基于UG的塑料球形阀工艺设计与加工

□虞俊

常州轻工职业技术学院 江苏常州 213164

球形阀具有结构紧凑、密封可靠、本体轴孔与阀轴间的摩擦力小、启闭顺畅等诸多优点。但传统球形阀毛坯一般采用铸件，大多厂家不愿意花大价钱将所有铸模换新，故目前多用截止阀来替代。笔者以天津某企业的塑料球形阀体的实际加工为例，介绍了使用多轴联动机床和计算机辅助制造软件UG针对球形阀体的加工方案。毛坯直接使用圆柱件，避免了铸模的设计和制造等问题，此方案适合中、小批量的大尺寸球形阀制造。

1 UPVC材料与添加剂

塑料球阀的材料大多选用UPVC，即硬聚氯乙烯。UPVC具有较好的力学性能，耐酸碱性能极强，软化点低，化学性能稳定，常用于制作薄板、电线、电缆绝缘层、密封件、球阀等物品。在加工时再加入润滑剂、稳定剂、填充剂等添加剂，可以提高其综合性能。

润滑剂主要是改善聚合物熔体与切削刀具表面的摩擦，润滑剂可分为外润滑剂和内润滑剂两种，内润滑剂与聚合物有良好的相容性，它在聚合物内部起到降低聚合物分子间内聚力的作用，从而改善塑料熔体的内摩擦生热和熔体的流动性。常用的UPVC润滑剂有硬脂酸钙、氧化聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸甘油酯等。

纯的UPVC材料对热极为敏感，当加热温度达到90°C以上时，就会发生轻微的热分解反应，当温度升到120°C后，分解反应加剧，在温度达150°C、10 min后，UPVC树脂就由原来的白色逐步变为黄色—红色—棕色—黑色。UPVC树脂分解过程是由于脱HCL反应引起的一系列连锁反应，最后导致大分子链断裂。在机械加工时，UPVC材料温度可达160°C左右，因此需要添加稳定剂以提高其热稳定性，常用的稳定剂有碱式铅盐、金属皂、有机锡、环氧化合物、亚磷酸酯、多元醇等。

针对球形阀的结构特点、加工过程及使用环境，采用CZ2390T稳定剂配合亚磷酸酯，可以使UPVC的动态热稳时间达到31～43 min；采用微晶石蜡 （外润滑剂）配合脂肪酸酯（内润滑剂），可大幅降低UPVC的熔体黏度，提高其流动性能。

2 加工流程设计

2.1 加工要素

图1为球形阀的实体与关键位置的局部工程图，主要加工部位由球形阀外轮廓、四组平面和孔系组成。

需加工的要素有：φ312球体；A向 （5处）：平面，φ131.6+0.10mm表面粗糙度Ra1.6 μm的孔，M14（孔深22 mm 螺纹深 18 mm）螺纹孔；B 向（3 处）：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螺纹深12 mm）螺纹孔；C向（3处）：平面，M27 （螺纹深 20 mm）螺纹孔；D 向（3 处）：平面，φ25 mm的孔。

2.2 工艺流程设计

（1）A向和与之对称的端面及M14的螺纹孔可在普通立式三轴联动铣镗类加工中心上完成，并在其中心位置钻φ25mm的预钻孔。

（2）在车床上车削A面上φ131.6 mm内孔至尺寸要求，并保证表面精度；以加工好的内孔为基准，车削φ312 mm的球形外轮廓。

（3）以A端面和内孔为定位基准，在多轴联动机床上加工3个大侧平面及面上的孔系，以及C向（3处）、D向（3处）上的平面和孔系。

（4）以与A向相对的平面和内孔为定位基准，加工B向（3处）平面和孔系。

▲图1 球形阀体加工要素

为保证各平面及孔系之间的位置精度，减少零件的装夹次数，步骤（3）、（4）以端面和孔为基准进行定位，利用底部螺纹孔进行夹紧，以UG的辅助制造功能生成其加工程序，在五轴或3+2轴联动数控机床上完成加工，简单加工流程如图2所示。

3 刀具及切削用量选取

UPVC材料加工时主要考虑温升与弹性变形两大问题，因为其导热系数仅为金属材料的3‰，热膨胀系数是金属材料的2倍左右，切削时局部过热会引起变色、熔融，甚至燃烧；UPVC材料弹性模量只有金属的1/10～1/16，若切削力过大，会引起工件较大的弹性变形，造成工件加工精度及位置精度产生较大的误差，甚至工件变形。

