球阀设计与制造论文

时间：2020-12-16 10:12:08 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　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着优化提高，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=   9 . 0 ~ 75 . 0 d 计算。同时为保证球体表面能完全覆盖密封圈密封面，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

　 ) (222 minmm d D D  

　 （1-1）

　必须满足 D＞minD ， 式中minD 为最小球体直径（mm）； 2D —密封圈外径（mm）； d—球体通道孔直径（mm）； D—球体实际直径（mm）。

　 而2D =70mm,d=50mm 所以由上面可知可取球体直径minD =86mm 而要minD <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 qb 表示。

　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：

　) (bcP am q b MPa

　 （1-2）

　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 a c 钢硬质合金 3.5 1 铝、铝合金、聚四氟乙烯、尼龙、硬聚氟乙烯 1.8 0.9 青铜、黄铜、铸铁 3.0 1 中硬橡胶 0.4 0.6 软橡胶 0.3 0.4 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   q 表示。本此设计球阀通过查询《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   q =30Mpa。

　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：

　bq ＜q＜   q

　 （1-3）

　 设计比压按图 1-3 中的力的平衡关系进行计算：

　SNq 

　（1-4）

　式中 N——球体对密封圈密封面的法向力(N)；

　  cosQN 

　 （1-5）

　S—密封圈与球体杰出的球星环带面积，S=2πr（2 1L L  ）

　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。

　RL LRK22 1 cos  ；

　图 1-3

　 比压计算图 2 1 ,LL —球体中心线执法作两段面的距离（mm）， 442121D RL ;442222D RL ； 1D —密封圈内径； 2D —发作外径； mD —密封圈平均直径（mm），22 1D DD m ； R—球体半径（mm）。

　整理可得: ）

　π（2122-4D DQq 

　 （1-6）

　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1Q ,密封圈滑动摩擦力及流体静压力2Q 在密封面余隙中的作用力JQ ,这样密封力仅等于流体静压力在密封圈密封面上的作用力MJQ (N)，即

　P ) D D16P D422 12m    （π πMJQ Q =4522.75N

　 （1-7）

　将上式代入式 1-5 可得 PD DD D) ( 4) (q1 21 2 ＜   q

　 （1-8）

　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 DN D 1，q=   q 代入上式可得  PP qDNb4（mm）

　（1-9）

　由需用比压   q =30Mpa，DN=50mm，P=1.6Mpa 代入得：

　b=0.61mm，代入式 2-2 可得 26 . 2 bq 显然满足 bq ＜q＜   q

　球阀密封力的精确计算还要计算预紧力1Q ,故可知； Q=1Q +MJQ

　（1-10）

　预紧力计算公式如下：

　) ( q42122 min 1D D Q   π （N）

　 （1-11）

　式中

　minq —

　预紧所需的最小比压， P q 1 . 0min (Mpa)；

　 1D 、2D —密封圈内径和外径（mm）。

　可得1Q =2.5KN，故 Q=112.75KN。

　1.5 球阀的转矩计算 由于本球阀为浮动球阀故其转矩0M 计算公式如下：

　u t mM M M M   

　(1-12) 式中 mM —球体与密封圈密封面间的摩擦转矩； mM —阀杆与填料之间摩擦转矩；

　uM —阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩。

　M m 和uM 的计算见 2.7.2。

　Fr M m 

　 (1-13) 式中 F—球体与密封圈之间的密封力，TN F   , cosQN  （N）； r—摩擦半径，2) cos 1 (  Rr ，球体摩擦半径计算图如图 1-4 所示； R—球体半径（mm）；  —密封面对中心的斜角； T —球体与密封圈之间的摩擦系数，查表得 05 . 0 T 。

　图 1-4 球体摩擦半径计算 则T mQRM cos 2) cos 1 (  =6310 29 . 1 05 . 0713 . 0 2) 713 . 0 1 ( 190 10 75 . 112x xxx x（N.mm）

　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：

　C b S Sb   " （mm）

　 (1-14)

　   P Lpcb S2 . 1 232 . 1"(mm)

　 (1-15) 式中

　D—球阀内墙的最大直径（mm）

　Sb—考虑附加余量的壁厚（mm）

　b S" —按强度计算的壁厚（mm）

　P—设计压力（Mpa）

　  L  —材料许用拉应力（Mpa）

　C—附加余量（mm）

　将 D=95mm，P=1.6Mpa，   L  =28Mpa 故可得 b S" =6mm，由 b S" =6mm，可知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pW ：

　Q F F Wp p  

　（1-16）

　式中

　PW —在操作情况下所需的最小螺栓转矩（N）；

　F—总的流体静压力（N）, P D FG2785 . 0  ；

　 PF —连接接触面上总的压紧载荷（N）， MP bG FG Pπ 2  ; GD —载荷作用位置出垫片的直径（mm）；由阀体内部尺寸可知 GD 450mm；

　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， KN Q 75 . 112  。

　则将各项数据代入可得 675 . 430 75 . 112 0 2 450 785 . 02    X X W P KN.

