航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中珩磨技術(shù)應(yīng)用

北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司 呂紅梅 張 喆

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上裝備了多種液壓裝置，如燃油供應(yīng)和調(diào)節(jié)裝置、轉(zhuǎn)速控制裝置、各種集合通道面積的控制裝置等。由于液壓裝置在生產(chǎn)和使用的繼承性方面的優(yōu)勢(shì)，其未來(lái)仍將在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上起重要作用。即使全電子控制系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到發(fā)展，基本的液壓裝置部分，如燃油的輸送和燃油量的控制機(jī)構(gòu)，各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及應(yīng)急、安全裝置等，仍將是不可缺少的。閥芯閥套組件是發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的摩擦副之一,它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和性能。一般來(lái)講,閥套孔表面的抗磨性能與內(nèi)孔表面粗糙度、閥芯閥套配合間隙、閥套孔表面材料硬度以及表面的潤(rùn)滑狀況4 個(gè)因素有關(guān)?，F(xiàn)行的航空內(nèi)閥套孔表面一般加工工序?yàn)榫M—熱處理—磨內(nèi)孔—研磨。經(jīng)過(guò)這些工序之后,閥套孔表面粗糙度可達(dá)到Ra0.1μm以上,尺寸精度可達(dá)5級(jí)或6級(jí)以上,基本能滿足其表面粗糙度的要求和閥芯閥套的配合精度要求，但研磨手工加工質(zhì)量不穩(wěn)定，效率低下的弊端隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展越發(fā)明顯，而精密珩磨加工正逐步發(fā)展并取代手工研磨。

1 研磨加工原理及現(xiàn)狀

研磨加工是將研磨顆粒涂敷在工件與研具之間，在一定的壓應(yīng)力下工件與研具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，研磨顆粒在兩接觸平面間進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到對(duì)工件表面光整加工的效果，可加工零件外圓、內(nèi)孔、平面、球面、齒面等其他型面(見(jiàn)圖1、圖2)加工范圍廣泛。研磨加工精度非常高，可達(dá)IT5以上，表面粗糙度可達(dá)Ra0.025～0.8μm，加工效率低，手工操作，對(duì)工人技術(shù)要求高；在壓應(yīng)力作用下研磨顆粒會(huì)鑲嵌到工件表面，對(duì)高精密摩擦副有一定負(fù)面影響；研磨平面非常平整，微觀表面紋路混亂，不易建立油膜，影響壽命。在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體穩(wěn)定性，使用壽命等提出了更高的要求，研磨加工的弊端越發(fā)凸顯，伴隨著其他高精密加工技術(shù)的發(fā)展，研磨技術(shù)也逐漸被取代。

圖1 研磨內(nèi)孔Fig.1 Gringing inner hole

圖2 研磨平面Fig.2 Grinding plane

2 珩磨技術(shù)介紹

2.1 珩磨技術(shù)發(fā)展

人類(lèi)發(fā)明汽車(chē)已有100余年的歷史了。珩磨技術(shù)是隨著汽車(chē)的誕生和發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。在20世紀(jì)初期，美國(guó)善能和德國(guó)格林公司幾乎同時(shí)創(chuàng)設(shè)珩磨機(jī)制造公司，開(kāi)始致力于珩磨技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。隨著近百年的發(fā)展，珩磨技術(shù)已經(jīng)廣泛用于導(dǎo)彈、槍炮、船舶、家電等各行各業(yè)。在制造行業(yè)中，珩磨技術(shù)由于良好的加工效果同樣運(yùn)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中。

2.2 珩磨技術(shù)原理

珩磨是將油石鑲嵌在珩磨頭上，對(duì)工件表面施加一定的壓力，通過(guò)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，珩磨頭帶動(dòng)油石的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和珩磨頭帶動(dòng)油石的往返運(yùn)動(dòng)3者合成，切除工件表面微小余量的精密加工方法(見(jiàn)圖3)。珩磨頭在機(jī)床主軸(或工件夾具)之間浮動(dòng)時(shí)，以減小主軸與工件孔的同軸度誤差及主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)珩磨精度的影響。珩磨中油石必須保持一定長(zhǎng)度的搭接，以保證珩磨孔的直線度。為使交叉網(wǎng)紋不重復(fù)，提高孔的圓度，還必須使珩磨頭每轉(zhuǎn)一周都附加一個(gè)轉(zhuǎn)角。此外，在每一往復(fù)行程時(shí)間內(nèi)，珩磨頭的轉(zhuǎn)數(shù)為非整數(shù)，因此兩次行程間珩磨頭相對(duì)工件在圓周又錯(cuò)開(kāi)一定角度。根據(jù)珩磨加工的原理可以得到珩磨加工的3要素：工件材料、油石種類(lèi)和加工參數(shù)。掌握了這3種要素的特點(diǎn)和技術(shù)，基本就可以對(duì)珩磨加工的整體過(guò)程有明確的認(rèn)識(shí)。

