上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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在实际生产中,球阀壳体零件的内球面由于位置特殊,加工难度较大,尤其对于加工精度要求较高的零件,为了保证加工质量,就必须制定合理的加工工艺,并设计专用夹具和刀具。本文以球阀壳体的加工为例,介绍一种简单、实用的内球表面车削加工方法及其刀具设计。

1 球阀壳体内表面加工方案

壳体零件的内表面加工可以采取车削、铣削、磨削等多种方法。为了加工图 1 所示的球阀壳体,此前曾采用成形铣刀分别对球体的两个内表面进行铣削加工,但加工精度未能达到要求。因此,该零件的加工被列为校内科研课题进行攻关。

球阀壳体剖面图(图 1)
图 1 球阀壳体剖面图

通过分析,加工该零件内表面最理想的方法是采用车削加工。由于用普通车床手动车削很难保证球面的尺寸精度和表面质量,造成与其它零件配合时,难以实现良好的面接触,因此必须采用数控车削,以保证加工精度。

由于该阀体的内表面近似于一个封闭球体,加工时刀具进出很不方便。如采用普通镬刀加工,由于刀杆悬伸长度超过了 75mm,因此很难保证其刚性。因此,合理设计刀具是实现加工的关键步骤。

2 刀具的设计

为了便于刀具进出工件内腔,刀头的尺寸不宜过大。为此,设计了一个活动刀头。这种刀头不仅要解决刀具进出工件的问题,而且在频繁的装拆过程中,必须确保刀具的位置精度。车刀的装配见图 2。刀杆材料选用 45 钢(热处理至 HRC40-45)。车刀采用中心钻改制而成。刀头的槽孔和刀杆的槽均采用数控线切割加工而成,采用过渡配合,并用螺钉在一端固定,以保证刀具在 X 方向窜动最小。刀头的分解见图 3。车刀在刀头内可沿 X 方向调整,并用螺钉固定。

车刀装配图(图 2)
图 2 车刀装配图
刀头分解图(图 3)
图 3 刀头分解图

3 刀尖圆弧半径的误差补偿

在实际加工中,所用刀尖都有一个半径不大的圆弧。而在数控车削编程中,为了方便起见,通常将刀尖看作一个点(图 4 中的 A 点)。在对刀时,一般是以车刀的假想刀尖作为刀位点,因此,在车削加工时,由于假想刀尖与实际刀具切削点的运动轨迹不一致,如果不采取补偿措施,就可能产生加工误差。虽然在切削端面、内径和外径时不会产生误差,但在切削锥面和圆弧时会产生少切或过切。

假想刀尖与刀尖圆角(图 4)
图 4 假想刀尖与刀尖圆角(A.假想刀尖 B.实际刀具切削点)

为了消除车刀刀尖圆角引起的加工误差,首先要知道刀尖圆角半径的大小。用刀具测量仪对刀尖进行测量的结果为 R0.21mm。

加工所用车床的数控系统为 Fanuc OI-Mate,具有刀尖圆弧半径补偿功能,因此可用刀具半径补偿指令(G41,C42)进行刀尖圆角半径补偿。按照刀具路径前进方向,刀具位于工件右侧,因此应采用 G42 刀补指令。刀具补偿与假想刀尖相对于刀尖圆角中心的方位有关(共有 8 种方位),图 4 的方位代码为 3。确定相关参数后,先用试切法确定车刀在 X 轴和 Z 轴的位置,并输人补偿值,然后输人刀尖圆弧半径 R 和假想刀尖方位代码 T(见《表 1》)。

《表 1》 刀具补偿表
刀补号 X Z R T
01 120 90 0.21 3

数控加工程序如下:

粗加工程序……

N50 G00 X0 Z37

N60 G42 G01 Z35

N70 G03 X0 Z0 R37 F0.05

N80 G40 G00 Z37

……

只要按照定好的位置将刀具置位,即可进行加工。切削完毕后,通过直径 φ28 的孔拆下刀头,沿 Z 轴移走刀杆(X 方向不动),然后拆下工件,装上新零件后,再将刀杆置位,装上刀头,即可继续加工。

检测结果表明,用该方法加工出的球阀壳体零件的尺寸精度和表面质量完全合格。

为球阀壳体的大批量加工而设计的活动刀头既保证了加工精度(同心度),又便于装拆(装拆时间仅需 20 多秒),而通过对刀尖圆弧半径的误差补偿,有效保证了圆弧面半径尺寸的加土精度。这种加工方法适合大多数有拆卸孔的球阀壳体内表面加工。


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