球阀的设计与制造论文.doc

页 目录 绪论 1 1 1 球阀发展历史 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 本文研究的主要内容 方法和目标 2 第 1 章 球阀的结构设计及校核 3 1 1 球阀的构成 作用原理 特点和结构分类 3 1 1 1 球阀的构成 3 1 1 2 球阀的作用原理 3 1 1 3 球阀的特点 4 1 1 4 球阀的结构类型 4 1 2 球体的直径确定 4 1 3 球体与密封圈之间密封比压的确定 5 1 3 1 必需比压的计算 5 1 3 2 需用比压选择 6 1 3 3 设计比压的计算 6 1 4 球阀密封力的计算 8 1 5 球阀的转矩计算 9 1 6 阀体设计 10 1 6 1 阀体结构形式 连接形式 结构长度的 10 1 6 2 阀体壁厚的确定 10 1 6 3 阀体法兰设计 11 1 6 4 阀体法兰校核 12 1 7 阀杆的设计和校核 15 1 7 1 阀杆材料选择 15 1 7 2 阀杆填料的选择 16 1 7 3 阀杆强度的计算 16 页 1 8 球体的设计和校核 19 1 9 球阀的密封圈设计 21 第 2 章 零件图样的工艺分析 23 2 1 零件的尺寸分析 23 2 1 2 零件的形状及精度的分析 24 2 1 3 各零件的材料选择 25 2 1 4 各零件的加工要求分析 25 2 1 5 各结构的加工方法 26 第 3 章 零件的工艺规程的设计 27 3 1 选择机床及刀具 量具 夹具 27 3 1 1 选择机床 27 3 1 2 刀具的选择 27 3 1 3 量具的选择 28 3 1 4 夹具的选择 28 3 2 确定零件的装夹方式和定位基准 29 3 2 1 精基准与粗基准的选择原则 29 3 2 2 定位基准的确定与工序的划分以及装夹方式 29 3 2 3 加工工艺路线的制定 30 3 3 切削用量的选择 31 3 4 数控加工工序卡和数控加工刀具卡 33 致谢 36 参考文献 37 绪论 1 1 球阀发展历史 球阀是上世纪 50 年代问世的一种新型阀门 在短短的 30 多年里 球阀 已发展成为一种主要的阀类 它在航空航天 石油化工 长输管线 轻工食 品 建筑等许多方面都得到了广泛的应用 早在 19 世纪 80 年代美国就开始 设计球阀 但是当时缺乏适当的密封材料 限制了求法的发展 使它未能成 为一种正式工业产品 直到上世纪 50 年代 聚四氟乙烯等弹性密封材料的出 现才使球阀的产生和发展出现了转机 同时由于机床工业的发展 使球体加 工技术提高 能够实现球体所要求的尺寸精度与表面粗糙度 1 2 国内外研究现状 球阀是上世纪 50 年代问世的一种新型阀门 在短短的 30 多年里 球阀 已发展成为一种主要的阀类 它在航空航天 石油化工 长输管线 轻工食 品 建筑等许多方面都得到了广泛的应用 目前球阀最大公称通径已达 3050mm 这是美国 EscherWyss 公司为田纳西州的一个泵站所提供的四台球阀 用作透平机出口的切断阀 设计压力为 4 8Mpa 球阀的最高工作压力已达 72Mpa 其相应温度高达 1000 球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用 而且在核工业 宇航工业 的液氧与液轻输送管线上普遍采用 全塑料球阀近年来发展较快 其特点是 耐腐蚀 重量轻 成本低 西 德一家阀门公司已制造通径为 6 的塑料球阀 美国 Hill Maccanng 公司制 成一种含氟材料球阀 商业名称为 Kynar 据称有高强度 优良的耐温与耐 腐蚀性能 使用温度为 250 同时随着时代的发展 进入 21 世纪以后 生产和制造技术有了显著优化 提高 同时 技术人员大都通过计算机技术对产品进行研发设计和控制优化 在很大程度上提高了设计速度和更新周期 目前我国关于球阀的生产企业大多规模小 科研能力弱 大多通过参考 外国产品进行设计生产 其主要原因是技术投入资金不足 科研人员数量不 足 所以在国内很多的大型工程招标中大多被外国阀门企业所垄断 1 3 本文研究的主要内容 方法和目标 球阀作为新型的阀门品种之一 关于球阀的设计方案十分稀少 本文的 主要研究内容包括对球阀结构设计 球阀的设计要求保证合适的强度与刚度 从而保证球阀的寿命和稳定性 本课题主要以 DN 为 50mm P 为 1 6Mpa 的球 阀 进行结构设计 强度校核 以及关键零部件的分析 同时进行三维建模 课题的研究内容和方法主要包括 1 设计球阀结构并进行强度校核 通过设计手册对球阀的结构进行设计 主要包括阀体 阀杆 阀芯以的 选用与设计 并对其受力分析 然后再确定材料后进行强度校核 2 部分零件的工艺分析与工艺规程的设计 在对填料板和右阀体的零件图零件图分析后 进行那比较详细的工艺规 程的设计 主要包括对机床 刀具 夹具 量具的选择 以及对工艺路线的 设计与确定和工艺卡片的制定 第 1 章 球阀的结构设计及校核 1 1 球阀的构成 作用原理 