基于UG的塑料球形閥工藝設計與加工

□虞俊

常州輕工職業技術學院 江蘇常州 213164

球形閥具有結構緊湊、密封可靠、本體軸孔與閥軸間的摩擦力小、啟閉順暢等諸多優點。但傳統球形閥毛坯一般采用鑄件，大多廠家不愿意花大價錢將所有鑄模換新，故目前多用截止閥來替代。筆者以天津某企業的塑料球形閥體的實際加工為例，介紹了使用多軸聯動機床和計算機輔助制造軟件UG針對球形閥體的加工方案。毛坯直接使用圓柱件，避免了鑄模的設計和制造等問題，此方案適合中、小批量的大尺寸球形閥制造。

1 UPVC材料與添加劑

塑料球閥的材料大多選用UPVC，即硬聚氯乙烯。UPVC具有較好的力學性能，耐酸堿性能極強，軟化點低，化學性能穩定，常用于制作薄板、電線、電纜絕緣層、密封件、球閥等物品。在加工時再加入潤滑劑、穩定劑、填充劑等添加劑，可以提高其綜合性能。

潤滑劑主要是改善聚合物熔體與切削刀具表面的摩擦，潤滑劑可分為外潤滑劑和內潤滑劑兩種，內潤滑劑與聚合物有良好的相容性，它在聚合物內部起到降低聚合物分子間內聚力的作用，從而改善塑料熔體的內摩擦生熱和熔體的流動性。常用的UPVC潤滑劑有硬脂酸鈣、氧化聚乙烯蠟、硬脂酸、硬脂酸甘油酯等。

純的UPVC材料對熱極為敏感，當加熱溫度達到90°C以上時，就會發生輕微的熱分解反應，當溫度升到120°C后，分解反應加劇，在溫度達150°C、10 min后，UPVC樹脂就由原來的白色逐步變為黃色—紅色—棕色—黑色。UPVC樹脂分解過程是由于脫HCL反應引起的一系列連鎖反應，最后導致大分子鏈斷裂。在機械加工時，UPVC材料溫度可達160°C左右，因此需要添加穩定劑以提高其熱穩定性，常用的穩定劑有堿式鉛鹽、金屬皂、有機錫、環氧化合物、亞磷酸酯、多元醇等。

針對球形閥的結構特點、加工過程及使用環境，采用CZ2390T穩定劑配合亞磷酸酯，可以使UPVC的動態熱穩時間達到31～43 min；采用微晶石蠟 （外潤滑劑）配合脂肪酸酯（內潤滑劑），可大幅降低UPVC的熔體黏度，提高其流動性能。

2 加工流程設計

2.1 加工要素

圖1為球形閥的實體與關鍵位置的局部工程圖，主要加工部位由球形閥外輪廓、四組平面和孔系組成。

需加工的要素有：φ312球體；A向 （5處）：平面，φ131.6+0.10mm表面粗糙度Ra1.6 μm的孔，M14（孔深22 mm 螺紋深 18 mm）螺紋孔；B 向（3 處）：平面，φ50+0.10mm深3 mm的孔，φ39+0.10mm深32 mm的孔，φ32 mm的孔，M6（孔深 15 mm螺紋深12 mm）螺紋孔；C向（3處）：平面，M27 （螺紋深 20 mm）螺紋孔；D 向（3 處）：平面，φ25 mm的孔。

2.2 工藝流程設計

（1）A向和與之對稱的端面及M14的螺紋孔可在普通立式三軸聯動銑鏜類加工中心上完成，并在其中心位置鉆φ25mm的預鉆孔。

（2）在車床上車削A面上φ131.6 mm內孔至尺寸要求，并保證表面精度；以加工好的內孔為基準，車削φ312 mm的球形外輪廓。

（3）以A端面和內孔為定位基準，在多軸聯動機床上加工3個大側平面及面上的孔系，以及C向（3處）、D向（3處）上的平面和孔系。

（4）以與A向相對的平面和內孔為定位基準，加工B向（3處）平面和孔系。

▲圖1 球形閥體加工要素

為保證各平面及孔系之間的位置精度，減少零件的裝夾次數，步驟（3）、（4）以端面和孔為基準進行定位，利用底部螺紋孔進行夾緊，以UG的輔助制造功能生成其加工程序，在五軸或3+2軸聯動數控機床上完成加工，簡單加工流程如圖2所示。

