CN103862120B - 阀门节流盘片迷宫槽的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阀门节流盘片迷宫槽采用电解加工的成型方法。该方法的主要步骤：将工具阴极和夹具体与电源连接，设定加工终点位置和各个加工参数；将工件在夹具体上安装好；开启机床进给系统、电解液泵和电源，按照节流盘片迷宫槽的形状和尺寸制作的阴极头向工件进给，使工件表面依靠阴极头工作端面加工形成迷宫槽；阴极停止进给并退回到起始位置，一次进给可完成盘片上所有迷宫槽或一个迷宫槽的加工。在阴极头工作端面上制作一定的凹凸表面，可完成特殊形态结构的迷宫槽加工。本发明的优点：成型速度快、质量好、精度高、成本低，可在零件高硬度下加工，电极无损耗，可加工出特殊型态结构的迷宫槽来增强减压降速效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种阀门零件的制造方法，具体涉及一种阀门节流盘片迷宫槽的电化学加工成型方法。
背景技术
高压差阀门是电站、石化等行业的机组和系统中的重要阀门和关键阀门，如火力发电厂水汽循环系统中安装使用的最小流量阀、给水旁路调节阀、减温水调节阀、汽机旁路阀，核电站的给水控制阀，石油、天然气行业采、输系统使用的高压差节流阀、对空排放阀，石化、煤化工等行业使用的高压差调节阀等，其使用工况均具有高压差的特点，有些阀门的工作压差会达到数十兆帕，如超超临界机组上使用的最小流量阀，其进出口端的最大压差可达40MPa，工况要求极其苛刻。这些阀门的设计制造质量和产品的使用性能、可靠性对机组和系统的安全、稳定运行有着至关重要的影响。在各类高压差多级节流调节阀中，迷宫式调节阀的降压差和节流降速、减振降噪以及消除冲蚀和气蚀破坏的效果最好。迷宫式调节阀的节流盘片(迷宫盘片)组是阀门的关键零部件，其上的迷宫形的流道能够让介质连续作90的转向来消耗介质的动能，从而达到非常有效的减速降压差效果。目前国内机组和设备上安装使用的迷宫式高压差调节阀，基本还需要从美国CCI公司进口；国内虽然也有少量零星的生产，但由于产品的设计难度和产品制造工艺等方面的原因，这些产品与进口产品相比在性能、可靠性和使用寿命方面还存在较大差距。另一方面，进口迷宫式高压差调节阀也由于受盘片制造工艺等因素的约束，产品制造成本剧高不下，使这一高性能产品的市场竞争力受到很大削弱，产品还远未获得与其使用性能相适应的市场份额；同时，也由于受盘片迷宫槽成型工艺的制约，在压差较高时难以通过对迷宫槽结构的改进来优化和提高节流盘片的降速降压差性能，这一问题在目前和今后随着工业控制过程面临工作压差越来越大、控制要求越来越高，会表现得越来越突出。
迷宫式调节阀节流盘片迷宫槽的成型加工，目前所采用的加工工艺有两种：电火花成型加工和机械铣削加工。
电火花成型加工是美国CCI公司以及其它一些公司在迷宫槽成型加工方面主要采用的工艺，即采用按照节流盘片迷宫槽的形状和尺寸制作的工具电极，通过电极和工件之间的脉冲性火花放电所产生的局部和瞬时的高温来把工件上的材料熔蚀掉。这种加工工艺所存在的不足之处包括以下几个方面：(1)加工效率低，加工速度慢。以3”最小流量阀的迷宫盘片为例，不考虑中途修整电极和其它辅助时间，完成一个盘片上迷宫槽的电火花加工的时间需要1.5～2小时；(2)在电火花熔蚀工件的同时，工具电极也同时被熔蚀，电极以及相应的迷宫槽的形状和尺寸都会随之改变，从而影响迷宫槽的成型质量和精度，而且电极的熔蚀和损耗是不均匀的，锐角和棱边处的熔蚀会较快、较严重，致使迷宫槽转角处变为圆角，在一定程度上也会影响到盘片的减压降速效果；(3)在加工数个盘片后，工具电极因为熔蚀损耗也需要拆下来重新修整磨削，不仅会严重影响生产效率，而且工具电极较短的工作寿命也直接导致盘片的制造成本上升。实际上，电火花成型加工主要是适用于工模具等的加工制造，并不适合选择作为产品零件的批量制造的加工工艺，上述的这几个缺点其实也是基于这个因素而不可避免地产生的：(4)采用电火花工艺加工迷宫槽，难以实现在迷宫槽的形态结构设计方面采用能够显著增强减压降速效果的特殊结构，来使产品在高压差工况下达到更理想的使用效果或能满足更高压差工况的使用要求。
