航空發動（dòng）機柱塞（sāi）泵球麵，離（lí）高精密加工隻差一步！
#美麗新妝：高精密加工的終極奧秘揭秘！噓！
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01
序言
球麵配合（hé）作為飛機零部件一種典型的（de）摩（mó）擦副，涉及零件較多，常見（jiàn）於（yú）柱塞（sāi）滑靴（xuē）、球擋支座、球擋（dǎng）保持（chí）架等零件中，傳統工藝路線中，無論是外球麵還是內球麵（miàn），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（píng）頸。同時（shí），零件球麵配合（hé）的精密級別會影響流量和壓力等（děng）性能指標，甚至兩者之間的（de）磨損會降低整泵的效率和壽命，因此球麵加工方法至關重要。球（qiú）麵加工工藝流程為“粗加工→熱處理→（半精加工）→精加工”，本（běn）文主要針（zhēn）對航空發動（dòng）機柱塞泵的（de）一些典型球麵結構和幾種常用的精加工方法進行分析。從球（qiú）麵加工的幾種方法入手，分別對車削、銑削、磨削和研磨工（gōng）藝進行分析比較和客觀評價。
02
車削
利用數控車床進（jìn）行球麵加工的時候，通常采用（yòng）軌跡法，即通過（guò）數控宏程序或點（diǎn）位編程（chéng）確定（dìng）加工軌跡，從而實現球麵加工，通常要求機床具有較高的精度。
數控車床加工球麵一般用於銅製零件，應用最（zuì）為廣泛的（de）是球（qiú）擋（dǎng）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（nèi），表麵粗糙度（dù）值（zhí）Ra＝0.4μm，由於後續球麵（miàn）作表麵熱處理，因此隻對塗前加工作出要求。
圖1 零件
刀具選（xuǎn）擇：金剛石刀片刀尖強度高，耐磨性及抗崩損性好，切削（xuē）效果優異，可實現穩定、長（zhǎng）壽命加工，適用於鋁合金（jīn）、黃銅（tóng）等有色金屬、塑料的高速加工以及硬質合金的車削加工。刀尖采用35°菱形刀片（piàn），刀尖圓角R（0.1～0.2）mm。
精車時轉速一般控製在2000r/min，進給量0.015mm/r，通常半精（jīng）車為精車工（gōng）序留有加（jiā）工餘量（liàng）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，但車（chē）工紋路明顯，後續可以通過（guò）光整工序，將零件（jiàn）表麵粗糙度值Ra降低至0.1μm。
03
銑削
使用銑刀銑削球麵，銑刀與（yǔ）零件同時旋轉，同時銑刀（dāo）的旋轉中心（xīn）與零件的旋轉中心相交（jiāo）於一點，銑刀在零件（jiàn）表麵形成的軌跡就是球麵的一部分（fèn），一般使用端麵銑刀和球頭銑刀，或通過使用無坐標加工中心等多軸聯動設備實現銑削球麵（miàn），但是該（gāi）方法對刀具和機床精度要求（qiú）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，主要有軌跡（jì）法、展（zhǎn）成法、成型法三種。
4.1軌跡法磨（mó）削
軌跡法（fǎ）磨削（見圖2）本質上是（shì）磨具與工件成線接觸（chù），接觸線沿球麵（miàn）輪廓移動（dòng）完成整個球麵的磨削。
圖2 軌（guǐ）跡法磨削
1）磨具：扁平型砂輪（lún）或（huò）將（jiāng）砂輪修成尖形或半（bàn）圓形。
2）安裝：零件裝夾在心軸上，使用對頂磨削方式，其連線（xiàn）與零件心軸同軸且與砂輪（lún）軸平行。
3）運動：砂（shā）輪起（qǐ）動（dòng）後高速（sù）旋轉，零件與心（xīn）軸低速轉動，同時圍繞另一（yī）垂（chuí）直的球心線來（lái）回往複轉動。隨著砂輪的進給，展成磨削出球麵[2]。
