论石化管道顶装式球阀阀体加工工艺及工装设计

黄纪忠，李俊瑜，余林峰，胡晋康

(1.丽水市国大阀门有限公司，浙江 丽水 323010；2.永嘉县凡尔泰阀门有限公司；3.浙江京凯阀门有限公司，浙江 温州 325105）

球阀是一种广泛应用于石油、天然气、化工管线比较理想的截断阀类，其规格种类繁多，现管线主要以侧装式球阀使用较多。根据用户的反馈，在一些工况场所上所使用的侧装式球阀表现出许多结构缺陷，如侧装式球阀阀体为分体式，两侧体需要承受巨大的管道载荷力，如管道震动对于两侧体连接处密封有着很大的泄漏风险；侧装式球阀在维修保养时需要将整个阀门从管道上拆卸下来，并且需要更换两侧体与管道连接密封垫片，浪费了大量生产宝贵时间和经济物资；侧装式球阀组成零件较多、生产加工装配繁琐、购买成本高。新型的顶装式球阀完美解决了侧装式球阀的固有缺陷，具有在管线上拆卸简单、维修方便、密封效果好等特点。当顶装式球阀在管线上运行出现故障时，修理阀门变得简单很多，不需要把整个阀门从管道上拆解下来，只需拆除阀门的上阀盖组件，更换或修理阀门里面密封件即可，可实现管道阀门现场修理，这样大大节省了维修时间，降低了管道运营成本；并且顶装式阀体具有重量轻、阀体中腔不易积渣等优点。顶装式球阀阀体作为该阀最核心的骨架零件，承受着管道介质压力、管道负荷载力，起密封截断介质功能，所以保证阀体加工精度尤为重要，加工前必须设计一种合理的加工工艺与工装夹具，来保证其满足预定的功能。

1 工艺分析

顶装式球阀阀体各个位置有较高的尺寸精度和行位公差要求，涉及刨、车、磨、钻等机械加工。其中阀体内的最重要两楔式密封面起截断介质作用，是介质密封的重要保障。必须设计一种合理的加工工艺及工装夹具，即能满足阀门密封性能要求，又能提高工厂生产加工效率。通过试加工及效果对比，最终采用组合式楔式斜度板工装，使用普通数控机床就可以完成阀体的楔式密封面加工，并能满足阀体的尺寸精度行位公差要求，具体阀体结构见图1。

图1

图2

2 阀体基准原则与选择分析

2.1 阀体粗基准原则

阀体加工的第一工序和开始几个工序中，由于阀体还处于毛坯状态，一般在未加工的阀体毛坯的表面基准，此基准一般为粗基准。在定粗基准时，一般应遵守以下原则：

（1）一般不能有粗基准重复使用的情况；

（2）只要是要加工的表面，都需要用预留足够的加工余量，相同尺寸链上的尺寸不能做粗基准；

（3）在铸造成型工件上，一般取不需加工的表面作为粗基准；

（4）不影响工件尺寸位置度；

（5）保证工件加工所需的工装夹安装方便。

2.2 阀体精基准原则

阀体加工的第一工序和开始几个工序中，以加工至最终尺寸的位置为基准，此基准一般为精基准。在定精基准时一般应遵守以下原则：

（1）统一基准，在同一尺寸链上，尽量采用同一基准，可以提高工件各个位置的形位公差要求；

（2）定位基准与设计基础重合，以第一工序和开始几个工序中精加工到位尺寸作为定位基准；

（3）选择精基准时应保证工件定位准确、夹紧力可靠、方便工人加工操作；

（4）当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准。

2.3 阀体粗精基准的选择

（1）装夹固定阀体中法兰，以阀体中法兰为粗基准，先粗加工阀体两端法兰；

（2）装夹固定阀体两端法兰，以两端法兰为精基准校正，阀体中法兰精加工到位，保证尺寸、行位公差，符合光洁度要求；

（3）装夹固定阀体中法兰，以中法兰外圆为精基准校正，阀体端法兰精加工到位，保证尺寸、行位公差，符合光洁度要求；

（4）装夹固定阀体端法兰，以两端法兰、楔式斜度板定位盘为精基准校正，加工和配磨阀体两楔式密封面，保证尺寸、对称度行位公差，符合光洁度要求。

3 阀体加工工艺顺序与关键位置控制

阀体加工工艺顺序大体是先粗加工两端法兰-精加工中法兰-精加工两端法兰-精加工密封斜面-精磨密封斜面-钻边法兰孔-钻中法兰底孔及攻螺纹-打磨倒角去刺处理-检验入库。

根据阀体各个位置配合的加工精度要求，主要关键控制位置为：

（1）两端法兰及流道孔的加工尺寸，该尺寸涉及到与管道法兰密封，加工光洁度控制在Ra1.6 以内，二边流道孔的同轴度控制在0.05mm 以内，二边法兰密封平面平行度控制在0.05mm 以内；

（2）阀体中法兰与阀盖配合密封部位，此处涉及阀门与外部密封，杜绝外漏风险，需要保证密封槽、定位台阶尺寸，保证与阀体中心轴线同心度0.05mm 以内，与流道孔轴线垂直度0.04mm 以内，车完后进行圆角处理，保证光洁度Ra1.6 以内；

（3）保证两楔式密封面精度与尺寸，该尺寸关系到阀门介质密封、截断内漏问题，需严格按照图样尺寸、形位公差加工，保证两楔式密封面对称度0.04mm 以内，车加工光洁度Ra1.6 以内。配磨后表面光洁度能达到Ra0.4以内；