3 刀具及切削用量選取

UPVC材料加工時主要考慮溫升與彈性變形兩大問題，因為其導熱系數僅為金屬材料的3‰，熱膨脹系數是金屬材料的2倍左右，切削時局部過熱會引起變色、熔融，甚至燃燒；UPVC材料彈性模量只有金屬的1/10～1/16，若切削力過大，會引起工件較大的彈性變形，造成工件加工精度及位置精度產生較大的誤差，甚至工件變形。

3.1 刀具的選擇

▲圖2 工藝流程示意圖

UPVC材料的加工刀具一般選用高速鋼、硬質合金或金剛石等。因高速鋼刃磨性和韌性較好，此球形閥的加工以高速鋼材料刀具為主。

為減小切削力，防止工件發生過大的彈性變形，刀具前角應取大一些，但前角過大會使刀具散熱條件變差，引起較大溫升，故刀具前角取 10～15°。 此外，綜合考慮表面粗糙度和切削力等因素，刀具的主、副偏角可小一些，后角和刀尖圓弧可略大一些。

3.2 切削用量的選取

提高切削速度可以縮短切削時間，提高勞動生產率，且切削力變化不大，但切削速度的增加會使刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦加劇，切削熱會增加，故切削速度選擇不可過高，宜在150～225 m/min范圍之內選取。

切削深度對切削力影響最大，由于工程塑料的彈性模量較小，當切削力較大時，加工后工件會產生回彈，造成工件變形而影響加工質量。因此，需合理選擇進給量和切削深度。進給量選擇為0.25 mm/r左右，切削深度選擇為0.8 mm左右。

4 定向加工

因工藝流程步驟（1）、（2）可在普通機床或簡易數控機床上完成，此處不再敘述。筆者只介紹使用UG軟件生成步驟（3）的定向加工刀具軌跡和仿真，步驟（4）所有操作與步驟（3）類似。

4.1 工件的定位與夾緊

球形閥在多軸聯動機床上的定位采用圖3所示的夾具體，進行步驟（3）加工時，以大平面與短的圓柱面限制其5個自由度，以4個螺栓從底面將球形閥鎖定在夾具體上，如圖4所示，夾具體可通過螺栓、壓板、T形槽鐵固定在機床工作臺面上。

進行步驟（4）加工時，工件需掉頭裝夾，其定位和夾緊方式與步聚（3）相同，另外還需使圖5所示的平面與Y軸平行 （可用百分表找正），以確保孔系之間的位置精度要求。

▲圖3 夾具體

▲圖4 步驟（3）裝夾示意

▲圖5 步驟（4）裝夾示意

▲圖6 平面選擇

▲圖7 創建平面銑工序

▲圖8 平面銑刀具軌跡

▲圖9 平面銑實體仿真

▲圖10 定位刀具軌跡

▲圖11 定位實體仿真

4.2 刀具軌跡與仿真加工

該球形閥的刀具軌跡、仿真加工、后置處理均在UG NX軟件的CAM模塊中進行，實際零件加工在德瑪吉機床上完成。

（1）平面加工。 側面3個大平面、C向和D向各3個小平面，共計9個平面，可選用φ100 mm的面銑刀進行銑削，此處以圖6所示側面為例 （陰影部分平面）進行介紹。進入UG NX軟件的CAM模塊，在圖7所示的創建工序界面中，選擇加工類型為：面銑；加工子類型為：表面銑。

單擊確定進入相應界面后，設置刀軸方向為垂直于該平面，切削模式為往復，步距為刀具直徑的80%，每刀切削深度為0.5 mm，主軸轉速為650 r/min，進給速度為160 mm/min，每層切削深度為1 mm，生成如圖8所示的刀具軌跡。其它8個平面的操作方法與此平面相似，9個平面加工完成后，實體仿真如圖9所示。

（2）孔的定位。使用φ10 mm的中心鉆對9個平面的孔系進行定位，選擇加工類型為鉆孔，子類型為定位，拾取圖6所示平面上的所有孔，拾取該平面作為頂面，并以該平面法向為刀軸方向。設置定位深度為2.5 mm，主軸轉速為3 500 r/min，進給速度為100 r/min。其它8個平面操作步驟與此相同，每組面定位時，刀軸方向與該平面垂直。定位刀軌如圖10所示，實體仿真效果如圖11所示。

（3）M14螺紋孔的加工。使用φ12.3 mm麻花鉆加工3個大平面上的36只螺紋底孔，操作界面與操作步驟和孔的定位操作相似，只需將加工子類型改為排屑鉆，切削深度改為22 mm，每刀進給深度為3 mm，主軸轉速改為1 000 r/min，其它參數不作修改。使用M14 mm絲錐的攻絲操作步驟也與此前相似，只需將加工子類型改為攻絲，切削深度改為18 mm，主軸轉速改為100 r/min，進給速度改為 200 mm/min（螺距為2 mm）即可。

