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(jìn)加工技術(shù)教育部

　　對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)一批閥球進(jìn)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(yīng)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(xì)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(duì)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(jìn)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(duì)于實(shí)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(xué)余興龍教授提出的四軸自動(dòng)球面機(jī)，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(pán)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(pán)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(shí)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(dòng)球面機(jī)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(shí)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(pán)研磨方式)壓力分辨率較低，對(duì)閥球加工容易使球體變形。采用行星式球體研磨方式對(duì)閥球進(jìn)行研磨加工時(shí)，雖然研磨壓力可以調(diào)節(jié)，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)球體施加的載荷稍大就會(huì)導(dǎo)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(duì)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(shí)現(xiàn)閥球體在研磨過(guò)程中公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度的自由配比，從而實(shí)現(xiàn)球體表面研磨軌跡的均勻化。即使在相對(duì)較大載荷下，球體也能自由旋轉(zhuǎn)，提高球體研磨效率。

1、實(shí)驗(yàn)建立

　　1.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

　　此實(shí)驗(yàn)裝置是在傳統(tǒng)平面研磨設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的。加工過(guò)程中球體在研磨盤(pán)和保持架的共同作用下運(yùn)動(dòng)。在研磨過(guò)程中球體是2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成：一是球體在研磨盤(pán)的摩擦力作用下引起的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);二是保持架驅(qū)動(dòng)球體的來(lái)回作搖擺。

　　1.2、運(yùn)動(dòng)分析

　　閥球在研磨拋光過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。現(xiàn)以其中1個(gè)閥球進(jìn)行分析。其中的搖擺運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)。

圖1 球體運(yùn)動(dòng)分析圖

　　球坯與上下2盤(pán)的接觸點(diǎn)分別記為A點(diǎn)和B點(diǎn)，球心為Ob點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的封閉矢量方程為

其中

　　用復(fù)數(shù)形式表示為

　　將式(2)展開(kāi)、整理得

　　將式(2)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，再進(jìn)行展開(kāi)、整理得

　　球心的位置方程為

　　將上式對(duì)時(shí)間t，求導(dǎo)，可得球心的速度方程

　　球心處速度平衡方程為

2、仿真與實(shí)驗(yàn)

　　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(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，將建好的模型導(dǎo)入ADAMS仿真軟件對(duì)球體研磨過(guò)程中球面上形成研磨軌跡進(jìn)行仿真，其仿真流程圖見(jiàn)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(jiàn)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(gè)球面，而且研磨軌跡的不重復(fù)率很高，這樣可以保證球體在研磨過(guò)程中，球面上每點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　選擇合適的研磨工藝參數(shù)，用該種加工方法對(duì)一批空心閥球進(jìn)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(guò)加工前后對(duì)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(gè)球面十分光亮。對(duì)加工后的一批球進(jìn)行測(cè)量，其球度的平均值E(φ)=30.235μm，表面粗糙度Ra=0.8μm。