航空發動機柱塞泵球麵，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（mì）揭秘（mì）！噓！
今（jīn）天我要分享一個絕對（duì）不能錯過的秘密！你知道嗎（ma）？離高精密加工隻（zhī）差一步！想（xiǎng）象一下，當（dāng）你的創意和設計即將變成完美的現實，是不是令人心潮澎湃？那麽，快跟我一起揭開這個（gè）神秘的麵紗吧！高精密加工，可以說是現代工藝中（zhōng）的瑰寶，它將你的創意提升到了一個全新的境界。每一步都需要精準的掌握和細致的操作，它就像一門藝術，需要你用心去感受和（hé）體（tǐ）驗。而現在，我要告訴你的是，離這（zhè）個夢（mèng）想隻差一步（bù）！想象一下，當你的設計從紙上躍然紙上，精準到仿佛是魔法般的存在，是不是令人心動不已？而這一切，離你隻有一步之（zhī）遙！別再猶豫了（le），抓住機會，讓你的創（chuàng）意從此不再受限！有了高精密加工（gōng）的加持，你的作品將煥發出無限的魅力和精致感。無論是珠寶設計、模型製作還是工藝品創作，它們都能在你的指（zhǐ）尖上煥發出（chū）絕美的光芒。這是（shì）一種改變（biàn）的時刻，一種超越（yuè）常（cháng）規的體驗！你準（zhǔn）備好迎接（jiē）挑（tiāo）戰了嗎？所以，不要停留在過去，不要局限於現有（yǒu）的可能性。這一步，是你追求卓越的關鍵。抓住機會，一起踏上高精（jīng）密加工的征程吧！讓我們一同見證創意的力量，讓每一個設計都成為獨一無二的傑作！
01
序言
球麵配合作為飛機零部件一種典型的摩擦副，涉及（jí）零件較（jiào）多，常見於柱塞滑靴、球擋支座、球擋保持架等零件中，傳統工藝路線中，無論是外球麵還是（shì）內球麵，多以手工研磨作為最終（zhōng）的（de）精加工工序（xù），而手工研磨存在效（xiào）率低且質量不穩定（dìng）等缺點，成為精加工過程的瓶頸。同時，零件球麵配合的精密級別會影響（xiǎng）流量和壓力（lì）等性能指標（biāo），甚至兩者之間的磨損會降低（dī）整（zhěng）泵的效（xiào）率和壽命（mìng），因此球麵加工方法（fǎ）至關重（chóng）要。球（qiú）麵加工工藝流程為“粗加工→熱（rè）處（chù）理→（半精（jīng）加工）→精（jīng）加工”，本文（wén）主要針對航空發動機柱塞泵的一些典（diǎn）型球麵結（jié）構（gòu）和幾種常用的精加工方法進行分析。從球麵加工的幾種方法入手，分（fèn）別對車削、銑削、磨削和研（yán）磨工藝進行分析比較和客觀評價。
02
車削
利用數（shù）控車床（chuáng）進行球麵（miàn）加工的時候，通常采用軌跡法，即通（tōng）過數控宏程序或點位編程確定加（jiā）工軌跡，從（cóng）而實現球麵加工，通常（cháng）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，應用最為廣泛的是（shì）球擋（dǎng）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，表麵粗糙度值Ra＝0.4μm，由於後（hòu）續球麵作（zuò）表麵熱處理，因此（cǐ）隻對塗前加工作出要求。
圖1 零（líng）件
刀具選擇：金剛石刀片刀尖強（qiáng）度高，耐磨性及抗（kàng）崩損（sǔn）性好，切削效果優異，可實現穩定（dìng）、長壽命加工，適（shì）用於鋁合金、黃銅等有色金屬、塑料（liào）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，刀（dāo）尖圓角R（0.1～0.2）mm。
精車時轉速一般控製（zhì）在2000r/min，進給量0.015mm/r，通常半精車為精（jīng）車工序留有（yǒu）加工餘（yú）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（cǐ）類零件加工後零件表（biǎo）麵粗糙（cāo）度雖然符合要求，但車工紋路明（míng）顯（xiǎn），後續可以通過光整工序，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（xuē）球麵（miàn），銑刀與零（líng）件同時（shí）旋轉，同時銑刀的旋（xuán）轉中心與零件的旋轉中心相交於一點（diǎn），銑刀在零件表麵（miàn）形成的軌跡就是球麵的一部分，一般使用端麵銑刀和球頭銑刀，或通過使用無坐標加工（gōng）中心等多軸聯動設備實現（xiàn）銑削球麵，但是該方法對（duì）刀具和（hé）機床精度要求比較高，一（yī）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）本質上是磨具與工（gōng）件成線（xiàn）接觸，接觸線沿球（qiú）麵輪廓移動完成整個球麵的（de）磨削。
