２０１ ３年第３２期 （总第２７５期） 悯南熟终 （ＣｕｍｕｌａｔｉＮＯ．３２．２０１ ３ ｖｅｔｙＮＯ．２７５） 球体月牙槽的铣削加工工艺 刘海峰 （陕西航天机电环境工程设计院有限责任公司，陕西西安７１０１Ｏ０） 摘要：球体生产过程中，月牙槽的加工存在较大的难度。文章针对球阀球体月牙槽加工时存在的装夹定位以 及中心对称度难保证的问题，设计了球体装夹定位夹具，用正确合理的铣削加工工艺保证产品加工精度 关键词：球阀；球体；月牙槽；中心对称度；装夹定位夹具 中图分类号：ＴＧ５４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２ ３７４（２０１ ３）３２—００７５—０３ ＤＮ１５０不锈钢球阀是为国家重点工程某发射场新研制的 配套设备。球体作为球阀闭合的关键件，其制造精度直接 影响球阀的密封性能。球体生产过程中，月牙槽的加工既 要满足尺寸精度、对称度及粗糙度等图纸要求，还要提高 零件的加工效率，存在较大的难度。针对这一难点，通过 认真分析球体结构特点及技术要求，设计球体装夹定位夹 具，制定合理的铣削加工工艺，保证了产品质量，提高了 生产效率。 １球体月牙槽在铣削过程中存在的难点 ＤＮ１５Ｏ不锈钢球阀主要由阀体、球体、阀杆及密封件 组成（图１），阀杆下部扁平端与球体月牙槽连接并带 动球体（图２）旋转实现阀门的启闭，球体材料牌号是 ｉＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ。从图２看出，球体直径为２３６ｍｍ，宽度为Ｘ（出 图２球体结构示意图 １．２球面防护问题 不锈钢球体月牙槽在加工前，球面的抛光工序已经完 成。原因是在铣削加工前抛光球体表面，设备作业是连续 的，可以获得均匀良好的表面质量，利于提高球阀的密封 性能。因此，保护好球面不被划伤、磕伤、夹伤是铣削加 工首先要考虑解决的问题。 于保密要求未标注）；月牙槽的宽度为３０＋ｍＯ．‰０１７，宽度公差 为０．０１ ｌｍｍ，深度为２５ｒａｍ，圆弧半径为８７．５ｍｍ；月牙槽的宽 度尺寸相对于球体中心线Ａ的对称度公差为０．０２ｍｍ。因此， ＤＮ１５０球体月牙槽的宽度和中心对称度是铣削加工保证的 关键。 １．３工艺系统的刚性问题 ＤＮ１５０球体月牙槽的铣削量大且精度高，要求所选用的 夹具和铣削设备具有足够的刚性，避免铣削振动给加工带 来的影响。 球体月牙槽在铣削过程中存在以下难点： １．１装夹定位问题 一般能利用通用夹具能装夹的球体，装夹定位问题是 比较简单的。但对于直径较大、重量较重的ＤＮ１５０球体的装 夹，通用夹具将无法满足。同时，若夹具设计得不合理，不 仅使抛光好的球面很容易被夹伤，而且还会导致加工过程中 及准确定位是保证合格产品和提高生产效率的前提。 工件由于受力发生转动或歪斜，产生废品。因此球体的装夹 — １．４铣削用量的选择 顺利保证。 铣削用量选择的合理与否，直接决定着加工精度能否 ２球体月牙槽铣削工艺过程设计 针对以上球体月牙槽铣削过程中存在的难点，进行合 理的工艺过程设计，通过定位装夹夹具的设计、工件防护 措施的制定、加工过程切削要素的控制以及刀具材质和刀 具的选择，完全能够解决这些难点，保证加工精度，从而 获得满意的加工效果。 ２．１专用夹具的设计 ２．１．Ｉ夹具定位元件材料的选择。在专用夹具设计中 首先需考虑定位及夹紧元件材料的选取。