加工航空用柱塞泵的球型鉸刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（中國航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制科技有限公司，北京 102200）

在機(jī)械加工中，經(jīng)常需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝要求來設(shè)計(jì)專用的非標(biāo)刀具，這些刀具在實(shí)際生產(chǎn)中起著十分重要的作用[1]。對于高精度的孔類零件，由于加工精度及表面粗糙度要求過高，一般的加工方法難以達(dá)到要求。目前，國內(nèi)廠家多采用電加工或者坐標(biāo)磨等更高級工藝方法來加工，雖然可以加工出合格產(chǎn)品，但會使加工成本提升、加工效率降低，而且過于依賴設(shè)備的精度，造成很多不可控的因素，并且需要大量的輔助工藝裝備，加工成本又一次提高。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中，柱塞式液壓泵（簡稱柱塞泵）是靠柱塞在轉(zhuǎn)子上柱塞腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變柱塞腔容積，實(shí)現(xiàn)控油的一種液壓泵。轉(zhuǎn)子與柱塞這一對偶件是柱塞泵(馬達(dá))的核心部件。其加工質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響泵的工作性能。由于這一對偶件加工精度高、生產(chǎn)周期長,往往成為工廠生產(chǎn)中的“細(xì)脖子”,影響生產(chǎn)任務(wù)的完成[2]。柱塞泵中關(guān)鍵的產(chǎn)品零件是“轉(zhuǎn)子”，該零件上通常會有7～9個(gè)柱塞孔。柱塞孔與柱塞之間有嚴(yán)格的間隙要求，使得柱塞孔精度要求及粗糙度要求都很高，而孔的數(shù)量較多，如何采用高效低成本的加工方法是一個(gè)難題。

1 球型鉸刀的設(shè)計(jì)需求及原理

1.1 航空柱塞泵轉(zhuǎn)子柱塞孔加工環(huán)境分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞泵轉(zhuǎn)子一直是按照關(guān)鍵重要件進(jìn)行質(zhì)量管理。首先從結(jié)構(gòu)上來分析，轉(zhuǎn)子上的孔由于其精度與粗糙度的要求高，成為工序最為困難的加工內(nèi)容。圖1為某轉(zhuǎn)子示意圖，其中9-φ 9mm孔，就是柱塞孔。從尺寸精度要求H9公差，圓柱度0.003mm，位 置 度 φ 0.03mm，粗 糙 度 Ra0.1μm，要 求 十 分 嚴(yán)格。其次，從轉(zhuǎn)子材料上來看，多為鑄造銅合金，例如ZCuSn10Zn8Pb6Ni1，是錫青銅的一種。錫青銅具有較高的強(qiáng)度和伸長率，良好的耐磨性和抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于鑄造泵體及葉輪、螺旋槳、閥門等部件[3]。

1.2 鉸刀設(shè)計(jì)及普通鉸刀存在問題

在機(jī)械加工中，經(jīng)常需要用鉸刀進(jìn)行鉸孔。鉸孔是在箱體、柱塞等零件上精加工中、小型孔的主要方法，它是半精加工(擴(kuò)孔或半精鏜)基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種精加工方法,其尺寸精度等級可達(dá)IT9～I(xiàn)T7,表面粗糙度Ra可達(dá)1.6～0.4μm[4]。在鉸刀設(shè)計(jì)時(shí)，鉸削余量、鉸刀直徑公差、鉸刀幾何參數(shù)，以及其齒槽形狀和材料的選用是否得當(dāng)，對鉸刀的使用壽命、被加工工件的表面質(zhì)量有很大影響[5]。在選擇刀具的角度時(shí)，需要考慮多種因素的影響，如工件材料、刀具材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)等，必須根據(jù)具體情況合理選擇[6]。