也有厂家采用在数控铣床或加工中心上用机械铣削加工的方式加工迷宫槽。由于迷宫式节流盘片一般采用不锈钢材料制作，其切削特性相对不佳，为了保证切削加工顺利进行以及保证微型铣刀或雕刻刀不致折断，必须采用较小的切削和进给速度进行加工，因此加工效率很低。仍以3”最小流量阀的迷宫盘片加工为例，完成一个盘片上迷宫槽的切削加工时间为3.5～4.5小时，而一台阀门上需要使用数十个盘片，因此这种加工方式不仅造成盘片的制造成本过高，而且显然也不能适应产品制造的需要；并且为了保证切削性能盘片需要采用较低的硬度，这也会对产品的性能和可靠性带来较大影响。此外，采用机械铣削加工的方式同样也难以实现在迷宫槽的形态结构设计方面采用一些特殊的结构设计来增强减压降速效果。
电解加工属于电化学加工范畴，是一种特种加工技术，它是基于电化学阳极溶解原理、借助工具阴极将工件加工成型的一种工艺方法。相对于其它工艺方法，电解加工工艺具有以下一些优点：1、工具阴极无损耗，在正常条件下阴极可永久使用；2、成型速度快，生产效率高；3、加工表面质量好、尺寸精度高，无应力、无热影响区；4、不受材料力学性能限制，可以在零件经过热处理达到较高硬度后进行加工；5、工具阴极的制造工艺简单、材料要求低；6、电解液一般采用氯化钠或硝酸钠水溶液，成本低廉。
电解加工工艺通常在枪、炮管镗线，武器零件，航空、航天发动机叶片和叶轮型面加工等军工和航空航天制造方面有较广泛的应用，在模具制造方面也有一些应用，而在阀门零件和通用机械产品的制造方面则并无应用，但如前所述，电解加工由于具有效率高、质量好、精度高、成本低、电极寿命长等突出优点，因此将其应用于阀门等产品的零件制造并辅之以有针对性的阴极和夹具设计以及合理的工艺措施，能够使零件的加工相对于现行的加工方法具有较显著的优势。
发明内容
为了克服现有的迷宫式调节阀节流盘片迷宫槽的成型加工所采用的加工工艺方面存在的上述的诸多不足之处，本发明提供了一种加工效率高、成型速度快、成型质量好、精度高、生产成本低、可以在零件经热处理后的高硬度下进行加工、电极寿命长且制造成本低的节流盘片迷宫槽的电解加工成型方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种阀门节流盘片迷宫槽的成型方法，其基本的技术方案和主要技术关键在于：采用电解加工工艺来进行阀门节流盘片迷宫槽的成型加工，加工过程包含下述几个步骤：(1)加工开始前，将工具阴极与电源负极连接、安装工件的夹具体与电源正极连接，设定加工进给的终点位置，并设置好各个加工参数；(2)将圆盘形的节流盘片板料在夹具体上安装固定好；(3)开启机床进给系统，接通电解液泵，开启电源，按照节流盘片迷宫槽的形状和尺寸制作的阴极头向工件进给，使工件表面依靠阴极头工作端面基于电化学阳极溶解原理加工形成迷宫槽；(4)当槽深达到要求时阴极停止进给并退回到起始位置，完成一次迷宫槽的成型加工。
为了改善产品的性能，本发明还附加下述的进一步的技术方案：在所述步骤(3)中的阴极头工作端面上的一定区域范围内根据节流盘片迷宫槽的设计要求制作出按一定规律排布的凹凸表面；使用该结构的阴极头对工件进行电解加工，在节流盘片迷宫槽的底平面加工出按一定规律排布的凹凸表面。
针对前述的基本技术方案，本发明另外还附加以下两个进一步的技术方案：
在所述步骤(3)中的阴极头上制作出与一个节流盘片的所有迷宫槽对应的阴极加工面；使用该结构的阴极头，在阴极的一次进给中完成一个节流盘片上所有迷宫槽的加工。
在所述步骤(3)中的阴极头上仅制作出与节流盘片的一个迷宫槽对应的阴极加工面；在夹具体上设置一圆盘形、可以在夹具体上回转的分度回转盘，通过定位销和分度回转盘上均布的、数量与工件上迷宫槽数量相同的圆柱孔以及夹具体上的一个具有相同孔径的圆柱孔构成的分度定位结构，分度回转盘可以在夹具体上回转和分度定位；工件安装固定在分度回转盘上；使用前述的只加工一个迷宫槽的阴极头对工件进行电解加工，在阴极的一次进给中完成节流盘片上一个迷宫槽的加工，逐次回转分度回转盘后进行多步电解加工可以完成节流盘片上所有迷宫槽的加工。
本发明的有益效果是：成型速度快、加工效率高；成型质量好、精度高；生产成本低；可以在零件经热处理后的高硬度下进行加工，有利于改善和提高产品的使用可靠性和使用寿命；电极寿命长且制造成本低；有助于在迷宫槽的形态结构设计方面采用一些特殊的结构设计来增强产品的减压降速效果。
