論石化管道頂裝式球閥閥體加工工藝及工裝設計

黃紀忠，李俊瑜，余林峰，胡晉康

(1.麗水市國大閥門有限公司，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）

球閥是一種廣泛應用于石油、天然氣、化工管線比較理想的截斷閥類，其規格種類繁多，現管線主要以側裝式球閥使用較多。根據用戶的反饋，在一些工況場所上所使用的側裝式球閥表現出許多結構缺陷，如側裝式球閥閥體為分體式，兩側體需要承受巨大的管道載荷力，如管道震動對于兩側體連接處密封有著很大的泄漏風險；側裝式球閥在維修保養時需要將整個閥門從管道上拆卸下來，并且需要更換兩側體與管道連接密封墊片，浪費了大量生產寶貴時間和經濟物資；側裝式球閥組成零件較多、生產加工裝配繁瑣、購買成本高。新型的頂裝式球閥完美解決了側裝式球閥的固有缺陷，具有在管線上拆卸簡單、維修方便、密封效果好等特點。當頂裝式球閥在管線上運行出現故障時，修理閥門變得簡單很多，不需要把整個閥門從管道上拆解下來，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，可實現管道閥門現場修理，這樣大大節省了維修時間，降低了管道運營成本；并且頂裝式閥體具有重量輕、閥體中腔不易積渣等優點。頂裝式球閥閥體作為該閥最核心的骨架零件，承受著管道介質壓力、管道負荷載力，起密封截斷介質功能，所以保證閥體加工精度尤為重要，加工前必須設計一種合理的加工工藝與工裝夾具，來保證其滿足預定的功能。

1 工藝分析

頂裝式球閥閥體各個位置有較高的尺寸精度和行位公差要求，涉及刨、車、磨、鉆等機械加工。其中閥體內的最重要兩楔式密封面起截斷介質作用，是介質密封的重要保障。必須設計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，又能提高工廠生產加工效率。通過試加工及效果對比，最終采用組合式楔式斜度板工裝，使用普通數控機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，具體閥體結構見圖1。

圖1

圖2

2 閥體基準原則與選擇分析

2.1 閥體粗基準原則

閥體加工的第一工序和開始幾個工序中，由于閥體還處于毛坯狀態，一般在未加工的閥體毛坯的表面基準，此基準一般為粗基準。在定粗基準時，一般應遵守以下原則：

（1）一般不能有粗基準重復使用的情況；

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

（3）在鑄造成型工件上，一般取不需加工的表面作為粗基準；

（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 閥體精基準原則

閥體加工的第一工序和開始幾個工序中，以加工至最終尺寸的位置為基準，此基準一般為精基準。在定精基準時一般應遵守以下原則：

（1）統一基準，在同一尺寸鏈上，盡量采用同一基準，可以提高工件各個位置的形位公差要求；

（2）定位基準與設計基礎重合，以第一工序和開始幾個工序中精加工到位尺寸作為定位基準；

（3）選擇精基準時應保證工件定位準確、夾緊力可靠、方便工人加工操作；

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

2.3 閥體粗精基準的選擇

（1）裝夾固定閥體中法蘭，以閥體中法蘭為粗基準，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校正，加工和配磨閥體兩楔式密封面，保證尺寸、對稱度行位公差，符合光潔度要求。

3 閥體加工工藝順序與關鍵位置控制

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-檢驗入庫。

根據閥體各個位置配合的加工精度要求，主要關鍵控制位置為：

（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，二邊流道孔的同軸度控制在0.05mm 以內，二邊法蘭密封平面平行度控制在0.05mm 以內；

（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，杜絕外漏風險，需要保證密封槽、定位臺階尺寸，保證與閥體中心軸線同心度0.05mm 以內，與流道孔軸線垂直度0.04mm 以內，車完后進行圓角處理，保證光潔度Ra1.6 以內；

（3）保證兩楔式密封面精度與尺寸，該尺寸關系到閥門介質密封、截斷內漏問題，需嚴格按照圖樣尺寸、形位公差加工，保證兩楔式密封面對稱度0.04mm 以內，車加工光潔度Ra1.6 以內。配磨后表面光潔度能達到Ra0.4以內；

（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,防止出現兩端法蘭孔錯位和管道配對法蘭孔安裝不上現象；

（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 閥體工藝路線設計

具體工藝路線設計內容如下：

（1）熱處理：鑄件閥體購進-消除應力-正火、回火處理-按進貨檢驗規范進行檢驗，合格后入庫。

（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、并預留左右加工余量各2mm。

（3）劃線：以水平工作臺為基準找平，劃出中心線并打上樣沖。

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

（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，邊角相交處倒圓角處理。閥體旋轉調頭夾緊，還是四爪夾持楔式斜度板工裝校正，重復序號5 的編號操作步驟，保證楔式密封面的中心至閥體中心尺寸,并保證兩邊對稱度0.05mm 以內，保證光潔度Ra0.8 以內。

（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定位、校正并夾緊，用萬向旋轉節套磨盤夾細砂紙，與閥體閥座密封面進行配磨處理，配磨后保證密封面光潔度Ra0.4 以內。閥體旋轉調頭，重復（6）的操作步驟，磨另一邊閥座密封面，保證光潔度Ra0.4 以內，并保證兩邊密封面對稱度0.04mm 以內。

（7）劃線：以水平工作臺為基準找正，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，閥體調轉裝夾固定，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：根據圖樣要求，檢驗合格后入庫。

5 工裝夾具選用特點與設計

5.1 工裝夾具選用特點

工裝夾具是在機床自帶卡盤裝夾無法加工和保證工件尺寸的情況下所設計的輔助工具，主要用于一些非規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計簡單，方便工人操作；工裝夾具在滿足工件加工及強度條件下，盡量設計小巧，一般選用高強度材料制作。對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，工裝結構緊湊，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、端法蘭屬規則圓形，可用常規數控機床本身自帶的四爪卡盤進行裝夾校正加工；對于閥體內部兩楔式密封面的加工，根據公司現有數控機床CK6180 設計了一款專加工閥體楔式密封面的專用工裝，具體結構見圖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。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，加工閥體楔式密封面時承受很大的圓周力，設計斜度板時要保證其剛度和強度，防止變形夾不緊或脫落風險，具體結構見圖4。

圖4

5.4 定位板

加工閥體楔式密封面時靠定位板進行準確定位，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度及尺寸精度，具體結構如圖5 所示。

圖5

5.5 壓板

壓板主要是壓起零件、固定閥體作用，壓板強度應足夠，保證夾具裝夾閥體后有足夠的約束力，具體結構如圖6 所示。

圖6

6 結語

頂裝式球閥因其獨特的密封性能特點，越來越廣泛地應用于石油、化工管線。必須保證其主要零部件閥體的加工精度。本文通過設計合理的加工工藝與工裝夾具，在普通數控機床上配合工裝夾具加工操作，進行閥體試加工與驗證分析，達到了閥體尺寸、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，降低了企業的生產成本，提高了生產效率，為企業創造了更多價值。