在航空柱塞泵加工過程中，圓柱型鉸刀比較常用，鉸刀直徑公差直接影響被加工孔的尺寸精度、鉸刀制造成本和使用壽命。由于是定尺寸精密刀具，磨損后無法繼續(xù)使用，無形中增加了制造成本[7]。用普通高速鋼鉸刀加工某些工件（尤其是難切削材料）時(shí)，容易出現(xiàn)刀具壽命減短、加工中容易崩齒、被加工表面質(zhì)量差等不良現(xiàn)象[8]。分析原因，是由于普通圓柱鉸刀與被加工零件孔接觸面積較大，加工中鉸刀受到的摩擦力較大，加工表面質(zhì)量存在一定的缺陷。另外，標(biāo)準(zhǔn)圓柱鉸刀鉸孔時(shí)會出現(xiàn)很多問題，如誤差度、直線度、排屑、讓刀、振動(dòng)現(xiàn)象、刀具使用壽命短、退刀時(shí)產(chǎn)生劃痕等[9]。

圖1 航空類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of air rotor structure

1.3 球型鉸刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在普通鉸刀鉸孔質(zhì)量無法滿足柱塞泵柱塞孔的加工要求時(shí)，生產(chǎn)上只能依靠電火花機(jī)床電打孔或坐標(biāo)磨床磨孔，之后進(jìn)行研磨加工，才能保證加工需求。加工設(shè)備昂貴，并且需要專門的工藝裝備裝夾，工藝成本很高。因此，迫切需要進(jìn)行鉸刀的改進(jìn)。

為減少不良鉸削現(xiàn)象的發(fā)生，需要改善鉸刀的鉸削條件，順暢排屑，提高被加工件的產(chǎn)品質(zhì)量[10]。經(jīng)過分析，認(rèn)為由于鉸刀是定尺寸刀具，故鉸孔尺寸精度與鉸刀的直徑有密切關(guān)系，但是鉸刀加工出的孔實(shí)際尺寸往往不等于鉸刀的實(shí)際尺寸，只有在認(rèn)清鉸刀直徑與被加工孔尺寸之間的內(nèi)在關(guān)系從而選用正確的鉸刀直徑，才能加工出精度符合要求的孔[11]。按照經(jīng)驗(yàn)，鉸孔時(shí)，由于刀齒徑向跳動(dòng)以及鉸削用量和切削液等因素會使孔徑大于鉸刀直徑，稱為鉸孔“擴(kuò)張”；而由于刀刃鈍圓半徑擠壓孔壁，則會使孔產(chǎn)生恢復(fù)而縮小，稱為鉸孔“收縮”。一般“擴(kuò)張”和“收縮”的因素同時(shí)存在，最后結(jié)果應(yīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證[12]。球型刀頭，在理想環(huán)境中，只有一個(gè)直徑方向接觸零件加工面，可以視為線性加工。刀齒徑向跳動(dòng)好，加工阻力小，對于保證尺寸穩(wěn)定十分有利。加工中球型的擠壓效果能夠保證被加工零件孔壁的表面粗糙度良好。

另外，刀具材料的選擇，也起到關(guān)鍵作用。硬質(zhì)合金鉸刀和高速鋼鉸刀的鉸削機(jī)理不同，高速鋼鉸刀主要利用刀具刀刃的鋒利性使被加工孔表面獲得較小的表面粗糙度值，而硬質(zhì)合金鉸刀在切削過程中是連切帶擠，并以刀刃的擠削為主[13]。由于被加工零件材料為鑄造銅合金，機(jī)械加工性能差，對半封閉狀態(tài)的鉸孔加工工序更為困難。如果用高速鋼鉸刀加工，由于被加工材料韌性與粘性均較大，切削刃極易粘屑并產(chǎn)生積屑瘤，從而使刀具刃口迅速鈍化，導(dǎo)致刀具校正刃與被加工孔壁產(chǎn)生劇烈擠壓和摩擦，而且刀具主、側(cè)切削刃均會嚴(yán)重磨損，所加工孔壁會被拉出深溝，加工質(zhì)量極差。硬質(zhì)合金具有高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性，適合于硬切削時(shí)做刀具材料[14]，其耐磨性良好，可以保持穩(wěn)定的尺寸，非常適合做鉸刀的刀頭材料。

參照國外加工經(jīng)驗(yàn)，采用球型的刀具結(jié)構(gòu)型式，刀具分為兩體結(jié)構(gòu)，刀頭采用硬質(zhì)合金材料，增加耐磨性；刀柄采用普通鋼，降低成本。兩者通過焊接連接。刀頭的刀齒形狀為球型，為了提高耐用度，球型前端磨出長度為h的圓柱帶。刀頭的刀齒圓柱帶長度尺寸h取值0.3～0.6mm 之間。

