平行閘板閥閥座孔加工專用車削刀具設(shè)計及實(shí)驗(yàn)研究

王國永，張曉飛，韓彥龍，宋曉明

（1.承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2.中石化石油機(jī)械有限責(zé)任公司承德江鉆分公司，河北 承德 067000）

1 引言

平行閘板閥被廣泛應(yīng)用在石油鉆采配套裝備中。平行閘板閥的閥體加工制造是石油鉆采配套設(shè)備中比較重要的部分［1］。在的平行閘板閥的閥體左右通孔的中間位置，有兩個孔用來安放平行閘板閥閥座，并與之配合使用，這兩個孔我們稱之為“閥座孔”，如圖1所示。根據(jù)平行閘板閥加工工藝要求，這兩個閥座孔的形位公差要求較高，因此閥座孔加工工藝的優(yōu)劣直接影響平行閘板閥密封性能。如何滿足閥座孔的形位公差和加工質(zhì)量要求，提高加工效率［2-3］，是工藝設(shè)計者和加工制造者需考慮重要問題。

圖1 平行閘板閥閥體的閥座孔Fig.1 Seat Hole of Parallel Gate Valve Body

2 普通車削刀具加工閥座孔的缺點(diǎn)

平行閘板閥閥座孔通常在數(shù)控車床上加工，如圖1所示。一般情況下，用普通具［4-5］加工閥座孔的工藝有以下弊端和不足：

（1）大部分車削閥座孔刀具只有一個車削刀尖，左閥座孔可以按照工藝設(shè)計進(jìn)行加工，右閥座孔則需要調(diào)頭加工，需要裝夾兩次才能完成，很難滿足閥座孔的形位公差，加工效率也較低。

（2）大部分內(nèi)孔車削刀具的刀桿是圓柱形。如果閥座孔距離右端面較長，刀桿會相應(yīng)比較長，加工工件時由于刀桿剛度和硬度較小容易出現(xiàn)“顫抖”，加工質(zhì)量不易保證。

（3）一般情況下，數(shù)控車削加工內(nèi)孔零件時，刀具或刀架上沒有切削液導(dǎo)流孔，不易將切削液導(dǎo)到加工點(diǎn)上，對于零件加工質(zhì)量和刀片壽命非常不利。

基于此需要設(shè)計一套閥座孔加工專用車削刀具，能夠一次裝夾就完成左、右閥座孔的加工；盡可能增大刀桿的剛度和硬度，減小“顫抖”發(fā)生；同時，設(shè)計切削液導(dǎo)流孔，將切削液加到刀位點(diǎn)上，降低加工時刀片的溫度。

3 專用閥座孔加工的刀具設(shè)計

運(yùn)用SolidWorks 軟件建立閥座孔專用車削刀具實(shí)體模型圖［6］、內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)體模型及切削液導(dǎo)流模型，如圖2～圖4所示。

圖2 專用車削刀具實(shí)體模型Fig.2 Solid Model of Special Turning Tool

圖3 專用車削刀具內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Fig.3 Solid Model of Internal Structure of Special Turning Tool

圖4 專用車削刀具切削液導(dǎo)流圖Fig.4 Flow Chart of Cutting Fluid for Special Turning Tool

當(dāng)加工閥座孔時，只需要一次裝夾就可以完成加工。加工左閥座孔時，使用左刀片進(jìn)行加工，加工右閥座孔時，使用右刀片進(jìn)行加工，同時在設(shè)計時保證兩刀尖的水平長度大于需要加工的閥座孔的深度，這樣才能夠保證在加工左閥座孔時，右刀片不劃傷左閥座孔，在加工右閥座孔時，左刀片不劃傷右閥座孔。

由圖2可知，刀桿左端部分主體形狀為橢圓柱（截面為橢圓形），右端為圓柱。普通車削刀桿為圓柱體，當(dāng)變?yōu)闄E圓柱時，橢圓的短軸為原來圓柱的直徑，橢圓的長軸肯定大于原來圓柱的直徑，這樣刀桿的強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。

為了降低刀位點(diǎn)的切削溫度，需要正確使用切削液，設(shè)計了車削刀具切削液導(dǎo)流通道，如圖4所示。

在刀桿的右端孔1加入切削液，然后流經(jīng)孔2，在孔2的左端有M4的螺釘將切削液堵到孔3和孔4的位置，切削液正好流到如圖4所示的左右刀片上。這樣，能夠降低刀位點(diǎn)的切削溫度，有利于提高閥座孔的加工精度。

