大型減壓閥閥芯的加工工藝研究

陳祥林，宋秦中

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

閥門廣泛應(yīng)用于管路流體輸送系統(tǒng)中，是控制流向、管路開閉及調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)參數(shù)（如流量、壓力和溫度）的重要管路附件。閥芯是閥門中的核心部件，閥體借助它的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)流體方向控制、壓力控制或流量控制。閥芯須承受拉力、壓力和扭轉(zhuǎn)作用力，并與輸送的流體直接接觸，應(yīng)具備良好的耐腐蝕性、沖擊韌性、抗擦傷性。閥芯的加工及安裝精度，直接影響到閥門工作時(shí)的使用性能、使用壽命和密封性[1]。

上海某品牌公司（簡稱為甲方）需要一款偏心減壓閥閥芯，要求月產(chǎn)能3 000件左右，承包給蘇州市職業(yè)大學(xué)的合作企業(yè)。該企業(yè)承接閥芯加工項(xiàng)目以后，利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了試生產(chǎn)，由于閥芯尺寸較大，造成加工效率低下從而不能滿足甲方的產(chǎn)能要求；如果為了提升產(chǎn)能而加大設(shè)備及人員的投入，則利潤會(huì)很少。針對(duì)這一情況，該企業(yè)期望通過分析閥芯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化閥芯零件的加工工藝，以提高加工效率，完成生產(chǎn)目標(biāo)。

1 閥芯零件技術(shù)分析

該偏心減壓閥閥芯零件圖如圖1所示。根據(jù)零件圖紙要求，閥芯的材料為40Cr，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，40Cr主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有較好的切削性能、較高的強(qiáng)度和韌性等[2]。

圖1 閥芯零件圖(mm)

表1 40Cr的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能

由圖1可知，閥芯零件外觀尺寸為630 mm×250 mm×130 mm，根據(jù)市場板材規(guī)格，所選毛坯尺寸為640 mm×260 mm×150 mm。采用普通銑床粗加工到如圖2所示的毛坯尺寸，厚度為130.5 mm，考慮到毛坯變形等因素[3]，各方向預(yù)留0.5 mm的余量，經(jīng)平面磨床加工達(dá)到所需的尺寸后，再利用數(shù)控車床、立式加工中心、電火花線切割機(jī)床完成后續(xù)加工，其工序如表2所示。

圖2 閥芯毛坯零件圖（mm）

表2 常規(guī)加工閥芯主要工序

由表2可知，該企業(yè)按照常規(guī)加工方法，工序主要分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)：

1)平面磨床。將圖2毛坯零件固定于平面磨床的吸盤上，分別對(duì)外圍的六個(gè)面進(jìn)行磨削，將尺寸加工到630 mm×250 mm×130 mm。

2)數(shù)控車床。因?yàn)槊鹘孛媸情L方形，故采用四爪卡盤裝夾毛坯左端，用尾架的活動(dòng)頂針頂住其右端，打表找正。再按工序順序分別進(jìn)行加工：工序2，外圓車刀完成右端圓柱及SR322圓弧面的車削；工序3，螺紋刀完成右端M90螺紋的加工；工件掉頭三爪卡盤裝夾；工序4-5，分別完成左端圓柱及SR322圓弧面、M90螺紋的加工。

3)加工中心。工序6-8，在加工中心完成，主要是對(duì)Φ200內(nèi)孔進(jìn)行加工。首先采用鉆頭預(yù)鉆通孔，方便后續(xù)立銑刀下沉粗加工，最后采用鏜孔刀完成內(nèi)孔的精加工。

4)線切割機(jī)床?？紤]到工件長度為630 mm，銑削方式對(duì)機(jī)床的行程要求較高，工序9利用線切割機(jī)床完成工件兩端的方槽加工。

按照以上加工工序，平面磨床和線切割機(jī)床的加工可以外協(xié)，所占加工時(shí)間可以忽略不計(jì)。數(shù)控車床加工時(shí)間約3.5 h，加工中心加工時(shí)間約為3 h，由此，完成一個(gè)閥芯零件的加工，大約共需6.5 h。由圖1可知，該閥芯零件對(duì)尺寸精度的要求并不高，首批工件檢測后，精度基本能達(dá)到圖紙要求，也得到甲方公司的認(rèn)可，但加工效率低，月產(chǎn)能遠(yuǎn)達(dá)不到甲方要求；另外，因立銑刀刀具磨損較大，刀具成本增加，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本大幅度提高，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)不到預(yù)期值[4]。

