DN50空心閥球高效精密研磨技術(shù)

2013-07-19 呂業(yè)成特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部

　　對DN50空心閥球提出一種新型平面式加工方法。采用這種方法可以同時實現(xiàn)對一批閥球進行加工，并具有較好的批一致性，使加工后的球體表面質(zhì)量和球形偏差得到很好的改善，其效率較傳統(tǒng)手工方式有很大的提高。

　　大尺寸球閥廣泛應用于水利、化工、船舶、精密儀器等領(lǐng)域。球閥結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的部件是經(jīng)精細研磨的空心球體，其球形偏差和表面粗糙度的好壞直接影響著球閥的密封效果。對于空心閥球的加工，傳統(tǒng)上采用手工研磨，即先用銼刀、砂紙修銼待研球體表面，然后球體與閥座用合適的研磨砂進行手工配研。手工研磨不僅效率低下而且所獲得的球度和表面粗糙度不高。目前，對于實體硬質(zhì)材料球體的研磨加工，技術(shù)較成熟，大致有2種方式：一種是杯狀研具加工法，較為典型的是清華大學余興龍教授提出的四軸自動球面機，可以加工出球形偏差為0.02μm，表面粗糙度Ra=0.5nm的高精度鋼球，另一種是磨盤研磨法，如V形槽研磨方式，雙V形槽研磨方式，偏心V形槽研磨方式，同軸三盤研磨方式，磁流體研磨方式，行星式球體研磨方式，等等。然而，實體球的研磨加工方式并不適用于輕質(zhì)空心的閥球體的批量研磨加工。四軸自動球面機雖然能加工出高精度的球體，但是加工效率低下，加工成本高，不適合批量生產(chǎn)。有些實體球加工的設(shè)備(如V形槽研磨方式，雙V形槽研磨方式，偏心V形槽研磨方式，同軸三盤研磨方式)壓力分辨率較低，對閥球加工容易使球體變形。采用行星式球體研磨方式對閥球進行研磨加工時，雖然研磨壓力可以調(diào)節(jié)，但實驗發(fā)現(xiàn)，對球體施加的載荷稍大就會導致球體打滑，球體只有在很小載荷情況下才能自由旋轉(zhuǎn)，球體材料去除率低，直接影響加工效率。針對大尺寸球閥內(nèi)的DN50閥球的研磨加工，提出一種新型加工方法，實現(xiàn)閥球體在研磨過程中公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度的自由配比，從而實現(xiàn)球體表面研磨軌跡的均勻化。即使在相對較大載荷下，球體也能自由旋轉(zhuǎn)，提高球體研磨效率。

1、實驗建立

　　1.1、實驗模型的建立

　　此實驗裝置是在傳統(tǒng)平面研磨設(shè)備基礎(chǔ)上進行改造的。加工過程中球體在研磨盤和保持架的共同作用下運動。在研磨過程中球體是2個運動的合成：一是球體在研磨盤的摩擦力作用下引起的公轉(zhuǎn)運動;二是保持架驅(qū)動球體的來回作搖擺。

　　1.2、運動分析

　　閥球在研磨拋光過程中，其運動示意圖如圖1所示�，F(xiàn)以其中1個閥球進行分析。其中的搖擺運動可簡化為曲柄滑塊運動。

圖1 球體運動分析圖

　　球坯與上下2盤的接觸點分別記為A點和B點，球心為Ob點，實驗設(shè)備中曲柄滑塊機構(gòu)的封閉矢量方程為

其中

　　用復數(shù)形式表示為

　　將式(2)展開、整理得

　　將式(2)對時間t求導，再進行展開、整理得

　　球心的位置方程為

　　將上式對時間t，求導，可得球心的速度方程

　　球心處速度平衡方程為

2、仿真與實驗

　　2.1、仿真結(jié)果

　　研磨軌跡是否均勻直接影響研磨質(zhì)量和研磨效率的提高。利用Pro/Engineer軟件建立整體機構(gòu)的簡化模型，將建好的模型導入ADAMS仿真軟件對球體研磨過程中球面上形成研磨軌跡進行仿真，其仿真流程圖見圖2所示。

圖2 仿真流程圖

　　根據(jù)不同研磨工藝參數(shù)組合比較，設(shè)定的球面研磨軌跡仿真條件見表1所示。

表1 球面研磨軌跡仿真條件

　　從仿真結(jié)果可以看出，研磨軌跡完全覆蓋整個球面，而且研磨軌跡的不重復率很高，這樣可以保證球體在研磨過程中，球面上每點都能得到研磨。

　　仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 球面研磨軌跡仿真圖

　　2.2、實驗結(jié)果

　　選擇合適的研磨工藝參數(shù)，用該種加工方法對一批空心閥球進行研磨加工。圖4為加工前閥球毛坯照片，可以看到明顯的焊接環(huán)帶;圖5為采用該種方法加工后的閥球照片。通過加工前后對比，可以看出，采用這種新型平面加工方法加工出的空心閥球，其表面的接縫被完全消除，整個球面十分光亮。對加工后的一批球進行測量，其球度的平均值E(φ)=30.235μm，表面粗糙度Ra=0.8μm。