杯形研具研磨閥球的工藝優(yōu)化試驗研究

　　閥球是球閥中起開關作用的關鍵零件。介紹了閥球研磨中的杯形研具工裝，給出了杯形研具研磨時的關鍵工藝參數(shù)：壓力、速度、磨料濃度，確定了研磨效果的評價參數(shù)：粗糙度、球度、去除效率。通過正交實驗的研究與分析，得到研磨工藝參數(shù)對研磨效果的影響規(guī)律，獲得了較好的工藝參數(shù)。

　　球閥在現(xiàn)代工業(yè)中有著十分廣泛的應用，球閥的密封效果是球閥最重要的指標之一。閥球是球閥中起開關作用的關鍵零件，為達到好的密封效果及理想的使用壽命，閥球的球度及表面粗糙度在制造中十分關鍵。研磨工藝是當下國內(nèi)對閥球進行精加工的主要方法，研磨分為粗研磨和精研磨，具體的研磨方法主要有手工研磨、上下轉盤研磨、專用球體研磨機、杯形研具研磨等。杯形研具工裝簡單，容易實現(xiàn)，它安裝在現(xiàn)有機床上，非常經(jīng)濟;可以實現(xiàn)粗研磨和精研磨兩步工序;同時能滿足小尺寸到大尺寸的閥球加工，通用性好。

　　在研磨過程中，有眾多因素會對加工結果造成影響，本文以優(yōu)化粗研磨工藝參數(shù)為目的，在實驗的基礎上得到優(yōu)化后的粗研磨加工工藝參數(shù)。

1、杯形研具工裝

　　工作原理如圖1所示，研磨運動由兩部分構成，一是機床主軸旋轉帶動閥球旋轉，二是伺服電機帶動研具的旋轉。杯形研具在彈簧作用下以一定的力壓緊在球體上，球體與研具間的磨料在力及運動作用下，將球體上的材料逐漸去除。

圖1 杯形研具工裝

2、試驗設計

　　在閥球的粗研磨過程中，有眾多因素會影響加工效果，表1列舉了本試驗的各個條件因素。通過表1分析得知，工件與加工設備都不可隨意選擇，為提高加工效率，研磨時間也不得太長，選擇為5min較為合理。于是得到本試驗條件下可控制的關鍵工藝參數(shù)：研磨壓強、研磨速度、磨料濃度。本試驗的主要目的就是研究上述三個關鍵工藝參數(shù)對研磨后的粗糙度、球度及去除效率的影響規(guī)律，獲取更為優(yōu)化的工藝結果。

表1 影響本試驗加工結果的條件因素

　　研磨壓強P由彈簧壓緊力F除以球體與研具的接觸面積A得到;研磨速度v由機床旋轉速度w1與研具旋轉速度w2合成，為了讓研磨軌跡更加分散，合成速度大小在接觸位置點間相差更小，w1與w2應當互質、比例盡量擴大;白剛玉適用于不銹鋼的研磨，用W20粒度的研磨料用于粗研磨可以有較高的去除效率，用乳化液做為研磨劑可以獲得較好的磨料分散效果。由此列出了如表2所示的加工工藝參數(shù)及水平，每個工藝參數(shù)給出3個水平。

　　由表2加工工藝參數(shù)及水平，可以獲得如表3所示工藝設計正交試驗表格，加工參數(shù)中各列分別代表壓力、速度、磨料濃度，各行分別是這三個加工參數(shù)的水平值;測試結果中，表面質量用粗糙度Ra衡量，球度偏差用經(jīng)過圓球球心的最大圓的圓度誤差衡量，去除效率由單位時間內(nèi)的閥球質量去除量(g/min)衡量。

表2 加工工藝參數(shù)及水平

表3 工藝設計正交試驗表及測試結果

3、試驗結果與分析

3.1、試驗結果

　　按照表3正交試驗表格，每個實驗號加工5個閥球，共計45個球。用粗糙度儀、球度儀、分析天平按實驗號分組測量并計算，得到各實驗號測試結果的平均值，試驗測試結果如表3所示。