（4）端法兰孔的钻加工，保证两端法兰孔相邻的孔之间的位置度公差在0.2mm 以内,防止出现两端法兰孔错位和管道配对法兰孔安装不上现象；

（5）中法兰螺纹孔保证螺纹孔位置精度，防止与阀盖法兰孔错位安装不上；攻螺纹注意螺纹间隙配合公差。

4 阀体工艺路线设计

具体工艺路线设计内容如下：

（1）热处理：铸件阀体购进-消除应力-正火、回火处理-按进货检验规范进行检验，合格后入库。

（2）刨加工：分别刨阀体两边毛头至图样宽度尺寸，分别刨阀体左右两端面至图样要求、并预留左右加工余量各2mm。

（3）划线：以水平工作台为基准找平，划出中心线并打上样冲。

（4）法兰数控加工：四爪夹持工件四面，校正并车中部法兰端平面、内孔定位用台阶，保证中法兰厚度，保证与中心轴线同心度0.05mm 以内，与流道孔轴线垂直度0.04mm 以内，车完后进行倒圆角处理，保证光洁度Ra1.6 以内；调转阀体，以中部法兰平面、台阶定位并夹紧校正，粗车端法兰外圆及端面其他尺寸至图样要求，车完后进行倒角处理，保证光洁度Ra3.2 以内，车流道孔至图样要求尺寸。工件旋转调头，夹紧并校正-重复序号4 的编号操作步骤，并保证平行度0.1mm 以内，保证光洁度Ra1.6 以内。

（5）阀座密封面车加工：四爪夹持楔式斜度板工装，阀体装夹在斜度板专用工装上，用压板及螺栓螺母压紧定位校正，精车密封斜面，保证楔式密封面角度5°，控制楔式密封面的中心至阀体中心尺寸，保证光洁度Ra0.8以内，边角相交处倒圆角处理。阀体旋转调头夹紧，还是四爪夹持楔式斜度板工装校正，重复序号5 的编号操作步骤，保证楔式密封面的中心至阀体中心尺寸,并保证两边对称度0.05mm 以内，保证光洁度Ra0.8 以内。

（6）阀座密封面磨加工：四爪夹持楔式斜度板工装，以阀体两端法兰平面为基准定位、校正并夹紧，用万向旋转节套磨盘夹细砂纸，与阀体阀座密封面进行配磨处理，配磨后保证密封面光洁度Ra0.4 以内。阀体旋转调头，重复（6）的操作步骤，磨另一边阀座密封面，保证光洁度Ra0.4 以内，并保证两边密封面对称度0.04mm 以内。

（7）划线：以水平工作台为基准找正，分别按图样要求划出中法兰螺纹孔中心线、两端法兰螺栓孔中心线并打上样冲。

（8）钻加工：阀体立放固定，分别钻两端法兰螺栓孔至图样尺寸要求，倒棱角保证边法兰相邻孔之间的位置度公差在0.2mm 以内，阀体调转装夹固定，以阀体两端法兰平面定位并夹紧、找正，钻中法兰螺纹底孔至图样尺寸要求。

（9）攻螺纹：分别以两端法兰端面定位固定、夹紧找正，分别攻螺纹孔至图样要求。

（10）检验：根据图样要求，检验合格后入库。

5 工装夹具选用特点与设计

5.1 工装夹具选用特点

工装夹具是在机床自带卡盘装夹无法加工和保证工件尺寸的情况下所设计的辅助工具，主要用于一些非规则性形状轮廓的工件加工；工装夹具辅助控制工件精度，所以自身尺寸精度要求较高；在满足功能下工装夹具尽量设计简单，方便工人操作；工装夹具在满足工件加工及强度条件下，尽量设计小巧，一般选用高强度材料制作。对于本次楔式斜度工装而言，由于定位盘面的面积比较大，夹紧力要求不大，工装结构紧凑，所占空间位置较小，便于装卸阀体。

5.2 楔式斜度板工装

顶装式球阀阀体中法兰、端法兰属规则圆形，可用常规数控机床本身自带的四爪卡盘进行装夹校正加工；对于阀体内部两楔式密封面的加工，根据公司现有数控机床CK6180 设计了一款专加工阀体楔式密封面的专用工装，具体结构见图3，主要由拉杆、斜度板、定位盘、压板、螺栓、螺母、垫片等组成。该工装具有装夹快、精度高、好校正等特点。装夹校正后阀体楔式密封面由斜面加工变成垂直面加工，加工难度大大减少，提高了加工精度和效率。

图3

5.3 斜度板

作为阀体支承元件，在装夹完阀体后，由于阀体在自身重力、楔式撑力作用下，工装工件组合件处于偏心旋转，加工阀体楔式密封面时承受很大的圆周力，设计斜度板时要保证其刚度和强度，防止变形夹不紧或脱落风险，具体结构见图4。

图4

5.4 定位板

加工阀体楔式密封面时靠定位板进行准确定位，与斜度板组合固定阀体，阀体楔式密封面尺寸、形位公差、光洁度要求高，必须保证定位板的强度及尺寸精度，具体结构如图5 所示。

图5

5.5 压板

压板主要是压起零件、固定阀体作用，压板强度应足够，保证夹具装夹阀体后有足够的约束力，具体结构如图6 所示。

图6

6 结语

顶装式球阀因其独特的密封性能特点，越来越广泛地应用于石油、化工管线。必须保证其主要零部件阀体的加工精度。本文通过设计合理的加工工艺与工装夹具，在普通数控机床上配合工装夹具加工操作，进行阀体试加工与验证分析，达到了阀体尺寸、行位公差、光洁度要求，代替了加工成本高昂的五轴加工中心，降低了企业的生产成本，提高了生产效率，为企业创造了更多价值。