大型减压阀阀芯的加工工艺研究

陈祥林，宋秦中

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

阀门广泛应用于管路流体输送系统中，是控制流向、管路开闭及调节和控制输送介质参数（如流量、压力和温度）的重要管路附件。阀芯是阀门中的核心部件，阀体借助它的移动来实现流体方向控制、压力控制或流量控制。阀芯须承受拉力、压力和扭转作用力，并与输送的流体直接接触，应具备良好的耐腐蚀性、冲击韧性、抗擦伤性。阀芯的加工及安装精度，直接影响到阀门工作时的使用性能、使用寿命和密封性[1]。

上海某品牌公司（简称为甲方）需要一款偏心减压阀阀芯，要求月产能3 000件左右，承包给苏州市职业大学的合作企业。该企业承接阀芯加工项目以后，利用现有设备进行了试生产，由于阀芯尺寸较大，造成加工效率低下从而不能满足甲方的产能要求；如果为了提升产能而加大设备及人员的投入，则利润会很少。针对这一情况，该企业期望通过分析阀芯结构，优化阀芯零件的加工工艺，以提高加工效率，完成生产目标。

1 阀芯零件技术分析

该偏心减压阀阀芯零件图如图1所示。根据零件图纸要求，阀芯的材料为40Cr，属于合金结构钢，40Cr主要化学成分及力学性能如表1所示，经调质处理后，具有较好的切削性能、较高的强度和韧性等[2]。

图1 阀芯零件图(mm)

表1 40Cr的主要化学成分及力学性能

由图1可知，阀芯零件外观尺寸为630 mm×250 mm×130 mm，根据市场板材规格，所选毛坯尺寸为640 mm×260 mm×150 mm。采用普通铣床粗加工到如图2所示的毛坯尺寸，厚度为130.5 mm，考虑到毛坯变形等因素[3]，各方向预留0.5 mm的余量，经平面磨床加工达到所需的尺寸后，再利用数控车床、立式加工中心、电火花线切割机床完成后续加工，其工序如表2所示。

图2 阀芯毛坯零件图（mm）

表2 常规加工阀芯主要工序

由表2可知，该企业按照常规加工方法，工序主要分为以下四个环节：

1)平面磨床。将图2毛坯零件固定于平面磨床的吸盘上，分别对外围的六个面进行磨削，将尺寸加工到630 mm×250 mm×130 mm。

2)数控车床。因为毛坯截面是长方形，故采用四爪卡盘装夹毛坯左端，用尾架的活动顶针顶住其右端，打表找正。再按工序顺序分别进行加工：工序2，外圆车刀完成右端圆柱及SR322圆弧面的车削；工序3，螺纹刀完成右端M90螺纹的加工；工件掉头三爪卡盘装夹；工序4-5，分别完成左端圆柱及SR322圆弧面、M90螺纹的加工。

3)加工中心。工序6-8，在加工中心完成，主要是对Φ200内孔进行加工。首先采用钻头预钻通孔，方便后续立铣刀下沉粗加工，最后采用镗孔刀完成内孔的精加工。

4)线切割机床。考虑到工件长度为630 mm，铣削方式对机床的行程要求较高，工序9利用线切割机床完成工件两端的方槽加工。

按照以上加工工序，平面磨床和线切割机床的加工可以外协，所占加工时间可以忽略不计。数控车床加工时间约3.5 h，加工中心加工时间约为3 h，由此，完成一个阀芯零件的加工，大约共需6.5 h。由图1可知，该阀芯零件对尺寸精度的要求并不高，首批工件检测后，精度基本能达到图纸要求，也得到甲方公司的认可，但加工效率低，月产能远达不到甲方要求；另外，因立铣刀刀具磨损较大，刀具成本增加，导致企业生产成本大幅度提高，经济效益达不到预期值[4]。

2 问题分析

结合阀芯的零件图、毛坯图及阀芯原加工工序可知，造成阀芯零件加工效率低，生产成本居高的主要原因如下：

1）工件尺寸大，截面为长方形，重量约为100 kg，常规的装夹方式不可靠；在使用数控车床加工时，特制的四爪卡盘装夹不够牢靠，高速旋转和大车削量都会带来安全隐患，只能选择低转速和较小的车削量，导致生产效率低；

2）阀芯的Φ200内孔尺寸大，铣削加工量大，加工时间长，且立式加工中心铣削时，排屑困难，导致立铣刀的磨损加大、更换频繁，生产成本提高[5]。

基于上述原因，考虑如下改进方法：①设计阀芯的专用工装夹具，提高阀芯装夹的稳定性，进而加大车削量，提高加工效率；②将立式加工中心更换为卧式加工中心，解决排屑困难问题，减少刀具的磨损，进而降低生产成本。考虑到该企业的实际情况：无卧式加工中心，且数控车床、立式加工中心数量有限，而大量普通车床、铣床处于闲置的状况，因而需要从工艺方面着手来解决产能问题。

3 新加工工艺设计

在制订机械加工工艺方案时，既要体现技术先进，保证加工质量，减轻工人劳动强度及遵照安全可靠的原则，又要达到经济合理，提高生产效率，降低加工成本的目的[5]。工艺流程作为阀芯加工工艺的骨架，在整个方案中起着举足轻重的作用。

3.1 加工设备选择

在制定工艺时，适当采用工序分散，也会凸显出其加工优势。根据阀芯零件的结构类型和加工要求，依据公司现有设备条件，针对工序2、工序4采用普通车床开粗，数控车床精加工相结合的方式；针对工序6-8，采用普通车床加工Φ200内孔。