現(xiàn)階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中工件材料種類(lèi)多，從金屬到非金屬及合成材料等種類(lèi)繁多，如鑄件、鋼件、銅、鋁、陶瓷材料和表面涂層等，尤其是對(duì)于表面涂層類(lèi)珩磨加工相比研磨加工有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如鉬類(lèi)涂層、G類(lèi)涂層的超精密加工，研磨加工受涂層本身特性影響，效果不好，粗糙度較低而且研磨膏內(nèi)的金剛砂會(huì)鑲嵌到涂層分子間，常規(guī)手段無(wú)法去除，會(huì)一直存在于零件的整個(gè)生命周期，有破壞油膜形成、污染液壓系統(tǒng)，影響產(chǎn)品壽命的致命隱患。而采用珩磨加工則有效地避免了這種情況，所以涂層類(lèi)金屬表面已廣泛采用珩磨技術(shù)。

圖3 珩磨內(nèi)孔Fig.3 Honing inner hole

珩磨油石的性能主要由磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、組織及濃度等因素決定，根據(jù)工件材料自身特點(diǎn)選用適合的油石，可以達(dá)到事半功倍的效果[1]。隨著珩磨技術(shù)的不斷發(fā)展，油石種類(lèi)不斷增加，從材料區(qū)分主要有以下幾類(lèi)：白剛玉油石、碳鋼玉油石、綠剛玉油石、人造金剛石、立方氮化硼、特殊金屬陶瓷等。一般珩磨碳鋼、合金鋼時(shí)選用白剛玉；珩磨不銹鋼、高速鋼時(shí)選用鉻剛玉；珩磨不銹鋼、高硬度鋼、高溫合金時(shí)選用立方氮化硼、珩磨較硬、脆材料時(shí)可選用碳化物磨料。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中絕大部分與性能有關(guān)的閥套類(lèi)內(nèi)孔硬度普遍偏高，一般可達(dá)到50HRC以上，所以在高精密機(jī)械加工中立方氮化硼油石使用最為普遍。磨料的粒度是根據(jù)工件表面粗糙度的要求來(lái)選擇的。根據(jù)實(shí)際加工的經(jīng)驗(yàn)一般按以下原則選用：Ra0.8μm 為 120 #～150 # ；Ra0.4μm為 150 #～240 #；Ra0.2μm 為 240#～W40；Ra0.1μm 為W40～W20；Ra＜0.05μm為＜W20。在大直徑內(nèi)孔珩磨時(shí)，一般選用陶瓷結(jié)合劑和樹(shù)脂結(jié)合劑，小孔徑珩磨時(shí)多采用樹(shù)脂結(jié)合劑和青銅結(jié)合劑。在硬度的選擇方面，一般相同條件下油石的硬度比砂輪的硬度稍低一些，以保證在油石在珩磨過(guò)程中的自銳性好。普通油石的硬度在軟3至中硬1選用，金剛石和立方氮化硼油石的硬度在中至硬1選用?？傮w來(lái)講，珩磨油石的硬度與工件的硬度有關(guān)。在所述的油石材料中，只有金剛石和立方氮化硼油石才有濃度的概念，它是指1cm3體積中含有金剛石或立方氮化硼磨料的重量，常用油石濃度為6.6 克拉 /cm3、4.4 克拉 /cm3、3.3 克拉 /cm3、2.2 克拉 /cm34種，它和工件材料的硬度和磨料的粒度有關(guān)，硬度高的工件材料和磨料粒度粗的油石選擇高濃度，反之，則選低濃度[2]。

