航空發動（dòng）機柱塞泵球（qiú）麵，離高精密加工隻差（chà）一（yī）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（qiú）麵配（pèi）合作為飛機零（líng）部件一種典型的摩擦副，涉及零（líng）件較多（duō），常見於柱塞滑靴、球擋（dǎng）支座、球擋（dǎng）保（bǎo）持架等（děng）零件中，傳統工（gōng）藝路線中，無論是外球麵還是內球麵，多以手工研磨作為最終的精（jīng）加工工（gōng）序（xù），而手工研（yán）磨存在效率低且質量不穩定等缺點，成為精加工過程的（de）瓶頸。同時，零件球麵配合的精密級別會影（yǐng）響流量和壓力等性能指標（biāo），甚至（zhì）兩者之間的磨損會降低整泵的效（xiào）率和壽命，因此球麵加工方（fāng）法至關重要。球麵加工工藝流程為“粗加工→熱處理（lǐ）→（半精加（jiā）工）→精加工”，本文主要針對航空發動機（jī）柱塞泵的一些典型球麵結構和幾種常（cháng）用的精加工方法進行分析。從球（qiú）麵加工的幾種方法入手，分別（bié）對車（chē）削、銑（xǐ）削、磨削（xuē）和研磨工藝進行分析比較和客觀評價（jià）。
02
車削
利用數控車床進行球麵加工的（de）時候，通常采用（yòng）軌（guǐ）跡法，即通過數控宏（hóng）程序或（huò）點位編程確（què）定加工軌（guǐ）跡，從而實現球麵加工，通常要求機床具有較高的精度。
數控車床加工球（qiú）麵一般用（yòng）於銅製零（líng）件，應用最為廣泛的是球擋類零件，材料（liào）QSn7-0.2，此類零件（見圖1）球徑公差一般在0.015mm以內，表麵粗（cū）糙度值Ra＝0.4μm，由於後續球麵（miàn）作表麵熱處理，因此隻對塗前加（jiā）工作（zuò）出（chū）要求。
圖1 零件
刀具選擇：金（jīn）剛石刀（dāo）片刀尖強度高，耐磨性及抗崩損性好，切削（xuē）效果優異，可實現穩定、長壽命（mìng）加工，適用於鋁合金、黃銅等（děng）有色金屬、塑料（liào）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（jiǎo）R（0.1～0.2）mm。
精車時轉速一般控製在（zài）2000r/min，進給量0.015mm/r，通常半精車為精車工（gōng）序留有加工餘量0.05～0.10mm，零件（jiàn）表麵粗糙度值Ra一（yī）般可控製在0.4μm以內。
此類零件加（jiā）工後零件表麵粗糙度雖然符合要求（qiú），但車工紋路明顯，後續可以通（tōng）過光整工序，將零件表麵（miàn）粗糙度值Ra降低至0.1μm。
03
銑削
使用銑刀銑削球麵，銑刀與零件同時旋轉，同時銑刀的旋轉中心與零件（jiàn）的旋轉中心相（xiàng）交於一（yī）點，銑刀在零件表麵形成的軌跡就是球麵的一部分，一般使用端麵銑（xǐ）刀（dāo）和球（qiú）頭銑（xǐ）刀，或通過使用無坐標加工中心（xīn）等多軸（zhóu）聯動設備實現（xiàn）銑削球麵，但是該方法（fǎ）對（duì）刀具和機床精度要求比較高，一般（bān）生產車間應用比較少。
04
磨削
球麵磨削方法[1]的應用比較廣泛，主要（yào）有軌跡法、展成法、成型法三（sān）種。
4.1軌跡（jì）法磨削
軌跡法磨削（見圖2）本質上是磨具與工件成線接觸，接觸線沿球麵輪廓移動完成整個球麵的磨削。
圖2 軌跡法磨削（xuē）
1）磨具（jù）：扁（biǎn）平型砂輪（lún）或將砂輪（lún）修成尖形或半圓形。
2）安裝：零（líng）件裝夾在心軸上，使用對頂磨（mó）削方式，其連線與零件心軸同軸且與（yǔ）砂輪軸平行。
3）運動：砂輪起動後高速旋轉（zhuǎn），零件與心軸低速轉動，同時圍繞另一垂直的球心線來回往複轉動。隨著砂輪（lún）的進（jìn）給，展成磨削出球麵（miàn）[2]。