3.2 专用夹具设计

根据阀芯零件的结构特点，为解决上述加工中存在的问题，提高加工的可靠性和效率，分别设计了以下两个专用夹具。

3.2.1 大型方料车削夹具

针对阀芯工件尺寸较大，且截面为长方形的特点，设计了如图3所示的车削夹具，其装夹形式见图4，确保了装夹的可靠性。

图3 车削夹具实物图

图4 车削装夹示意图

该夹具以车床法兰为依托，包含夹具体、垫块、调整片、锁紧螺钉等，以紧固螺钉将夹具体固定于机床的法兰，工件置于夹具体的夹持腔内，以垫块和调整片来微调毛坯在夹持腔内的位置，最后用两组对称位置的锁紧螺钉固定工件。具体操作步骤为：

1）首先利用紧固螺钉将夹具体安装于车床法兰上；

2）选择合适厚度的调整片放置在工件的四个角或四条侧楞上，采用人工或起重设备将工件插入到夹具体的夹持腔内；

3）在图4中，将上下对称的一组锁紧螺钉，旋入夹具体的锁紧通孔内，直至锁紧螺钉的端部轻轻压住工件；

4）将垫块分别从工件两侧面插入夹持腔内，将位于垫块槽中轴线上的另一组锁紧螺钉（图4所示左右两侧）旋入夹具体的锁紧通孔内，直至锁紧螺钉的端部轻轻压住垫块，从而间接压住方料工件；

5）对工件外露的表面打表找正，调节并锁紧上述四组锁紧螺钉，使工件位置符合加工要求，其后进行切削加工。

工件夹紧后的实物图如图5所示，由图5可以看出，因工件置于大型方料夹具体的夹持腔内，接触面积大，能够确保工件装夹可靠。阀芯粗加工后的实物如图6所示。

图5 车削装夹实物图

图6 阀芯粗加工实物图

3.2.2 大型方料钻孔夹具

阀芯零件需要加工Φ200的内孔，因立式加工中心的铣削时间过长且排屑困难，而改用普通车床，配套如图7所示的相应夹具。夹具包含安装盘、压板、定位柱A和定位柱B，安装盘安装于普通车床的法兰，压板和定位柱均固定于安装盘的T型槽内，工件依靠两个定位柱在X、Y方向定位，再用压板固定。开孔刀具右端套入车床尾座的圆锥孔，固定于车床尾座。在主轴带动工件旋转时，通过转动尾座手轮实现刀具的Z向进给，以达到快速开孔的目的。阀芯钻孔操作如图8所示，将普通车床三爪卡盘更换为安装盘，因工件旋转时，重心不在安装盘中心，为了避免离心力的影响，操作时主轴转速应低转速运行，且注意刀具和工件的冷却[6]。

图7 大型方料钻孔夹具示意图

图8 阀芯钻孔实物图

3.3 新工序设计

新工序根据阀芯加工的内容，更换加工设备，将原工序2、工序4中车削两端圆柱及SR322圆弧面，分解为普通车床的粗加工和数控车床的精加工；将原工序7中铣削Φ200内孔，改为普通车床上先钻孔，再镗孔，则新加工工序如表3所示。

表3 阀芯新加工工序

新加工工序和原工序相比，主要有两处变化：

1）将表2中的两道工序（2和4），分解为表3中的四道工序（2-4、6）。表3中的工序2-3，利用普通车床，安装了如图4、5所示大型方料车削夹具，将阀芯置于夹具体的型腔中，分别对阀芯两端的圆柱及SR322圆弧面进行粗加工，再留余量在数控车床上精加工。

2）表2中的工序7-8，被表3中的工序8-9替代。利用普通车床，安装如图7、图8所示的大型方料钻孔夹具，用手摇车床尾座的手轮，以Z向进给的方式完成钻孔切削加工，再通过车床的镗孔刀完成内孔精加工。

3.4 新旧工艺对比分析

1)原方案中，主要工序以数控车床、立式加工中心为主；新方案的主要工序以普通车床为主，数控车床为辅，减少了对高性能机床的依赖。新方案盘活了公司的固定资产，让闲置的机床发挥了作用，无须增加额外的设备投入。

2）通过验证，采用大型方料车削夹具使得阀芯固定可靠，加大了外圆车刀的切削量，节约了1.5 h；采用大型方料钻孔夹具，变铣削方式为钻削，节约了2 h。因此，新的方案完成一个阀芯零件大约需要3 h，比原方案效率提高了54%，同时，新工艺大幅度提升了现有机床的使用率，有效保证了阀芯的月产能。

3）两种夹具结构简单，易于加工、安装可靠，且为一次性投入，随着阀芯生产批量增加，夹具成本所占的比例可忽略，同时工艺的改变降低了刀具损耗成本。

4 结论

工艺在生产中占有极其重要的地位[7]。笔者根据所加工阀芯零件的结构特点，通过对原加工工艺的分析，找出引起加工效率低下的根源，在不改变企业现有设备的条件下，制订了合理的新工序，设计了两道工序所用的专用夹具，使阀芯加工效率得到了极大提高，缩短了产品生产周期，提高了产能，同时降低了因刀具损耗而产生的生产成本，协助加工企业完成了既定的生产目标且取得较大的经济效益。新夹具在大型方料零件加工中，具有较高的实践指导意义和推广价值。