典型柱塞泵滑靴內(nèi)球面的新型加工方法

■ 北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司 （102200） 張 喆 李 歡 劉彥超 呂紅梅 趙 龍

1.背景介紹

柱塞滑靴組件是柱塞泵內(nèi)的關(guān)鍵零件，兩個(gè)零件通過(guò)內(nèi)球和外球的收口效果，保持靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命的運(yùn)轉(zhuǎn)要求下，要求柱塞外球和滑靴內(nèi)球面精度非常高，配合精密。航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)類似滑靴結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）內(nèi)球面粗糙度值要求在0.05 μm，尺寸公差±0.005 mm，面輪廓度要求0.0025 mm以內(nèi)。而傳統(tǒng)的內(nèi)球面精加工，一般采用比最終要求尺寸稍小的研磨球進(jìn)行內(nèi)、外球的互研，加工時(shí)可采用手工或球面研磨機(jī)等設(shè)備，球面尺寸、輪廓度和圓度等加工精度完全由研磨球保證，每加工一個(gè)零件需要使用一個(gè)新研磨球。這樣的加工方法就導(dǎo)致研磨球加工精度高，而且單臺(tái)設(shè)備數(shù)量比較多，需求量很大，對(duì)于大批量生產(chǎn)而言，加工成本巨大，使用過(guò)的研磨球很難再重復(fù)利用，勢(shì)必造成極大的浪費(fèi)。

針對(duì)上述弊端，研究出了在滿足所有高精度要求的前提下，代替研磨球加工內(nèi)球面的方法。采用可重復(fù)使用的通用研具，不僅降低了研磨球的加工難度，而且避免了一個(gè)研磨球只能加工一個(gè)零件的瓶頸，大大提高了刀具的互換性和通用性，達(dá)到降本增效的目的。具體技術(shù)方案為：根據(jù)零件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸，設(shè)計(jì)制造圓柱形研磨柱，代替研磨球進(jìn)行研磨內(nèi)球面。采用精密球面珩磨機(jī)加工，需具備旋轉(zhuǎn)主軸和刀具偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、精確可控的壓力和時(shí)間以及較好的機(jī)床穩(wěn)定性。加工時(shí)通過(guò)帶壓力的自轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)擬合球面加工，引入展成法的概念，精度可靠。采用此方法加工可大大降低成本，簡(jiǎn)化加工過(guò)程，便于大批量生產(chǎn)的流水加工。

以下從研具設(shè)計(jì)、加工過(guò)程及工藝分析三方面進(jìn)行闡述。

2.研具設(shè)計(jì)

如圖2所示，該種用于滑靴零件內(nèi)球面的研磨柱特征在于：

（1）該研磨柱為帶臺(tái)階的中空?qǐng)A柱形，材料可選擇灰鑄鐵，臺(tái)階處可以避免研磨柱加工時(shí)與滑靴內(nèi)球面干涉。

（2）臺(tái)階上方小圓柱體的內(nèi)表面加工有與球面珩磨機(jī)的擺動(dòng)桿聯(lián)接的內(nèi)螺紋，臺(tái)階下方大圓柱體的外圓直徑需保證在加工時(shí)能涵蓋滑靴內(nèi)球面的最大直徑邊緣，可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，d為大圓柱體的外圓直徑，α為滑靴內(nèi)球面的有效弧長(zhǎng)角度（≤180°），β為擺動(dòng)桿最大擺動(dòng)角度，R為滑靴內(nèi)球面的半徑。

（3）臺(tái)階下方大圓柱體的內(nèi)孔直徑D≤D1（D1為滑靴內(nèi)球面臺(tái)階的直徑），內(nèi)孔的設(shè)計(jì)主要是為了增加研磨膏的儲(chǔ)存，便于研磨加工，將加工時(shí)研磨柱的損耗集中在圓柱體的邊緣處，便于適時(shí)調(diào)整參數(shù)。

（4）高度尺寸可根據(jù)彈簧壓力的大小進(jìn)行調(diào)整，以加工時(shí)不干涉為原則。研磨柱的下端面的外緣處加工倒圓，倒圓R不小于0.5 mm。

圖1 典型滑靴零件結(jié)構(gòu)

