球体月牙槽的铣削加工工艺

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：1009-2374（2013）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

DN150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1Cr18Ni9Ti。从图2看出，球体直径为236mm，宽度为X（出于保密要求未标注）；月牙槽的宽度为30，宽度公差为0.011mm，深度为25mm，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。

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工件由于受力发生转动或歪斜，产生废品。因此球体的装夹及准确定位是保证合格产品和提高生产效率的前提。

图1 球阀结构示意图

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。

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。

1.4 铣削用量的选择

铣削用量选择的合理与否，直接决定着加工精度能否顺利保证。

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

2.1.1 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。DN150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弱，为避免装夹过程中被挤伤，与之接触的圆胎材料选用硬度相当的材质，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30mm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三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Φ150介质通流孔及端面、Φ12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，选择球体已精加工过的Φ150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：

（1）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Φ150，工件介质通流孔直径为150，固定圆胎台阶外圆尺寸为Φ150。

（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Φ150，其台阶外圆尺寸为Φ150。

圆胎定位示意图如图3所示：

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Φ12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Φ12，底板安装孔和工件通气孔的尺寸为Φ120+0.11，定位销外圆尺寸为Φ12。

2.1.3 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：（1）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

DN150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

DN150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DN150球体月牙槽的铣削特点和单位现有设备资源，选取在X62W卧式铣床上加工。

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。铣刀在一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8～10mm；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23.5～37.5mm/min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=πDn/1000（mm/min）

式中：

D—铣刀直径（mm）

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Φ175×20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天完成缩短到1小时完成），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，并顺利交付使用。

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（1969—），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。