(jī)床具有較高的精度。
數(shù)控車床加工球面一般用于銅制零件，應(yīng)用最為廣泛的是球擋類零件，材料QSn7-0.2，此類零件（見圖1）球徑公差一般在0.015mm以內(nèi)，表面粗糙度值Ra＝0.4μm，由于后續(xù)球面作表面熱處理，因此只對涂前加工作出要求。
圖1 零件
刀具選擇：金剛石刀片刀尖強(qiáng)度高，耐磨性及抗崩損性好，切削效果優(yōu)異，可實現(xiàn)穩(wěn)定、長壽命加工，適用于鋁合金、黃銅等有色金屬、塑料的高速加工以及硬質(zhì)合金的車削加工。刀尖采用35°菱形刀片，刀尖圓角R（0.1～0.2）mm。
精車時轉(zhuǎn)速一般控制在2000r/min，進(jìn)給量0.015mm/r，通常半精車為精車工序留有加工余量0.05～0.10mm，零件表面粗糙度值Ra一般可控制在0.4μm以內(nèi)。
此類零件加工后零件表面粗糙度雖然符合要求，但車工紋路明顯，后續(xù)可以通過光整工序，將零件表面粗糙度值Ra降低至0.1μm。
03
銑削
使用銑刀銑削球面，銑刀與零件同時旋轉(zhuǎn)，同時銑刀的旋轉(zhuǎn)中心與零件的旋轉(zhuǎn)中心相交于一點，銑刀在零件表面形成的軌跡就是球面的一部分，一般使用端面銑刀和球頭銑刀，或通過使用無坐標(biāo)加工中心等多軸聯(lián)動設(shè)備實現(xiàn)銑削球面，但是該方法對刀具和機(jī)床精度要求比較高，一般生產(chǎn)車間應(yīng)用比較少。
04
磨削
球面磨削方法[1]的應(yīng)用比較廣泛，主要有軌跡法、展成法、成型法三種。
4.1軌跡法磨削
軌跡法磨削（見圖2）本質(zhì)上是磨具與工件成線接觸，接觸線沿球面輪廓移動完成整個球面的磨削。
圖2 軌跡法磨削
1）磨具：扁平型砂輪或?qū)⑸拜喰蕹杉庑位虬雸A形。
2）安裝：零件裝夾在心軸上，使用對頂磨削方式，其連線與零件心軸同軸且與砂輪軸平行。
3）運動：砂輪起動后高速旋轉(zhuǎn)，零件與心軸低速轉(zhuǎn)動，同時圍繞另一垂直的球心線來回往復(fù)轉(zhuǎn)動。隨著砂輪的進(jìn)給，展成磨削出球面[2]。
4）特點：①適應(yīng)較大直徑或較寬的球面磨削。②磨削抗力小。③球面輪廓精度決定于數(shù)控機(jī)床的定位精度、運動精度和砂輪的形狀精度及系統(tǒng)的輪廓跟隨精度。④同一規(guī)格的砂輪可以磨削任何規(guī)格尺寸的球體，磨料用量少，投資小，經(jīng)濟(jì)性好。但砂輪與零件為線接觸，磨削效率低，不適合球體的批量化和規(guī)模化生產(chǎn)。
4.2展成法磨削
展成法磨削（見圖3）球面又稱為范成法，此方法要求機(jī)床至少具備1個直線進(jìn)給X軸和1個帶動工件轉(zhuǎn)動的C軸。
圖3 展成法磨削
1）磨具：杯形砂輪或碗狀砂盤（以下統(tǒng)稱為砂輪）。
2）安裝：砂輪旋轉(zhuǎn)軸心線和工件旋轉(zhuǎn)軸心線成α角，交點為被加工球體的球心。
3）運動：砂輪繞磨頭主軸軸心線高速轉(zhuǎn)動，工件繞軸心線單方向低速轉(zhuǎn)動，隨著磨頭的工進(jìn)磨削出整個球面。
4）特點：磨削效率高，精度高、表面粗糙度好是這種磨削方式的顯著優(yōu)點。球面的規(guī)格若有變化，砂輪尺寸就需要變化。這種方式適合大批量生產(chǎn)球形零件的場合，經(jīng)濟(jì)性較差。展成法磨削時，砂輪直徑大小與工件球面大小尺寸有關(guān)，如圖4所示，L≤D砂≤（D2－d2）1/2，其中D為球面直徑（mm），d為心軸直徑（mm），L為圓球厚度（mm），D砂為杯形砂輪直徑（mm）。
圖4 磨削示意
整個磨削過程，砂輪軸線中心必須通過工件球心。并且，最終進(jìn)給位置尺寸H與杯形砂輪內(nèi)直徑D砂及工件球形直徑D的幾何尺寸關(guān)系為H＝（D2－D砂2）1/2/2，通過調(diào)節(jié)H值，即可實現(xiàn)磨削不同直徑的球面工件。同理，根據(jù)首件加工后的球徑值可推導(dǎo)出進(jìn)給量?H值，即?H＝[（D12－D砂2）1/2－（D2－D砂2）1/2]/2。
如果加工的零件是1/2球面或大于1/2球面，就必須把零件與砂輪調(diào)整成一定的角度，如圖5所示。
a）第一種情況
b）第二種情況
圖5 磨削情況分析
杯形砂輪直徑D砂＝[D（D/2＋K）]1/2，工件球徑大于半圓時K為正值，小于半圓時K為負(fù)值。杯形砂輪最大內(nèi)徑D砂＝{D[D＋（D2－d2）1/2]/2}1/2。砂輪軸線與球面工件軸線對應(yīng)夾角α＝arcsin（D砂/D），α的選擇范圍為arcsin（1/2＋K/D）1/2≤α≤arcsin{[D＋（D2－d2）1/2]/（2D）}1/2。