特点和结构分类 1 1 1 球阀的构成 图 1 1 手动浮动球球阀结构 1 扳手 2 阀杆 3 球体 4 阀体 5 密封圈 球阀主要由阀体 球体 阀杆 阀芯 密封圈和省力机构等几部分主要 零件构成 下面对上述几个重要零件的设计进行设计计算 图 1 1 为球阀结 构图 1 1 2 球阀的作用原理 球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体管道 即球阀通常为闭路阀 因此 球阀的作用原理很简单 借助驱动装置的在阀杆端施加一定的转矩并 传递给球体 使它旋转 90 球体的通孔则与阀体通道中心线重合或者垂直 球阀便完成了全开或全关的动作 1 1 3 球阀的特点 球阀的主要特点如下 流体阻力小 开关迅速 方便 密封性好 寿命 长 可靠性高 而且阀体内通道平整光滑适于输送粘性流体 浆液 以及固 体颗粒 1 1 4 球阀的结构类型 按球体的支撑方式 球阀可分为浮动球球阀和固定球球阀两大类 其浮 动球阀的特点十分突出 主要有结构简单 制造方便 工作可靠 而固定球 阀的转矩小 密封圈形变小 密封性能稳定 使用寿命长 适用于高压 大 通径场合 在这里我们设计的是浮动式球阀 1 2 球体的直径确定 球体的直径大小影响球阀结构的紧凑性 应此应尽量缩小球体直径 球 体半径一般按 R d 计算 同时为保证球体表面能完全覆盖密封圈 9 0 75 0 密封面 选定球径后须按下式进行校核 球体如图 1 2 图 1 2 球体图 1 2 2 2min mmdDD 1 必须满足 D min D 式中为最小球体直径 mm min D 密封圈外径 mm 2 D d 球体通道孔直径 mm D 球体实际直径 mm 而 70mm d 50mm 所以由上面可知可取球体直径 86mm 而要 D 2 D min D min D 所以 D 88mm 1 3 球体与密封圈之间密封比压的确定 1 3 1 必需比压的计算 必需比压是为保证密封 密封面单位面积上所必需的最小压力 以表qb 示 由于流体压力或附加外力的作用 在球体与密封圈之间产生压紧力 于 是 必需比压式球阀设计中最基本的参数之一 它直接影响球阀的性能及结构尺 寸 下面是由实验结果得出的计算公式 1 2 b cPa mqb MPa 式中 m 与流体性质有关的系数 a c 与密封面材料有关的系数 P 流体工作压力 b 密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度 t 密封面宽度 其中查表 1 1 可得 m 1 a 1 8 c 0 9 P 1 6Mpa b 将在下面中计算得 出 表 1 1 密封材料 ac 钢硬质合金 3 51 铝 铝合金 聚四氟乙烯 尼龙 硬聚氟乙烯 1 80 9 青铜 黄铜 铸铁 3 01 中硬橡胶 0 40 6 软橡胶 0 30 4 1 3 2 需用比压选择 密封面单位面积上允许的最大压力称为需用比压 以表示 本此设计 q 球阀通过查询 球阀设计与选用 密封面材料许用比压表可知 选取聚四氟 乙烯 30Mpa q 1 3 3 设计比压的计算 设计时确定的在密封面单位面积上的压力 称为设计比压 以 q 表示 选择比压比应是密封可靠 寿命长和结构紧凑 必须保证 q 1 3 b q q 设计比压按图 1 3 中的力的平衡关系进行计算 1 4 S N q 式中 N 球体对密封圈密封面的法向力 N 1 5 cos Q N S 密封圈与球体杰出的球星环带面积 S 2 r 21 LL Q 作用于密封圈密封面上的沿流体方向的合力 密封面法向与流道中心线的夹角 R LL R K 2 21 cos 图 1 3 比压计算图 球体中心线执法作两段面的距离 mm 21 L L 4 4 2 1 2 1 DR L 4 4 2 2 2 2 DR L 密封圈内径 1 D 发作外径 2 D 密封圈平均直径 mm m D 2 21 DD Dm R 球体半径 mm 整理可得 1 6 2 1 2 2 4 DD Q q 由于球阀的密封力还未计算故需计算完 故在下节给出设计比压的计算结果 1 4 球阀密封力的计算 为简化计算 往往忽略预紧力 密封圈滑动摩擦力及流体静压力在 1 Q 2 Q 密封面余隙中的作用力 这样密封力仅等于流体静压力在密封圈密封面上 J Q 的作用力 N 即 MJ Q 4522 75N 1 7 P DD 16 PD 4 2 21 2 m MJ QQ 将上式代入式 1 5 可得 1 8 P DD DD 4 q 12 12 q 可得 q 2 40 在球阀初步设计时 为了便于确定 b DN 及 P 的关系 设 q 代DND 1 q 入上式可得 mm 1 P Pq DN b 4 9 由需用比压 30Mpa DN 50mm P 1 6Mpa 代入得 q b 0 61mm 代入式 2 2 可得显然满足26 2 b q q b q q 球阀密封力的精确计算还要计算预紧力 故可知 1 Q Q 1 1 Q MJ Q 10 预紧力计算公式如下 N 1 q 4 