球面零件磨削方法论述

董卫萍，孔繁锦，现坤，张磊

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

1 研究背景

飞机零件的机械加工中会经常使用到切削刃为球面形状的各类工具，如球形扁钻、球形锪钻、球形立铣刀、研磨球等。扁钻是加工大直径内孔的孔类加工刀具，其具有结构简单、制造成本低、使用方便等优点。但由于其特殊的球面切削刃结构，致使制造工艺复杂，生产周期长。而球面切削刃的磨削又是扁钻制造、返修过程中的主要技术难点和瓶颈工序。传统的仿形磨削方法加工效率低、难于保证刀具精度，且在磨削大直径球面的过程中还存在砂轮爆裂的安全隐患。

针对扁钻在制造、返修中遇到的诸多问题与困难，结合生产现场现有加工设备的实际情况，经过学习分析，研发出了一种在刃磨机床上磨削球面零件的方法。这种方法能够获得较高的尺寸精度和良好的表面质量，同时能够有效防止砂轮爆裂，实现安全生产。本文以大球面扁钻为例进行论述。

2 传统球面零件磨削方法中存在的主要问题

传统的球面零件磨削方法如图1所示，先在砂轮上按样板修出球面廓形，然后在铲磨或刃磨机床上用砂轮靠磨零件得到球面廓形。

图1 传统球面零件磨削方法

对于大直径球面，如按常规磨削方法在砂轮上修廓形磨球面，存在以下缺陷：（1）当R＞20mm时，会因为砂轮直径D太大，砂轮线速度大于安全线速度35m/s，砂轮容易爆裂，不安全。（2）用砂轮靠磨球面时，由于砂轮廓形磨损快、磨损不均匀，导致球面尺寸不准确。

3 大直径球面的磨削原理

在刃磨机床上，选用合适的砂轮，使砂轮轴线与球面轴线在水平面内相交成一定的角度，且二者做相对旋转和进给运动，从而形成球面。外球面通过砂轮内孔口部磨削，内球面通过砂轮外径端部磨削。

球面磨削是通过砂轮与零件相对运动轨迹形成球面，而且不同形状球面磨削方法各有不同，下面分类介绍各种球面磨削方法。

3.1 与锥度外圆相切的球面的磨削方法

以大球面扁钻为例，重点介绍与锥外圆相切的球面的磨削方法。锥度外圆斜角α=5.18°，球面R=25，运用球面形成原理，在刃磨机床上用砂轮内孔口部磨外球面R25，具体磨削方法，如图2所示。

图2 与锥度外圆相切的球面R的刃磨示意图

相关参数计算方法及刃磨操作要领：

（1）参数计算公式：

（2）砂轮内孔直径D的确定方法：D=AB=φ33.72mm。

（3）按D尺寸选图2所示砂轮，车工按D值车砂轮内孔，按砂轮内孔d制作专用砂轮杆和螺钉，如图3所示，安装砂轮。

图3 砂轮杆示意图

（4）以扁钻4#莫氏锥柄定位，安装工件、旋转工件中心线与砂轮中心线形成β角度。

（5）调整砂轮中心与工件中心绝对等高调整方法：用高度尺实测零件中心尺寸，换算砂轮中心尺寸，调整砂轮中心与零件中心等高。

（6）按图2所示位置，工件球面部位涂红丹粉、左右调整工件位置，必要时微调β角度，磨削时调整零件球心位置，并用样板检测，只有砂轮中心线正交到零件球心位置时，所得球面尺寸即为SR25。工件调整方法如下：如果砂轮只磨A区域，需要把零件按图示位置向右移动；如果砂轮只磨B区域，需要把零件按图示位置向左移动。

（7）批量生产，首件调试合格后，零件和砂轮相对位置固定不变，只进行正常砂轮进给磨削，当砂轮磨损不快时，只需要修砂轮端面。

3.2 与直外圆相切的球面的磨削方法

与直外圆相切的球面，其特点为：R=D1/2，磨削方法如图4所示。

图4 与直外圆相切的球面R的磨削方法

参数计算公式：

β=45°，AB=2Rsin45°，D=AB例 如：D1=Φ100mm，R=D1/2=50mm，β=45°AB=2Rsinβ=70.7mm，则可确定砂轮内孔直径D=AB=φ70.7mm

3.3 球冠R的两种磨削方法

球冠R的球面特点R＞D1/2，其磨削方法如图5(a)、(b)所示。

对应参数计算公式：

方法选择标准：当R较小时，按图5(a)方法磨削；当R较大时，按图5(b)方法磨削。

图5 球冠R的两种磨削方法

3.4 优弧球面的磨削方法

优弧球面的磨削方法，如图6所示。

图6 优弧球面的磨削方法

参数计算公式：

3.5 内球面的磨削方法

内球面的磨削方法及砂轮形状如图7所示，计算方法参照外球面计算公式。

图7 内球面的磨削方法

4 应用价值

新方法磨削的球面R尺寸准确、球面缺陷小；砂轮磨削时与工件接触面小、磨削力小，工件不容易退火；砂轮直径小，磨削安全；砂轮磨损了只需要修砂轮端面，操作简便，工作效率提高3～4倍。

该方法彻底解决了大直径球面的磨削技术难题，为需要热处理后磨削球面的此类产品提供了全新的加工思路与方法，且加工效率高、球面形状完整、稳定，提升了企业的刀量具制造水平。