從上文可以看出，砂輪在磨削球面時，砂輪直徑取值是在一定的范圍內(nèi)，砂輪線速度能夠正常磨削零件，并且不能與機(jī)床零部件產(chǎn)生干涉，最大限度選擇砂輪內(nèi)徑D砂，切削液可以從零件側(cè)面進(jìn)入砂輪內(nèi)孔，可以最大程度上起到冷卻效果。為延長砂輪磨削壽命，一般情況需要將杯形砂輪內(nèi)孔修成斜面。
砂輪的內(nèi)孔用金剛石修整。磨削外球面時，砂輪孔徑可選計算值稍小一些，以便精確修整到要求的尺寸。砂輪宜選用較軟的砂輪（K級、L級），vs取15～20m/s，vW取1～5m/min，粗磨時ap＝0.02～0.04mm，精磨時ap＝0.002～0.005mm。展成法磨削柱塞球面加工參數(shù)見表1。
加工時，應(yīng)保證砂輪軸線與工件軸線等高，以保證加工球面的圓度，加工后的紋路呈交叉網(wǎng)紋。當(dāng)零件表面呈凹凸?fàn)罨y時，表明砂輪中心高于或低于工件中心。
表1 展成法磨削柱塞球面加工參數(shù)
內(nèi)圓磨削和外圓磨削的方法類似，計算方式也相同。
4.3成型磨削
成型磨削[3]就是將砂輪修成圓弧形狀，砂輪修整成凹球形，零件為凸球形，且砂輪球形與零件球形直徑相等，如圖6所示。
1）磨具：成型砂輪。
2）運動：在磨削過程中，工件按C向轉(zhuǎn)動，砂輪高速回轉(zhuǎn)，并且沿X軸進(jìn)給，不能在Z軸上移動。
3）特點：①砂輪的寬度必須大于零件的厚度。②砂輪磨削寬度越大，零件磨削阻力就越大。③零件輪廓度的精度，取決于砂輪的形狀精度和機(jī)床進(jìn)給的位置精度。④通常情況下，一種零件對應(yīng)一種成型砂輪，均為專用。⑤磨削過程中，砂輪和零件均不能在Z方向上移動，加工完成后，零件的表面粗糙度值比較大。
圖6 成型磨削示意
成型磨削，零件的球面直徑不能過大，比較適合小球面的磨削[4]，機(jī)床X軸的進(jìn)給精度要求高，該方法磨削效率高，適合大批生產(chǎn)。由于成型磨削一般要求將工件型面一步加工完成，所以砂輪一般采用CBN材質(zhì)的砂輪，材質(zhì)較硬，砂輪磨損小，磨削后的表面質(zhì)量較高，對于高硬鋼，其表面粗糙度值Ra通?？梢员ＷC在0.1μm以內(nèi)。成型磨削柱塞球面加工參數(shù)見表2。
05
研磨
研磨主要是針對高精球面加工采用的一種方法，通常球面要求有較優(yōu)的輪廓度及尺寸公差。一般研磨方法可分為手工研磨和機(jī)械研磨。手工研磨球面的勞動量大，且效率低，加工精度不穩(wěn)定。零件輪廓度由研磨球和零件的相互運動決定，如果有較高的精度要求，就需要頻繁調(diào)整。當(dāng)研磨球表面積大于零件被加工表面積時，零件的輪廓度取決于研磨球本身，而研磨球比零件硬度低，消耗量比較大，一般每件零件需要使用1個或多個研磨球，成本較高。
機(jī)械研磨加工原理與磨削類似，不同的是研磨時所用器具由砂輪改成了鑄鐵研具或裝有軟磨條的磨條頭。具有以下特點：①因為研磨球一般使用鑄鐵材料，且手工研磨，磨削力較小，所以加工過程產(chǎn)生的變形較小，可以達(dá)到較高的精度。②研磨方法加工的零件表面耐蝕性和耐磨性能好。③可以根據(jù)研具的形狀加工不同形狀的零件。④操作簡單，不需要復(fù)雜的機(jī)床。⑤可以加工各種材料的零件，也可以有較高的精度要求。
06
結(jié)束語
航空發(fā)動機(jī)柱塞泵零件的球面結(jié)構(gòu)很多，如保持架外球面、保持架內(nèi)球面、球擋鋼球面、球擋銅球面、滑靴內(nèi)球面、柱塞外球面和支座內(nèi)球面。本文通過對此類典型零件進(jìn)行車削、銑削、磨削及研磨等工藝試驗，摸索出合適的球面加工方法，并發(fā)揮磨削加工的優(yōu)勢，使用機(jī)械研磨替代手工研磨，提高球面加工效率，縮短加工周期，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)：
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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2023年第10期42~44頁，作者：中國航發(fā)北京航科發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司王濤，孫思貴，原標(biāo)題：《航空發(fā)動機(jī)柱塞泵球面的精密加工方法》。
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