CN106363356A - 一种微造型球阀阀芯及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微造型球阀阀芯及其加工方法。微造型球阀阀芯是指在球阀阀芯表面加工出有序分布的微米级尺度的微凹坑。微造型阀芯的加工方法是使用激光在阀芯表面主动加工出有序分布的微造型。本发明公开的阀芯表面设计有微观造型，使阀芯表面的耐磨性较普通阀芯有10%‑30%的提高，密封性、寿命和稳定性都明显提高，加工质量改善。

Description

一种微造型球阀阀芯及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种球阀阀芯表面处理技术，经激光微加工和抛光工艺，在阀芯表面形成凹坑状的微造型，具体涉及一种表面激光微造型技术在高中低端阀芯表面处理领域的应用。

背景技术

球阀由于具有流体阻力小、操作方便、启闭迅速、密封性好和可靠性高等特点而深受用户欢迎，在火电、核电、水电、大型石油化工、石油天然气集输管线、冶金、污水处理、造纸、航空和火箭等领域有着广泛地应用，在国民经济中占有举足轻重的地位。球阀的关闭件是一个带孔的球体（或部分球），球体随阀杆转动，实现阀门的开启或关闭。如同其它阀门一样，密封性能是决定球阀性能和可靠性的首要指标。其中，关闭件磨损所造成的泄漏叫做内泄。由于泄漏发生在球阀内部，所以不易被发现，从而严重影响了阀门的正常工作。常规的金属密封球阀已不适用于大多数能源工程中的抗磨损、防泄漏等工况。为了满足上述应用必须挺高球阀的密封性和耐磨性。

一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其具体是通过激光熔覆技术在球阀表面熔覆一层耐磨耐腐蚀的合金。该技术虽然提高了阀门阀芯的耐磨性和耐腐蚀性但是没有提高球阀的密封性。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种密封性能高、使用寿命长、稳定性高的微造型球阀阀芯及其加工方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种微造型球阀阀芯，阀芯的表面设计有微观形貌。

本发明的进一步改进在于：微观形貌是由激光加工方法加工出来。

本发明的进一步改进在于：微观形貌是指有序分布在阀芯表面的凹坑，凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，面积占有率为15%-25%，形貌间距S=200-400um。

一种微造型球阀阀芯的制造方法，具体步骤如下：

A、阀芯表面进行微造型之前需进行粗磨外圆、热处理、半精磨外圆、精磨外圆，加工后所达到的表面粗糙度参数范围为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度 Rz≤3.2um，几何公差：线轮廓度和面轮廓度均要求≤0.01um；

B、对微造型球阀阀芯表面进行微造型设计，即有序分布在阀芯表面的凹坑，确定凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，和凹坑面积占有率15%-25%，凹坑间距S=200-400um；

C、利用半导体激光器对磨削加工后阀芯表面进行微造型加工，具体激光加工参数：激光波长 980nm-1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，激光能量密度为：10⁶-10⁸W/cm²，辅助气体为氮气或氦气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°，激光头上方有废气收集装置；

D、阀芯表面微造型处理后要光磨外圆，凹坑以外的平面表面粗糙度Ra=0.4-0.01um，Rz=0.5-0.1um。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明公开的球阀阀芯表面设计有微造型，使阀芯表面的摩擦性能较未造型的表面有10%-30%的提高，密封性能，寿命和稳定性都明显提高，加工质量改善。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是本发明的截面图；

图中标号：1-阀芯、2-微观形貌、d-微观形貌的直径、h-微观形貌的深度、s-微观形貌的间距。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3示出了本发明微造型球阀阀芯的一种实施方式，在阀芯的表面加工分布规则的微造型，所述的微观形貌有是指阀芯完全加工完成后，在阀芯摩擦表面形成有序分布在阀芯摩擦表面的凹坑，凹坑直径d=10-500um，凹坑深度 h=1-100um，面积占有率为15%-25%，形貌间距 S=200-400um。

本发明使用激光在阀芯表面加工出凹坑，由于激光加工特性凹坑周围会产生火山口形状的突起，在下个工序中需要把火山口状的突起磨掉，最终形成设计的微造型。激光加工设备选用大功率半导体激光器。球阀阀芯材料选用9Cr18不锈钢，阀芯直径60㎜。