附图说明
图1是本发明所提出的采用电解加工方法来进行节流盘片迷宫槽的成型加工的示意图。
图2是本发明所提出的采用电解加工方法来加工在迷宫槽的形态结构设计方面具有一些特殊结构的节流盘片迷宫槽的一个示例图。
图3是本发明所提出的采用电解加工方法一次进给加工完成一个迷宫槽的示意图。
图中，1、控制系统；2、机床进给系统；3、电源；4、短路保护系统；5、电解液净化装置；6、电解液供液装置；7、阳极座；8、绝缘垫；9、夹具体；10、压板；11、工件；12、阴极头；13、工具阴极；14、阴极安装座；15、抽风机；16、定位销；17、分度回转盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1：
如图2所示，是火力发电厂300MW亚临界机组所配套的最小流量阀的新型迷宫式节流盘片的结构示意图。盘片厚度2.5mm，迷宫槽深度1.4mm，每个盘片上均布16个迷宫槽；盘片材料为3Cr13，加工迷宫槽前盘片己经热处理硬度达到HRC36～40，能够保证产品使用时在盘片组内孔与阀芯之间存在持续的相对运动以及逸流介质高速冲刷状况下具有较高的可靠性和较持久的使用寿命。盘片在流道出口一侧(盘片外侧)的一段宽度较宽的迷宫槽的底平面上设置了立体的网格状的凹凸表面来增加流道的阻力系数，降低介质出口流速、消除气蚀。这种能够改善和提高产品性能的流道设计采用以往的加工工艺是无法实现的，而采用本发明所提出的加工方法就可以完成加工。
加工该盘片的方法如图1所示。主要技术方案为：采用电解加工工.艺来进行该节流盘片迷宫槽的成型加工，加工过程的几个主要步骤包括：(a)加工开始前，将阴极安装座(14)和工具阴极(13)与电源(3)负极连接、安装工件(11)的夹具体(9)与电源(3)正极连接，设定加工进给的终点位置，并设置好各个加工参数；(b)将待加工的工件(11)在夹具体(9)上安装并通过压板(10)固定好；(c)通过操作控制系统(1)开启机床进给系统(2)，启动电解液供液装置(6)，开启电源(3)，按照节流盘片迷宫槽的形状和尺寸制作的阴极头(12)向工件(11)进给，使工件(11)表面依靠阴极头(12)工作端面基于电化学阳极溶解原理加工形成迷宫槽；(d)当槽深达到要求时工具阴极(13)停止进给并退回到起始位置，完成一次迷宫槽的成型加工。
制作阴极时，通过线切割工艺制作出与一个节流盘片的所有迷宫槽的形状尺寸对应的阴极头(12)，阴极头(12)的下端面为工作端面，阴极头(12)采用氩弧焊工艺焊接连接在工具阴极(13)的下端面上；在工具阴极(13)下端面的合适位置处开有一系列贯通的小孔和窄缝供电解加工时向加工面均匀喷射电解液。使用阴极头(12)在阴极的一次进给中完成一个节流盘片上所有迷宫槽的加工。
为了在迷宫槽内加工出图2所示的在迷宫流道出口区域设计的按一定规律排布的凹凸表面，需要在阴极头(12)的工作端面上的相应区域范围内，根据节流盘片迷宫槽的设计要求制作出与设计的凹、凸方向相反的凹凸表面。使用该阴极对工件(11)进行电解加工，就可以在节流盘片的迷宫槽内加工出所需的按一定规律排布的凹凸表面。
由于电解加工时的极间间隙较小而工作电流较大，为防止短路而烧伤电极和工件加工表面或烧坏电源，在电解加工的电源(3)上需要配置带有检测和快速切断功能的短路保护系统(4)；在夹具安装时，需要在夹具体(9)和阳极座(7)之间放置绝缘垫(8)；电解液净化装置(5)的作用是将排出的电解液在去除金属、非金属夹杂物和金属氢氧化物后再进行循环：电解加工过程中析出的氢气，通过抽风机(15)和抽风管排出。
电解加工时的工作参数：加工电压U＝16V，电极进给速度v＝1.2mm／min，电流密度i=100A／cm2，间隙Δ=0.2～0.3mm，电解液10％NaCl+10％NaNo3，电解液压力P=1.2MPa，温度T＝30～40℃。
一个盘片迷宫槽的电解时间为70秒，再加上工件装、卸时间，完成一个盘片加工平均时间为2～2.5分钟。与采用电火花加工和机械铣削加工迷宫槽的加工工艺相比，生产效率提高50～100倍；在加工效率大幅度提高的同时，迷宫槽的成型质量和成型精度与电火花加工相比也有很大的改善，尤其是通过电解加工工艺可以完成一些特殊型态和结构的迷宫槽的加工，可以使迷宫式调节阀的使用性能有更好的提升、对更严苛的工况有更好的适应性。