刀頭的刀齒圓柱帶直徑尺寸d的確定方法是：為了達(dá)到高精度的鉸孔質(zhì)量，鉸刀去除零件材料的鉸削量為0.005～0.01mm，故在零件鉸削的前工序孔徑公差較大的情況下，需要將球型鉸刀直徑d進(jìn)行分組。分組的原則是參照鉸削量要求，將被加工零件鉸孔前工序的孔徑尺寸從最小值到最大值，按照0.005～0.01mm分組。例如，在取間隔0.01mm一組的情況下，按照分組情況，球型鉸刀直徑d為：式中，Dgmin為被加工零件鉸孔前工序孔徑最小值，Dgmax為被加工零件鉸孔前工序孔徑最大值。

為了減少球型鉸刀分組，被加工零件應(yīng)在鉸孔工序之前的工序盡量減小孔徑公差，一般應(yīng)在0.02～0.04mm之間。刀齒型面球型直徑尺寸D的確定方法為：球型半徑D/2=h/2弦長時(shí)，弦高為d/2時(shí)的球半徑尺寸。利用弦長公式：

刀齒型面前角取0～3°，h中心距端面位置，按照1～1.2mm選取，后角及齒槽、圓柱刃帶按照一般圓柱鉸刀尺寸選擇即可。

2 實(shí)例與討論

2.1 球型鉸刀設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)以加工某柱塞泵柱塞孔為例，見圖2，本鉸刀為分體結(jié)構(gòu)，件1為刀頭部分，也是刀具切削部分。加工錫青銅，刀具切削部分材料應(yīng)選取鎢鈷類（YG）硬質(zhì)合金，這樣刀刃就能得到較好的耐磨性、較高的切削效率和良好的導(dǎo)熱性質(zhì)，同時(shí)避免刀具高速切削時(shí)的振動(dòng)和對刀不準(zhǔn)引起的崩刃，刀具切削部分以選YG6X為宜。件2為刀柄部分，材質(zhì)為鋼，一般選用普通的45號鋼，有利于增加刀具的韌性，且該材料價(jià)格較為低廉，有利于刀具成本的降低。

刀頭部分的刀齒形狀不同于一般圓柱鉸刀，圖3為圖2中Ⅱ位置放大圖，刀齒為球型刀齒。此形狀的刀齒，改善刀具的切削環(huán)境，在進(jìn)刀過程中，刀具與零件可近似為線性接觸，刀具所受阻力小，刀具及零件受力均勻，切削平穩(wěn)過渡，所加工孔尺寸逐步增大，這樣能夠保證孔的精度，其加工效果遠(yuǎn)好于普通高速鋼圓柱鉸刀的齒型。

當(dāng)然，若為單一的球型齒型，由于加工時(shí)，僅軸向直徑與零件接觸，為線接觸。實(shí)際使用過程中，由于屬于線性接觸，刀具參與切削實(shí)際上就是其球面上的一條環(huán)線，刀具極易磨損，一旦刀具磨損，將無法保證所加工孔的尺寸精度。因此單純的球型刀齒齒型不符合實(shí)際加工情況。若在球型齒面上，提前磨出一段圓柱，如圖3中h部分，模擬刀具已經(jīng)出現(xiàn)磨損的工作狀態(tài)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀具產(chǎn)生一定磨損后，就會出現(xiàn)一個(gè)較長的穩(wěn)定期，才會繼續(xù)磨損。球型鉸刀就是利用這一穩(wěn)定期，使球型刀具得到實(shí)際應(yīng)用。