2 1 2 2min1 DDQ 11 式中 预紧所需的最小比压 Mpa min qPq1 0 min 密封圈内径和外径 mm 1 D 2 D 可得 2 5KN 故 Q 112 75KN 1 Q 1 5 球阀的转矩计算 由于本球阀为浮动球阀故其转矩计算公式如下 0 M 1 12 utm MMMM 式中 球体与密封圈密封面间的摩擦转矩 m M 阀杆与填料之间摩擦转矩 m M 阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩 u M M 和的计算见 2 7 2 mu M 1 13 FrMm 式中 F 球体与密封圈之间的密封力 N T NF cos Q N r 摩擦半径 球体摩擦半径计算图如图 1 4 所示 2 cos1 R r R 球体半径 mm 密封面对中心的斜角 球体与密封圈之间的摩擦系数 查表得 T 05 0 T 图 1 4 球体摩擦半径计算 则 N mm Tm QR M cos2 cos1 6 3 1029 1 05 0 713 0 2 713 0 1 1901075 112 xx x xx 1 6 阀体设计 1 6 1 阀体结构形式 连接形式 结构长度的 1 首先确定阀体的结构形式 连接形式和结构长度 根据适用场合不同 和通径大小 常见阀体结构有以下几种 1 整体式阀体 DN 50mm 2 二分体式 阀体有左右两部分组成 通过螺栓将这两部分连接成一 体 3 三分体式 阀体有三部分组成 这三部分是在密封圈处沿着与通道 向垂直的界面而分隔开的 螺栓将这三部分连接成一体 通过课本给的设计条件 阀体的结构形式应当选二分体式 2 阀体与管道的连接形式主要有螺纹连接 法兰连接 焊接连接等三种 由结构形式的确定中可知 阀体连接选择法兰连接 3 根据所给的公称压力和公称通径来确定其结构长度 结构长度是指阀 体通道终端垂直于阀门轴线的两个平行平面之间的距离 由此根据已给条件 可知结构长度为 203mm 公差为 2mm 1 6 2 阀体壁厚的确定 球阀阀体常用整体铸 锻或者棒材加工而成 由于所给条件的工作压力 属于中低压 所以采用薄壁计算公式进行计算 计算公式如下 mm 1 14 CbSSb mm 1 15 PL pc bS 2 12 32 1 式中 D 球阀内墙的最大直径 mm Sb 考虑附加余量的壁厚 mm 按强度计算的壁厚 mm bS P 设计压力 Mpa 材料许用拉应力 Mpa L C 附加余量 mm 将 D 95mm P 1 6Mpa 28Mpa 故可得 6mm 由 6mm 可知 L bS bS C 1mm 故阀体壁厚为 7mm 1 6 3 阀体法兰设计 1 法兰螺栓设计按以下两种情况进行 1 操作情况 由于流体静压力所产生的轴向力促使法兰分开 而法兰螺 栓必须克服此种端面载荷 并且在垫片或接触面上必须维持足够的密紧力 以保证密封 此外 螺栓还承受球体与密封圈之间的密封力作同 在操作情 况下 螺栓承受的载荷为 p W 1 16 QFFW pp QmPbDD Gg 2785 0 2 式中 在操作情况下所需的最小螺栓转矩 N P W F 总的流体静压力 N PDF G 2 785 0 连接接触面上总的压紧载荷 N P FMPbGF GP 2 载荷作用位置出垫片的直径 mm 由阀体内部尺寸可知450mm G D G D m 垫片有效密封宽度 差表可知 m 0 P 设计压力 Mpa Q 球体与密封圈之间的密封力 N 见 2 4 KNQ75 112 则将各项数据代入可得 KN 675 43075 11202450785 0 2 XXWP 2 预紧螺栓情况 在安装是须将螺栓拧紧而产生初始载荷 使法兰面压 紧垫片 此外 螺栓还承受球体与密封圈之间的预紧力 在预紧螺栓时螺栓 承受的载荷为 a W 1 17 1G QYbD a W 式中 在预紧螺栓时所需的最小螺栓转矩 N a W Y 垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷 Mpa 查表得 Y 0 球体与密封圈之间的预紧力 由 1 4 可知112 75KN 1 Q 1 Q 则112 75KN a W 2 法兰螺栓拉应力的计算 1 LL A W 18 式中 法兰螺栓拉应力 Mpa L W 和两者中的大者 N p W A W A 螺栓承受应力下实际最小总截面积 螺栓材料在常温下的许用拉应力 Mpa 查表得 108Mpa L L 则 A 12X3 14X 5425 92 2 12 2 mm 79 3 108Mpa L 92 5425 430675 L 1 6 4 阀体法兰校核 1 法兰力矩计算 在计算法兰应力时 作用在法兰上的力矩是载荷和他力 臂的乘积 力臂决定与螺栓孔中心圆和产生力矩的载荷的相对位置 见下图 所示 图 1 5 整体法兰 作用于法兰的总力矩为 0 M 1 GGTTDD SFSFSFM 0 19 式中 作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力 