圖2 軌跡法（fǎ）磨削（xuē）
1）磨具：扁平型砂（shā）輪或將砂（shā）輪（lún）修成尖形或半圓形。
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（lún）軸平行。
3）運動：砂輪起動後高速旋轉，零（líng）件與心軸低速轉動，同時圍繞另一垂直的（de）球心線來回往複轉動。隨著砂（shā）輪的進給，展成磨削出球麵[2]。
4）特點：①適應較（jiào）大直徑或較寬的球麵磨削。②磨（mó）削抗力小。③球（qiú）麵（miàn）輪廓精度決定於數控機床（chuáng）的定（dìng）位精度、運動精度和砂輪的形狀精度及係統的輪廓跟隨精度。④同一規格的砂輪（lún）可以磨（mó）削任何規格尺寸的球體，磨料用量少，投資小，經濟性好。但砂（shā）輪與零件為線接觸，磨削效率低，不適合球體的批量化和規模化生產。
4.2展成法磨削
展成（chéng）法磨削（見圖3）球（qiú）麵又（yòu）稱為範成法，此方法要求機床至少具備1個直（zhí）線進給X軸和1個帶動工件轉（zhuǎn）動的C軸。
圖3 展成法磨（mó）削
1）磨具（jù）：杯（bēi）形砂輪或（huò）碗狀砂盤（以（yǐ）下統稱為砂（shā）輪）。
2）安裝（zhuāng）：砂輪旋轉軸心線和工件旋轉（zhuǎn）軸心線成α角（jiǎo），交點為被（bèi）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（jiàn）繞軸心線單方向低速轉動，隨著磨頭的工進磨削出整個（gè）球麵。
4）特點：磨削效率高（gāo），精度高、表麵粗糙度好是這種磨削方式的顯著優點。球麵的規格若有變化，砂輪尺寸就需要變化。這種方式適合大批量生產球形零件的場合，經濟性較差。展成法磨削時，砂輪直徑大小與工件球麵大小尺寸有（yǒu）關，如圖4所示（shì），L≤D砂（shā）≤（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 磨削示意
整個磨削過程，砂（shā）輪（lún）軸線中（zhōng）心（xīn）必須通（tōng）過（guò）工件球心。並且，最終進給位置（zhì）尺寸H與杯形（xíng）砂輪內直徑D砂及工件球形（xíng）直徑D的幾何尺寸關係為H＝（D2－D砂2）1/2/2，通過（guò）調節H值，即可實現磨削不同（tóng）直徑的球麵工件。同理，根（gēn）據首件（jiàn）加工後的球徑（jìng）值可推導出進給量∆H值（zhí），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，就必須把零件與砂輪（lún）調整成一定（dìng）的角度，如圖5所示。
a）第一種情況（kuàng）
b）第二種（zhǒng）情況
圖5 磨（mó）削情況分析
杯形砂輪直徑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（xiàn）與球麵（miàn）工件軸線（xiàn）對應夾角α＝arcsin（D砂/D），α的選擇範（fàn）圍為arcsin（1/2＋K/D）1/2≤α≤arcsin{[D＋（D2－d2）1/2]/（2D）}1/2。
從上文可（kě）以看出，砂輪在磨（mó）削球麵時，砂輪直（zhí）徑取（qǔ）值是（shì）在一定的範圍內，砂輪線速度（dù）能夠正常磨（mó）削零件，並且不能與機床零部件產生幹涉，最大限度選擇砂輪內徑D砂（shā），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（shàng）起到冷卻效果。為延長砂輪（lún）磨削壽命，一般情況需要將杯形砂輪內孔修成（chéng）斜麵。
砂輪的內孔用金剛石修整。磨削外球麵（miàn）時，砂輪（lún）孔徑可選計算值稍小一些，以便精確修整到（dào）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。展成法磨削柱塞球麵加工參數見表1。