4）特（tè）點：①適應較大直（zhí）徑或較寬的球麵磨（mó）削。②磨削抗力（lì）小。③球麵輪廓（kuò）精度決定於數控機（jī）床的定位（wèi）精度、運動精（jīng）度和砂輪的形狀精度及係統的輪廓（kuò）跟隨精度（dù）。④同一規格的砂輪可（kě）以（yǐ）磨（mó）削任何規格尺寸的球（qiú）體，磨料用量少，投資小，經濟性好。但砂輪與零件為線接觸，磨削效率低，不適合（hé）球體的批量化和規模化（huà）生產（chǎn）。
4.2展成法磨削
展成法磨削（見圖（tú）3）球麵又稱為範成法，此方法要求（qiú）機床至少具備1個直線進給X軸和1個帶動工（gōng）件轉動的C軸。
圖（tú）3 展成法磨削
1）磨具：杯形砂輪或碗狀砂盤（以下統稱為砂輪）。
2）安裝：砂（shā）輪旋轉軸心線和工件旋轉軸心線成α角，交（jiāo）點為被加工球體的（de）球心。
3）運（yùn）動：砂輪（lún）繞磨頭主軸軸心線高速轉（zhuǎn）動，工件（jiàn）繞軸心線單方向低速（sù）轉動，隨著（zhe）磨（mó）頭的工進磨削出整個球麵。
4）特點：磨削效（xiào）率高，精度高、表麵粗糙度好是這種磨削方式的顯著優點。球麵的（de）規格若有變化，砂輪尺寸就需要變化。這種方式適合大（dà）批量生產球形零件的場合，經濟性較差。展（zhǎn）成法磨削時，砂輪直徑大小與工件球麵大小尺寸有關，如圖4所示，L≤D砂≤（D2－d2）1/2，其中D為球麵直徑（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（shì）意
整個（gè）磨削過程，砂輪軸線中心必須通過工件球心。並且，最終進給位置尺寸H與杯形砂（shā）輪內直徑D砂及工（gōng）件球形直徑D的幾何尺寸關係為H＝（D2－D砂2）1/2/2，通過調節H值，即可實（shí）現（xiàn）磨削（xuē）不同直徑的球麵工件。同理，根據首件加工後的球徑值（zhí）可推導出進給量∆H值，即∆H＝[（D12－D砂2）1/2－（D2－D砂2）1/2]/2。
如果加（jiā）工的零件是1/2球麵或大於1/2球麵（miàn），就必須把（bǎ）零件與砂輪調整成一定的角度，如圖5所示。
a）第一種情（qíng）況（kuàng）
b）第（dì）二種情況
圖5 磨（mó）削情況分析
杯形砂輪直徑D砂（shā）＝[D（D/2＋K）]1/2，工件球徑大於半圓時K為正值，小於半圓時K為負值。杯形砂輪最大內徑D砂＝{D[D＋（D2－d2）1/2]/2}1/2。砂輪軸（zhóu）線與球麵工件軸線對應夾角α＝arcsin（D砂/D），α的選擇範圍為arcsin（1/2＋K/D）1/2≤α≤arcsin{[D＋（D2－d2）1/2]/（2D）}1/2。
從（cóng）上文可以看出，砂輪在磨削球麵（miàn）時，砂輪直徑取值是在一定的範圍內，砂輪線速度能夠正常（cháng）磨削零件，並且不能與機床零部件產生（shēng）幹涉，最大限度選擇砂輪內徑D砂，切削液可以從零件側麵進入砂輪內孔，可以最大程度上起到冷卻效果。為延長（zhǎng）砂輪磨削壽命，一般情況需要將杯形砂（shā）輪內孔修成斜麵。
砂輪的內孔用金剛石修（xiū）整。磨削外球麵時，砂輪孔徑可選（xuǎn）計算值稍（shāo）小一些，以便精確修整到要求的（de）尺寸。砂（shā）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（fǎ）磨削柱（zhù）塞球麵加工參數見表1。
加工時，應保證砂輪軸線與工件軸線等高，以保證加工球麵的圓度，加工後的紋路呈交叉網紋。當零（líng）件表麵呈凹凸狀花紋時，表明（míng）砂輪中心高（gāo）於或低於工件中（zhōng）心。
表1 展成法磨削（xuē）柱（zhù）塞球（qiú）麵加工參數
內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（jiù）是將砂輪修成圓弧形（xíng）狀（zhuàng），砂輪修整成凹球形，零件為凸球形（xíng），且砂輪球形（xíng）與零件球形直徑相等，如圖6所示。