4）特點：①適應較（jiào）大直徑（jìng）或較寬的球麵磨削。②磨削抗力小。③球麵輪廓精度決定於數控機床（chuáng）的定位（wèi）精度、運動精度（dù）和砂輪的形狀精度及係統的輪（lún）廓跟隨精度。④同一規格的砂輪可以磨削任何規格尺（chǐ）寸的球體，磨料用量少，投資小，經濟性好。但砂輪（lún）與零件為（wéi）線接觸，磨削效率低，不適合球體的批量化和規模化（huà）生產。
4.2展成法磨削
展成法磨削（見圖3）球麵又稱為範成法，此方法要求機床至少具備1個直線進給X軸和1個帶動工件轉動（dòng）的C軸。
圖3 展成（chéng）法磨削（xuē）
1）磨具：杯形砂輪或（huò）碗（wǎn）狀砂盤（以下統稱為砂輪）。
2）安裝：砂輪（lún）旋轉軸心線和工件旋（xuán）轉軸心線成α角，交點（diǎn）為被加工球體的球心。
3）運動：砂輪繞磨頭主軸軸（zhóu）心線高速轉動，工件繞軸心（xīn）線單方向低速轉動，隨著磨頭的工進磨削出整個（gè）球麵。
4）特點：磨削效率高，精度高、表麵粗糙度好（hǎo）是這種磨削方式的顯著優點。球麵的規（guī）格若有變化（huà），砂輪尺寸就需要變化。這種方式適合大批量生產球形（xíng）零（líng）件的場合，經濟性較差。展成法（fǎ）磨削時，砂（shā）輪直徑大（dà）小與工（gōng）件球麵大小尺寸（cùn）有關，如圖4所示，L≤D砂≤（D2－d2）1/2，其中D為球（qiú）麵直徑（mm），d為心軸直徑（mm），L為（wéi）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（jiàn）球心。並且，最（zuì）終進給位置尺寸H與杯形砂輪內直徑D砂（shā）及工件球形（xíng）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（jiàn）。同理，根據首件加工後的球徑值可推導出進給量∆H值，即∆H＝[（D12－D砂2）1/2－（D2－D砂2）1/2]/2。
如果加工的零件是1/2球麵或大於1/2球麵，就必須（xū）把零件與砂輪調整成一定的角度，如圖5所示。
a）第一種情況
b）第二（èr）種情況
圖5 磨削情況分析
杯形砂輪直（zhí）徑D砂＝[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。砂輪軸線與球麵工件軸線對（duì）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，砂輪在磨削球麵時，砂輪直徑取值是在一定的範（fàn）圍內，砂輪線速度能夠正常磨削零件，並且不能與機床零部件（jiàn）產生幹涉（shè），最大（dà）限度選擇砂輪內徑D砂，切削液可以從零件側麵（miàn）進入砂輪內孔，可以最（zuì）大程度上起到冷（lěng）卻（què）效果。為延長砂輪磨削壽命（mìng），一般情況需要將杯形砂輪內孔修成斜（xié）麵。
砂輪的內孔用金剛石修整。磨削外球麵時，砂輪孔徑可（kě）選計（jì）算值稍小一些，以便精（jīng）確修整到要求的尺寸。砂輪宜選用（yòng）較軟的砂輪（K級、L級（jí）），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（miàn）加工參數見表1。
加（jiā）工時，應保證砂輪軸線與工件軸線等高（gāo），以保證加（jiā）工球麵的圓度，加工後的紋路呈交叉網紋。當零件表麵呈凹凸（tū）狀花紋時，表明砂輪中心高於或低於工件中心。
表1 展成法磨削柱塞球麵加工參數
內圓磨（mó）削和外（wài）圓磨削的方法類似，計算方式也相同。
4.3成型磨（mó）削（xuē）