N D F PDF iD 2 785 0 总的流体静压轴向力与作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向 T F 力之差 N 785 0 22 iGDT DDPFFF 用于窄面法兰的垫片载荷 G FFWFG 从螺栓孔中心圆至力作用位置处的径向距离 mm D S D F 1 5 0 SSD S 从螺栓孔中心圆至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离 1 20 1 2 ib DD S 法兰颈部大端有效厚度 mm 1 从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离 mm T S T F 2 1G T SS S 从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离 mm G S G F 2 Gb G DD S 法兰的内直径 mm i D 由所设计的球阀阀体可知 430mm i DmmDG450 mmDb520 mm20 1 mm f 36 mmSG35 mmST40 NxxFD2903002430785 0 2 NxFT26700 430450 2785 0 22 NFFF DT 317900 NFG113700 则法兰的总力矩为 0 M N 5 0 105244 1 1524400035113700402760035290300 xxxxM mm 2 法兰应力计算 1 法兰的轴向应力 Mpa M 1 i M D fM 2 1 0 21 式中 作用于法兰的总力矩 N mm 0 M f 整体式法兰颈部校正系数 f 1 系数 查表得 2 5 则 45 35 2 1 0 i M D fM Mpa 2 法兰盘的径向应力 Mpa R e 0 0125 1 22 if f R D Me 2 0 133 1 17 49 Mpa 430365 2 1044 152 10125 0 3633 1 2 5 xx xxxx 3 法兰盘切向应力 Mpa T 1 23 R if T Z D YM 2 0 式中 Y Z 系数查表可知 Y 4 64 Z 6 03 则 Mpa 46 2149 1703 6 43036 1044 15264 4 2 5 x x xx T 3 法兰的许用应力和强度校核 上述三个应力应满足 1 24 M M 1 25 RR 1 26 TT 由阀体法兰材料为 HT200 可查得 Mpa 28 L MPa421 5x2835 45MPa MM MPa351 25x2817 49MPa RR MPa351 25x2821 46MPa TT 经校核说明应力方面符合要求 1 7 阀杆的设计和校核 阀杆是球阀的主要受力零件之一 按照我国球阀标准 阀杆应设计成 在流体压力的作用下拆开阀杆密封挡圈时 阀杆不致于脱出 1 7 1 阀杆材料选择 阀杆作为球阀的重要受力零件 其材料必须具有足够的强度和韧性 能 耐介质 大气及填料的腐蚀 耐擦伤 工艺性好 材料选用主要通过工况和 设计压力来选择 由表 1 2 可选择 1Cr18Ni9Ti 作为阀杆材料 表 1 2 材料 工作压力 MPa T 适用阀类 CuAL9Mn2 1 6 200 低压阀 A5 2 5 350 中低压阀 40Cr 32 0 450 高中压阀 38CrMoALA 0 10 54 P540 电站用阀 20Cr1Mo1VIA 0 14 57 P570 电站用阀 2Cr13 32 0 450 高中压阀 1Cr18Ni2 6 3 100200 不锈钢阀 低温阀 1Cr18Ni9Ti 6 3 600 高温阀 1 7 2 阀杆填料的选择 1 填料选择 阀杆常用填料主要有 V 型填料 圆形片状填料及 O 型密封圈等三种 由于圆形片状填料往往容易发生松弛而使密封比压减小 以致密封遭到破坏 同时 O 型填料具有密封性能好 摩擦系数低且具有自封性能 因此我选用 O 型填料 1 7 3 阀杆强度的计算 阀杆上的转矩分布图见下图所示 主要受力面是 I I IV IV 其中 面的扭转应力计算可做为设计时初定阀杆直径用 1 I I 断面处的扭转应力为 MPa N 1 31 W Mm N N 式中 密封圈密封面与球体间的摩擦转矩 N mm m M 材料的许用扭转应力 Mpa 1050Mpa N N W I I 断面的抗扭转系数 2 9 0baW 3 mm 图 1 6 浮动球阀阀杆转矩分布图 a 和可由下表查得 表 1 3 b a 与的关系 b a1 01 21 52 02 53 04 06 08 0 0 2080 2190 2310 2460 2580 2670 2820 2990 307 图 1 7 阀杆与球体连接部分的断面 故447008650231 0 9 0 2 xxxW 3 mm 则 1050MPa85 28 44700 x1029 1 6 W Mm N N MPa 2 断面处剪切应力的计算 