ＤＮＩ５０球体的材料 为１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，由于球体介质流通孔与圆胎接触处强度较 图１球阀结构示意图 弱，为避免装夹过程中被挤伤，与之接触的圆胎材料选用 ７５ 硬度相当的材质，比如淬火ＨＲＣ５５￣５８的４５号钢；夹具体是 工艺系统的主要部分，需要有较好的刚度和加工性能，选 用铸铁直角弯板，厚度在３Ｏ ｒ『Ｉｎｌ以上；压板采用Ｑ２３５Ａ，拉杆 采用４５钢。 ２．１．２定位结构设计。根据机床夹具设计六点定位原 理，通过对工件六个自由度的定位分析，设计专用夹具定 位结构。球体工件在空间具有六个自由度，分别为ｘ、Ｙ、 Ｚ－－个直角坐标轴方向的移动自由度和绕着三个坐标轴的 转动自由度。通常用六个支承点（即定位元件）来限制工 件的六个自由度，其中每一个支承点限制相应的一个自由 度。对于槽体的加工，通常只需要限制除ｘ轴方向移动之外 的五个自由度即可，但球体工件的槽体为圆弧槽，存在对 称度的要求，因此需要限制工件六个自由度。 根据工件的结构特点，夹具设计充分利用球体 １５０介 质通流孔及端面、中１２通气孔的结构进行定位。为确保工 件定位精度，在球体零件设计中将上述两个尺寸由原有的 自由公差调整为符合夹具配合要求的高精度尺寸公差。 定位基准的确定：根据球体结构特点，选择球体己精 加工过的 １５０内孔为定位基准。 夹具体：选用直角弯板作为夹具体，将起到固定夹具 于铣床工作台面、固定定位元件的作用。 定位结构设计： （Ｉ）固定阶台型圆胎。固定于夹具体立板的固定阶 台型圆胎，设计为带有台阶的圆盘形结构，是工件加工的 主要定位元件，其限制了工件沿Ｘ、ｚ坐标轴方向的移动自 由度和绕Ｘ、ｚ轴方向的转动自由度（台阶长度长的情况、 短的情况只限制两个移动自由度）。为减小定位误差，提 高定位精度，圆胎台阶与工件介质通流孔配合公差选用 中ｌ５Ｏ等，工件介质通流孔直径为１５０ ，固定圆胎台阶 外圆尺寸为中１５０： 。 （２）活动阶台型圆胎。活动阶台型圆胎与工件的介 质通流孔配合安装，限制了工件在Ｙ坐标轴方向的移动自 由度。其结构与固定阶台型圆胎基本一致，不同的有两 点：活动阶台型圆胎不作为主要定位元件，其台阶高度尺 寸可短一些；另外在装夹工件时，与工件１５０ 介质通流 孔配合间隙需要略大一点，以便于装卸，因此它与１５０ 介质通流孔配合公差选用中１ ５０ ，其台阶外圆尺寸为 中ｌ￣ｎ－ｏ ｉ４ｓ …¨圆胎定位示意图如图３所示： 话磅骑旨萋鬻路 图３球体定位示意图 定位销的选择：为限制工件绕Ｙ轴方向转动的自由度， 需在工件底部通气孔由１２处插入一个圆柱定位销与夹具体 底板上的定位孔相配合方可起作用。 。过定位的消除：需要注意的是，圆柱定位销还限制了 Ｘ、Ｙ坐标轴方向的移动自由度和绕ｘ坐标轴方向的转动自由 度，造成工件装夹过定位现象。过定位会造成工件无法安 ７６ 装、工件或定位元件变形的不良后果，必须予以消除。设 计中选用了以下方法消除过定位： （１）提高夹具定位面和 工件定位基准面的加工精度： （２）适当放大定位销与通气 孔的配合间隙。一方面其配合间隙大于主要定位元件固定 阶台型圆胎与工件通流孔的配合间隙，可以消除过定位的 产生：另一方面也便于定位销的安装与拆卸。定位销与工 件通气孔的配合公差选择为中１２ ，底板安装孔和工件通 气孔的尺寸为中１２ “，定位销外圆尺寸为中１２－－ ０ ０ｏ９ ｓ５。 ２．Ｉ．３夹紧结构设计。通过夹具体、定位结构的设计 及定位元件的选择，将球体工件的空间位置确定，通过夹 紧结构设计完成专用夹具的整体设计。