成型磨削[3]就是將砂（shā）輪修（xiū）成圓弧形狀（zhuàng），砂輪修整成凹球形，零件為凸球（qiú）形，且砂輪球形（xíng）與零件球（qiú）形直（zhí）徑相等，如圖6所示。
1）磨具：成型砂輪。
2）運動：在磨（mó）削過程中，工件按C向轉動，砂輪高速回轉，並且沿X軸進給，不能在Z軸上移動。
3）特點：①砂輪的寬（kuān）度必須大（dà）於零件的厚度。②砂輪磨削寬度越（yuè）大，零件磨削阻力就越大。③零件輪廓（kuò）度的精度，取決於砂（shā）輪的形狀精度（dù）和機床（chuáng）進給的位置精度。④通常情況下，一種零件對應（yīng）一種成型砂輪，均為專（zhuān）用。⑤磨削（xuē）過程中，砂輪和零件均不能在Z方向上移動，加工完成後，零件的表麵粗糙（cāo）度值比較大。
圖6 成型磨削示意
成（chéng）型磨削（xuē），零（líng）件的球麵直徑不能過（guò）大，比較適合小球麵的磨削[4]，機床X軸的進給精度要求高，該方法磨削（xuē）效率（lǜ）高，適合大批生產。由於成型磨削一般要求（qiú）將工件型麵一步加工完（wán）成，所以砂輪一般采用CBN材質的砂輪，材質較硬，砂輪（lún）磨損小（xiǎo），磨削後的表麵質量較（jiào）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（nèi）。成型磨削柱塞（sāi）球麵加工參數見表（biǎo）2。
05
研磨
研磨主（zhǔ）要是針對高精球麵加工采用的一種方法，通常球麵要求有（yǒu）較優的輪廓度及尺寸公差。一般研磨方法可分為手工研磨和機械研磨。手（shǒu）工研磨球麵的勞動量大，且效（xiào）率低，加工精度不穩定。零件輪廓度由研磨球和零件（jiàn）的相互運動決定（dìng），如果有較高（gāo）的精度要求，就需（xū）要頻（pín）繁調整。當（dāng）研磨（mó）球（qiú）表麵積大於零件被加工表麵積時，零件的輪廓度取決於（yú）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（yào）使用1個或多個研（yán）磨球，成本較高。
機械研磨加（jiā）工原（yuán）理（lǐ）與磨削（xuē）類似，不同的（de）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（yán）磨球一般使用鑄鐵材料，且（qiě）手工研磨，磨削力較小，所以加工過程產生的變形較小（xiǎo），可以達（dá）到較高的精度。②研（yán）磨方法加工的零件表麵（miàn）耐（nài）蝕性和耐磨性能好。③可以根據研具的形狀加工不同形狀（zhuàng）的零件（jiàn）。④操作（zuò）簡單，不需要複雜的機床。⑤可以加工各種材料（liào）的零件，也（yě）可以有較高的精度（dù）要求。
06
結束語
航空發動機柱塞泵零件的球麵結構（gòu）很多，如保持架外球麵、保持架（jià）內球麵、球擋鋼球麵、球擋銅球麵、滑靴內（nèi）球麵、柱塞外（wài）球麵和支座內球麵。本文通過對此類典型零件進行（háng）車削、銑削、磨削及研磨等工藝試驗，摸索出合適的（de）球（qiú）麵加（jiā）工方法，並發揮磨削（xuē）加工的優勢，使用機械研磨替代手工研（yán）磨，提高球麵加工效率，縮短加工周期，保證最終產品的質量（liàng）穩定性。
參考文獻：
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本文發表（biǎo）於《金屬（shǔ）加工（冷加工）》2023年第10期42~44頁，作者：中國航發北京航科發動機控製係統科技有限公司王濤，孫（sūn）思貴，原標（biāo）題：《航空發動機柱塞泵（bèng）球麵的精密加工方法》。
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