加工時，應保（bǎo）證砂輪軸線與工件（jiàn）軸線（xiàn）等高（gāo），以（yǐ）保證加工球麵的圓度，加工後（hòu）的紋（wén）路呈交叉網紋。當零件表麵（miàn）呈凹凸狀花紋時，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（qiú）麵加工參數
內圓磨削和外圓（yuán）磨（mó）削的方法類似，計算方式也相同。
4.3成型磨削
成型磨削（xuē）[3]就是將（jiāng）砂輪修成圓弧形狀，砂輪修整成（chéng）凹球形，零件為凸球形（xíng），且砂輪球形與零件球（qiú）形直徑相等，如圖6所示。
1）磨具：成（chéng）型砂輪（lún）。
2）運（yùn）動：在磨削過程中，工件按C向轉動，砂輪（lún）高速回轉，並且沿X軸進（jìn）給，不能在Z軸上移動。
3）特點：①砂輪的寬度必須大於零件的厚度。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，取決於砂輪的形（xíng）狀（zhuàng）精度和機床進給的位置精度。④通常情（qíng）況下（xià），一（yī）種零件對應一種（zhǒng）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（gōng）完成後，零（líng）件的表麵粗糙度值比較大。
圖6 成型磨削示意
成型磨削，零件的球麵直徑（jìng）不能過大，比較適合小球麵（miàn）的磨削[4]，機床X軸的進給精度要求高，該方法磨（mó）削效率（lǜ）高，適合大批生產。由於成型磨削一般要求將工件型麵一步加工完成，所以砂輪一般采用CBN材質的砂輪（lún），材質較硬，砂輪磨損小，磨削後的表麵質量較高，對於高（gāo）硬（yìng）鋼，其表麵粗糙度值Ra通常可以保證在0.1μm以內。成型磨削柱塞球麵（miàn）加工參數見表2。
05
研磨
研磨主要是針（zhēn）對高精（jīng）球麵加工采用的一種方法，通（tōng）常球麵要求有較優的輪廓度及尺寸公差。一般研（yán）磨方法（fǎ）可分為手工（gōng）研磨和（hé）機械研磨。手工（gōng）研（yán）磨球麵的勞（láo）動量大，且效率低，加工精度不（bú）穩定。零件輪廓度由研磨球和零件的相互（hù）運動決定（dìng），如果有（yǒu）較高的精度要求，就需要頻繁調整。當研磨球表麵積大於零件被加工表麵積時，零件的輪廓度取決（jué）於研磨球本身，而研磨球（qiú）比零件硬度低，消耗（hào）量比較大，一般每件零件需要使用（yòng）1個或多個研磨球（qiú），成本（běn）較高。
機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（mó）條頭。具有（yǒu）以（yǐ）下特（tè）點：①因為研（yán）磨球一般使用鑄鐵材料，且手工（gōng）研磨，磨削力較（jiào）小，所以加（jiā）工（gōng）過程產生的變形（xíng）較小，可以達到較高的精度。②研磨方法加工的零件表麵耐蝕性和（hé）耐磨性能好。③可以根據研具的形狀（zhuàng）加工不同形狀的零件。④操作簡單，不需要複雜的機床。⑤可以加工（gōng）各種材料的零件，也可以有較高的精度要求。
06
結束語
航空發動機柱塞泵零件的球麵結構很多，如保持架（jià）外球麵、保持架內球麵、球擋鋼球麵、球擋銅球麵、滑靴內球麵、柱塞外（wài）球麵和（hé）支座內球麵。本文通過對此類典型零件進行車削、銑（xǐ）削、磨削及研磨等工藝試驗，摸（mō）索（suǒ）出合適的球（qiú）麵加工方法，並發揮（huī）磨（mó）削加工的優勢，使用機械研磨替代手工研磨（mó），提高球麵加工（gōng）效率，縮短加工周期，保證最終產（chǎn）品的質量穩定性。
參考文獻：
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本文（wén）發表於《金（jīn）屬加工（冷加工）》2023年第10期42~44頁，作者：中國航發（fā）北京航科發動機控製係統科技有限公司（sī）王濤，孫思貴，原（yuán）標題：《航空發動機柱塞（sāi）泵球麵的精密加工方法》。
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