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(diǎn)，成為精加工過程的瓶頸。同時(shí)，零件球面配合的精密級(jí)別會(huì)影響流量和壓力等性能指標(biāo)，甚至兩者之間的磨損會(huì)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(duì)航空發(fā)動(dòng)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(duì)車削、銑削、磨削和研磨工藝進(jìn)行分析比較和客觀評(píng)價(jià)。
02
車削
利用數(shù)控車床進(jìn)行球面加工的時(shí)候，通常采用軌跡法，即通過數(shù)控宏程序或點(diǎn)位編程確定加工軌跡，從而實(shí)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(duì)涂前加工作出要求。
圖1 零件
由于錫青銅材料較軟，一般不采用磨削和研磨的方式進(jìn)行加工，因此通過數(shù)控車床直接加工至最終尺寸。
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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、長(zhǎng)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(shí)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(shí)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)銑刀的旋轉(zhuǎn)中心與零件的旋轉(zhuǎn)中心相交于一點(diǎn)，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(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)銑削球面，但是該方法對(duì)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(dòng)完成整個(gè)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(duì)頂磨削方式，其連線與零件心軸同軸且與砂輪軸平行。
3）運(yùn)動(dòng)：砂輪起動(dòng)后高速旋轉(zhuǎn)，零件與心軸低速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)圍繞另一垂直的球心線來回往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著砂輪的進(jìn)給，展成磨削出球面[2]。
4）特點(diǎn)：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(yùn)動(dòng)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(gè)直線進(jìn)給X軸和1個(gè)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)為被加工球體的球心。
3）運(yùn)動(dòng)：砂輪繞磨頭主軸軸心線高速轉(zhuǎn)動(dòng)，工件繞軸心線單方向低速轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著磨頭的工進(jìn)磨削出整個(gè)球面。
4）特點(diǎn)：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(diǎn)。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(chǎng)合，經(jīng)濟(jì)性較差。展成法磨削時(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)K 為正值，小于半圓時(shí)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)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(shí)，砂輪孔徑可選計(jì)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(jí)、L級(jí)），vs取15～20m/s，v W取1～5m/min，粗磨時(shí)ap＝0.02～0.04mm，精磨時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(yùn)動(dòng)：在磨削過程中，工件按C 向轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪高速回轉(zhuǎn)，并且沿X 軸進(jìn)給，不能在Z 軸上移動(dòng)。
3）特點(diǎn)：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(duì)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(dòng)，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(duì)于高硬鋼，其表面粗糙度值Ra 通常可以保證在0.1μm以內(nèi)。成型磨削柱塞球面加工參數(shù)見表2。
表2 成型磨削柱塞球面加工參數(shù)
05
研磨
研磨主要是針對(duì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)，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(gè)或多個(gè)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(shí)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(diǎn)：①因?yàn)檠心デ蛞话闶褂描T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(jiǎn)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(dòng)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(duì)此類典型零件進(jìn)行車削、銑削、磨削及研磨等工藝試驗(yàn)，摸索出合適的球面加工方法，并發(fā)揮磨削加工的優(yōu)勢(shì)，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。
