固定球阀主阀体关键形位公差评价及加工

固定式“O”型球阀故障的主要表现形式为开闭时卡顿，一方面可以加大执行机构配置增加驱动力解决，但此方法只能临时消除卡顿现象，不但会增加制造成本，同时也会导致阀门整机寿命降低，这是不可取的。另一方面，从主阀体加工角度来讲，保证主阀体上下轴孔同轴度以及上下轴孔轴线与阀座孔轴线的位置精度，再排除其他影响卡顿的因素下，可极大降低卡顿的可能性。这也是进口阀门稳定性高于国产阀门的根本原因。但如何评价这两处的形位公差[2]以及在加工过程中如何进行控制是值得探讨和深思的。

1 固定式“O”型球阀结构

固定式“O”型球阀主流结构如图1，球体是通过上下阀杆固定，受压后不会产生移动，阀座两端提供足够的预紧力[3]保证阀座和球体的密封，属双面强制密封。通常在与球连在一体的上、下阀杆上装有轴承。

2 阀门失效分析

结合固定式“O”型球阀结构特征，若主阀体上下轴孔同轴度不达标，将导致上下阀杆出现相对错位，从而产生卡顿故障，而上下轴孔轴线与阀座孔轴线的位置精度不达标，将会使以上下阀杆传动的球体与阀座密封弧面产生错位，最终导致泄漏不达标、卡顿、以及频繁开闭产生的密封带刮伤。

3 主阀体阀杆轴孔同轴度及阀杆轴孔与阀座孔位置度评价方式

3.1 上下阀杆轴孔同轴度

同轴度是指限制被测轴线偏离基准轴线的一项指标。同轴度的评价首先需确定评价基准，根据基准选择的不同，同轴度的评价方式分为“互为基准法”和“公共轴线法”[4]。

3.1.1 互为基准法评价同轴度

“互为基准法”是以一端轴孔轴线为基准，并将该轴线延伸至另一端轴孔，来测算另一端轴孔轴线与其偏离值。一般基准轴选择较长圆柱面轴线。

3.1.2 公共轴线评价同轴度

“公共轴线法”是在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆，再将这些圆的圆心通过“最小二乘法”构造一条3D直线，作为公共轴线，每个圆的直径可以不一致，然后分别计算基准圆柱和被测圆柱相对公共轴线的同轴度，取其最大值作为该零件的同轴度。

3.1.3 主阀体轴孔同轴度检测

测试零件的基本尺寸以及主阀体上下阀杆轴孔的同轴度要求采用“互为基准法”和“公共轴线法”两种标注方式见图5。

利用三坐标测量仪，分别采用“互为基准法”和“公共轴线法”对主阀体上下阀杆轴孔的同轴度进行检测(见图5)，检测结果见表1。可见，采用“互为基准法”评测结果为0.468 mm，远无法达到设计要求0.05 mm；而采用“公共轴线法”测试上下轴孔同轴度结果分别为0.008 mm和0.047 mm，符合设计要求。

表1 三坐标检测数据

3.1.4 主阀体轴孔同轴度验证

采用芯轴对所检测的主阀体轴孔进行同轴度验证，如图7所示，所使用芯轴φ94 mm和φ73 mm与主阀体两轴孔为间隙配合，间隙约为0.02 mm，芯轴两圆柱面同轴度为2 μm，芯轴可轻松穿过主阀体两轴孔并做旋转运动。而固定“O”型球阀上下阀杆与球心的连接刚性度要低于芯轴连接方式。若满足芯轴连接，那么两轴孔同轴度可达到实际使用需求。

3.1.5 主阀体轴孔同轴度评价方式选择

“互为基准法”结合主阀体结构，存在两个问题：(1)两轴孔轴线较短，轴线方向测量不稳定。(2)基准圆柱和被测圆柱相距越远，基准圆柱轴向误差被线性放大的越大。通过对图3分析，当“C”越大，基准轴线延伸后与被评测轴线的距离“D”就越大。而“公共轴线法”的基准轴是被测圆柱面和基准圆柱面截面圆心通过“最小二乘法”产生的，如图4。这条公共轴线近似于一个模拟心轴，更接近零件的实际装配过程。因此，对主阀体上下轴孔同轴度的评价宜采用“公共轴线法”。

3.2 上下轴孔与阀座孔位置精度评价方式

上下轴孔与阀座孔位置关系如图8所示，，从图1固定球结构分析，上下轴孔相对阀座孔在“Y”方向位置小范围波动是不影响整体性能的，所以其位置精度可仅考虑上下轴孔轴线在XY平面内投影的“X”方向的偏离量。

4 加工过程尺寸精度控制

固定“O”型球阀主阀体加工工艺主要涉及车削、镗削、钳工等工序，见图9。本文所论述的两处形位公差主要出现在粗、精镗阀杆轴孔工序，而此工序目前主流加工手段是通过卧式加工中心加工，通过三爪卡盘以中法兰止口内孔及端面定位。卧式加工中心的回转精度是保证上下轴孔同轴度的前提。X轴偏离量则影响上下轴孔轴线与阀座孔轴线的位置精度。

卧式加工中心对主阀体进行粗、精镗削加工及卧式加工中心坐标轴方向见图10。

为保证卧式加工中心的回转精度[5]以及修正X轴方向的偏离量，一方面通过定期的设备精度维护保养；另一方面通过标准环规进行偏离值得测定，并进行尺寸补偿。标准环规采用磨具钢加工而成，且需完全去除加工应力，内环与外环同轴度和圆柱度需达到5 μm，两端面的垂直度为0.01 mm，同时保证端面粗糙度Ra0.8 μm。检测偏离值时，可先打表记录点①坐标值，再依次逆时针旋转90°、180°、270°记录点②、点③、点④的坐标值，以①③为一组数据、②④为一组数据，计算其X坐标的绝对值之差即为偏离量。

5 结语

合理的评价固定式“O”型球阀主阀体上下阀杆轴孔的同轴度以及其与阀座孔的位置度，有利于指导零件加工及检测，并可制定行之有效的监控措施，进而减少阀门的卡顿现象，减少执行机构配置，降低制造成本。