【推荐】小口径阀门镗刀杆的设计

阀门是流体管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路介质的流通，调节介质的压力和流量。随着现代工业的不断发展，阀门使用量巨大，需求量也不断增长。但各种原因引起阀门泄漏甚至造成停产等事故已屡见不鲜，其中阀门泄漏的重要原因之一是阀座圈孔的尺寸精度不高、表面质量不好，造成阀体与阀座配合时密封效果达不到设计要求，其中小口径法兰联接的整体式阀门最为明显。

一般来说，阀体的阀座孔在毛坯状态是不带出来的，需要在车床通过镗刀杆来切削加工。镗孔刀杆种类繁多，结构各具特色，但是在加工小口径阀门阀座孔时由于空间有限，限制了刀杆的尺寸，给阀座孔的加工带来极大困难。下面随一起来了解下小口径阀门镗刀杆的设计知识吧。

1.阀门及现有镗刀杆的优缺点

（1）小口径阀门阀体的具体尺寸。如图1所示，这是一个符合API 6A设计要求的阀体，其中两法兰面端距、孔的大小在API 6A中有严格要求，不能更改。而且API 6A不接受加工好阀座孔后再焊接法兰的方式，简单说阀体必须是一体式的，这给阀座孔的加工带来了难度。

（2）原有圆柱形刀杆设计。通过阀体图样可以看出，刀杆伸出部分不小于200mm，刀杆直径不大于45mm，刀尖切削行程16mm。目前国内镗阀座圈孔刀杆后半部分是方的，用来刀架的夹持，前半部分是圆柱形，带有装刀的方孔和紧固螺栓孔，如图2所示。其优点：结构简单、容易加工；缺点：①刀杆重，刀尖下垂严重。②每次进刀不方便，需手动调刀。③无法实现连续加工。④加工效率低。⑤尺寸精度和表面质量差。

2.新镗刀杆的设计

为了减轻镗刀杆的质量，解决圆柱形刀杆的问题。本文设计的新刀杆的横截面是由两段相同的圆弧交汇而成，每段圆弧的直径略小于待加工阀门的通道孔直径，如图3所示。在加工前直接将切削车刀装在刀杆上，调好位置，新刀杆可以保证在刀杆的右侧贴着阀体流道孔的一侧轴向进给，给车刀留有间隙，保证刀尖不被碰伤，如图4所示。当到达阀座孔位置时径向进刀开始切削，在数控程序或手工操作下顺序切削直至阀座孔成形，这时新刀杆的左侧刚刚接近阀体流道孔的内部，不会产生干涉或碰撞，如图5所示。

3.新镗刀杆的计算

（1）与圆柱形刀杆的对比。通过查询AutoCAD的面积和质量可知，相同长度新刀杆的面积1 189mm2, 圆柱形刀杆的面积1 590mm2，新刀杆质量为圆柱形刀杆质量的75%，Y轴方向惯性矩，新刀杆为9.6×108mm4,圆柱形刀杆12.9 ×108mm4，新刀杆质量为圆柱刀杆质量的74%。

（2）SolidWorks刀尖位移的分析。在车床上镗孔时夹持部分固定在刀架上，头部伸入工件加工，镗刀杆可以看成是一根在切削力作用下的悬臂梁。

根据金属切削的原理可知，在镗孔加工的过程中，镗刀承受切向力Fc、径向力Fp、轴向力Ff和重力G的作用。而在Fc，Fp和G的作用下，镗刀杆会发生弯曲、扭转甚至破坏。

建立数学模型，车床转速300r/min，进给量0.4mm/r，吃刀量3mm，主偏角75°。刀杆材料用45钢，调质后其屈服强度530MPa，许用剪切应力80MPa，密度7.85g/cm3,弹性模量E=2.05×105MPa。根据加工精度的要求，许用挠度0.02mm。

经计算切削力可得：Fc=2 564N，径向力Fp=897N，轴向力Ff=846N，重力G=22N。

带入SolidWorks中做有限元分析可得，刀杆最大位移为0.009mm，如图6所示，故刀杆设计是合理的。

图6 有限元分析

4.结语

原先使用圆柱形刀杆时，由于使用手工调刀进给，一般半天可以加工一头阀座孔。加工一只阀体需要一整天的时间，工人很辛苦，即使如此加工，孔的质量还是不能令人满意。后来改为新型刀杆后，加工一头阀座孔1h左右，换面再次装夹镗另外一头阀座孔，一只阀体约3h，相比而言大大节约了加工时间。现在再次改进，在刀杆上再加一把刀，如图7所示。加工完内侧阀座孔后，直接加工外侧阀座孔，节省了一次装夹、校正，全数控操作2h左右即可加工好一只阀体，省时省力，质量还得到了保证，因阀体阀座配合密封失效引起的阀门泄漏大大降低。

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