CN102248378A - 一种偏心顶块及具有双向偏心球面的球体的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种偏心顶块及具有双向偏心球面的球体的加工方法，该偏心顶块包括顶块本体，顶块本体的第一表面上具有一个中心定位件和至少一对周边定位件，每对周边定位件关于中心定位件中心对称；顶块本体的与第一表面相对的第二表面上具有一个顶针孔，顶针孔的中心与中心定位件的中心间的垂直距离等于偏心球面的偏心量。该加工方法利用偏心顶块具有180度旋转后周边定位件的位置不改变，而顶针孔反向偏心的特点，配合在球形基本体上加工与左、右偏心顶块相适配的工艺孔，完成双向偏心球面的加工。采用本发明的中心孔定位的加工方法，具有操作简单和加工精度高的优点，进而可以提高密封性能延长球阀的使用寿命，缩短球阀的制造时间，降低了球阀的生产成本。

Description

一种偏心顶块及具有双向偏心球面的球体的加工方法

技术领域

本发明涉及一种双向偏心金属密封球阀的球体的加工工艺，特别涉及其中的使球体形成双向偏心的加工步骤及该加工步骤中采用的夹具。

背景技术

授权公告号为CN 201836435U，授权公告日为2011年5月18日的中国实用新型专利公开了一种上装式双向偏心金属硬密封球阀；授权公告号为CN201810804U，授权公告日为2011年4月27日的中国实用新型专利公开了一种全金属双向偏心球阀；授权公告号为201696647U，授权公告日为2011年1月5日的中国实用新型专利公开了一种两面双偏心球阀；以及，授权公告号为CN 2403963Y，授权公告日为2000年11月1日的已失效的中国实用新型专利公开了一种双偏心球阀均涉及一种安装于阀体内的具有双向偏心球面的球体，球体两侧分别设有阀座，球体及二阀座具有对应的偏心结构，上述的第一篇专利文献还公开了在球体的双偏向球面即阀座上对应设置有利于密封的硬质合金层，该种球阀在关闭状态下，依靠双偏心球面与阀座之间形成的比压进行密封。

所涉及的球体结构基本上如图1a至1d所示，设定一个球形基本体，设该球形基本体的三条相互间正交的直径分别为x、y和z，以其中第一条直径x为中心轴形成贯通该球形基本体的流道孔5，该流道孔5的中心为球形基本体的球心O，在实际加工中，通过锻制球体毛坯件即可获得具有流道孔5的球形基本体；之后，在球形基本体上加工出以第二条直径z为中心线的上轴端31和下轴端32，即上轴端31和下轴端32的中心线均过该球形基本体的球心O，上轴端31将与阀杆配合连接，下轴端32将安装于阀体底部的安装座内；将球形基本体的位于过上述第一条直径x和第二条直径z的基准面左侧和右侧的部分分别定义为左、右半球，使左、右半球的球面所对应的球心O1和O2在第一条直径x的方向上分别相对球心O向前和向后偏移偏心量e(即偏心量相等)形成该具有双向偏心球面3a和3b的球体，该双向偏心的球面的一部分即为球体的密封面。这样，如图1c所示，在偏心球面的作用下，当通过阀杆带动球体绕上、下轴端的过球心O的中心轴(该中心轴未偏心)顺时针转动时，将使球体的球面与阀座之间形成密封；而当通过阀杆带动球体绕上、下轴端的过球心O的中心轴逆时针转动时，将使球体脱离两侧阀座的包络面而打开球阀，即使阀体的通道与球体的流道孔5相通。

通过目前的加工方法加工出来的双向偏心球面均存在位置和偏心精度低且两侧密封面平行度精度不高的问题，无法真正满足上述的要求。因此，加工出来的球体不是废品就是密封性能差，如果人工返修、需要很高的钳工操作技能，且工作时间长，劳动强度很大，成本很高，可是球阀的密封性能还是达不到理想值，即使通过高端的加工设备和复杂的工装也无法真正解决该问题，只能相对提高偏心精度，而且还大大提高了生产成本，不利于球阀的推广应用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在球形基本体的基础上加工出双向偏心球面的夹具。

本发明采用的技术方案为：一种偏心顶块，包括顶块本体，所述顶块本体的第一表面上具有一个中心定位件和至少一对周边定位件，每对周边定位件关于中心定位件中心对称；所述顶块本体的与第一表面相对的第二表面上具有一个顶针孔，所述顶针孔的中心与中心定位件的中心间的垂直距离等于偏心球面的偏心量。