在刀具設(shè)計(jì)時(shí)，會把h部分加工出來，通過控制h部分直徑尺寸，來控制零件尺寸。這樣加工環(huán)境得到改善，刀具的壽命也得到提升。要保持被加工孔直徑尺寸，又要預(yù)留磨損量（h部分尺寸），就需要根據(jù)產(chǎn)品精度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)摸索。對于航空柱塞泵產(chǎn)品零件，由于被加工孔的尺寸都比較小，h尺寸選在0.3～0.5mm之間，這時(shí)刀具耐用度與加工出的零件尺寸精度達(dá)到較好的效果。例如，h尺寸在按照表1所列出的一組尺寸，在刀具球型部分直徑D為9.015mm,h為0.3mm時(shí)，圓柱部分刀具直徑是按照弦長公式計(jì)算得出的，其值為9.01mm。兩者相差僅0.005mm，對于加工精度并沒有產(chǎn)生明顯影響，卻顯著增加了刀具的耐用度，保證了刀具切削的穩(wěn)定性。

另外，當(dāng)被加工孔的尺寸精度要求較高時(shí)，還需將刀具直徑尺寸進(jìn)行分組，保證適當(dāng)?shù)你q量，以確保加工表面積屑過多所帶來的零件表面粗糙度不好的問題。在加工圖1所示零件φ9mm孔所用的一組刀具尺寸見表1。

圖2 球型鉸刀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Spherical reamer structure

圖3 鉸刀頭部形狀Fig.3 Reamer head

表1 球型鉸刀尺寸分組表 mm

刀頭部分的刀齒參數(shù)確定的具體方法是：圓柱部分直徑尺寸d等于將被加工孔徑公差分為0.005mm一組后的孔徑尺寸，h尺寸取0.3mm、0.4mm各兩組。刀齒球型部分直徑D，利用弦長公式,

01組：h=0.3mm，d=9.01mm時(shí)：

刀齒型面前角取0～3°，h中心距端面位置，按照1～1.2mm選取。

至于后角及齒槽、圓柱刃帶按照一般圓柱鉸刀尺寸設(shè)計(jì)即可。同理計(jì)算得出02、03、04各組D尺寸值。

2.2 加工效果對比

通過對加工樣本的檢測，來說明不同加工方式所得表面的加工質(zhì)量差異。圖4中樣本1～4分別是球型鉸刀鉸孔、坐標(biāo)磨磨孔、普通高速鋼圓柱鉸刀鉸孔、電火花打孔4種加工方式所得的表面樣本，圖5、6為樣本表面粗糙度及尺寸精度的檢測報(bào)告。

圖4 不同加工方式所得表面圖樣Fig.4 Surface pattern from different processing methods

圖5 表面質(zhì)量檢測報(bào)告Fig.5 Surface quality inspection report

圖6 尺寸精度檢測報(bào)告Fig.6 Dimensional accuracy test report

從檢測報(bào)告可以看出，球型鉸刀所加工表面質(zhì)量明顯好于其他加工方式所得表面質(zhì)量，將檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在表2中。

從表2數(shù)據(jù)可以明顯看出，在加工時(shí)間上，球型硬質(zhì)合金鉸刀用時(shí)最少，更有利于產(chǎn)品單件工時(shí)的降低。對于生產(chǎn)單位來說，降低單件工時(shí)，就是提高效益的最直接的方法。在加工效果上，球型硬質(zhì)合金鉸刀所加工出來的孔，表面粗糙度、尺寸精度和圓柱度都有明顯的提高，更能滿足柱塞泵轉(zhuǎn)子等高精設(shè)備的要求。

3 結(jié)論

（1）與普通高速鋼圓柱鉸刀加工效果對比，球型硬質(zhì)合金鉸刀利用球型定心好、尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)，以及硬質(zhì)合金刀片韌性及抗拉強(qiáng)度強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，解決了高精度孔類加工的問題。避免了原用普通高速鋼圓柱鉸刀鉸孔，刀具易振動(dòng)、磨損嚴(yán)重、加工質(zhì)量達(dá)不到要求，而造成產(chǎn)品報(bào)廢的問題。

表2 加工效果對比

（2）與電火花機(jī)床打孔、坐標(biāo)磨床磨孔等加工方式對比，球型鉸刀制造方法簡單、成本低廉、對于加工設(shè)備沒有特殊要求、可以進(jìn)行機(jī)械鉸孔和手工鉸孔加工。加工效率高、質(zhì)量好，避免該類孔過于依賴電火花機(jī)床及坐標(biāo)磨床等高級貴重機(jī)床的問題，從根本上降低了加工成本，確保產(chǎn)品精度。

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