专用夹具结构如图４ 所示： 图４专用夹具结构示意图 （１）夹具在铣床上的固定。专用夹具通过夹具体底板 与铣床工作台面的固定。设计中采用４个螺栓连接铣床工作 台与夹具底板来实现（还可以在底板上装两个定位键效果 更好）。 （２）工件的夹紧。通过长拉杆将工件夹紧在固定阶台 型圆胎和活动阶台型圆胎之间。为增加可靠的加紧力，设 计中采用２个活动压板，分别将工件夹紧在压板与夹具体直 角弯板的立板之间。 ２．１．４工件的装夹。球体在专用夹具上的装夹固定， 须采用以下步骤完成： （Ｉ）将球体套入固定阶台型圆胎并 贴紧其端面； （２）将圆柱定位销穿入工件通流孔内，再通 过通气孔插入夹具体底板上的定位孔； （３）将拉杆旋入 固定圆胎，再将活动阶台型圆胎与工件配合并适当夹紧； （４）用两个压板分别压紧球体，最后将中间拉杆旋紧。 ２．２工件防护措施的制定 ＤＮＩ５０球体直径和自重较大，并且球体在转入铣工工序 之前，球面已经抛光完毕。尽管在周转过程中对球体采取 了一定的保护措施，而在铣削过程中疏于对球体的保护， 一样会造成废品，以致前功尽弃。因此，球体定位中的磕 伤、装夹中的夹伤以及被冲刷的铁屑划伤等问题，就要求 操作者制定相应的防护措施去消除。 防护措施的具体步骤： （１）球体装夹时做到轻拿轻 放，避免人为磕伤； （２）用酒精棉球擦去球面的油污等污 渍； （３）用防水塑料胶带均匀粘贴球面并且只留出月牙槽被 加工的区域； （４）铣削时有充足的冷却液，以利于排屑。 通过以上措施的制定，可有效避免球体在装夹过程中 出现工件表面被人为磕伤、夹具夹伤和加工过程产生的铁 屑划伤的问题。 ２．３工艺系统刚性的解决 ＤＮＩ５０球体月牙槽铣削量大且精度高，除要求所选用的 夹具具有足够的刚性外，铣削设备和刀具结构同样如此， 以避免铣削振动给加工带来的影响， ２．３．１铣削设备的选用： （１）尽可能选用功率高、 输出扭矩大且传动平稳的铣床； （２）根据加工精度选用相 应等级的铣床； （３）选用经济适用性高的铣床。 根据ＤＮ１５Ｏ球体月牙槽的铣削特点和单位现有设备资 源，选取在Ｘ６２Ｗ￣式铣床上加工。 ２．３．２刀具材料和结构的选取：刀具材料的切削性能 关系着刀具的耐用度和加工零件的质量，刀具材料的工艺 性影响着刀具本身的制造与刃磨质量，因此合理选择铣刀 材料是保证铣削顺利进行的关键。 （１）刀具材料。加工奥氏体不锈钢材料时，存在切削 力大、加工硬化严重、刀具磨损快的特点，并且铣削不锈 钢除端铣刀和部分立铣刀可用硬质合金做铣刀刀齿外，其 余各类铣刀均采用高速钢。所以，在这里选取比普通高速 钢耐用度高的高钒高速钢作为铣刀材料。 （２）刀具结构。镶齿三面刃铣刀主要用于铣削定值尺 寸的凹槽，除圆周表面具有主切削刃外，两侧面也有副切 削刃，三个刃口均有后角、刃口锋利、切削轻快，从而改 善了切削条件，提高了切削效率和减小表面粗糙度。考虑 到刀具经济的适用性，且要适合卧式铣床加工，工艺设计 中选用材料为高钒高速钢的镶齿三面刃铣刀结构。 ２．４合理地选择铣削用量 合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床 性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的 加工成本的切削用量。 ２．４．１铣削深度ａｐ。铣刀在～次进给中所切掉工件表 层的厚度叫铣削深度。铣削深度大小是根据加工余量、铣 床功率和对工件加工面的光洁度要求等因素来确定的，在 粗加工和半精加工中，可以增加切削深度以提高效率，但 在精加工中必须减少切削深度以提高表面粗糙度。 