MPa 1 32 P 16dH dD 2 式中 D 阀杆头部凸肩的直径 mm d 阀杆直径 mm H 阀杆头部凸肩的高度 mm P 流体的工作压力 MPa 材料的许用剪切应力 查表得 990 MPa MPa 则 990 MPax xx 22 2 2 206016 1462 MPa 3 断面处的扭转应力 MPa 1 N W M 33 式中 M 总摩擦转矩 N mm W 断面处的抗扭转断面系数 3 mm 3 d 16 W 则 1050MPax 4 3016 60 x x1029 1 3 6 N MPa 4 断面处的抗扭转面系数 由于阀杆和涡轮采用键连接故 与 断面处的扭转应力相同无需再 进行校核 综上阀杆的应力均符合要求 1 8 球体的设计和校核 由 1 2 可知球体的半径是 88mm 球体作为球阀控制的直接动作零件 必须对其进行设计与校核 球体的 主要结构特征是球体与阀杆的连接结构 其必须满足所传递的最大转矩同时 保证有足够的灵活性 后者是保证工作性能的必要条件 由于阀杆与球体的接触部分是间隙配合 因此 在接触面上的比压分布 是不均匀的 如下图所示 有分析可知 计算时可近似地采用挤压长度 而作用力矩的臂长 K 0 8a mm 则挤压力按下 3 0mmaLZY MPa ZY 式计算 L 1 ZY 2 12 0 ha Mm ZY 36 图 1 8 阀杆头部的比压分布 式中 球体与密封圈密封面之间的摩擦力矩 m M h 阀杆头部插入球体的深度 mm h 40mm a 阀杆头部的边长 mm a 100mm 球体许用挤压应力 ZY MPa ZY 122 则 MPa xx x ZY 875 26 4010012 0 1029 1 2 6 MPa ZY 122 故球体强度要求满足 这里需要注意的是 按强度要求考虑 即挤压应力等于扭转应力 因而 一般取 h 1 8 2 2 amm 但是在实际设计时受到球体尺寸的限制 h 不能 过大 为了减小挤压应力 往往加大接触面的尺寸 即加大 a 的尺寸 故 a 与 h 的关系不能为 h 1 8 2 2 amm 1 9 球阀的密封圈设计 根据阀门泄漏的部位和性质 尚有内漏和外漏之分 对球阀而言 内漏 发生与密封圈与球体和密封圈与阀体之间的接触面上 外漏则发生于填料函 上 也有可能在连接法兰与垫片之间 阀门内漏的流体虽然未流到外界 不会污染环境 也没有流体损失 但 其危害性十分严重 轻则影响产品质量 重则由于渗漏串通将酿成恶性事故 球阀密封圈主要有普通密封圈和弹性密封圈两种 普通密封圈的特点是 在预紧力或者流体压力的作用下 密封圈与球体压紧 并使密封圈材料产生 塑性变形而达到密封 弹性密封圈除了与普通密封圈和弹性密封圈一样 在 预紧力或流体压力 或者两者兼有之 作用下 密封圈材料产生塑性变形而 达到密封外 还由于密封圈本身的特殊结构或者借助于弹性元件 如金属弹 性骨架 弹簧等办法 在预紧力或流体压力下产生弹性变形 以补偿温差 压力 磨损等外界条件变化对球阀密封性能的影响 普通球阀的密封效果取决于密封圈在流体压力或者预紧力的作用下 能 够补偿球体的不圆度和表面微观不平度的程度 因此 密封圈与球体之间必 须具有足够大的密封比压 并应满足以下条件 b q qq b q 式中 保证阀门的密封的必需比压 b qMPa q 阀门工作时的实际比压 MPa 密封圈材料的许用比压 q 普通密封圈的结构如下图所示 结构简单 加工制造最方便 应用比较 普遍 但这种密封圈在装配时 调试比较困难 因为要达到密封所必需的比 压 需要拆卸阀体中的法兰 调配左 右阀体之间的密封垫片的厚度 图 1 9 普通密封圈 弹性密封圈是本世纪七十年代初才出现的新型密封圈结构 其发展正方 兴未艾 它们都是针对特定工况条件研究设计的 其结构和种类繁多 斜面弹性密封圈有单斜面和双斜面之分 单斜面弹性密封圈如下图所示 这种发作结构简单 加工制作方便 弹性补偿能力差是其缺点 图中虚线位 置为密封圈在预紧前的自由状态 这种弹性密封圈适用于 DN 250mm 的浮动 球球阀 所以我选取弹性密封圈 从球阀类型为浮动球阀考虑 我选取斜面弹性 密封圈 其主要特点是结构简单 加工制造方便 替换性好 如下图所示 图 1 10 单斜面弹性密封圈 第 2 章 零件图样的工艺分析 2 1 零件的尺寸分析 填料压板图样如图 2 1 所示 图 2 1 填料压板图 右阀体图样如图 2 2 所示 图 2 2 右阀体图 2 1 2 零件的形状及精度的分析 填料压板表面有圆台 倒角 倒圆角 内孔 右阀体表面有圆柱 倒角 倒圆角 阶梯通孔 内圆孔等表面组成 其中多个直径尺寸有较严格的尺寸 精度和表面粗糙度等要求 阶梯通孔表面和内孔表面的直径尺寸精度要求严 格 而螺纹孔与通孔的位置精度要求较为严格 2 1 3 各零件的材料选择 零件材料选取所考虑的因素 根据零件材料的工艺特性和力学性能来决定了毛坯的种类 例如铸铁零 件用铸造毛坯 钢质零件当形状较简单且力学性能要求不高时常用棒料 对 于重要的钢质零件 为获得良好的力学性能 