論石化管道頂裝式球閥閥體加工工藝及工裝設(shè)計(jì)

黃紀(jì)忠，李俊瑜，余林峰，胡晉康

(1.麗水市國(guó)大閥門有限公司，浙江 麗水 323010；2.永嘉縣凡爾泰閥門有限公司；3.浙江京凱閥門有限公司，浙江 溫州 325105）

球閥是一種廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工管線比較理想的截?cái)嚅y類，其規(guī)格種類繁多，現(xiàn)管線主要以側(cè)裝式球閥使用較多。根據(jù)用戶的反饋，在一些工況場(chǎng)所上所使用的側(cè)裝式球閥表現(xiàn)出許多結(jié)構(gòu)缺陷，如側(cè)裝式球閥閥體為分體式，兩側(cè)體需要承受巨大的管道載荷力，如管道震動(dòng)對(duì)于兩側(cè)體連接處密封有著很大的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；側(cè)裝式球閥在維修保養(yǎng)時(shí)需要將整個(gè)閥門從管道上拆卸下來(lái)，并且需要更換兩側(cè)體與管道連接密封墊片，浪費(fèi)了大量生產(chǎn)寶貴時(shí)間和經(jīng)濟(jì)物資；側(cè)裝式球閥組成零件較多、生產(chǎn)加工裝配繁瑣、購(gòu)買成本高。新型的頂裝式球閥完美解決了側(cè)裝式球閥的固有缺陷，具有在管線上拆卸簡(jiǎn)單、維修方便、密封效果好等特點(diǎn)。當(dāng)頂裝式球閥在管線上運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，修理閥門變得簡(jiǎn)單很多，不需要把整個(gè)閥門從管道上拆解下來(lái)，只需拆除閥門的上閥蓋組件，更換或修理閥門里面密封件即可，可實(shí)現(xiàn)管道閥門現(xiàn)場(chǎng)修理，這樣大大節(jié)省了維修時(shí)間，降低了管道運(yùn)營(yíng)成本；并且頂裝式閥體具有重量輕、閥體中腔不易積渣等優(yōu)點(diǎn)。頂裝式球閥閥體作為該閥最核心的骨架零件，承受著管道介質(zhì)壓力、管道負(fù)荷載力，起密封截?cái)嘟橘|(zhì)功能，所以保證閥體加工精度尤為重要，加工前必須設(shè)計(jì)一種合理的加工工藝與工裝夾具，來(lái)保證其滿足預(yù)定的功能。

1 工藝分析

頂裝式球閥閥體各個(gè)位置有較高的尺寸精度和行位公差要求，涉及刨、車、磨、鉆等機(jī)械加工。其中閥體內(nèi)的最重要兩楔式密封面起截?cái)嘟橘|(zhì)作用，是介質(zhì)密封的重要保障。必須設(shè)計(jì)一種合理的加工工藝及工裝夾具，即能滿足閥門密封性能要求，又能提高工廠生產(chǎn)加工效率。通過(guò)試加工及效果對(duì)比，最終采用組合式楔式斜度板工裝，使用普通數(shù)控機(jī)床就可以完成閥體的楔式密封面加工，并能滿足閥體的尺寸精度行位公差要求，具體閥體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1

圖2

2 閥體基準(zhǔn)原則與選擇分析

2.1 閥體粗基準(zhǔn)原則

閥體加工的第一工序和開始幾個(gè)工序中，由于閥體還處于毛坯狀態(tài)，一般在未加工的閥體毛坯的表面基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)一般為粗基準(zhǔn)。在定粗基準(zhǔn)時(shí)，一般應(yīng)遵守以下原則：

（1）一般不能有粗基準(zhǔn)重復(fù)使用的情況；

（2）只要是要加工的表面，都需要用預(yù)留足夠的加工余量，相同尺寸鏈上的尺寸不能做粗基準(zhǔn)；

（3）在鑄造成型工件上，一般取不需加工的表面作為粗基準(zhǔn)；

（4）不影響工件尺寸位置度；

（5）保證工件加工所需的工裝夾安裝方便。

2.2 閥體精基準(zhǔn)原則

閥體加工的第一工序和開始幾個(gè)工序中，以加工至最終尺寸的位置為基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)一般為精基準(zhǔn)。在定精基準(zhǔn)時(shí)一般應(yīng)遵守以下原則：

（1）統(tǒng)一基準(zhǔn)，在同一尺寸鏈上，盡量采用同一基準(zhǔn)，可以提高工件各個(gè)位置的形位公差要求；

（2）定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)重合，以第一工序和開始幾個(gè)工序中精加工到位尺寸作為定位基準(zhǔn)；

（3）選擇精基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)保證工件定位準(zhǔn)確、夾緊力可靠、方便工人加工操作；

