空压机气阀阀盖的加工工艺研究.pdf

２０１５ 年 １０ 月 第 ４３ 卷 第 ２０ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｏｃｔ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２０ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２０􀆱 ０２６ 收稿日期 ２０１４－０８－１９ 作者简介 张荣高 （１９６６）， 男， 工程硕士， 副教授， 主要从事数控实训教学工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｓｄｌｑｚｈｒｇ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 空压机气阀阀盖的加工工艺研究 张荣高 （潍坊职业学院机电工程学院， 山东潍坊 ２６１０４１） 摘要 对于空压机气阀阀盖锥形圆弧槽的加工， 如采用传统加工工艺， 则选用的刀具直径小， 加工效率低， 生产成本 高， 表面质量差。 改进加工工艺和方法， 采用专用的锥形立铣刀加工， 加工效率提高 ３０％， 刀具成本降低 ７０％， 表面质量 也有了较大提高， 为同类零件的加工工艺的制定提供一定的参考。 关键词 空压机； 气阀阀盖； 锥形圆弧槽； 加工工艺 中图分类号 ＴＨ４５７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２０－０７５－３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ａｉｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｖｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｒｏｎｇｇａｏ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｗｅｉｆａｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｗｅｉｆａｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６１０４１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｇｒｏｏｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｉｒ ｖａｌｖｅ ｃｏｖｅｒ， ｉｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ， ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｃｕｔｔｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｓｍａｌｌ， ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｌｏｗ， ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ｉｓ ｈｉｇｈ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｐｏｏｒ． Ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｓｐｅｃｉａｌ ｔａｐｅｒｅｄ ｅｎｄｍｉｌｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３０％， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌｉｎｇ ｃｏｓｔ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ７０％． Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐａｒｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ； Ｖａｌｖｅ ｃｏｖｅｒ； Ｔａｐｅｒｅｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｇｒｏｏｖｅ； Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 空压机是现代工业生产的常用设备， 广泛应用于 机械、 冶金、 医药、 化工、 采矿、 纺织、 交通等众多 领域。 