应选用锻件 当形状复杂力学 性能要求不高时用铸钢件 有色金属零件常用型材或铸造毛坯 1 毛坯的种类 常用的毛坯种类有铸件 锻件 压制件 冲压件 焊接件 型材和板材 等 铸件 适用于形状复杂的毛坯 薄壁零件不可用砂型铸造 尺寸大的铸 件宜用砂型铸造 中 小型零件可用较先进的铸造方法 铸件材料有铸铁 铸钢及铜 铝等有色金属 2 毛坯类型确定 右阀体都是得在酸碱条件下工作 所以材料比较特殊 且结构也比较复 杂 其它方法成型毛坯都不太理想 因此采用铸造成型毛坯 这样不但节约 材料而且需要加工的余量也很少 从而大大的提高了生产效率 填料压套用 长方体作毛坯料加工 3 毛坯尺寸及形状选择 选择毛坯形状和尺寸总的要求是 实现少屑或无屑加工 毛坯形状要力 求接近成品形状 减少机械加工的劳动量 在采用数控加工时其加工表面应 有较充分的余量 根据图纸所规定的尺寸 在铸造时技术要求高的尺寸把余 量留到 2 5mm 便于数控加工 以达到图纸要求 填料压套的毛坯尺寸为 100mm 60mm 16mm 长 宽 高 2 1 4 各零件的加工要求分析 填料压板的主要加工要求是 25 0 0 52mm 的内孔尺寸公差为 0 52mm 表面粗糙度要求不是很高 为 Ra12 5 36 0 0 5mm 的公差为 0 5mm 内孔 14mm 的位置度 2 00mm 表面粗糙度要求不高 为 Ra25 还有上下表面 50 0 的外轮廓及两个内轮廓的加工 公差要求没有 所以 加工到尺寸就是 右阀体的主要加工要求 115 0 0 220 的内孔尺寸公差为 0 220 孔 底表面表面粗糙度要求比较高 为 Ra3 2 及与 70 0 的底孔面的平行度为 0 12 36 0 0 160mm 和 24 5 0 210mm 及 32 0 0 160 mm 的内孔 尺寸公差分别为 0 160mm 0 210mm 0 160mm 表面粗糙度高 为 Ra3 2 且 36 0 的轴线与 70 0 的轴线的垂直度为 0 100 36 0 与 24 5 的同轴度为 0 100 70 0 0 190 的内孔公差为 0 190 表面粗糙 度不是很高 为 Ra6 3 2 M12 的螺纹孔与 36 0 轴心线的位置度为 1 00 左面的法兰盘上的 6 M12 的螺纹孔与 70 0 轴心线的位置度为 1 00 为了保证以上的形位公差 50 0 的内孔 应在一次工序中加工成形 4 18 0 的孔与 70 0 轴心线 的位置度为 2 00 而 50 0 的内孔与 70 0 同轴 所以以 50 0 的内 孔为基准加工成形 表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求 也是 合理选择数控车床 铣床刀具及确定切削用量的依据 2 1 5 各结构的加工方法 填料压板中的 25 0 0 52 的内孔由于精度要求比较高 所以拟选择 先粗镗 半精镗 再精镗的方案 36 0 0 5 深 3 的通槽 精度要求较高 所 以先粗铣 半精铣 后精铣的方案 14 0 两个孔的加工选用先钻孔 再锪 孔 50 0 的外轮廓及内轮廓的精度要求不高 所以先粗细 再精铣的方案 右阀体中的 36 0 0 160 24 5 0 210 70 0 0 190 32 0 0 160 的内孔由于精度要求较高 所以拟选择 先粗镗 半精镗 再精镗的 方案 115 0 0 220 的阶梯孔由于精度要求较高 所以先粗铣 半精铣 精铣 95 0 和 50 0 的内孔由于精度要求不是很高 可先粗铣 后精铣 6 个 M12 螺纹孔和 4 个 18 0 的通孔选用先打中心孔 钻孔 再攻螺纹 锪 孔 第 3 章 零件的工艺规程的设计 3 1 选择机床及刀具 量具 夹具 3 1 1 选择机床 1 数控铣床 零件加工的机床选择 XK5034 型数控立式升降台铣床 机床的数控系统为 FANUC 0 MC 主轴电机容量 4 0 kW 主轴变频调速变速范围 100 4000r min 工作台面积 长 宽 1120mm 250mm 工作台纵向行程 760mm 主轴套筒行程 120mm 升降台垂向行程 手动 400mm 定位移动速 度 2 5m min 铣削进给速度范围 0 0 50m min 脉冲当量 0 001mm 定位精 度 0 03 mm 300 mm 重复定位精度 0 015mm 工作台允许最大承载 256kg 选用的机床能够满足本零件的加工 2 加工中心 加工中心对既有平面又有孔系的零件 主要指的是箱体类零件和盘 套 板类零件进行加工 还有对一些复杂形状的而普通数控机床不能加工的零件 外形不规则的异性零件进行加工 3 1 2 刀具的选择 数控机床刀具从制造所采用的材料上可以分为 高速钢刀具 硬质合金 刀具 陶瓷刀具 立方氮化刀具 聚晶金刚石刀具 在数控机床 车削中心 加工中心等现代机床中 采用最广泛的是硬质合金和高速钢这两类 因为这 两类材料从经济性 成熟性 适应性 多样性 零件图可知 铣平面选用 16 立铣硬质合金刀 加工大尺寸的台阶孔和内孔都可以用 