本发明的另一个目的是提供一种不仅操作简单、且可加工出高精度的具有双向偏心球面的球体的方法。

本发明采用的技术方案为：一种具有双向偏心球面的球体的加工方法，采用满足上述条件的两个偏心顶块，分别作为左和右偏心顶块，该加工方法包括如下步骤：

步骤1：在球形基本体上加工出一个与基准直径垂直的右平面，在右平面上加工出与右偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔，以及与右偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔；

步骤2：在球形基本体上加工出一个与所述右平面平行的左平面，在左平面上加工出与左偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔，并在左平面上加工出与左偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔，其中，左偏心顶块的各对周边定位件的位置，以及左平面的各对周边孔的位置要求二者适配安装后，左偏心顶块的顶针孔与右偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向；

步骤3：将左、右偏心顶块分别与球形基本体的左、右平面适配安装，使两个偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向；

步骤4：使球面车床的前顶针***右偏心顶块的顶针孔内，并使右偏心顶块与前顶针限制其相对转动地连接在一起；

步骤5：将球形车床的尾架顶针***与左偏心顶块的顶针孔内，并顶紧左偏心顶块；

步骤6：在球形基本体的包括右平面在内的右半球加工一向偏心的右侧偏心球面；

步骤7：取下左和右偏心顶块，将二者均旋转180度后再与球形基本体的左、右平面适配安装，并重复步骤4和5的操作；

步骤8：在球形基本体的包括左平面在内的左半球加工另一向偏心的左侧偏心球面。

优选地，所述球体为双向偏心金属硬密封球阀的球体，设所述球形基本体的三条相互间正交的直径为第一、第二和第三条直径，在以第一条直径为中心线形成贯通的流道孔的球形基本体上加工出以第二条直径为中心线的上轴端和下轴端；球形基本体的位于过第一和第二条直径的基准面的左侧和右侧部分分别为所述左和右半球；所述第三条直径为步骤1中所述的基准直径。

本发明的有益效果为：利用本发明的偏心顶块装卡球形基本体，即使通过普通的球面车床也可以加工出高精度的双向偏心球面；采用本发明的中心孔定位方法，具有操作简单和加工精度高的优点，进而若将该种方法应用于加工双向偏心金属密封球阀的球体，可以提高密封性能延长球阀的使用寿命，缩短球阀的制造时间，降低了球阀的生产成本。

附图说明

图1a为双向偏心金属硬密封球阀的球体的主视图；

图1b为图1a的B-B向剖视图；

图1c为图1a的俯视图；

图1d为示出图1c中标出的双向偏心情况的局部放大示意图；

图2为本发明所述偏心顶块的一种实施结构的立体结构示意图；

图3a为本发明所述偏心顶块的另一种实施结构的主视图；

图3b为图3a中A-A向的阶梯局部剖示意图；

图4a和4b分别从不同的视角示出了本发明中所使用的拨叉的立体结构示意图；

图5为在图1a至1d所示的球体上加工工艺孔后的结构示意图；

图6示出了图5所示球体与图3a所示偏心顶块，以及偏心顶块与图4a和4b所示拨叉适配安装后的结构；

图7为图6在一侧的***示意图。

具体实施方式

如图2，3a和3b所示，本发明提供了一种偏心顶块1，其包括顶块本体11，顶块本体11的第一表面上具有一个中心定位件16和至少一对周边定位件，每对周边定位件关于中心定位件11中心对称，即关于中心定位件11的中心对称，使偏心顶块1在旋转180度后具有未旋转时的分布结构；所述顶块本体11的与第一表面相对的第二表面上具有一个顶针孔12，所述顶针孔12的中心与中心定位件16的中心间的垂直距离等于偏心球面的偏心量e。

本发明提供的具有双向偏心球面的球体的加工方法，采用满足上述条件的两个偏心顶块，分别作为左和右偏心顶块，该加工方法包括如下步骤：

步骤1：在球形基本体上加工出一个与基准直径垂直的右平面，在右平面上加工出与右偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔(即该中心孔的中心线过球形基本体的球心)，以及与右偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔；在此，常规的加工顺序为先加工中心孔，再加工周边孔；

步骤2：在球形基本体上加工出一个与所述右平面平行的左平面，一般情况下，球心与左平面和右平面间具有相等的距离，在左平面上加工出与左偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔，并在左平面上加工出与左偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔；在此，左偏心顶块可与右偏心顶块具有相同的结构，也可具有不同的结构，只要使左偏心顶块的各对周边定位件的位置，以及左平面的各对周边孔的位置满足在二者适配安装后，左偏心顶块的顶针孔可与右偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向即可，这样就可保证球面车床的前顶针和尾架顶针可在等高的位置上进行支撑装卡，完成偏心加工；