同時，設(shè)計的專用車削刀具不僅能滿足平行閘板閥閥座孔的加工，也能夠滿足其他類似內(nèi)孔的加工，比如，將右刀片4去掉，就可以看成普通的內(nèi)孔和外圓加工刀具，能夠加工普通的內(nèi)孔和外圓結(jié)構(gòu)零件。

4 刀具強(qiáng)度校核

閥座孔專用車削加工刀具材料為硬質(zhì)合金，刀桿材料為35CrMo，主軸轉(zhuǎn)速220r/min，閥座孔直徑為90mm，切削參數(shù)：背吃刀量ap=2mm、進(jìn)給量f=45mm/min，刀桿截面長軸68mm、短軸46mm，刀桿總長400mm、夾持長度為105mm、刀桿最大懸伸量為295mm、左刀片中心到夾持端面的距離為279mm。經(jīng)計算可得到刀具主切削力Fe、背向力Fp和進(jìn)給力Ff分別為：Fe=3785N，F(xiàn)p=1431N，F(xiàn)f=758N?？紤]切削過程的不穩(wěn)定性，取Fe=3900N、Fp=1500N、Ff=800N。借助ANSYS軟件對刀具進(jìn)行強(qiáng)度分析。參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量2.13×105MPa，泊松比0.268，密度為7.75×10-9t/mm3。選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載得到其有限元模型，如圖5所示。有限元模型包含17568個節(jié)點(diǎn)5087個單元［7-10］。

圖5 專用車削刀具有限元模型Fig.5 Finite Element Model of Special Turning Tool

對刀具有限元模型進(jìn)行計算得到應(yīng)力分布，如圖6所示。刀桿刀尖處處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為644MPa，遠(yuǎn)小于其屈服極限835MPa，其強(qiáng)度滿足要求。

圖6 應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress Distribution Nephogram

5 實(shí)驗(yàn)研究

將平行閘板閥閥體裝夾在數(shù)控車床（后置床身）上進(jìn)行加工，如圖7所示。在給定同樣的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，用上述設(shè)計的閥座孔專用車削刀具和普通內(nèi)孔加工刀具分別加工閥座孔，通過三坐標(biāo)測量儀對其加工質(zhì)量和形位公差進(jìn)行測量和對比得到，如表1所示。

表1 加工質(zhì)量和形位公差對比Tab.1 Comparison of Machining Quality and Geometric Tolerance

圖7 專用車削刀具應(yīng)用加工Fig.7 Application of Special Turning Tool

通過上表可以看出，同一個操作者在同樣的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速情況下，利用專用閥座孔刀具加工一批平行閘板閥閥座孔，在進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)時，零件的同軸度、平行度、對稱度均優(yōu)于普通內(nèi)孔刀具加工的平行閘板閥閥座孔的精度，并且滿足設(shè)計形位公差要求。

6 結(jié)論

針對采用普通內(nèi)孔刀具加工平行閘板閥閥座孔時遇到的問題，設(shè)計了一套專用的閥座孔車削加工刀具系統(tǒng)，并通過數(shù)控車床車削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）設(shè)計成橢圓形截面的刀桿能夠增大刀桿的剛度，能夠適應(yīng)更高的強(qiáng)度，滿足零件加工所需的剛度和硬度，加工能力變大，有效的降低加工時的“顫抖”。

（2）設(shè)計的雙頭加工刀頭，能夠滿足裝夾一次就完成閥座孔的加工，無需再調(diào)頭加工，更能滿足閥座孔的形位公差要求，提高了加工效率和加工質(zhì)量。

（3）設(shè)計的切削液導(dǎo)流孔能夠滿足加工需要，方便使用切削液，提高了加工質(zhì)量和刀具壽命。

（4）同時，設(shè)計的專用車削刀具不僅能滿足平行閘板閥閥座孔的加工，也對其他零件的加工具有很大的借鑒意義。

綜上所述，所設(shè)計的平行閘板閥閥座孔專用車削加工刀具，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅強(qiáng)度高，加工閥座孔方便，還提高了加工效率和加工質(zhì)量，能夠滿足實(shí)際加工要求，具有較高的推廣價值。