航空發（fā）動（dòng）機柱塞泵球（qiú）麵（miàn），離（lí）高精密加工（gōng）隻差一步！
#美麗（lì）新（xīn）妝：高精（jīng）密加工的終極奧秘揭秘（mì）！噓！
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01
序言
球麵配合作為飛機零部件一種典型的摩擦副，涉及零件（jiàn）較（jiào）多，常見於柱塞滑靴、球擋支（zhī）座（zuò）、球擋保持架（jià）等零件中（zhōng），傳統工藝路線中（zhōng），無論（lùn）是外球麵還是內（nèi）球麵，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量不穩（wěn）定等缺點（diǎn），成（chéng）為精加工過程的瓶頸。同時，零件球麵配合（hé）的精密級別會影響流量和壓力等性能指標，甚至兩者之（zhī）間的磨損會降低整泵的效率和壽命，因（yīn）此球（qiú）麵加工方法（fǎ）至關重（chóng）要。球麵加工（gōng）工藝流程為“粗加工→熱處理（lǐ）→（半精加（jiā）工）→精（jīng）加工（gōng）”，本文主要針對航空發動（dòng）機柱塞泵的一（yī）些典型球麵（miàn）結構和幾種常用的（de）精加工方法進行分析。從球麵加工的幾種方（fāng）法入（rù）手，分別對車削（xuē）、銑削、磨削和研磨工藝進行分析比較和客觀評價。
02
車削
利用（yòng）數控車床進行球麵加工的時候，通常采用軌跡法，即通過數控宏程序或點位編程確定加工（gōng）軌跡（jì），從而（ér）實現球麵加工，通常（cháng）要求機床具有（yǒu）較高的精度。
數控車床加工球麵一般用於銅製零件，應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，表麵（miàn）粗糙度值Ra＝0.4μm，由於後續（xù）球麵作（zuò）表麵熱處理，因此隻（zhī）對（duì）塗前加工作出要求（qiú）。
圖1 零件
刀具（jù）選擇：金剛石刀片（piàn）刀尖強度高（gāo），耐磨性及抗崩損性好，切削效（xiào）果優異（yì），可實現穩定、長壽命加工（gōng），適用於鋁合金、黃銅（tóng）等有色金屬、塑料的高（gāo）速加工以及（jí）硬質合金的車削加（jiā）工。刀尖采用35°菱形刀片，刀尖圓角R（0.1～0.2）mm。
精（jīng）車時轉速一（yī）般控製在2000r/min，進給（gěi）量0.015mm/r，通常半精車為精車工序留有加工餘量0.05～0.10mm，零件表麵粗糙度值Ra一般可控製在0.4μm以內。
此類零件加工後零件表麵粗糙度雖然符合要求，但（dàn）車工紋路明顯，後續（xù）可以通過光整工（gōng）序，將零件表麵（miàn）粗糙度值Ra降低至（zhì）0.1μm。
03
銑削
使用（yòng）銑刀銑削球麵（miàn），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（zhōng）心相交於一點，銑刀在零件表麵形成的軌跡就是球（qiú）麵的一部分（fèn），一（yī）般使用（yòng）端麵銑（xǐ）刀（dāo）和球頭銑刀，或通過使用無坐標加（jiā）工中心等多軸聯動設備實現銑（xǐ）削球麵，但是（shì）該方法對刀具和機床精（jīng）度要求比較高，一般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（fàn），主要（yào）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）本質上是磨具（jù）與工件成線接觸，接（jiē）觸線（xiàn）沿球（qiú）麵輪廓移動完成整個球麵的磨削。
圖2 軌跡法（fǎ）磨削
1）磨具：扁平型砂輪或將砂輪修成尖（jiān）形或半圓形。
2）安裝：零件裝（zhuāng）夾在心軸上，使用對頂磨削方式（shì），其連線與零件心軸同軸（zhóu）且與砂輪（lún）軸平行。