步骤3：将左、右偏心顶块分别与球形基本体的左、右平面适配安装，使两个偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向；

步骤4：使球面车床的前顶针***右偏心顶块的顶针孔12内，并使右偏心顶块与前顶针限制其相对转动地连接在一起，在此，对于球面车床，其前顶针位于主轴上，这样就可通过前顶针带动球形基本体旋转，以完成球面的车削加工；

步骤5：将球形车床的尾架顶针***与左偏心顶块的顶针孔内，并顶紧左偏心顶块；

步骤6：在球形基本体的包括右平面在内的右半球加工一向偏心的以图1d所示的O2为球心的右侧偏心球面3a；

步骤7：取下左和右偏心顶块，将二者均旋转180度后再与球形基本体的左、右平面适配安装，即使偏心方向与步骤6中的偏心方向相反，并重复步骤4和5的操作，在重复步骤4和5的过程中，也可采用前顶针和尾架顶针分别与左和右偏心顶块的顶针孔相对应的等同替换结构，这样，有利于简化加工程序；

步骤8：在球形基本体的包括左平面在内的左半球加工另一向偏心的以图1d所示的O1为球心的左侧偏心球面3b。

作为偏心顶块1的一种实施方式，如图3a和3b所示的偏心顶块与如图2所示的偏心顶块间的区别为，该偏心顶块在顶块本体11的第二表面上设置有螺纹孔15，这样，在上述步骤7中即可利用螺栓取出左和右偏心顶块。该顶块本体11的第二表面上优选为设置两个中心连线过中心定位孔的中心线的螺纹孔15。

作为偏心顶块的一个实施例，如图3a所示，各对周边定位件位于顶针孔12的中心线与中心定位件16的中心线间的垂线和/或垂线的延长线上，在此指各对周边定位件的中心线过二者间的垂线。这样，有利于统一左偏心顶块1和右偏心顶块2，即二者可以采用具有相同结构的偏心顶块，也相应地可简化在左平面和右平面上加工工艺孔的操作。

所述顶块本体的第一表面可仅设置一对周边定位件，以在满足均衡定位的前提下简化偏心顶块的结构。所述中心定位件和一对周边定位件均为定位销，所述周边定位件位于顶针孔12的***，这样，如图5所示，仅需在球形基本体的左平面36和右平面(未示出)上各加工三个工艺孔(包括中心孔和周边孔)即可，在本实施例中，如图2和3a所示，该顶块本体上具有一对贯通的定位孔14，如图7所示，在该定位孔14中从第二表面一侧装入定位销，以在第一表面侧形成一对周边定位件。

在步骤4中，该右偏心顶块优选为通过安装于前顶针上的拨叉与前顶针限制其相对转动地连接在一起，即拨叉以限制其相对转动的方式安装于前顶针上，而右偏心顶块再以限制其相对转动的方式安装于拨叉上。机加工领域的技术人员应当清楚，在此并不限于通过拨叉实现同步转动连接，也可通过卡爪、卡盘等实现该种方式的连接。

如图4a和4b所示，该拨叉2优选为包括拨叉本体21，拨叉本体21中具有供携带前顶针的主轴通过并与主轴紧配合的安装孔22，拨叉本体21的与右偏心顶块的第二表面相接触的端面上具有卡块24，而右偏心顶块的第二表面上设置有如图2，3a和3b所示的与各卡块一一适配的卡槽13。在此，综合考虑简化结构和使右偏心顶块受力均衡的要求，该右偏心顶块的第二表面上设置有两个中心连线过中心定位件16的中心线的卡槽13，与之相对应地，该拨叉2具有两个卡块24，将右偏心顶块1与拨叉2适配安装后的结构如图6所示。

另外，按照机加工的一般程序，对精度要求较高的加工，一般要分成粗加工和精加工两道工序完成，在按照上述方法加工完左侧和右侧偏心球面后，可按照步骤3至8再进行一遍精加工，粗加工要为精加工留有加工余量，一般为2～3mm。通过本发明的加工方法，精车后，两向偏心距的误差≤0.02mm，与普通加工方法相比可提高位置公差精度3～5倍。所提及的误差值通过以下检测偏心误差的方法确定：利用偏摆机上的两向顶针顶住球体两平面上的中心定位孔，注意顶紧无间隙；检测台上的偏心球面处各放一只等高度、量程合适的千分表；转动球体一周记录左右千分表的读数，即可获知两向偏心球面的偏心误差。