2 問題分析

結(jié)合閥芯的零件圖、毛坯圖及閥芯原加工工序可知，造成閥芯零件加工效率低，生產(chǎn)成本居高的主要原因如下：

1）工件尺寸大，截面為長方形，重量約為100 kg，常規(guī)的裝夾方式不可靠；在使用數(shù)控車床加工時(shí)，特制的四爪卡盤裝夾不夠牢靠，高速旋轉(zhuǎn)和大車削量都會(huì)帶來安全隱患，只能選擇低轉(zhuǎn)速和較小的車削量，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低；

2）閥芯的Φ200內(nèi)孔尺寸大，銑削加工量大，加工時(shí)間長，且立式加工中心銑削時(shí)，排屑困難，導(dǎo)致立銑刀的磨損加大、更換頻繁，生產(chǎn)成本提高[5]。

基于上述原因，考慮如下改進(jìn)方法：①設(shè)計(jì)閥芯的專用工裝夾具，提高閥芯裝夾的穩(wěn)定性，進(jìn)而加大車削量，提高加工效率；②將立式加工中心更換為臥式加工中心，解決排屑困難問題，減少刀具的磨損，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本?？紤]到該企業(yè)的實(shí)際情況：無臥式加工中心，且數(shù)控車床、立式加工中心數(shù)量有限，而大量普通車床、銑床處于閑置的狀況，因而需要從工藝方面著手來解決產(chǎn)能問題。

3 新加工工藝設(shè)計(jì)

在制訂機(jī)械加工工藝方案時(shí)，既要體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)，保證加工質(zhì)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度及遵照安全可靠的原則，又要達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，提高生產(chǎn)效率，降低加工成本的目的[5]。工藝流程作為閥芯加工工藝的骨架，在整個(gè)方案中起著舉足輕重的作用。

3.1 加工設(shè)備選擇

在制定工藝時(shí)，適當(dāng)采用工序分散，也會(huì)凸顯出其加工優(yōu)勢。根據(jù)閥芯零件的結(jié)構(gòu)類型和加工要求，依據(jù)公司現(xiàn)有設(shè)備條件，針對(duì)工序2、工序4采用普通車床開粗，數(shù)控車床精加工相結(jié)合的方式；針對(duì)工序6-8，采用普通車床加工Φ200內(nèi)孔。

3.2 專用夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)閥芯零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為解決上述加工中存在的問題，提高加工的可靠性和效率，分別設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)專用夾具。

3.2.1 大型方料車削夾具

針對(duì)閥芯工件尺寸較大，且截面為長方形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的車削夾具，其裝夾形式見圖4，確保了裝夾的可靠性。

圖3 車削夾具實(shí)物圖

圖4 車削裝夾示意圖

該夾具以車床法蘭為依托，包含夾具體、墊塊、調(diào)整片、鎖緊螺釘?shù)龋跃o固螺釘將夾具體固定于機(jī)床的法蘭，工件置于夾具體的夾持腔內(nèi)，以墊塊和調(diào)整片來微調(diào)毛坯在夾持腔內(nèi)的位置，最后用兩組對(duì)稱位置的鎖緊螺釘固定工件。具體操作步驟為：

1）首先利用緊固螺釘將夾具體安裝于車床法蘭上；

2）選擇合適厚度的調(diào)整片放置在工件的四個(gè)角或四條側(cè)楞上，采用人工或起重設(shè)備將工件插入到夾具體的夾持腔內(nèi)；

3）在圖4中，將上下對(duì)稱的一組鎖緊螺釘，旋入夾具體的鎖緊通孔內(nèi)，直至鎖緊螺釘?shù)亩瞬枯p輕壓住工件；

4）將墊塊分別從工件兩側(cè)面插入夾持腔內(nèi)，將位于墊塊槽中軸線上的另一組鎖緊螺釘（圖4所示左右兩側(cè)）旋入夾具體的鎖緊通孔內(nèi)，直至鎖緊螺釘?shù)亩瞬枯p輕壓住墊塊，從而間接壓住方料工件；

5）對(duì)工件外露的表面打表找正，調(diào)節(jié)并鎖緊上述四組鎖緊螺釘，使工件位置符合加工要求，其后進(jìn)行切削加工。

工件夾緊后的實(shí)物圖如圖5所示，由圖5可以看出，因工件置于大型方料夾具體的夾持腔內(nèi)，接觸面積大，能夠確保工件裝夾可靠。閥芯粗加工后的實(shí)物如圖6所示。