3）運動：砂輪起（qǐ）動後高速旋轉，零（líng）件與心軸低速轉動，同時圍繞另一垂直的球心線來回往（wǎng）複轉動。隨著砂輪的進給，展成磨削出球麵[2]。
4）特（tè）點：①適（shì）應（yīng）較大直徑或較（jiào）寬（kuān）的球麵磨削。②磨削抗力小。③球麵（miàn）輪廓精度（dù）決定（dìng）於數控機床的定位精度、運動精度和砂（shā）輪（lún）的形狀精度及係統的輪廓跟隨精度。④同一規格的砂輪可以磨削任何（hé）規格尺寸（cùn）的球體，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，不適合球（qiú）體的批量化和規模化生（shēng）產。
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（cǐ）方法要求機床至少具備1個直線進給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（xià）統稱為砂輪）。
2）安裝：砂輪旋轉軸心線和（hé）工件旋轉軸心線成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（sù）轉動，工件繞軸心線單方向低速（sù）轉動，隨著磨頭的工進磨削出整個球麵。
4）特點（diǎn）：磨削效率高，精度高、表麵粗糙度好是這種磨削方式的顯著優點。球麵的規格若有（yǒu）變化，砂輪尺寸（cùn）就需要變化。這種方式適合大批（pī）量生產球形零件的場合，經濟性較差。展成法磨削時，砂輪直徑大小與工（gōng）件球麵大（dà）小（xiǎo）尺寸（cùn）有關，如圖4所示（shì），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（wéi）圓球厚（hòu）度（mm），D砂為杯形砂輪直徑（mm）。
圖4 磨削示意
整（zhěng）個磨削過程，砂輪軸線中心必（bì）須通過工件球心。並且，最終進（jìn）給位置尺寸H與杯形砂輪（lún）內直徑D砂及工件球形直徑D的幾何尺（chǐ）寸關係為H＝（D2－D砂2）1/2/2，通過調節H值，即可實現磨削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（huò）大於1/2球麵，就必須把零件與砂輪調整成一定的角度，如圖5所（suǒ）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（shā）＝[D（D/2＋K）]1/2，工件球徑大於半（bàn）圓時（shí）K為正值，小於半（bàn）圓時K為負值。杯形砂輪最大內（nèi）徑（jìng）D砂＝{D[D＋（D2－d2）1/2]/2}1/2。砂輪軸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。
從上文可以看出，砂輪在磨（mó）削（xuē）球麵（miàn）時，砂輪（lún）直徑取值是在一定的範圍內，砂輪（lún）線速度能夠正（zhèng）常磨削零件，並且不能與機（jī）床零部件（jiàn）產生幹涉，最大限度選擇砂輪內徑（jìng）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（wéi）延長砂輪磨削壽命，一般情況需要將杯形砂輪內（nèi）孔修成斜麵。
砂輪的（de）內孔用金剛石修（xiū）整。磨削外球麵時，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（yí）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。展成法磨削柱塞球麵加工（gōng）參數見表1。
加工時，應保證砂（shā）輪軸線與工件軸線（xiàn）等高，以保證（zhèng）加（jiā）工球麵（miàn）的圓度，加工後的紋路呈交叉網紋。當零件表麵呈凹凸狀花紋時，表明砂輪中心高於或低於工件中心。
表（biǎo）1 展成法磨削柱（zhù）塞球麵加工參數