本发明中微造型球阀阀芯的加工方法包括如下4个步骤：

步骤1：球阀阀芯表面进行微造型之前需进行粗磨外圆、热处理、半精磨外圆、精磨外圆，加工后后所达到的表面粗糙度参数范围为：轮廓的算术平均偏差 Ra≤0.8um，轮廓的最大高度 Rz≤3.2um，几何公差：线轮廓度和面轮廓度均要求≤0.01um；

步骤2：对球阀阀芯表面进行微造型设计，确定微造型的凹坑直径，凹坑深度，和微造型面积占有率；凹坑直径d=100um，凹坑深度 h=50um，面积占有率为18%；

步骤3：利用半导体激光器对磨削加工后阀芯摩擦表面进行微造型加工，具体激光加工参数：激光波长 980nm-1064nm，离 焦 量 [-1.2,1.2]mm，激光能量密度为 ：10⁶-10⁸W/cm²，辅助气体为氮气或氦气，辅助气体吹气角度与工件法向呈30°，微造型的表面成型运动是工件做旋转运动，激光头做圆心为工件球心的圆周运动，工件每旋转一定角度，激光头便发出一个脉冲激光，当工件旋转一圈后，激光头沿圆周移动一定距离，以此方式在工件表面加工出微造型；

步骤4：阀芯摩擦表面微造型处理后要进行光磨外圆，凹坑以外的平面表面粗糙度Ra=0.4-0.01um，Rz=0.5-0.1um。

激光微造型产生的微凹坑能够起到收集阀芯摩擦表面磨粒和灰尘的效果，避免阀芯摩擦表面被划伤和破坏，微凹坑还能使阀芯与阀座中间够储存阀中流动的液体，减少阀芯与阀座之间的接触磨损改善阀芯与阀座之间的润滑。激光微加工过程中会产生激光硬化作用，使微造型周围组织变为高碳马氏体和残余奥氏体，即激光淬火处理，激光淬火较传统淬火强化处理工艺有硬度高、耐磨性好等优点。在阀芯表面均匀分布的为凹坑可以影响阀芯与阀座之间的流体静压和动压效应从而提高阀芯与阀座之间的密封性能。激光微造型可以改善阀芯阀座之间的润滑，提高阀芯摩擦表面的硬度和阀芯与阀座之间的密封性能，从而满足能源工程中抗磨损、防泄漏的要求。

本发明公开的球阀阀芯表面设计有微造型，使阀芯表面的摩擦性能较未造型的表面有10%-30%的提高，密封性能，寿命和稳定性都明显提高，加工质量改善。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (4)

1.一种微造型球阀阀芯，其特征在于：所述阀芯的表面设计有微观形貌。

2.根据权利要求1所述的一种微造型球阀阀芯，其特征在于：所述的微观形貌是由激光加工方法加工出来。

3.根据权利要求2所述的一种微造型球阀阀芯，其特征在于：所述的微观形貌是指有序分布在阀芯表面的凹坑，凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，面积占有率为 15%-25%，形貌间距S=200-400um。

4.一种微造型球阀阀芯的制造方法，其特征在于：具体步骤如下：

A、阀芯表面进行微造型之前需进行粗磨外圆、热处理、半精磨外圆、精磨外圆，加工后所达到的表面粗糙度参数范围为：轮廓的算术平均偏差 Ra≤0.8um，轮廓的最大高度 Rz≤3.2um，几何公差：线轮廓度和面轮廓度均要求≤0.01um；

B、对微造型球阀阀芯表面进行微造型设计，即有序分布在阀芯表面的凹坑，确定凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，和凹坑面积占有率15%-25%，凹坑间距S=200-400um；

C、利用半导体激光器对磨削加工后阀芯表面进行微造型加工，具体激光加工参数：激光波长 980nm-1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，激光能量密度为：10⁶-10⁸W/cm²，辅助气体为氮气或氦气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°，激光头上方有废气收集装置；

D、阀芯表面微造型处理后要光磨外圆，凹坑以外的平面表面粗糙度Ra=0.4-0.01um，Rz=0.5-0.1um。