圖5 車削裝夾實(shí)物圖

圖6 閥芯粗加工實(shí)物圖

3.2.2 大型方料鉆孔夾具

閥芯零件需要加工Φ200的內(nèi)孔，因立式加工中心的銑削時(shí)間過長且排屑困難，而改用普通車床，配套如圖7所示的相應(yīng)夾具。夾具包含安裝盤、壓板、定位柱A和定位柱B，安裝盤安裝于普通車床的法蘭，壓板和定位柱均固定于安裝盤的T型槽內(nèi)，工件依靠兩個(gè)定位柱在X、Y方向定位，再用壓板固定。開孔刀具右端套入車床尾座的圓錐孔，固定于車床尾座。在主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)尾座手輪實(shí)現(xiàn)刀具的Z向進(jìn)給，以達(dá)到快速開孔的目的。閥芯鉆孔操作如圖8所示，將普通車床三爪卡盤更換為安裝盤，因工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，重心不在安裝盤中心，為了避免離心力的影響，操作時(shí)主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，且注意刀具和工件的冷卻[6]。

圖7 大型方料鉆孔夾具示意圖

圖8 閥芯鉆孔實(shí)物圖

3.3 新工序設(shè)計(jì)

新工序根據(jù)閥芯加工的內(nèi)容，更換加工設(shè)備，將原工序2、工序4中車削兩端圓柱及SR322圓弧面，分解為普通車床的粗加工和數(shù)控車床的精加工；將原工序7中銑削Φ200內(nèi)孔，改為普通車床上先鉆孔，再鏜孔，則新加工工序如表3所示。

表3 閥芯新加工工序

新加工工序和原工序相比，主要有兩處變化：

1）將表2中的兩道工序（2和4），分解為表3中的四道工序（2-4、6）。表3中的工序2-3，利用普通車床，安裝了如圖4、5所示大型方料車削夾具，將閥芯置于夾具體的型腔中，分別對(duì)閥芯兩端的圓柱及SR322圓弧面進(jìn)行粗加工，再留余量在數(shù)控車床上精加工。

2）表2中的工序7-8，被表3中的工序8-9替代。利用普通車床，安裝如圖7、圖8所示的大型方料鉆孔夾具，用手搖車床尾座的手輪，以Z向進(jìn)給的方式完成鉆孔切削加工，再通過車床的鏜孔刀完成內(nèi)孔精加工。

3.4 新舊工藝對(duì)比分析

1)原方案中，主要工序以數(shù)控車床、立式加工中心為主；新方案的主要工序以普通車床為主，數(shù)控車床為輔，減少了對(duì)高性能機(jī)床的依賴。新方案盤活了公司的固定資產(chǎn)，讓閑置的機(jī)床發(fā)揮了作用，無須增加額外的設(shè)備投入。

2）通過驗(yàn)證，采用大型方料車削夾具使得閥芯固定可靠，加大了外圓車刀的切削量，節(jié)約了1.5 h；采用大型方料鉆孔夾具，變銑削方式為鉆削，節(jié)約了2 h。因此，新的方案完成一個(gè)閥芯零件大約需要3 h，比原方案效率提高了54%，同時(shí)，新工藝大幅度提升了現(xiàn)有機(jī)床的使用率，有效保證了閥芯的月產(chǎn)能。

3）兩種夾具結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、安裝可靠，且為一次性投入，隨著閥芯生產(chǎn)批量增加，夾具成本所占的比例可忽略，同時(shí)工藝的改變降低了刀具損耗成本。

4 結(jié)論

工藝在生產(chǎn)中占有極其重要的地位[7]。筆者根據(jù)所加工閥芯零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對(duì)原加工工藝的分析，找出引起加工效率低下的根源，在不改變企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備的條件下，制訂了合理的新工序，設(shè)計(jì)了兩道工序所用的專用夾具，使閥芯加工效率得到了極大提高，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)能，同時(shí)降低了因刀具損耗而產(chǎn)生的生產(chǎn)成本，協(xié)助加工企業(yè)完成了既定的生產(chǎn)目標(biāo)且取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。新夾具在大型方料零件加工中，具有較高的實(shí)踐指導(dǎo)意義和推廣價(jià)值。