3.1 刀具的选择

▲图2 工艺流程示意图

UPVC材料的加工刀具一般选用高速钢、硬质合金或金刚石等。因高速钢刃磨性和韧性较好，此球形阀的加工以高速钢材料刀具为主。

为减小切削力，防止工件发生过大的弹性变形，刀具前角应取大一些，但前角过大会使刀具散热条件变差，引起较大温升，故刀具前角取 10～15°。 此外，综合考虑表面粗糙度和切削力等因素，刀具的主、副偏角可小一些，后角和刀尖圆弧可略大一些。

3.2 切削用量的选取

提高切削速度可以缩短切削时间，提高劳动生产率，且切削力变化不大，但切削速度的增加会使刀具后刀面与已加工表面之间的摩擦加剧，切削热会增加，故切削速度选择不可过高，宜在150～225 m/min范围之内选取。

切削深度对切削力影响最大，由于工程塑料的弹性模量较小，当切削力较大时，加工后工件会产生回弹，造成工件变形而影响加工质量。因此，需合理选择进给量和切削深度。进给量选择为0.25 mm/r左右，切削深度选择为0.8 mm左右。

4 定向加工

因工艺流程步骤（1）、（2）可在普通机床或简易数控机床上完成，此处不再叙述。笔者只介绍使用UG软件生成步骤（3）的定向加工刀具轨迹和仿真，步骤（4）所有操作与步骤（3）类似。

4.1 工件的定位与夹紧

球形阀在多轴联动机床上的定位采用图3所示的夹具体，进行步骤（3）加工时，以大平面与短的圆柱面限制其5个自由度，以4个螺栓从底面将球形阀锁定在夹具体上，如图4所示，夹具体可通过螺栓、压板、T形槽铁固定在机床工作台面上。

进行步骤（4）加工时，工件需掉头装夹，其定位和夹紧方式与步聚（3）相同，另外还需使图5所示的平面与Y轴平行 （可用百分表找正），以确保孔系之间的位置精度要求。

▲图3 夹具体

▲图4 步骤（3）装夹示意

▲图5 步骤（4）装夹示意

▲图6 平面选择

▲图7 创建平面铣工序

▲图8 平面铣刀具轨迹

▲图9 平面铣实体仿真

▲图10 定位刀具轨迹

▲图11 定位实体仿真

4.2 刀具轨迹与仿真加工

该球形阀的刀具轨迹、仿真加工、后置处理均在UG NX软件的CAM模块中进行，实际零件加工在德玛吉机床上完成。

（1）平面加工。 侧面3个大平面、C向和D向各3个小平面，共计9个平面，可选用φ100 mm的面铣刀进行铣削，此处以图6所示侧面为例 （阴影部分平面）进行介绍。进入UG NX软件的CAM模块，在图7所示的创建工序界面中，选择加工类型为：面铣；加工子类型为：表面铣。

单击确定进入相应界面后，设置刀轴方向为垂直于该平面，切削模式为往复，步距为刀具直径的80%，每刀切削深度为0.5 mm，主轴转速为650 r/min，进给速度为160 mm/min，每层切削深度为1 mm，生成如图8所示的刀具轨迹。其它8个平面的操作方法与此平面相似，9个平面加工完成后，实体仿真如图9所示。

（2）孔的定位。使用φ10 mm的中心钻对9个平面的孔系进行定位，选择加工类型为钻孔，子类型为定位，拾取图6所示平面上的所有孔，拾取该平面作为顶面，并以该平面法向为刀轴方向。设置定位深度为2.5 mm，主轴转速为3 500 r/min，进给速度为100 r/min。其它8个平面操作步骤与此相同，每组面定位时，刀轴方向与该平面垂直。定位刀轨如图10所示，实体仿真效果如图11所示。

（3）M14螺纹孔的加工。使用φ12.3 mm麻花钻加工3个大平面上的36只螺纹底孔，操作界面与操作步骤和孔的定位操作相似，只需将加工子类型改为排屑钻，切削深度改为22 mm，每刀进给深度为3 mm，主轴转速改为1 000 r/min，其它参数不作修改。使用M14 mm丝锥的攻丝操作步骤也与此前相似，只需将加工子类型改为攻丝，切削深度改为18 mm，主轴转速改为100 r/min，进给速度改为 200 mm/min（螺距为2 mm）即可。

