典型柱塞泵滑靴內球面的新型加工方法

■ 北京航科發動機控制系統科技有限公司 （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的關鍵零件，兩個零件通過內球和外球的收口效果，保持靈活轉動，在高轉速、長壽命的運轉要求下，要求柱塞外球和滑靴內球面精度非常高，配合精密。航空發動機內類似滑靴結構（見圖1）內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。而傳統的內球面精加工，一般采用比最終要求尺寸稍小的研磨球進行內、外球的互研，加工時可采用手工或球面研磨機等設備，球面尺寸、輪廓度和圓度等加工精度完全由研磨球保證，每加工一個零件需要使用一個新研磨球。這樣的加工方法就導致研磨球加工精度高，而且單臺設備數量比較多，需求量很大，對于大批量生產而言，加工成本巨大，使用過的研磨球很難再重復利用，勢必造成極大的浪費。

針對上述弊端，研究出了在滿足所有高精度要求的前提下，代替研磨球加工內球面的方法。采用可重復使用的通用研具，不僅降低了研磨球的加工難度，而且避免了一個研磨球只能加工一個零件的瓶頸，大大提高了刀具的互換性和通用性，達到降本增效的目的。具體技術方案為：根據零件本身的結構特點和尺寸，設計制造圓柱形研磨柱，代替研磨球進行研磨內球面。采用精密球面珩磨機加工，需具備旋轉主軸和刀具偏轉機構、精確可控的壓力和時間以及較好的機床穩定性。加工時通過帶壓力的自轉及旋轉運動擬合球面加工，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，簡化加工過程，便于大批量生產的流水加工。

以下從研具設計、加工過程及工藝分析三方面進行闡述。

2.研具設計

如圖2所示，該種用于滑靴零件內球面的研磨柱特征在于：

（1）該研磨柱為帶臺階的中空圓柱形，材料可選擇灰鑄鐵，臺階處可以避免研磨柱加工時與滑靴內球面干涉。

（2）臺階上方小圓柱體的內表面加工有與球面珩磨機的擺動桿聯接的內螺紋，臺階下方大圓柱體的外圓直徑需保證在加工時能涵蓋滑靴內球面的最大直徑邊緣，可以通過以下公式計算：

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

（3）臺階下方大圓柱體的內孔直徑D≤D1（D1為滑靴內球面臺階的直徑），內孔的設計主要是為了增加研磨膏的儲存，便于研磨加工，將加工時研磨柱的損耗集中在圓柱體的邊緣處，便于適時調整參數。

（4）高度尺寸可根據彈簧壓力的大小進行調整，以加工時不干涉為原則。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 典型滑靴零件結構

圖2 研具結構

3.加工過程分析

（1）將滑靴零件底端面固定在機床平臺主軸上，滑靴零件內球面向上，將研磨柱聯接到球面珩磨機的擺動桿上（機床擺動結構見圖3），使研磨柱下端面的邊緣與滑靴內球面貼合（見圖4）。

（2）調整加工參數，研磨柱的工作壓力可以通過改變球面珩磨機彈簧的長度調整。擺動桿的擺幅由滑靴內球面弧長和擺動桿半徑計算得到：

式中，L為擺動桿的擺幅，θ為擺動桿的擺動角度，R為擺動桿半徑。

擺動桿的擺頻可以通過調整球面珩磨機來改變，擺頻不宜過快或過慢，應以維持機床穩定為前提，加工參數必須由一定批次的加工試驗得到，不同尺寸零件及機床加工參數不同。

（3）在加工試驗過程中，主軸帶動零件自轉，轉速設定為約10 r/s。研磨柱由擺動桿聯接擺動，擺動和滑靴零件內球面自轉兩個運動保證研磨柱的球面擬合，確保加工精度。初始試驗階段需分時間段進行測量，分別檢查1 min、2 min和3 min等時間段加工結果，從而得到零件的加工時間（見附表）。

因本例中某型號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據記錄分析，將機床加工時間設置為2.5min為最適宜加工時間（附表中數據需進行較大批量的驗證得出）。

4.工藝分析

圖3 機床擺動機構

圖4 加工示意圖

加工過程記錄表

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產生輕微變化（見圖5）。由圖5可知，在初始階段研具下端外側倒圓R會逐漸增大，當倒圓大小覆蓋整圈環帶時，倒圓無法再繼續增大，在加工磨損過程中，研具下端會逐漸消失，倒圓大小不變但位置逐漸上升，導致研具總長變短。但由于研具變短而導致的壓力變化可忽略不計。以本例中某型號滑靴結構而設計的研具，經過大量試驗，在保證零件精度的前提下，該研具可重復加工20個零件。因此采用本方法大大降低了成本，同時減少了重復拆裝研具的次數，簡化了加工過程，解放了勞動力，每人可同時操作5臺設備，保證不間斷流水加工，適用于大批量生產，提高了精益化程度，消除了不必要的浪費。

5.結語

本文論述的加工方法主要針對航空發動機附件中滑靴零件內球面的精密加工，通過提高加工研具的互換性和通用性，結合機床自身特點，制定相應的加工工藝流程，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，才可以進行整個球窩的光整加工。研磨半徑較小的內球面時，很難做到這一點，因此這種方法有一定的局限性。

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