　(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aW ：

　1 GQ Y bD  πaW

　 （1-17）

　式中aW —在预紧螺栓时所需的最小螺栓转矩（N）； Y— 垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷（Mpa），查表得 Y = 0； 1Q —球体与密封圈之间的预紧力；由 1-4 可知 1Q 112.75KN。

　则 aW 112.75KN。

　2.法兰螺栓拉应力的计算

　  L LAW   

　（1-18）

　式中

　L —法兰螺栓拉应力（Mpa）； W—pW 和AW 两者中的大者（N）； A—螺栓承受应力下实际最小总截面积；  L —螺栓材料在常温下的许用拉应力（Mpa）；查表得  L =108Mpa。

　则 A=12X3.14X212 =5425.922mm

　L92 . 5425430675=79.3＜  L =108Mpa。

　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0M 为：

　G G T T D DS F S F S F M   0

　（1-19）

　式中

　DF —作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力（N）

　P D Fi D2785 . 0  ;

　 TF —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力之差（N）， ) ( 785 . 02 2i G D TD D P F F F     ；

　 GF —用于窄面法兰的垫片载荷：

　F W F G   ; DS —从螺栓孔中心圆至力DF 作用位置处的径向距离（mm），15 . 0    S S D ; 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，12 i bD DS ;

　 （1-20）

　1 —法兰颈部大端有效厚度（mm）； TS—从螺栓孔中心至力TF作用位置处的径向距离（mm）,

　 21 GTS SS ; GS —从螺栓孔中心至力GF 作用位置处的径向距离（mm），

　2G bGD DS ; iD —法兰的内直径（mm）。

　由所设计的球阀阀体可知，iD =430mm， mm D G 450  ， mm D b 520  ， mm 201 ， mmf36   ， mm S G 35  ，mm S T 40 ，

　N x x F D 290300 2 430 785 . 02 ,N x F T 26700 ) 430 450 ( 2 785 . 02 2   N F F FD T317900   ， N F G 113700  。

　则法兰的总力矩0M 为：

　5010 5244 . 1 15244000 35 113700 40 27600 35 290300 x x x x M     （ N.mm ）。

　2.法兰应力计算 （1）法兰的轴向应力M（Mpa）

　iMDfM210 

　 （1-21）

　式中

　0M —作用于法兰的总力矩（N*mm）；

　f—整体式法兰颈部校正系数，f=1；

　 —系数，查表得  =2.5。

　则 45 . 35210 iMDfM

　 ) (Mpa

　（2）法兰盘的径向应力R(Mpa)

　 i ffRDM e20) 1 33 . 1 (

　（e=0.0125）

　(1-22)

　 =430 36 5 . 210 44 . 152 ) 1 0125 . 0 36 33 . 1 (25x xx x x x =17.49 （Mpa）

　（3）法兰盘切向应力T (Mpa) Ri fTZDYM  20

　(1-23) 式中 Y、Z 系数查表可知 Y=4.64，Z=6.03 则 46 . 21 49 . 17 03 . 6430 3610 44 . 152 64 . 425   xxx xT （Mpa）

　3.法兰的许用应力和强度校核 上述三个应力应满足：

　 M  M

　(1-24)

　 R R  

　 (1-25)  T T  

　 (1-26) 由阀体法兰材料为 HT200，可查得   28L  （Mpa）, 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

　540 电站用阀 20Cr1Mo1VIA

　570 电站用阀 2Cr13 ≤32.0 ≤450 高中压阀 1Cr18Ni2 ≤6.3 -100 200 ~

　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Ⅲ—Ⅲ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 ) (MPaN 为 WM mN  ≤  N

　(1-31) 式中

　mM —密封圈密封面与球体间的摩擦转矩（N*mm）；  N —材料的许用扭转应力，（Mpa），  N =1050Mpa； W——I—I 断面的抗扭转系数。29 . 0 ba W  

　3mm 。

　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/a 1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 6.0 8.0

　0.208 0.219 0.231 0.246 0.258 0.267 0.282 0.299 0.307 图 1-7 阀杆与球体连接部分的断面 故 44700 86 50 231 . 0 9 . 02  x x x W3mm