实施例2：
如图3所示，是采用电解加工工艺加工一种氮肥厂用高压差节流阀节流盘片迷宫槽的加工方法示意图。盘片厚度2.2mm，迷宫槽深度1.2mm，每个盘片上均布6个迷宫槽，盘片材料为2Cr13。为了减小工艺装备的投入成本、降低电极制造难度、缩短生产周期，采用一次进给加工完成一个迷宫槽的加工方式，具体技术方案如下：
制作阴极时，在阴极头(12)上仅制作出与节流盘片的一个迷宫槽对应的阴极加工面；在夹具体(9)上设置一圆盘形、可以在夹具体(9)上回转的分度回转盘(17)，通过定位销(16)和分度回转盘(17)上均布的、数量与工件上迷宫槽数量相同的圆柱孔以及夹具体(9)上的一个具有相同孔径的圆柱孔构成的分度定位结构，分度回转盘(17)可以在夹具体(9)上回转和分度定位；工件(11)安装固定在分度回转盘(17)上；
电解加工开始前，先将工具阴极(13)和夹具体(9)与电源连接好，设置好各个加工参数和加工进给的终点位置；开启机床进给系统、接通电解液泵、开启电源，工具阴极(13)向工件(11)进给，进行迷宫槽的加工，当槽深达到要求时阴极停止进给并退回到起始位置，这样在阴极的一次进给中完成了节流盘片上一个迷宫槽的成型加工；逐次回转分度回转盘(17)后进行多步电解加工，便可完成节流盘片上所有迷宫槽的成型加工。
电极进给速度v=1.2mm／min，一个迷宫槽的电解时间为1分钟，加上工件装卸时间和其它辅助时间，完成一个盘片加工的时间约为10分钟左右。
以上结合附图和实施例对本发明的具体应用作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本技术领域的技术人员应该知晓，本发明不受上述实施例的限制，其保护范围由所附的权利要求书所界定，任何在不超出本发明权利要求书所界定的范围内的各种改动、变型所形成的技术方案，都没有偏离本发明的精神和技术实质，仍然会属于本发明的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种阀门节流盘片迷宫槽的成型方法，其特征在于：采用电解加工工艺来进行阀门节流盘片迷宫槽的成型加工，加工过程包含下述几个步骤：(1)加工开始前，将工具阴极与电源负极连接、安装工件的夹具体与电源正极连接，设定加工进给的终点位置，并设置好各个加工参数；(2)将圆盘形的节流盘片板料在夹具体上安装固定好；(3)开启机床进给系统，接通电解液泵，开启电源，按照节流盘片迷宫槽的形状和尺寸制作的阴极头向工件进给，使工件表面依靠阴极头工作端面基于电化学阳极溶解原理加工形成迷宫槽；所述的阴极头工作端面上的一定区域范围内根据节流盘片迷宫槽的设计要求制作出按一定规律排布的凹凸表面，在工具阴极下端面的合适位置处开有一系列贯通的小孔和窄缝供电解加工时向加工面均匀喷射电解液；使用该结构的阴极头对工件进行电解加工，在节流盘片迷宫槽的底平面加工出按一定规律排布的凹凸表面；(4)当槽深达到要求时阴极停止进给并退回到起始位置，完成一次迷宫槽的成型加工。
2.根据权利要求1所述的阀门节流盘片迷宫槽的成型方法，其特征在于：在所述步骤(3)中的阴极头上制作出与一个节流盘片的所有迷宫槽对应的阴极加工面；使用该结构的阴极头，在阴极的一次进给中完成一个节流盘片上所有迷宫槽的加工。
3.根据权利要求1所述的阀门节流盘片迷宫槽的成型方法，其特征在于：在所述步骤(3)中的阴极头上仅制作出与节流盘片的一个迷宫槽对应的阴极加工面；在夹具体上设置一圆盘形、可以在夹具体上回转的分度回转盘，通过定位销和分度回转盘上均布的、数量与工件上迷宫槽数量相同的圆柱孔以及夹具体上的一个具有相同孔径的圆柱孔构成的分度定位结构，分度回转盘可以在夹具体上回转和分度定位；工件安装固定在分度回转盘上；使用前述的只加工一个迷宫槽的阴极头对工件进行电解加工，在阴极的一次进给中完成节流盘片上一个迷宫槽的加工，逐次回转分度回转盘后进行多步电解加工可以完成节流盘片上所有迷宫槽的加工。
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