16 立铣硬质合金刀 加工内腔时为了保证圆角处的尺寸选用 4 的立铣硬质合金刀 加工 32 0 的特殊内孔时用特殊硬质合金刀 T 型铣刀 加工 M12 的螺纹孔用 10 的标准麻花钻 加工 M12 的螺纹用 12 的螺纹铣刀 加工 18 的孔用 18 的标准麻花钻 在钻中心孔时选择 A 型 基本尺寸为 2 的中心钻 3 1 3 量具的选择 数控加工主要用于单件小批生产 一般采用通用量具 如游标卡尺 百 分表等 对于成批生产和大批大量生产中部分数控工序 应采用各种量规和 一些高生产率的专用检具与量仪等 量具精度必须与加工精度相适应 由图可知 测量零件总长时需用钢直尺规格为 300mm 测量外径用游标 卡尺规格为 0mm 150mm 测量内径深度用游标深度尺规格为 0mm 150mm 为 保证精度更精确还需用千分尺规格为 25mm 50mm 为保证偏心距在公差范围 内还需用磁座百分表 内径百分表规格分别为 20mm 50mm 18mm 35mm 由 于图中有内螺纹所以还需用螺纹塞规规格为 M12 各处的倒角需用万能角度尺 测量 3 1 4 夹具的选择 1 三爪自定心卡盘是一种常用的自动定心夹具 装夹方便 应用较广 但 它夹紧力较小 不便于夹持外形不规则的工件 一般适用于装夹轴类 盘套 类零件 2 四爪单动卡盘其四个爪都可单独移动 安装工件时需找正 夹紧力大 适用于外形不规则 非圆柱体 偏心 有孔距要求 孔距不能太大 及位置 与尺寸精度要求高的零件 3 平口虎钳是一种常用的夹具 装夹方便 应用广泛 根据上述介绍 由图纸分析得 零件在加工时可选用四爪单动卡盘进行装夹及 平口虎钳 3 2 确定零件的装夹方式和定位基准 3 2 1 精基准与粗基准的选择原则 选择精基准时 主要应考虑保证加工精度和工件安装方便可靠 其选择 原则如下 1 基准重合原则即选用设计基准作为定位基准 以避免定位基准与设 计基准不重合而引起的基准不重合误差 2 基准统一原则采用同一组基准 定位加工零件上尽可能多的表面这 就是基准统一原则 3 自为基准原则某些加工要求加工余量较小且均匀的精加工工序 选 择加工表面本身作为定位基准 4 互为基准原则当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加 工时 需要用两个表面互相作为基准 反复进行加工 以保证位置精度要求 5 便于装夹原则所选精基准应保证工件安装可靠 夹具设计简单 操 作方便 选择粗基准时 主要要求保证各加工面有足够的余量 使加工面与不加 工面间的位置符合图样要求 并特别注意尽快获得精基面 实际上 无论精基准还是粗基准的选择 上述原则是不可能同时满足 有时还是互相矛盾的 因此 在选择时应根据具体情况进行分析 权衡利弊 保证其主要的要求 3 2 2 定位基准的确定与工序的划分以及装夹方式 1 填料压板 第一道工序用平口虎钳以另一面作粗基准装夹 加工平面 第二道工序用平口虎钳反面装夹工件 以以加工好的面为精基准 加工 另一面 并以这个平面为精基准 加工 36 0 0 5 深 3 的通槽 加工 2 14 的通孔到图纸要求 第三道工序用平口虎钳再反面装夹工件 以左平面作为精基准 加工 40 0 的凸台 25 0 0 52 的内孔 还有内轮廓直接加工到图纸要求 第四道工序 以底面 25 0 0 25mm 和一个 14mm 孔定位 用螺纹压 紧 的方法夹紧工件 测量工件零点偏置值时 应以 25 0 0 25mm 已加工孔 面为测量面 用主轴上装百分表找 25 0 0 25mm 的孔心的机床 X Y 机械坐 标值作为工件 X Y 向的零点偏置值 加工 50 0 的外轮廓到图纸要求 2 右阀体 第一道工序在右法兰盘上划中心孔线 第二道工序用四抓卡盘通过钳工在右边法兰盘上划好的对中十字线找正 中心 并以这个中心为基准 加工左端面 115 0 0 220 的阶梯孔 70 0 0 190 阶梯孔 36 0 0 160 的内孔 24 5 0 210 和 32 0 0 160 的阶梯孔 以及 8 M12 的螺纹孔加工到图纸要求 第三道工序以左平面 四个 M12 的螺纹孔定位 用螺纹压紧的方法夹紧 工件 加工 50 0 的内孔和 4 18 0 的通孔到图纸要求 3 2 3 加工工艺路线的制定 当零件的加工质量要求较高时 往往不可能用一道工序来满足其要求 而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量 为保证加工质量和合理地使用 设备 人力 零件的加工过程通常按工序性质不同 可分为粗加工 半精加 工 精加工和光整加工四个阶段 1 粗加工阶段 其任务是切除毛坯上大部分多余的金属 使毛坯在形状 和尺寸上接近零件成品 因此 其主要目标是提高生产率 2 半精加工阶段 其任务是使主要表面达到一定的精度 留有一定的精 加工余量 为主要表面的精加工做好准备 并可完成一些次要表面加工 3 精加工阶段 其任务是保证各主要表面达到规定的尺寸精度和表面粗 糙要求 主要目标是全面保证加工质量 