▲圖12 創建螺旋銑工序

▲圖13 螺旋銑參數設置

▲圖14 指定孔

▲圖15 螺旋銑刀具軌跡

▲圖16 螺旋銑實體仿真

▲圖17 鏜孔刀具軌跡

（4）φ131.6 mm 大孔的加工。φ25的通孔和M27的螺紋孔加工方式與步驟可參照M14螺紋孔加工中的鉆孔與攻絲步驟。

M27的螺紋底孔可選用φ24 mm的麻花鉆，另外，M27的螺紋孔除可采用攻絲方式外，還可以采用螺紋銑削方式完成。

φ131.6 mm預鉆孔可使用φ25 mm的鉆頭。經預鉆孔后，需將孔直徑擴至131.3 mm（預留0.35 mm余量精鏜），若使用鏜削方式擴孔，則需要多把粗鏜刀才能完成，故此處使用螺旋銑方式擴孔。因孔深度較深，不宜采用整體式刀具，可選用φ25 mm的機夾刀來完成。

在如圖12所示創建工序界面中，選擇加工類型為平面銑，子加工類型為螺旋銑，刀具為φ25 mm的機夾刀。單擊確定進入如圖13所示螺旋銑界面。

▲圖18 產品效果圖

單擊指定孔或凸臺按鈕，拾取如圖14所示φ131.6 mm孔的孔壁，并按圖中所示確定動態坐標系方位。在螺旋銑界面中，設置毛坯直徑為24 mm，每轉深度為刀具直徑的5%，徑向步距為刀具直徑的80%，設置主軸轉速為500 r/min，進給速度為150 mm/min。生成刀軌如圖15所示。用相同的方式完成另兩個φ131.6 mm孔的螺旋銑削，實體仿真效果如圖16所示。

在創建工序界面中，選擇加工類型為鏜孔，子加工類型為標準鏜、橫向偏置后快退，其余操作步驟與鉆孔類似，精鏜刀尺寸調整至φ131.65 mm。設置主軸轉速為1 000 r/min，進給速度為150 mm/min，刀具軌跡如圖17所示。工件掉頭裝夾后，B面加工要素由φ50、φ39、φ32的孔和M6螺紋孔組成，其操作步驟與此前相似。產品在德瑪吉機床上最終加工后效果如圖18所示。

5 結束語

傳統的閥體毛坯以鑄造為主，整體式三通球形閥雖然具有諸多優點，但需置換原有的鑄模，特別是大尺寸球形閥體，鑄模的制造成本太高，故難以推廣。筆者以實際生產加工的塑料三通球形閥為例，采用UG軟件的3+2軸定向加工功能和德瑪吉機床，采用圓柱毛坯實現球形閥體的加工，為大尺寸、小批量球形閥的制造提供了新思路。

［1］蘇君，于玲，劉保軍.基于UG和Master CAM的LCD盒注塑模具設計與加工［J］.塑料科技，2012，40（4）：101-104.

［2］蘇榮錦，黃安民.超高分子量聚乙烯改性研究進展［J］.塑料科技，2010，38（6）：93-97.

［3］劉佳，蔣平平，劉小林，等.稀土類PVC熱穩定劑—鑭、鈰、鐠鹽的性能研究［J］.塑料科技，2009，37（4）：78-82.

［4］李國立，劉敏江，張雪茜，等.稀土復合熱穩定劑對聚氯乙烯性能影響研究［J］.現代塑料加工應用，2004，16（2）：15-18.

［5］王娟平.回轉體零件的數控加工工藝性分析［J］.機床與液壓，2011，39（22）：49-50.

［6］仲興國.基于UG和VERICUT的四軸自動編程及仿真［J］.機床與液壓，2013，41（8）：10-12.

［7］陳光明.基于數控加工的工藝設計原則及方法研究［J］.制造業自動化，2005（9）：54-59.

［8］劉玉文，俞浩榮，姚素芹.基于UG回轉零件車/銑復合數控加工［J］.煤礦機械，2013，34（11）：132-135.

［9］梁國勇，王曉霞，遲濤.三通閥體車削工裝設計與實現［J］.煤礦機械，2012，33（8）：123-124.

［10］趙飛，黃紅耀.大直徑薄壁球形閥芯加工工藝［J］.火箭推進，2012，38（1）：62-67.