球體月牙槽的銑削加工工藝

摘要：球體生產過程中，月牙槽的加工存在較大的難度。文章針對球閥球體月牙槽加工時存在的裝夾定位以及中心對稱度難保證的問題，設計了球體裝夾定位夾具，用正確合理的銑削加工工藝保證產品加工精度。

關鍵詞：球閥；球體；月牙槽；中心對稱度；裝夾定位夾具

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0075-03

DN150不銹鋼球閥是為國家重點工程某發射場新研制的配套設備。球體作為球閥閉合的關鍵件，其制造精度直接影響球閥的密封性能。球體生產過程中，月牙槽的加工既要滿足尺寸精度、對稱度及粗糙度等圖紙要求，還要提高零件的加工效率，存在較大的難度。針對這一難點，通過認真分析球體結構特點及技術要求，設計球體裝夾定位夾具，制定合理的銑削加工工藝，保證了產品質量，提高了生產效率。

1 球體月牙槽在銑削過程中存在的難點

DN150不銹鋼球閥主要由閥體、球體、閥桿及密封件組成（圖1），閥桿下部扁平端與球體月牙槽連接并帶動球體（圖2）旋轉實現閥門的啟閉，球體材料牌號是1Cr18Ni9Ti。從圖2看出，球體直徑為236mm，寬度為X（出于保密要求未標注）；月牙槽的寬度為30，寬度公差為0.011mm，深度為25mm，圓弧半徑為87.5mm；月牙槽的寬度尺寸相對于球體中心線A的對稱度公差為0.02mm。因此，DN150球體月牙槽的寬度和中心對稱度是銑削加工保證的

關鍵。

球體月牙槽在銑削過程中存在以下難點：

1.1 裝夾定位問題

一般能利用通用夾具能裝夾的球體，裝夾定位問題是比較簡單的。但對于直徑較大、重量較重的DN150球體的裝夾，通用夾具將無法滿足。同時，若夾具設計得不合理，不僅使拋光好的球面很容易被夾傷，而且還會導致加工過程中工件由于受力發生轉動或歪斜，產生廢品。因此球體的裝夾及準確定位是保證合格產品和提高生產效率的前提。

圖1 球閥結構示意圖

圖2 球體結構示意圖

1.2 球面防護問題

不銹鋼球體月牙槽在加工前，球面的拋光工序已經完成。原因是在銑削加工前拋光球體表面，設備作業是連續的，可以獲得均勻良好的表面質量，利于提高球閥的密封性能。因此，保護好球面不被劃傷、磕傷、夾傷是銑削加工首先要考慮解決的問題。

1.3 工藝系統的剛性問題

DN150球體月牙槽的銑削量大且精度高，要求所選用的夾具和銑削設備具有足夠的剛性，避免銑削振動給加工帶來的影響。

1.4 銑削用量的選擇

銑削用量選擇的合理與否，直接決定著加工精度能否順利保證。

2 球體月牙槽銑削工藝過程設計

針對以上球體月牙槽銑削過程中存在的難點，進行合理的工藝過程設計，通過定位裝夾夾具的設計、工件防護措施的制定、加工過程切削要素的控制以及刀具材質和刀具的選擇，完全能夠解決這些難點，保證加工精度，從而獲得滿意的加工效果。

2.1 專用夾具的設計

2.1.1 夾具定位元件材料的選擇。在專用夾具設計中首先需考慮定位及夾緊元件材料的選取。DN150球體的材料為1Cr18Ni9Ti，由于球體介質流通孔與圓胎接觸處強度較弱，為避免裝夾過程中被擠傷，與之接觸的圓胎材料選用硬度相當的材質，比如淬火HRC55～58的45號鋼；夾具體是工藝系統的主要部分，需要有較好的剛度和加工性能，選用鑄鐵直角彎板，厚度在30mm以上；壓板采用Q235A，拉桿采用45鋼。

2.1.2 定位結構設計。根據機床夾具設計六點定位原理，通過對工件六個自由度的定位分析，設計專用夾具定位結構。球體工件在空間具有六個自由度，分別為X、Y、Z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞著三個坐標軸的轉動自由度。通常用六個支承點（即定位元件）來限制工件的六個自由度，其中每一個支承點限制相應的一個自由度。對于槽體的加工，通常只需要限制除X軸方向移動之外的五個自由度即可，但球體工件的槽體為圓弧槽，存在對稱度的要求，因此需要限制工件六個自由度。

根據工件的結構特點，夾具設計充分利用球體Φ150介質通流孔及端面、Φ12通氣孔的結構進行定位。為確保工件定位精度，在球體零件設計中將上述兩個尺寸由原有的自由公差調整為符合夾具配合要求的高精度尺寸公差。