4 光整加工阶段 对零件上精度和表面粗糙度要求很高 IT6 级以上 表面粗糙度为 Ra 0 2um 以下 的表面 需进行光整加工 其主要目标是提高 尺寸精度 减小表面粗糙度 一般不用来提高位置精度 划分加工阶段的目的在于以下几个方面 保证加工质量 合理使用设备 便于及时发现毛坯缺陷 便于安排热处理工序 加工阶段的划分也不应绝对化 应根据零件的质量要求 结构特点和生 产纲领灵活掌握 由图可知曲轴零件的精度和表面粗糙度要求较高 所以加 工阶段划分为粗加工阶段 半精加工阶段 精加工阶段 3 3 切削用量的选择 切削用量 ap f v 选择是否合理 对于能否充分发挥机床潜力与刀 具切削性能 实现优质 高产 低成本和安全操作具有很重要的作用 对于 切削用量的选择有一个总的原则 首先选择尽量大的背吃刀量 其次选择最 大的进给量 最后是选择最大的切削速度 即粗车时 首先考虑选择一个尽 可能大的背吃刀量 其次选择一个较大的进给量 最后确定一个合适的切削 速度 增大背吃刀量可使走刀次数减少 增大进给量有利于断屑 因此 根 据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率 减少刀具消耗 降低加工 成本是有利的 精车时 加工精度和表面粗糙度要求较高 加工余量不大且 较均匀 因此选择精车切削用量时 应着重考虑如何保证加工质量 并在此 基础上尽量提高生产率 因此精车时应选用较小 但不能太小 的背吃刀量 和进给量 并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数 以尽可能提高 切削速度 当然 切削用量的选择还要考虑各种因素 最后才能得出一种比较合理 的最终方案 1 背吃刀量的选择 背吃刀量的选择根据加工余量确定 切削加工一般分为粗加工 半精加 工 精加工几道工序 各工序有不同的选择方法 粗加工时 表面粗糙度 Ra50 12 5um 在允许的条件下 尽量一次切除工序的全部余量 中等功 率机床 背吃刀量可达 8 10mm 但对于加工余量大 一次走刀会造成机床 功率或刀具强度不够 或加工余量不均匀引起振动 或刀具受冲击严重出现 打刀等情况 则需要采用多次走刀 如分两次走刀 则第一次背吃刀量尽量 取大 一般为加工余量的 2 3 3 4 左右 第二次背吃刀量尽量取小些 可取 加工余量的 1 3 1 4 左右 半精加工时 表面粗糙度 Ra6 3 3 2um 背吃刀量一般为 0 5 1mm 精加工时 表面粗糙度 Ra1 6 0 8um 背吃刀量一般为 0 1 0 4mm 2 进给量的选择 粗加工时 选择进给量主要考虑工艺系统所能承受的最大进给量 如机 床进给机构的强度 刀具强度与刚度 工件的装夹刚度等 精加工和半精加工时 选择最大进给量主要考虑加工精度和表面粗糙度 另外还要考虑工件材料 刀尖圆弧半径和切削速度等 当刀尖圆弧半径增大 切削速度提高时 可以选择较大的进给量 在实际生产中 进给量常根据经验选取 粗加工时 根据工件材料 车 刀刀杆直径 工件直径和背吃刀量按 数控加工工艺与装备 所示的数据 进行选取 精加工和半精加工时 可根据表面粗糙度要求选取 同时考虑切 削速度和刀尖圆弧半径因素 查 数控加工工艺与装备 3 切削速度 主轴转速 进给速度的确定 确定了背吃刀量 进给量和刀具耐用度 则可以查 数控加工工艺与装 备 半精加工和精加工时 切削速度 主要受刀具耐用度和已加工表面质量 限制 在选取切削速度时 要尽可能避开积屑瘤的速度范围 切削速度的选取原则是 粗车时 因背吃刀量和进给量都比较大 应选 取较低的切削速度 精加工时选择较高的切削速度 加工材料强度硬度较高 时 选较低的切削速度 反之取较高切削速度 刀具材料的切削性能越好 切削速度越高 确定切削速度之后可以根据公式 v nf 1000 0s c nd v 计算出主轴转速与进给速度 3 4 数控加工工序卡和数控加工刀具卡 表 3 1 填料压板数控加工工序卡 产品名称或代号零件名称零件图号单位名称 填料压板 工序号程序编号夹具名称使用设备车间 平口虎钳 辅助夹 具 心轴 螺纹螺 杆 KV650 数控铣床数控中心 工序 号 工步内容刀具号刀具规 格 mm 主轴转速 r min 进给速度 mm min 背吃刀 量 mm 备注 1 铣平面 T01 1610002000 5 自动 2 反面 铣平面 T01 1610002000 5 自动 粗铣铣 36 0 深 3 的通槽 T01 1610002000 5 自动 精铣 36 0 深 3 的 通槽 T01 1615001500 2 自动 钻中心孔两个 T02A21500402 自动 钻 2 14 0 通孔 T03 14800802 自动 锪孔 T04 168004001 自动 3 反面 铣平面 T01 1610002001 自动 粗细铣 40 0 凸 台 T01 1610002000 5 自动 精铣 40 0 凸台 T01 1615001500 2 自动 铣右端内轮廓 T05 41