3.2、水平平均值響應分析

　　對表3的測試結果進行水平平均值響應分析。為計算因素A(壓力)在水平1(0.2MPa)下的平均響應，方法是將包含A1(壓力0.2MPa)的1、2、3號實驗結果中的值相加，之后再除以3得到平均值，這樣就可以得到各評價參數(shù)的平均值：表面粗糙度Ra(A1)=0.603、球度偏差(A1)=4.89µm、去除效率(A1)=0.0219g/min，其余2個水平的平均用相同的方法計算得到，列于表4中。

　　同理，剩下的兩個加工參數(shù)B(速度)、C(磨料濃度)的水平平均值響應按上述方法得到，結果列于表4中。

　　依據(jù)表4便可得到3個工藝參數(shù)的3個水平對球體的表面粗糙度Ra、球度偏差、去除效率的水平平均值影響曲線，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 工藝參數(shù)對表面粗糙度的水平平均值影響

圖3 工藝參數(shù)對球度偏差的水平平均值影響

圖4 工藝參數(shù)對加工效率的水平平均值影響

表4 平均值響應分析

　　由圖2看出，對于表面粗糙度Ra，其值越小越好，A1B1C3為最好的工藝組合，即：壓力0.2MPa，速度20m/min，磨料濃度40%;研磨壓力越小，研磨速度越小，磨料濃度越高，表面精度越好;比較圖2中的曲線坡度，可知磨料濃度對其影響最大。

　　由圖3看出，對于球度偏差，其值越小越好，A1B1C3為最好的工藝組合，即：壓力0.2MPa，速度20m/min，磨料濃度40%;研磨壓力越小，研磨速度越小，磨料濃度越高，球度精度越高;比較圖3中的曲線坡度，可知壓力對其影響最大。

　　由圖4看出，對于加工效率，其值越大越好，A3B2C1為最好的工藝組合，即：壓力0.5MPa，速度35m/min，磨料濃度20%;壓力越大，磨料濃度越低，加工效率越高;研磨速度在升高到一定程度之后，切削效率反而降低，其原因是刀具和工件旋轉速度過快，研磨液容易甩出，研磨顆粒劑量難以保證充分;比較圖4中的曲線坡度，可知壓力和速度對其影響都比較大。

　　由以上分析可知，加工精度與加工效率的工藝參數(shù)的優(yōu)化方向相互矛盾，提高加工精度就要以降低加工效率為代價，提升加工效率就要以降低加工精度為代價。對表面粗糙度而言，磨料濃度對其影響最大，對球度而言，壓力對其影響最大，對加工效率而言，壓力和速度對其影響比較大。

　　綜合分析發(fā)現(xiàn)，參數(shù)優(yōu)化過程最沖突的參數(shù)是影響球度和加工效率的壓力大小，折中考慮后，確定壓力大小為0.35MPa，最后確定磨料濃度為40%，速度為35m/min.

4、結語

　　粗研磨是閥球加工的重要工序，為了獲得良好的加工精度及加工效率，本文以表面粗糙度Ra，球度偏差及加工效率為評價參數(shù)，以壓力、速度、磨料濃度為關鍵控制工藝參數(shù)進行正交實驗法的加工實驗。實驗分析表明：

　　1)對表面粗糙度Ra和球度偏差而言：研磨壓力越小，研磨速度越小，磨料濃度越高，這兩者的值越小，加工效果越好，精度越高;

　　2)對加工效率而言，壓力越大，磨料濃度越低，加工效率越高，研磨速度在升高到一定程度之后，切削效率反而降低;

　　3)綜合考慮加工精度及加工效率的要求，最終確定本實驗優(yōu)化后的工藝參數(shù)：壓力為0.35MPa，濃度為40%，速度為35m/min。