在珩磨加工中，切削交叉角對(duì)切削量和珩磨油石磨損量以及表面粗糙度影響很大。增加切削交叉角，油石磨損量隨著增加。當(dāng)然，被加工面粗糙度也隨之變粗。這是因?yàn)樵阽衲デ邢鬟^(guò)程中，保持珩磨油石的銳利是靠加工表面粗糙度來(lái)修整，只有銳利的珩磨油石切削量才能提高，而油石要銳利就必然要磨損。當(dāng)切削交叉角為0°時(shí)，切削效率低；當(dāng)切削交叉角為90°時(shí)，珩磨油石磨損大，加工表面粗糙度粗，這樣反而使切削量變小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)切削交叉角為45°左右時(shí)切削量最大。因此，在珩磨加工中，要提高生產(chǎn)率應(yīng)采用45°左右的切削交叉角，在精加工中可采用20°～30°。珩磨時(shí)可調(diào)整的參數(shù)是圓周速度V和往復(fù)速度Vf。選擇切削速度和交叉角時(shí)，應(yīng)先按照加工要求和切削效率選擇合成切削速度Vc和交叉角θ，然后通過(guò)查表或計(jì)算求出V=Vc·cos(θ/2)，Vf=Vc·sin(θ/2)。選擇珩磨油石工作壓力時(shí)，要根據(jù)磨油石磨損量、加工精度和表面粗糙度以及珩磨頭及珩磨夾具的剛性、珩磨油石的強(qiáng)度 、珩磨油石與被加工面的實(shí)際接觸面以及工件的材質(zhì)、尺寸大小和形狀等因素全面考慮。

2.3 珩磨技術(shù)類(lèi)型

珩磨加工技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，從加工對(duì)象劃分，主要包括平面珩磨、內(nèi)孔珩磨、外圓珩磨，其中內(nèi)孔珩磨是機(jī)械加工行業(yè)中的最主要內(nèi)容。根據(jù)珩磨機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)別可分為立式珩磨和臥式珩磨2種。

立式珩磨機(jī)的主軸工作行程較短，適用于珩磨缸體和箱體孔等。安置方向是豎直的主軸帶動(dòng)鑲嵌有油石的珩磨頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在液壓裝置的驅(qū)動(dòng)下作垂直往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖4)。立式珩磨機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)、性能可靠，主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給采用無(wú)級(jí)變速；主軸箱可輕便地實(shí)現(xiàn)縱橫向移動(dòng)；工作臺(tái)可縱向移動(dòng)，并快速夾緊缸體。立式珩磨主要用于加工各種發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體孔、轉(zhuǎn)子孔以及其它精密孔。例如液壓系統(tǒng)的柱塞泵內(nèi)典型轉(zhuǎn)子零件，一般為基數(shù)個(gè)柱塞孔均布，采用立式珩磨加工可滿足精度要求高，一致性好和加工非回轉(zhuǎn)孔方便快捷的要求，所以立式珩磨在航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓系統(tǒng)加工中被越來(lái)越多地采用。

圖4 立式珩磨機(jī)Fig.4 Vertical honing machine

臥式珩磨可以應(yīng)用在深孔珩磨方面，因?yàn)樗墓ぷ餍谐毯荛L(zhǎng)，最高的珩磨深度可以在3000mm(見(jiàn)圖5)。它的珩磨頭是水平安置的，只作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且方向是沿著軸方向的，主軸帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，床身中間配置了支承工件的中心架和支承珩磨桿的導(dǎo)向架。臥式珩磨機(jī)一般是半自動(dòng)的，配備有自動(dòng)測(cè)量的裝置，雖然加工精度比立式珩磨稍弱，但是對(duì)于精度不是特別高的簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)零件加工效率非常高，而且零件裝夾拆卸方便，在閥套類(lèi)零件精益化流水生產(chǎn)線中深受歡迎。

3 結(jié)論

在工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨之際，手工研磨的精密加工手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，加工精度高、表面質(zhì)量好、加工效率高的珩磨技術(shù)必將取代傳統(tǒng)加工。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，新的珩磨技術(shù)還會(huì)不斷涌現(xiàn)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和可發(fā)展性, 珩磨技術(shù)必將展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 臥式珩磨機(jī)Fig.5 Horizontal honing machine

[1] 毛志康.機(jī)械加工工藝學(xué).北京：航空工業(yè)出版社，1999(5)：205-208.

[2] 陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2009：1356-1359.