（4）當(dāng)工件精加工或光整加工工序要求余量盡可能小而均勻時(shí)，應(yīng)選擇加工表面本身作為定位基準(zhǔn)。

2.3 閥體粗精基準(zhǔn)的選擇

（1）裝夾固定閥體中法蘭，以閥體中法蘭為粗基準(zhǔn)，先粗加工閥體兩端法蘭；

（2）裝夾固定閥體兩端法蘭，以兩端法蘭為精基準(zhǔn)校正，閥體中法蘭精加工到位，保證尺寸、行位公差，符合光潔度要求；

（3）裝夾固定閥體中法蘭，以中法蘭外圓為精基準(zhǔn)校正，閥體端法蘭精加工到位，保證尺寸、行位公差，符合光潔度要求；

（4）裝夾固定閥體端法蘭，以兩端法蘭、楔式斜度板定位盤為精基準(zhǔn)校正，加工和配磨閥體兩楔式密封面，保證尺寸、對(duì)稱度行位公差，符合光潔度要求。

3 閥體加工工藝順序與關(guān)鍵位置控制

閥體加工工藝順序大體是先粗加工兩端法蘭-精加工中法蘭-精加工兩端法蘭-精加工密封斜面-精磨密封斜面-鉆邊法蘭孔-鉆中法蘭底孔及攻螺紋-打磨倒角去刺處理-檢驗(yàn)入庫(kù)。

根據(jù)閥體各個(gè)位置配合的加工精度要求，主要關(guān)鍵控制位置為：

（1）兩端法蘭及流道孔的加工尺寸，該尺寸涉及到與管道法蘭密封，加工光潔度控制在Ra1.6 以內(nèi)，二邊流道孔的同軸度控制在0.05mm 以內(nèi)，二邊法蘭密封平面平行度控制在0.05mm 以內(nèi)；

（2）閥體中法蘭與閥蓋配合密封部位，此處涉及閥門與外部密封，杜絕外漏風(fēng)險(xiǎn)，需要保證密封槽、定位臺(tái)階尺寸，保證與閥體中心軸線同心度0.05mm 以內(nèi)，與流道孔軸線垂直度0.04mm 以內(nèi)，車完后進(jìn)行圓角處理，保證光潔度Ra1.6 以內(nèi)；

（3）保證兩楔式密封面精度與尺寸，該尺寸關(guān)系到閥門介質(zhì)密封、截?cái)鄡?nèi)漏問(wèn)題，需嚴(yán)格按照?qǐng)D樣尺寸、形位公差加工，保證兩楔式密封面對(duì)稱度0.04mm 以內(nèi)，車加工光潔度Ra1.6 以內(nèi)。配磨后表面光潔度能達(dá)到Ra0.4以內(nèi)；

（4）端法蘭孔的鉆加工，保證兩端法蘭孔相鄰的孔之間的位置度公差在0.2mm 以內(nèi),防止出現(xiàn)兩端法蘭孔錯(cuò)位和管道配對(duì)法蘭孔安裝不上現(xiàn)象；

（5）中法蘭螺紋孔保證螺紋孔位置精度，防止與閥蓋法蘭孔錯(cuò)位安裝不上；攻螺紋注意螺紋間隙配合公差。

4 閥體工藝路線設(shè)計(jì)

具體工藝路線設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

（1）熱處理：鑄件閥體購(gòu)進(jìn)-消除應(yīng)力-正火、回火處理-按進(jìn)貨檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后入庫(kù)。

（2）刨加工：分別刨閥體兩邊毛頭至圖樣寬度尺寸，分別刨閥體左右兩端面至圖樣要求、并預(yù)留左右加工余量各2mm。

（3）劃線：以水平工作臺(tái)為基準(zhǔn)找平，劃出中心線并打上樣沖。

（4）法蘭數(shù)控加工：四爪夾持工件四面，校正并車中部法蘭端平面、內(nèi)孔定位用臺(tái)階，保證中法蘭厚度，保證與中心軸線同心度0.05mm 以內(nèi)，與流道孔軸線垂直度0.04mm 以內(nèi)，車完后進(jìn)行倒圓角處理，保證光潔度Ra1.6 以內(nèi)；調(diào)轉(zhuǎn)閥體，以中部法蘭平面、臺(tái)階定位并夾緊校正，粗車端法蘭外圓及端面其他尺寸至圖樣要求，車完后進(jìn)行倒角處理，保證光潔度Ra3.2 以內(nèi)，車流道孔至圖樣要求尺寸。工件旋轉(zhuǎn)調(diào)頭，夾緊并校正-重復(fù)序號(hào)4 的編號(hào)操作步驟，并保證平行度0.1mm 以內(nèi)，保證光潔度Ra1.6 以內(nèi)。