　则 MPa 85 . 2844700x10 29 . 16  WM mN ≤  N =1050 MPa

　2.Ⅱ—Ⅱ断面处剪切应力  ）

　(MPa 的计算

　      P16dHd D2

　（1-32）

　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（ ) MPa ，查表得    =990 MPa 。

　则 MPa xx x22 . 2 220 60 161462   ≤    =990 MPa 。

　 3.Ⅲ—Ⅲ断面处的扭转应力  （ ) MPa

　 N   WM

　 （1-33）

　式中

　M—总摩擦转矩（N .mm ）； W—Ⅲ—Ⅲ断面处的抗扭转断面系数（ )3mm ， 则 MPa x 4 . 30 1660 xx10 29 . 136 π ≤  N =1050 MPa

　4.Ⅳ—Ⅳ断面处的抗扭转面系数 由于阀杆和涡轮采用键连接故Ⅳ—Ⅳ与Ⅲ—Ⅲ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) ( 3 . 0 mm a L ZY  ，而作用力矩的臂长 K=0.8a（mm），则挤压力 ) (MPaZY 按下式计算：L  ZY212 . 0   h aM mZY

　（1-36）

　图 1-8 阀杆头部的比压分布 式中

　mM —球体与密封圈密封面之间的摩擦力矩；

　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；

　 ZY —球体许用挤压应力；   MPaZY122   。

　则 MPax xxZY875 . 2640 100 12 . 010 29 . 126   ≤   MPaZY122   。

　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bq ，并应满足以下条件：

　式中

　bq —保证阀门的密封的必需比压（ MPa ）； q—阀门工作时的实际比压（ MPa ）；

　  q —密封圈材料的许用比压。

　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：Φ25.0+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φ14mm 的位置度Φ2.00mm，表面粗糙度要求不高，为 Ra25。还有上下表面，Φ50.0 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：Φ115.0+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Φ70.0 的底孔面的平行度为 0.12。

　Φ36.0-0.160mm 和Φ24.5-0.210mm

　及 Φ32.0-0.160 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Φ36.0的轴线与Φ70.0 的轴线的垂直度为 0.100，Φ36.0 与Φ24.5 的同轴度为Φ0.100。Φ70.0-0.190 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Φ36.0 轴心线的位置度为Φ1.00。左面的法兰盘上的 6-M12的螺纹孔与Φ70.0 轴心线的位置度为Φ1.00。为了保证以上的形位公差，Φ50.0 的内孔，应在一次工序中加工成形。4-Φ18.0 的孔与Φ70.0 轴心线的位置度为Φ2.00，而Φ50.0 的内孔与Φ70.0 同轴，所以以Φ50.0 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Φ25.0+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。Φ14.0 两个孔的加工选用先钻孔、再锪孔。Φ50.0 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Φ36.0-0.160、Φ24.5-0.210、Φ70.0-0.190、Φ32.0-0.160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。Φ115.0+0.220 的阶梯孔由于精度要求较高，所以先粗铣、半精铣、精铣。Φ95.0和Φ50.0 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Φ18.0 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Φ16 立铣硬质合金刀； 加工大尺寸的台阶孔和内孔都可以用Φ16 立铣硬质合金刀； 加工内腔时为了保证圆角处的尺寸选用Φ4 的立铣硬质合金刀; 加工Φ32.0 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Φ10 的标准麻花钻； 加工 M12 的螺纹用Φ12 的螺纹铣刀； 加工Φ18 的孔用Φ18 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-Φ14 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Φ40.0 的凸台，Φ25.0+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、Φ25.0-0.25mm 和一个Φ14mm 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Φ25.0-0.25mm 已加工孔面为测量面，用主轴上装百分表找Φ25.0-0.25mm 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Φ50.0 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，Φ115.0+0.220 的阶梯孔，Φ70.0-0.190 阶梯孔，Φ36.0-0.160 的内孔，Φ24.5-0.210 和Φ32.0-0.160 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Φ50.0 的内孔和 4-Φ18.0 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（a p 、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：

　10000 scn dv

　 v=nf 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 单位名称

　产品名称或代号 零件名称 零件图号

　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 Φ16 1000 200 0.5 自动 2 反面，铣平面 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　粗铣铣 36.0 深 3 的通槽 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　精铣 36.0 深 3 的通 T01 Φ16 1500 150 0.2 自动

　槽

　钻中心孔两个 T02 A2 1500 40 2 自动

　钻 2-Φ14.0 通孔 T03 Φ14 800 80 2 自动

　锪孔 T04 Φ16 800 400 1 自动 3 反面，铣平面 T01 Φ16 1000 200 1 自动

　粗细铣Φ40.0 凸台 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　精铣Φ40.0 凸台 T01 Φ16 1500 150 0.2 自动