定位基準的確定：根據球體結構特點，選擇球體已精加工過的Φ150內孔為定位基準。

夾具體：選用直角彎板作為夾具體，將起到固定夾具于銑床工作臺面、固定定位元件的作用。

定位結構設計：

（1）固定階臺型圓胎。固定于夾具體立板的固定階臺型圓胎，設計為帶有臺階的圓盤形結構，是工件加工的主要定位元件，其限制了工件沿X、Z坐標軸方向的移動自由度和繞X、Z軸方向的轉動自由度（臺階長度長的情況、短的情況只限制兩個移動自由度）。為減小定位誤差，提高定位精度，圓胎臺階與工件介質通流孔配合公差選用Φ150，工件介質通流孔直徑為150，固定圓胎臺階外圓尺寸為Φ150。

（2）活動階臺型圓胎。活動階臺型圓胎與工件的介質通流孔配合安裝，限制了工件在Y坐標軸方向的移動自由度。其結構與固定階臺型圓胎基本一致，不同的有兩點：活動階臺型圓胎不作為主要定位元件，其臺階高度尺寸可短一些；另外在裝夾工件時，與工件150介質通流孔配合間隙需要略大一點，以便于裝卸，因此它與150介質通流孔配合公差選用Φ150，其臺階外圓尺寸為Φ150。

圓胎定位示意圖如圖3所示：

圖3 球體定位示意圖

定位銷的選擇：為限制工件繞Y軸方向轉動的自由度，需在工件底部通氣孔Φ12處插入一個圓柱定位銷與夾具體底板上的定位孔相配合方可起作用。

過定位的消除：需要注意的是，圓柱定位銷還限制了X、Y坐標軸方向的移動自由度和繞X坐標軸方向的轉動自由度，造成工件裝夾過定位現象。過定位會造成工件無法安裝、工件或定位元件變形的不良后果，必須予以消除。設計中選用了以下方法消除過定位：（1）提高夾具定位面和工件定位基準面的加工精度；（2）適當放大定位銷與通氣孔的配合間隙。一方面其配合間隙大于主要定位元件固定階臺型圓胎與工件通流孔的配合間隙，可以消除過定位的產生；另一方面也便于定位銷的安裝與拆卸。定位銷與工件通氣孔的配合公差選擇為Φ12，底板安裝孔和工件通氣孔的尺寸為Φ120+0.11，定位銷外圓尺寸為Φ12。

2.1.3 夾緊結構設計。通過夾具體、定位結構的設計及定位元件的選擇，將球體工件的空間位置確定，通過夾緊結構設計完成專用夾具的整體設計。專用夾具結構如圖4所示：

圖4 專用夾具結構示意圖

（1）夾具在銑床上的固定。專用夾具通過夾具體底板與銑床工作臺面的固定。設計中采用4個螺栓連接銑床工作臺與夾具底板來實現（還可以在底板上裝兩個定位鍵效果更好）。

（2）工件的夾緊。通過長拉桿將工件夾緊在固定階臺型圓胎和活動階臺型圓胎之間。為增加可靠的加緊力，設計中采用2個活動壓板，分別將工件夾緊在壓板與夾具體直角彎板的立板之間。

2.1.4 工件的裝夾。球體在專用夾具上的裝夾固定，須采用以下步驟完成：（1）將球體套入固定階臺型圓胎并貼緊其端面；（2）將圓柱定位銷穿入工件通流孔內，再通過通氣孔插入夾具體底板上的定位孔；（3）將拉桿旋入固定圓胎，再將活動階臺型圓胎與工件配合并適當夾緊；（4）用兩個壓板分別壓緊球體，最后將中間拉桿旋緊。

2.2 工件防護措施的制定

DN150球體直徑和自重較大，并且球體在轉入銑工工序之前，球面已經拋光完畢。盡管在周轉過程中對球體采取了一定的保護措施，而在銑削過程中疏于對球體的保護，一樣會造成廢品，以致前功盡棄。因此，球體定位中的磕傷、裝夾中的夾傷以及被沖刷的鐵屑劃傷等問題，就要求操作者制定相應的防護措施去消除。

防護措施的具體步驟：（1）球體裝夾時做到輕拿輕放，避免人為磕傷；（2）用酒精棉球擦去球面的油污等污漬；（3）用防水塑料膠帶均勻粘貼球面并且只留出月牙槽被加工的區域；（4）銑削時有充足的冷卻液，以利于排屑。

通過以上措施的制定，可有效避免球體在裝夾過程中出現工件表面被人為磕傷、夾具夾傷和加工過程產生的鐵屑劃傷的問題。

2.3 工藝系統剛性的解決

DN150球體月牙槽銑削量大且精度高，除要求所選用的夾具具有足夠的剛性外，銑削設備和刀具結構同樣如此，以避免銑削振動給加工帶來的影響，

2.3.1 銑削設備的選用：（1）盡可能選用功率高、輸出扭矩大且傳動平穩的銑床；（2）根據加工精度選用相應等級的銑床；（3）選用經濟適用性高的銑床。

根據DN150球體月牙槽的銑削特點和單位現有設備資源，選取在X62W臥式銑床上加工。

2.3.2 刀具材料和結構的選取：刀具材料的切削性能關系著刀具的耐用度和加工零件的質量，刀具材料的工藝性影響著刀具本身的制造與刃磨質量，因此合理選擇銑刀材料是保證銑削順利進行的關鍵。