1）磨具：成型砂輪（lún）。
2）運動：在磨削過程中，工件按C向轉動，砂輪高速回轉，並（bìng）且沿X軸進給，不能在Z軸（zhóu）上（shàng）移動。
3）特點：①砂輪的寬度必須大於零件（jiàn）的厚度。②砂（shā）輪磨（mó）削寬度越大（dà），零件磨削阻力就越大。③零件輪廓度的精度，取決（jué）於砂輪的形（xíng）狀精度和機床進給的位置精度。④通常情況下（xià），一種零件（jiàn）對應一種成型砂輪，均為專用（yòng）。⑤磨削過程中，砂輪和零（líng）件均不能在Z方向上移動，加工（gōng）完成後，零件的表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）比較大。
圖6 成型磨削示意
成型磨削，零件（jiàn）的球麵直徑不能過（guò）大，比較適合（hé）小球麵的磨削[4]，機床（chuáng）X軸的進給精度要（yào）求高，該方法磨削效率高（gāo），適合大批生產。由（yóu）於成型磨削一般要求將工件型麵一步（bù）加工完成（chéng），所（suǒ）以砂輪（lún）一般采用CBN材質的砂輪，材質較硬，砂（shā）輪磨損小，磨削後的表麵質量較高，對於高硬鋼，其表麵粗糙度值Ra通常可以保證在0.1μm以內。成型磨削柱塞球麵加工參數見表2。
05
研磨
研磨主要是針（zhēn）對高精球麵加工采用（yòng）的一種方法，通常球麵要求有（yǒu）較優的輪廓度（dù）及尺寸公差。一般研（yán）磨方法可分為手工研磨和機械研磨。手工研磨球麵的勞動量大，且效率低，加工精度不穩定。零件輪廓度由研磨球和（hé）零件的相互運動決定，如果（guǒ）有較高的精度要求，就需要頻繁調整。當研磨球表麵積大於（yú）零（líng）件被加工表麵積（jī）時，零件的輪廓度取決於研磨球本身，而研（yán）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（gè）或多個（gè）研磨球，成（chéng）本較高。
機械研磨加工原理（lǐ）與磨削類似，不同的是研磨時所（suǒ）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（yǐ）下（xià）特（tè）點：①因為研磨球一般使用鑄鐵材料，且手工研磨，磨削力較（jiào）小，所以加工過程產生的變（biàn）形較小，可以達到較高的（de）精度。②研（yán）磨方法（fǎ）加工的零件表麵耐蝕性和耐磨性能好（hǎo）。③可以根據研（yán）具的形狀加工不（bú）同形狀（zhuàng）的零件。④操作簡單，不需要複雜的機床（chuáng）。⑤可（kě）以加工（gōng）各種材料的零件，也可以（yǐ）有較高的精度要求。
06
結束（shù）語
航空發動機柱塞泵零件的球麵結構很多，如保持架外球麵、保持（chí）架內球麵、球擋鋼球麵、球擋銅球麵、滑（huá）靴內球麵（miàn）、柱塞外球麵和支座內球麵（miàn）。本（běn）文通過（guò）對此（cǐ）類典型零件進行車削、銑削、磨削及研磨等工藝試驗，摸索出（chū）合適的球麵加工方法，並（bìng）發揮磨削加工的優勢，使用機械研磨（mó）替代手工（gōng）研磨，提高（gāo）球麵加工效率，縮短（duǎn）加工周期，保證最終產品的質量穩（wěn）定性。
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本文發表於《金屬加工（冷加工）》2023年第10期42~44頁，作者：中國（guó）航發北京航科發（fā）動機控（kòng）製係（xì）統科技有限公司王濤，孫思貴，原標題：《航空發動機柱塞泵球麵的精密加工方法》。
#高精密加工#創意設計#細致感#挑戰自我#創（chuàng）意改變（biàn）生活編輯：藝（yì）匠精密加工http://www.artisan-tek.cn/
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