　铣右端内轮廓 T05 Φ4 1500 150 0.5 手动

　锪孔 T01 Φ16 800 400 2 自动 制定

　审核

　批准

　年

　月

　日 共

　页 第 页 表 3.2

　右阀体数控加工工序卡 单位名称

　产品名称或代号 零件名称 零件图号

　右阀体

　工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间

　 四爪单动卡盘、辅助夹具（螺母螺杆）

　加工中心 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 铣左端面 T01 Φ16 1000 150 0.5 自动

　钻 8 个中心孔 T02 Φ3 1000 40 2 自动

　钻 8 个Φ10 的通孔 T03 Φ10 800 80 2 自动

　锪孔 T04 Φ16 800 400 1 自动

　攻 M12 的螺纹 T05 Φ12 400 1

　自动

　粗铣Φ115 阶梯孔 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　精铣Φ115 阶梯孔 T01 Φ16 1500 150 0.2 自动

　 粗镗Φ70.0 阶梯孔 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　精铣Φ70 阶梯孔 T01 Φ16 1500 150 0.2 自动

　粗铣Φ36、Φ24 内孔 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　精铣Φ36、Φ24 内孔 T01 Φ16 1500 150 0.2 自动

　粗铣Φ32 内孔 T06 Φ20 1000 200 0.5 自动

　精铣Φ32 内孔 T06 Φ20 1500 150 0.2 自动 2 划中心孔线

　手动 3 调头，铣右端面及台阶 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　粗铣Φ50 的内孔 T01 Φ16 1000 200 0.5 自动

　钻 4 个中心孔 T02 A2 1500 40 2 自动

　钻 4 个Φ18 的通孔 T07 Φ18 600 80 2 自动 编制

　审核

　批准

　年

　月

　日 共

　页 第 页 表 3.3

　填料压板数控加工刀具卡 产品名称或代号

　零件名称 填料压板 零件图号

　序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 T01 Φ16 立铣刀 1 铣面、铣内孔，铣凸台 硬质合金 2 T02 A2 中心钻 1 两端打中心孔

　3 T03 Φ14 钻头 1 钻孔 硬质合金 4 T04 Φ16 锪孔钻 1 锪孔

　硬质合金 5 T05 Φ4 立铣刀 1 铣右端内轮廓 硬质合金 编制

　审核

　批准

　年

　月

　日 共

　页 第

　页 表 3.4

　右阀体数控加工刀具卡 产品名称或代号

　零件名称 右阀体 零件图号

　序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 T01 Φ16 立铣刀 1 铣端面、台阶面、铣台阶孔、内 硬质合金

　孔 2 T02 A2 中心钻 1 钻中心孔

　3 T03 Φ10 钻头 1 钻左端面的六个螺纹孔和上体的两个螺纹孔 硬质合金 4 T04 Φ16 锪孔钻 1 锪左端面的六个孔和上体的两个孔 硬质合金 5 T05 Φ12 螺纹铣刀 1 加工左端面和上体的螺纹孔 硬质合金 6 T06 Φ20 T 型铣刀 1 铣Φ32 的内孔 硬质合金 7 T07 Φ18 钻头 1 钻右端面的孔 硬质合金 编制

　审核

　批准

　年

　月

　日 共

　页 第

　页 致谢 我要特别感谢我的指导老师袁洞明袁老师。是他在我毕业的最后关头给了我巨大的帮助,使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激.袁老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。

　不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向四川信息职业技术学院，机电工程系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们三年来的辛勤栽培。在这里请接受我诚挚的谢意！

　参考文献 [1] 章华友，陈元芳等着.《球阀设计与选用》.北京科学技术出版社，1994.5； [2] 黄靖远，高志.《机械设计学第三版》.北京：高等教育出版社 2006.4； [3] 唐增宝.常建娥.《机械设计课程设计》.华中科技大学出版社，1998.6； [4] 孙桓，陈作模，葛文杰.《机械原理》.北京：高等教育出版社，2006.5；

　[5] 机械工业部合肥研究所.《机械工程手册》.机械工业出版 社,1979.1； [6] 付风岚，丁国平，刘宁.《公差与检测技术》.科学出版社，2006.3； [7] 刘鸿文.《材料力学》.北京：高等教育出版社，2004.1； [8] 徐宏海.《数控加工工艺》.化学工业出版社，2001.1； [9] 刘力.《机械制图》.高等教育出版社，2008.2。