（1）刀具材料。加工奧氏體不銹鋼材料時，存在切削力大、加工硬化嚴重、刀具磨損快的特點，并且銑削不銹鋼除端銑刀和部分立銑刀可用硬質合金做銑刀刀齒外，其余各類銑刀均采用高速鋼。所以，在這里選取比普通高速鋼耐用度高的高釩高速鋼作為銑刀材料。

（2）刀具結構。鑲齒三面刃銑刀主要用于銑削定值尺寸的凹槽，除圓周表面具有主切削刃外，兩側面也有副切削刃，三個刃口均有后角、刃口鋒利、切削輕快，從而改善了切削條件，提高了切削效率和減小表面粗糙度。考慮到刀具經濟的適用性，且要適合臥式銑床加工，工藝設計中選用材料為高釩高速鋼的鑲齒三面刃銑刀結構。

2.4 合理地選擇銑削用量

合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機床性能，在保證加工質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。

2.4.1 銑削深度ap。銑刀在一次進給中所切掉工件表層的厚度叫銑削深度。銑削深度大小是根據加工余量、銑床功率和對工件加工面的光潔度要求等因素來確定的，在粗加工和半精加工中，可以增加切削深度以提高效率，但在精加工中必須減少切削深度以提高表面粗糙度。

球體月牙槽的銑削深度相對較深，因此粗加工可以分為多次走刀，但是第一刀的銑削深度應取大一些，選為8～10mm；留夠精加工余量0.3～0.5mm。

2.4.2 每分鐘進給量Vf。銑刀每回轉一分鐘在進給運動方向上相對工件的位移量，叫做每分鐘進給量。在粗加工中，可以提高進給量以提高切削效率，在精加工中減少進給量以提高表面粗糙度。球體月牙槽在粗加工時，由于作用在工藝系統上的切削力較大，因此可以手動進給或者選取小一些的進給量，進給變速箱的選取范圍在23.5～37.5mm/min之間。半精加工和精加工時，最大進給量主要受工件加工表面粗糙度的限制，每分鐘進給量在23.5～30mm/min中選取。

2.4.3 銑削速度V。銑刀切削刃上的選定點相對于主運動的瞬時速度，稱作銑削速度。它的計算公式：

V=πDn/1000（mm/min）

式中：

D—銑刀直徑（mm）

n—銑刀轉數（轉/min）

提高銑削速度有利于提高表面粗糙度，但是必須考慮刀具的承受能力，否則刀具的磨損加劇，反而不利于加工精度的提高。DN150球體月牙槽加工中采用定制的Φ175×20高速鋼三面刃銑刀，粗加工的主軸轉速可選為60～75轉/min，精加工可選為75～95轉/min。

由于DN150球體月牙槽的銑削余量較大，在粗加工時應采用逆銑方式，精加工時采用順銑方式。

2.5 銑削加工前的準備工作

月牙槽的尺寸精度和位置精度要求高，因此在銑削加工前，還必須做好以下工作：（1）對銑床的主軸精度和工作臺精度進行檢測，對加工部位有直接影響的精度應重點檢測；（2）對銑床工作臺的位移精度進行檢測，可借助百分表等微測量儀進行控制；（3）檢測銑刀安裝輔具的精度，安裝過程進行精度檢測，保證銑刀安裝后的回轉精度；（4）銑削前預先測量銑刀的尺寸精度和幾何角度；（5）操作前合理調整機床各部位的間隙，加工中注意鎖緊不使用的進給方向等。

2.6 銑削過程中的注意事項

2.6.1 正確選用冷卻液。為了克服不銹鋼粘附能力強、散熱性差的缺點，使用硫化切削油作為切削液，有利于減少摩擦，減少變形，降低切削溫度，防止刀刃產生冷作硬化現象，還能提高加工表面質量和減少刀具磨損。

2.6.2 保持刀具鋒利。銑削不銹鋼時，切削刃既要鋒利，又要能承受沖擊。有條件的話，可以選用各種先進可轉位刀具或整體銑刀，改善切削過程的排屑狀況。

3 加工效果評價

采用上述工藝措施，解決了DN150球閥球體月牙槽加工過程中的難題，使產品的尺寸精度、中心對稱度及表面粗糙度均能滿足技術要求，密封性能達到十分滿意的效果，并縮短了工期（由單件1天完成縮短到1小時完成），提高了生產效率。組裝后的球閥產品經受了上千次的疲勞壽命試驗，性能優良，并順利交付使用。

參考文獻

[1] 吳國梁.銑工實用技術手冊[M].江蘇：科學技術出版社，2003.

[2] 胡家富.銑工（技師、高級技師）[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 王忠.機械工程材料[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 何慶.機床夾具設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

作者簡介：劉海峰（1969—），男，陜西航天機電環境工程設計院有限責任公司技師，研究方向：銑工。