气阀是活塞式压缩机的心脏， 压缩机运行的经 济性与可靠性在很大程度上取决于气阀的完善性。 而 其中的阀座和阀盖又是气阀部件的核心零件， 其性能 优劣直接决定着压缩机的可靠性、 经济性及各项性能 指标， 其加工工艺和加工装配精度直接影响着压缩机 的使用寿命和使用效率。 文中以潍坊某石化机械有限 公司生产的空压机气阀阀盖的加工为例， 对两种不同 的加工工艺分别进行验证、 对比和分析， 以期对该类 零件的工艺制定和选择提供帮助。 １ 气阀阀盖零件技术分析 气阀阀盖的零件图如图 １ 所示。 该零件的整体尺 寸是 ϕ１９４ ｍｍ， 在直径为 ϕ５３、 ϕ７８、 ϕ１０３ ｍｍ 的圆 上均布着 ４ 条弧形槽， 在直径为 ϕ１２８、 ϕ１５３ 和 ϕ１７５ ｍｍ 的圆上均布着 ８ 条弧形槽， 且弧形槽从截面上来 看成锥形， 因此称其为锥形圆弧槽。 这一结构的设计 符合空气动力学原理， 相比柱形圆弧槽来说， 能够改 变气阀内气流的方向， 提高气流速度， 不产生阻滞和 气流漩涡现象， 降低了功率消耗。 但这一结构的设计 也为弧形槽的加工带来了困难。 其上还均布着 ２０ 个直径为 ϕ７􀆱 ７ ｍｍ 的弹簧孔， 这部分的直径尺寸精度要求不高， 为未注公差， 高度 尺寸精度为０􀆱 １ ｍｍ， 比较容易保证。 中间为 Ｍ１８１􀆱 ５⁃Ｈ７ 的螺纹， 采用加工中心加工 也相对容易保证。 另外， 还有一个 ϕ３Ｈ９ 的配作孔， 用一般加工方 法也可保证。 工件上表面表面粗糙度为 Ｒａ０􀆱 ４ μｍ， 精度要求 很高， 需进行研磨加工， 其余表面为 Ｒａ３􀆱 ２ μｍ， 通 过精铣加工即可保证。 针对以上分析可见 该零件加工的难点在于锥形 圆弧槽的加工。 文中主要对锥形圆弧槽的加工工艺进 行分析和讨论。 图 １ 阀盖零件图 ２ 气阀阀盖材料性能分析 工件材料为 ３Ｃｒ１３， 该材料属马氏体类型不锈 钢， 机械加工性能好， 经热处理 （淬火回火） 后具 有优良的耐腐蚀性能和较高的强度和耐磨性。 调质处 理后硬度在 ＨＲＣ３０ 以下的 ３Ｃｒ１３ 材料加工性较好， 易达到较好的表面质量； 而硬度大于 ＨＲＣ３０ 时加工 出的零件表面质量虽然较好， 但刀具易磨损。 所以， 在材 料 进 厂 后， 先 进 行 调 质 处 理 使 其 硬 度 达 到 ＨＲＣ２５～３０， 然后再进行切削加工。 其主要化学成分 如表 １ 所示， 力学性能如表 ２ 所示。 表 １ ３Ｃｒ１３ 化学成分 （质量分数）％ ＣＳｉＭｎＳＰＣｒ ０􀆱 ２５～０􀆱 ３５≤０􀆱 ６≤０􀆱 ６≤０􀆱 ０３０ ≤０􀆱 ０３５１２～１４ 表 ２ ３ Ｃｒ１３ 力学性能 抗拉强度 σｂ淬火回火后不小于 ７３５ ＭＰａ 条件屈服强度 σ０􀆱 ２淬火回火后不小于 ５４０ ＭＰａ 伸长率 δ５淬火回火后不小于 １２％ 断面收缩率 ψ淬火回火后不小于 ４０％ 冲击功 Ａｋｖ淬火回火，不小于 ２４ Ｊ 硬度 退火后不大于 ＨＢ２３５； 淬火回火后不小于 ＨＢ２１７ ３ 气阀阀盖锥形圆弧槽的传统加工工艺 针对气阀阀盖的锥形圆弧槽的特点， 通常利用通 用加工刀具， 采用高速、 小背吃刀量和快速进给的加 工方法来进行加工。 ３􀆱 １ 加工设备选择 根据零件的结构特点， 需要进行外形铣削、 锥形 圆弧槽铣削、 孔加工和螺纹加工等工序， 这些工序尽 可能在一台设备上完成， 因此， 采用立式加工中心作 为该零件加工的设备。 ３􀆱 ２ 毛坯选择与加工 毛坯可选择 ϕ１９６ ｍｍ 的圆钢， 锯割成厚度 ３２ ｍｍ 的圆盘。 先在数控车床上加工 ϕ１９４ ｍｍ 外圆和端 面， 然后掉头加工 ϕ１８４ ｍｍ 外圆端面， 保证相关尺 寸精度和表面粗糙度。 ３􀆱 ３ 工件装夹 该工件是圆盘类零件， 可利用三爪自动定心卡盘 进行装夹。 ３􀆱 ４ 工件加工 将车削好的毛坯装夹到加工中心工作台的三爪卡 盘上， 垫上合适垫铁， 加工零件图的上表面直径为 ϕ１８０ ｍｍ、 深度为 １０ ｍｍ 的的凹面， 然后加工直径为 ϕ７􀆱 ７ ｍｍ 和 ϕ３ ｍｍ 的弹簧阶梯孔、 螺纹底孔和攻螺 纹。 加工完成后， 将工件掉头， 加工锥形圆弧槽。 锥形圆弧槽是该零件加工的难点， 该槽上面宽度 是 ８ ｍｍ， 下面宽度是 ５ ｍｍ， 因此选用刀具的直径不 能大于 ５ ｍｍ， 因此， 选用直径为 ϕ４ ｍｍ 的硬质合金 键槽刀作为锥形圆弧槽的加工刀具， 借助 ＣＡＭ 软件 进行自动编程， 通过分层切削来完成槽的粗加工。 然 后选用直径为 ４ ｍｍ 的带 Ｒ 角的硬质合金立铣刀进行 精加工， 加工过程中用冷却液进行冷却， 以冷却为 主。 