圖2 研具結(jié)構(gòu)

3.加工過(guò)程分析

（1）將滑靴零件底端面固定在機(jī)床平臺(tái)主軸上，滑靴零件內(nèi)球面向上，將研磨柱聯(lián)接到球面珩磨機(jī)的擺動(dòng)桿上（機(jī)床擺動(dòng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3），使研磨柱下端面的邊緣與滑靴內(nèi)球面貼合（見(jiàn)圖4）。

（2）調(diào)整加工參數(shù)，研磨柱的工作壓力可以通過(guò)改變球面珩磨機(jī)彈簧的長(zhǎng)度調(diào)整。擺動(dòng)桿的擺幅由滑靴內(nèi)球面弧長(zhǎng)和擺動(dòng)桿半徑計(jì)算得到：

式中，L為擺動(dòng)桿的擺幅，θ為擺動(dòng)桿的擺動(dòng)角度，R為擺動(dòng)桿半徑。

擺動(dòng)桿的擺頻可以通過(guò)調(diào)整球面珩磨機(jī)來(lái)改變，擺頻不宜過(guò)快或過(guò)慢，應(yīng)以維持機(jī)床穩(wěn)定為前提，加工參數(shù)必須由一定批次的加工試驗(yàn)得到，不同尺寸零件及機(jī)床加工參數(shù)不同。

（3）在加工試驗(yàn)過(guò)程中，主軸帶動(dòng)零件自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為約10 r/s。研磨柱由擺動(dòng)桿聯(lián)接擺動(dòng)，擺動(dòng)和滑靴零件內(nèi)球面自轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)保證研磨柱的球面擬合，確保加工精度。初始試驗(yàn)階段需分時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，分別檢查1 min、2 min和3 min等時(shí)間段加工結(jié)果，從而得到零件的加工時(shí)間（見(jiàn)附表）。

因本例中某型號(hào)滑靴零件球面尺寸為Sφ（11.5±0.005）mm，初始尺寸為Sφ11.48 mm，加工余量約0.02mm。因此由附表中得出的數(shù)據(jù)記錄分析，將機(jī)床加工時(shí)間設(shè)置為2.5min為最適宜加工時(shí)間（附表中數(shù)據(jù)需進(jìn)行較大批量的驗(yàn)證得出）。

4.工藝分析

圖3 機(jī)床擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖4 加工示意圖

加工過(guò)程記錄表

圖5 研具變化圖

隨著零件的加工，圓柱形研具的外觀尺寸會(huì)產(chǎn)生輕微變化（見(jiàn)圖5）。由圖5可知，在初始階段研具下端外側(cè)倒圓R會(huì)逐漸增大，當(dāng)?shù)箞A大小覆蓋整圈環(huán)帶時(shí)，倒圓無(wú)法再繼續(xù)增大，在加工磨損過(guò)程中，研具下端會(huì)逐漸消失，倒圓大小不變但位置逐漸上升，導(dǎo)致研具總長(zhǎng)變短。但由于研具變短而導(dǎo)致的壓力變化可忽略不計(jì)。以本例中某型號(hào)滑靴結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的研具，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在保證零件精度的前提下，該研具可重復(fù)加工20個(gè)零件。因此采用本方法大大降低了成本，同時(shí)減少了重復(fù)拆裝研具的次數(shù)，簡(jiǎn)化了加工過(guò)程，解放了勞動(dòng)力，每人可同時(shí)操作5臺(tái)設(shè)備，保證不間斷流水加工，適用于大批量生產(chǎn)，提高了精益化程度，消除了不必要的浪費(fèi)。

5.結(jié)語(yǔ)

本文論述的加工方法主要針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件中滑靴零件內(nèi)球面的精密加工，通過(guò)提高加工研具的互換性和通用性，結(jié)合機(jī)床自身特點(diǎn)，制定相應(yīng)的加工工藝流程，降低了加工成本，提高了整體工作效率。但是鑄鐵棒的直徑必須小于球窩底孔，才可以進(jìn)行整個(gè)球窩的光整加工。研磨半徑較小的內(nèi)球面時(shí)，很難做到這一點(diǎn)，因此這種方法有一定的局限性。

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