球体月牙槽的铣削深度相对较深，因此粗加工可以分 为多次走刀，但是第一刀的铣削深度应取大一些，选为 ８～１０ｒａｍ；留够精加工余量０．３～０．５ｍｍ。 ２．４．２每分钟进给量Ｖｆ。铣刀每回转一分钟在进给 运动方向上相对工件的位移量，叫做每分钟进给量。在粗 加工中，可以提高进给量以提高切削效率，在精加工中减 少进给量以提高表面粗糙度。球体月牙槽在粗加工时， 由于作用在工艺系统上的切削力较大，因此可以手动进 给或者选取小一些的进给量，进给变速箱的选取范围在 ２３．５～３７．５ｒａｍ／ｒａｉｎ之间。半精加工和精加工时，最大进给 量主要受工件加工表面粗糙度的限制，每分钟进给量在 ２３．５￣３０ｍｍ／ｍｉｎ中选取。 ２．４．３铣削速度Ｖ。铣刀切削刃上的选定点相对于主 运动的瞬时速度，称作铣削速度。它的计算公式： Ｖ＝Ｊ【Ｄｎ／１０００（ｍｍ／ｍｉｎ） 式中： 铣刀直径（咖） ｎ——铣刀转数（转／ｍｉｎ） 提高铣削速度有利于提高表面粗糙度，但是必须考 虑刀具的承受能力，否则刀具的磨损加剧，反而不利于 加工精度的提高。ＤＮ１５０球体月牙槽加工中采用定制的 中１７５×２０高速钢三面刃铣刀，粗加工的主轴转速可选为 ６０￣７５转／ｍｉｎ，精加工可选为７５￣９５转／ｍｉｎ。 由于ＤＮ１５０球体月牙槽的铣削余量较大，在粗加工时应 采用逆铣方式，精加工时采用顺铣方式。 ２．５铣削加工前的准备工作 月牙槽的尺寸精度和位置精度要求高，因此在铣削加 工前，还必须做好以下工作： （１）对铣床的主轴精度和 工作台精度进行检测，对加工部位有直接影响的精度应重 点检测； （２）对铣床工作台的位移精度进行检测，可借助 百分表等微测量仪进行控制； （３）检测铣刀安装辅具的 精度，安装过程进行精度检测，保证铣刀安装后的回转精 度； （４）铣削前预先测量铣刀的尺寸精度和几何角度； （５）操作前合理调整机床各部位的间隙，加工中注意锁紧 不使用的进给方向等。 ２．６铣削过程中的注意事项 ２．６．１正确选用冷却液。为了克服不锈钢粘附能力 强、散热性差的缺点，使用硫化切削油作为切削液，有利 于减少摩擦，减少变形，降低切削温度，防止刀刃产生冷 作硬化现象，还能提高加工表面质量和减少刀具磨损。 ２．６．２保持刀具锋利。铣削不锈钢时，切削刃既要锋 利，又要能承受冲击。有条件的话，可以选用各种先进可 转位刀具或整体铣刀，改善切削过程的排屑状况。 ３加工效果评价 采用上述工艺措施，解决了ＤＮ１５０球阀球体月牙槽加工 过程中的难题，使产品的尺寸精度、中心对称度及表面粗 糙度均能满足技术要求，密封性能达到十分满意的效果， 并缩短了工期（由单件１天完成缩短Ｎ１４，时完成），提高 了生产效率。组装后的球阀产品经受了上千次的疲劳寿命 试验，性能优良，并ｊｔ￣￥ｔＪ交付使用。ｏ 参考文献 ［１】吴国梁．铣工实用技术手册［Ｍ］．江苏：科学技术出 版社，２００３． ［２］胡家富．铣工（技师、高级技师）【Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００８． ［３］王忠．机械工程材料【Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００５． ［４】何庆．机床夹具设计［Ｍ】．北京：电子工业出版社， ２０１１． 作者简介：刘海峰（１９５９－），男，陕西航天机电环 境工程设计院有限责任公司技师，研究方向：铣工。