▲图12 创建螺旋铣工序

▲图13 螺旋铣参数设置

▲图14 指定孔

▲图15 螺旋铣刀具轨迹

▲图16 螺旋铣实体仿真

▲图17 镗孔刀具轨迹

（4）φ131.6 mm 大孔的加工。φ25的通孔和M27的螺纹孔加工方式与步骤可参照M14螺纹孔加工中的钻孔与攻丝步骤。

M27的螺纹底孔可选用φ24 mm的麻花钻，另外，M27的螺纹孔除可采用攻丝方式外，还可以采用螺纹铣削方式完成。

φ131.6 mm预钻孔可使用φ25 mm的钻头。经预钻孔后，需将孔直径扩至131.3 mm（预留0.35 mm余量精镗），若使用镗削方式扩孔，则需要多把粗镗刀才能完成，故此处使用螺旋铣方式扩孔。因孔深度较深，不宜采用整体式刀具，可选用φ25 mm的机夹刀来完成。

在如图12所示创建工序界面中，选择加工类型为平面铣，子加工类型为螺旋铣，刀具为φ25 mm的机夹刀。单击确定进入如图13所示螺旋铣界面。

▲图18 产品效果图

单击指定孔或凸台按钮，拾取如图14所示φ131.6 mm孔的孔壁，并按图中所示确定动态坐标系方位。在螺旋铣界面中，设置毛坯直径为24 mm，每转深度为刀具直径的5%，径向步距为刀具直径的80%，设置主轴转速为500 r/min，进给速度为150 mm/min。生成刀轨如图15所示。用相同的方式完成另两个φ131.6 mm孔的螺旋铣削，实体仿真效果如图16所示。

在创建工序界面中，选择加工类型为镗孔，子加工类型为标准镗、横向偏置后快退，其余操作步骤与钻孔类似，精镗刀尺寸调整至φ131.65 mm。设置主轴转速为1 000 r/min，进给速度为150 mm/min，刀具轨迹如图17所示。工件掉头装夹后，B面加工要素由φ50、φ39、φ32的孔和M6螺纹孔组成，其操作步骤与此前相似。产品在德玛吉机床上最终加工后效果如图18所示。

5 结束语

传统的阀体毛坯以铸造为主，整体式三通球形阀虽然具有诸多优点，但需置换原有的铸模，特别是大尺寸球形阀体，铸模的制造成本太高，故难以推广。笔者以实际生产加工的塑料三通球形阀为例，采用UG软件的3+2轴定向加工功能和德玛吉机床，采用圆柱毛坯实现球形阀体的加工，为大尺寸、小批量球形阀的制造提供了新思路。

［1］苏君，于玲，刘保军.基于UG和Master CAM的LCD盒注塑模具设计与加工［J］.塑料科技，2012，40（4）：101-104.

［2］苏荣锦，黄安民.超高分子量聚乙烯改性研究进展［J］.塑料科技，2010，38（6）：93-97.

［3］刘佳，蒋平平，刘小林，等.稀土类PVC热稳定剂—镧、铈、镨盐的性能研究［J］.塑料科技，2009，37（4）：78-82.

［4］李国立，刘敏江，张雪茜，等.稀土复合热稳定剂对聚氯乙烯性能影响研究［J］.现代塑料加工应用，2004，16（2）：15-18.

［5］王娟平.回转体零件的数控加工工艺性分析［J］.机床与液压，2011，39（22）：49-50.

［6］仲兴国.基于UG和VERICUT的四轴自动编程及仿真［J］.机床与液压，2013，41（8）：10-12.

［7］陈光明.基于数控加工的工艺设计原则及方法研究［J］.制造业自动化，2005（9）：54-59.

［8］刘玉文，俞浩荣，姚素芹.基于UG回转零件车/铣复合数控加工［J］.煤矿机械，2013，34（11）：132-135.

［9］梁国勇，王晓霞，迟涛.三通阀体车削工装设计与实现［J］.煤矿机械，2012，33（8）：123-124.

［10］赵飞，黄红耀.大直径薄壁球形阀芯加工工艺［J］.火箭推进，2012，38（1）：62-67.