（5）閥座密封面車加工：四爪夾持楔式斜度板工裝，閥體裝夾在斜度板專用工裝上，用壓板及螺栓螺母壓緊定位校正，精車密封斜面，保證楔式密封面角度5°，控制楔式密封面的中心至閥體中心尺寸，保證光潔度Ra0.8以內(nèi)，邊角相交處倒圓角處理。閥體旋轉(zhuǎn)調(diào)頭夾緊，還是四爪夾持楔式斜度板工裝校正，重復(fù)序號(hào)5 的編號(hào)操作步驟，保證楔式密封面的中心至閥體中心尺寸,并保證兩邊對(duì)稱度0.05mm 以內(nèi)，保證光潔度Ra0.8 以內(nèi)。

（6）閥座密封面磨加工：四爪夾持楔式斜度板工裝，以閥體兩端法蘭平面為基準(zhǔn)定位、校正并夾緊，用萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)節(jié)套磨盤夾細(xì)砂紙，與閥體閥座密封面進(jìn)行配磨處理，配磨后保證密封面光潔度Ra0.4 以內(nèi)。閥體旋轉(zhuǎn)調(diào)頭，重復(fù)（6）的操作步驟，磨另一邊閥座密封面，保證光潔度Ra0.4 以內(nèi)，并保證兩邊密封面對(duì)稱度0.04mm 以內(nèi)。

（7）劃線：以水平工作臺(tái)為基準(zhǔn)找正，分別按圖樣要求劃出中法蘭螺紋孔中心線、兩端法蘭螺栓孔中心線并打上樣沖。

（8）鉆加工：閥體立放固定，分別鉆兩端法蘭螺栓孔至圖樣尺寸要求，倒棱角保證邊法蘭相鄰孔之間的位置度公差在0.2mm 以內(nèi)，閥體調(diào)轉(zhuǎn)裝夾固定，以閥體兩端法蘭平面定位并夾緊、找正，鉆中法蘭螺紋底孔至圖樣尺寸要求。

（9）攻螺紋：分別以兩端法蘭端面定位固定、夾緊找正，分別攻螺紋孔至圖樣要求。

（10）檢驗(yàn)：根據(jù)圖樣要求，檢驗(yàn)合格后入庫(kù)。

5 工裝夾具選用特點(diǎn)與設(shè)計(jì)

5.1 工裝夾具選用特點(diǎn)

工裝夾具是在機(jī)床自帶卡盤裝夾無(wú)法加工和保證工件尺寸的情況下所設(shè)計(jì)的輔助工具，主要用于一些非規(guī)則性形狀輪廓的工件加工；工裝夾具輔助控制工件精度，所以自身尺寸精度要求較高；在滿足功能下工裝夾具盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便工人操作；工裝夾具在滿足工件加工及強(qiáng)度條件下，盡量設(shè)計(jì)小巧，一般選用高強(qiáng)度材料制作。對(duì)于本次楔式斜度工裝而言，由于定位盤面的面積比較大，夾緊力要求不大，工裝結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間位置較小，便于裝卸閥體。

5.2 楔式斜度板工裝

頂裝式球閥閥體中法蘭、端法蘭屬規(guī)則圓形，可用常規(guī)數(shù)控機(jī)床本身自帶的四爪卡盤進(jìn)行裝夾校正加工；對(duì)于閥體內(nèi)部?jī)尚ㄊ矫芊饷娴募庸?，根?jù)公司現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床CK6180 設(shè)計(jì)了一款專加工閥體楔式密封面的專用工裝，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要由拉桿、斜度板、定位盤、壓板、螺栓、螺母、墊片等組成。該工裝具有裝夾快、精度高、好校正等特點(diǎn)。裝夾校正后閥體楔式密封面由斜面加工變成垂直面加工，加工難度大大減少，提高了加工精度和效率。

圖3

5.3 斜度板

作為閥體支承元件，在裝夾完閥體后，由于閥體在自身重力、楔式撐力作用下，工裝工件組合件處于偏心旋轉(zhuǎn)，加工閥體楔式密封面時(shí)承受很大的圓周力，設(shè)計(jì)斜度板時(shí)要保證其剛度和強(qiáng)度，防止變形夾不緊或脫落風(fēng)險(xiǎn)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4

5.4 定位板

加工閥體楔式密封面時(shí)靠定位板進(jìn)行準(zhǔn)確定位，與斜度板組合固定閥體，閥體楔式密封面尺寸、形位公差、光潔度要求高，必須保證定位板的強(qiáng)度及尺寸精度，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5

5.5 壓板

壓板主要是壓起零件、固定閥體作用，壓板強(qiáng)度應(yīng)足夠，保證夾具裝夾閥體后有足夠的約束力，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6

6 結(jié)語(yǔ)

頂裝式球閥因其獨(dú)特的密封性能特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于石油、化工管線。必須保證其主要零部件閥體的加工精度。本文通過(guò)設(shè)計(jì)合理的加工工藝與工裝夾具，在普通數(shù)控機(jī)床上配合工裝夾具加工操作，進(jìn)行閥體試加工與驗(yàn)證分析，達(dá)到了閥體尺寸、行位公差、光潔度要求，代替了加工成本高昂的五軸加工中心，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造了更多價(jià)值。