內圓磨削和外圓磨（mó）削的方法類似，計算方式也相（xiàng）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（qiú）形（xíng），零件為凸球形，且砂輪球形與零件球形直徑相等（děng），如圖6所示（shì）。
1）磨具：成型砂輪。
2）運動：在磨削過程中，工件按C向轉動，砂輪高速回轉，並且沿（yán）X軸進（jìn）給，不能在Z軸上移動。
3）特點：①砂輪（lún）的寬度必須大於零件（jiàn）的厚度。②砂輪磨削寬（kuān）度越大，零件磨削（xuē）阻力就越大。③零件輪廓度的精度（dù），取決於砂輪的形（xíng）狀精度和機床進給的位置精度。④通常情況下，一種零（líng）件對應一種成型砂輪，均為專用。⑤磨削（xuē）過程中，砂輪和零件均不能在Z方向上移動，加工完（wán）成後，零件的表麵（miàn）粗糙度值比較大。
圖6 成型磨削示意
成型磨削，零件的球（qiú）麵直徑不能過大，比較適合小球麵的磨削[4]，機床X軸（zhóu）的進給精度要求高，該方法磨削效率（lǜ）高，適合大批生產。由於成型磨削一般要求（qiú）將工件型麵一步（bù）加工完成，所以砂輪（lún）一般采用CBN材（cái）質的（de）砂輪，材質較硬，砂輪磨損小，磨削後的表麵質量較高，對於高硬（yìng）鋼，其表麵粗糙度值Ra通常可以保證在0.1μm以內。成型磨削（xuē）柱塞球（qiú）麵加工參數見表2。
05
研磨
研磨主要是針對高（gāo）精球麵加工（gōng）采用的一種方法，通常球麵（miàn）要求有較優的輪廓度及（jí）尺寸公差。一般研磨方法（fǎ）可分為手工研磨和機械研（yán）磨。手工研磨球（qiú）麵的勞動量大，且效率低，加工精度不穩定（dìng）。零件輪廓度由研磨球（qiú）和零件（jiàn）的相互（hù）運（yùn）動決定，如果（guǒ）有較高的精度要（yào）求，就需要頻繁調整。當研磨球表麵積（jī）大於零（líng）件被加（jiā）工表麵積時，零件的輪廓度取決於研磨球本身，而研磨球比零件硬（yìng）度低，消耗量比較（jiào）大，一般每件零件需要使用1個或多個研（yán）磨（mó）球，成本較高。
機械（xiè）研磨加工原理與（yǔ）磨削類似（sì），不同的（de）是（shì）研磨時所用器（qì）具由砂輪改成了鑄鐵研具或裝有軟磨條的磨條（tiáo）頭。具有以下特點：①因為研磨球一般使用（yòng）鑄鐵材料，且手工研磨（mó），磨削力較小，所以加工過程產生的變形較小，可以達到較高的精（jīng）度。②研磨方（fāng）法加工的零件表麵耐蝕（shí）性和耐磨（mó）性能好。③可以根據研具的形（xíng）狀加工不同形狀的零件（jiàn）。④操作簡單，不需要複雜的機（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
結束語
航空發動機柱塞（sāi）泵零件的（de）球（qiú）麵結構很多，如保持架外球麵、保持架內球麵、球擋鋼球麵（miàn）、球擋銅球麵（miàn）、滑靴內（nèi）球麵、柱塞（sāi）外球麵和（hé）支座內球麵。本文通（tōng）過對此類（lèi）典型（xíng）零件（jiàn）進行車削（xuē）、銑削（xuē）、磨削（xuē）及研磨等（děng）工藝試驗，摸索出（chū）合適的球麵加工方法（fǎ），並發揮磨削（xuē）加工的優勢，使用機械研磨替代手工研磨，提高球麵加工效率（lǜ），縮短加工周期，保證最終產品的質（zhì）量穩定性。
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本文發表於《金屬加工（冷加（jiā）工（gōng））》2023年（nián）第10期42~44頁，作（zuò）者：中國航發北京航科（kē）發動機控製係統科技有限公司王濤（tāo），孫思貴，原標題：《航空發動機柱塞泵球麵的精密加工方（fāng）法》。
#高精密（mì）加工#創意設計（jì）#細致感（gǎn）#挑戰自（zì）我#創意改變生活（huó）編輯：能看正能量的短视频app精密加工（gōng）http://www.artisan-tek.cn/
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