粗、 精加工切削参数选择如表 ３ 所示。 ６７机床与液压第 ４３ 卷 表 ３ 切削参数选择 工步 主轴转速／ （ｒｍｉｎ －１ ） 背吃刀 量／ ｍｍ 进给速度／ （ｍｍｍｉｎ －１ ） 粗加工５ ００００􀆱 ２１ ２００ 精加工６ ００００􀆱 ２１ ０００ ４ 气阀阀盖锥形圆弧槽工艺改进 通过实际加工发现， 采用传统加工工艺加工锥形 圆弧槽， 存在着许多缺点和 不足， 主要表现在 （１） 选用的刀具直径太小， 加工过程中刀具易断， 进给速度受到限制， 加工效率低， 且刀具磨损严 重， 需经常换刀； （２） 背吃刀量受到表面粗糙度的 限制， 只能选择较小的值， 这也限制了加工效率的 提高； （３） 只能选用硬质合金刀具， 价格较高， 加 工经济性较差。 为此， 企业对加工工艺进行了全面 的改进。 ４􀆱 １ 加工设备、 毛坯选择与加工及工件装夹及倒 角加工 加工设备、 毛坯选择与加工、 工件装夹等同传统 加工工艺。 ４􀆱 ２ 将刀具改为成型刀具进行加工 按照锥形圆弧槽的锥形截面尺寸， 对直径为 ϕ８ ｍｍ 的高速钢立铣刀进行刃磨， 磨成圆锥形立铣刀， 锥度为（８－５） ／１８＝ １ ∶ ６。 为保证粗加工时能将整个 槽铣透， 便于排屑和润滑， 将刀具的小端直径磨成 ４􀆱 ５ ｍｍ （即小于要求的 ５ ｍｍ）， 大端直径为 ８ ｍｍ。 通过计算， 整个锥体部分的长度由 １８ ｍｍ 增加到 ２１ ｍｍ， 可保证锥度大小不变。 加工时可通过调整刀具 下深的位置来保证锥形圆弧槽的尺寸准确。 圆锥形立 铣刀见图 ２。 图 ２ 圆锥形立铣刀 ４􀆱 ３ 加工方法及切削参数选择 可采取一次切深、 慢速进给的加工方法进行 加工。 刀具沿 Ｚ 轴进给时， 如果直接切削， 刀具的加 工环境很差， 轴向力大， 排屑困难且难以润滑， 加工 温度会急剧升高， 直接影响到刀具的切削性能。 因 此， 先用 ϕ４ ｍｍ 的麻花钻在每段圆弧槽的起始圆弧 中心点上钻引导孔， 以方便锥形立铣刀的切入。 为保证加工质量， 可采用粗精加工分开进行的方 式加工。 粗加工时， 也是通过调整刀具的下深位置来 保证精加工的余量。 用该方法加工时， 改冷却液为润 滑油冷却和润滑。 切削参数选择如表 ４ 所示。 表 ４ 切削参数选择 工步 主轴转速／ （ｒｍｉｎ －１ ） 背吃刀 量／ ｍｍ 进给速度／ （ｍｍｍｉｎ －１ ） 粗加工６００２１８０ 精加工１ ０００２２２００ ５ 结束语 对于批量生产的企业， 可向刀具生产厂家定制专 用刀具， 刀具成本虽比通用刀具价格高些， 但相比整 体硬质合金刀具来说价格还是低很多。 经厂家半年多 的实际加工验证， 刀具成本降低幅度达 ７０％以上。 工艺改进后， 加工效率提高达 ３０％以上。 锥形圆弧 槽的表面质量较传统加工方法也有了较大提高。 可 见， 工艺的改进和提高， 能够大幅提高企业的经济效 益。 该工艺改进为同类零件的加工提供了参考。 参考文献 ［１］ 李洪禄，邹淑萍，庞志涛．活塞式空压机气阀的改造［Ｊ］． 煤矿机械，２０１０（７）１０４－１０５． ［２］ 赵立科．圆弧槽的快速加工［Ｊ］．机械工程师，１９９６（３） ３１－３２． （上接第 ６３ 页） 刀具完成加工任务。 在建立工件坐标系时， 该刀具对 刀原理与方法同四方刀架上安装的刀具相同， 即采用 试切法对工件端面试切加工完成 Ｚ 轴的对刀操作， 对工件外圆试切加工完成 Ｘ 轴的对刀操作， 但在输 入对刀参数时应选取其他的刀偏号。 例如， 安装在 １ 号刀位上的刀具对刀参数输入在 ０１ 号刀偏中， 即 Ｔ０１０１， 则反车刀位上的刀具对刀参数可选择 ０５ 号刀 偏， 即 Ｔ０１０５。 ４ 结论 使用该装置通过刀架的转位实现车削过程中一次 装夹工件完成多种甚至所有的加工工序， 从而缩短加 工辅助时间， 减少加工过程中由于多次安装工件而引 起的误差， 提高零件的加工效率和加工精度。 特别在 数控车床上对零件的车削加工常采用工序集中原则编 排加工工艺， 所以扩大四方刀架的装刀数量和缩短刀 架转位换刀时间能有效提高生产效率和工件的加工 质量。 参考文献 ［１］ 机床设计手册编写组．机床设计手册［Ｍ］．北京机械工 业出版社，１９７８． ［２］ 张权民．机床夹具设计［Ｍ］．北京科学出版社，２００６． ［３］ 张黎骅．新编机械设计手册［Ｍ］．北京人民邮电出版 社，２００８． ［４］ 赵菲菲，王正德．轴类零件机械加工工艺规程的制定 ［Ｊ］．林业机械与木工设备，２００９（９）４８－５１． ［５］ 刘长伟．数控加工工艺［Ｍ］．西安西安电子科技大学出 版社，２００７． ７７第 ２０ 期张荣高 空压机气阀阀盖的加工工艺研究