根据背景技术的说明，本发明提供的该种具有双向偏心球面的球体的加工方法非常适合加工双向偏心金属硬密封球阀的球体，在此，设所述球形基本体的三条相互间正交的直径中，如图1a至1d所示，在以其中第一条直径x为中心线形成贯通所述球形基本体的流道孔35的球形基本体上加工出以第二条直径z为中心线的上轴端31和下轴端32；球形基本体的位于过第一和第二条直径的基准面的左侧和右侧部分分别为所述左半球和右半球；其中的第三条直径y即为上述步骤1中所述的基准直径。

步骤1中，在右平面上加工各对周边孔的位置要求优选为，使右偏心顶块与右平面适配安装后，右偏心顶块的顶针孔的中心线与中心定位件的中心线的垂线与第一条直径平行。

根据背景技术的内容可知，对于改进的球体，双偏心球面上设置有利于密封的硬质合金层，对于该种结构的球体，在步骤6的加工(车削)右侧偏心球面的过程中，可同时加工(车削)位于右侧偏心球面上的一圈平行于基准面的右侧堆焊凹槽3a1(调整垂直于主轴方向的进刀量即可)；在步骤7的加工(车削)左侧偏心球面的过程中，加工位于左侧偏心球面上的一圈平行于基准面的左侧堆焊凹槽3b1。

对于需要加工左侧和右侧堆焊凹槽的结构，按照上述方法完成粗加工后，即可通过焊机堆焊右侧堆焊凹槽3a1和左侧堆焊凹槽3b1。堆焊质量检验合格后，将球体按照步骤3、4和5的方式进行装卡，然后粗车偏心密封面(即右侧堆焊凹槽3a1的堆焊部分)，再精车偏心密封面，最后精车右侧偏心球面的非堆焊球面。之后，按照步骤6公开的方式反向偏心装卡，然后粗车偏心密封面(即左侧堆焊凹槽3b1的堆焊部分)，再精车偏心密封面，最后精车左侧偏心球面的非堆焊球面。根据上述说明可知，精车后，可使两向偏心距的误差≤0.02mm，而且，使两向密封面平行度≤0.03mm。所提及的平行度误差通过以下的检测双向偏心球面密封面的平行度误差的方法确定：利用偏摆机上的前后顶针顶住安装于球体两平面上的偏心顶块的顶针孔，用一只千分表来检测一向偏心的球面，记录其数据，千分表的摆动量即是球面的不圆度或与偏心轴线的跳动值；检测另一向偏心球面时，将偏心顶块调转180度后再用顶针顶住其顶针孔，此刻千分表的示值与前次的示值进行累加，即是所测的误差。

为了进一步提高加工精度，一般需要在精车后利用研磨机分两道工序粗研和精研右侧偏心密封面，以及，粗研和精研左侧偏心密封面。经精研后的球面的圆度误差可限为0.01mm，粗糙度Ra的上限值为0.2μm，公差等级为IT2，球体与相对应的阀座配合后，压力密封试验可达到零泄漏，启闭轻松。

加工上轴端31和下轴端32的方法可以采用机加工领域的技术人员熟知的车削方法进行，在加工完上轴端31和下轴端32后，即可将球形基本体定位安装于卧式加工中心的工作台上，使第一条直径x垂直于工作台，在此，机加工领域的工作人员应当清楚，可在流道孔孔内及孔口处利用定位块、压板和螺栓等进行定位，然后顺次完成以下工序：

工序1：精加工(即加工完上轴端后的二次加工)上轴端部分；

工序2：工作台回转180度，精加工(即加工完下轴端后的二次加工)下轴端部位：

工序3：工作台回转90度，完成步骤1；

工序4：工作台回转180度，完成步骤2。

这样，即可在球形基本体一次装夹后，连续顺次精加工完毕四个互为90度的面。在此，根据设计要求，精加工上轴端部分的工序一般包括：

工序1.1：精铣上轴端内的用于与阀杆适配安装的长方孔至要求；

工序1.2：精镗上轴端内的用于安装轴承的轴承套孔至要求；

工序1.3：精铣上轴端的孔口端面；

工序1.4：孔口倒角；

工序1.5：上轴端外圆倒角。

精加工下轴端部分的工序一般包括：

工序2.1：精镗下轴端内的用于安装轴承的轴承套孔至要求；

工序2.2：精铣下轴端的孔口端面；

工序2.3：孔口倒角；

工序2.4：下轴端外圆倒角。

本发明所提及的上、下轴端的加工，以及未提及的在加工上、下轴端之前进行的粗车内流道孔和粗车球体外圆及流道孔的球口端面的加工工序均为非常常规的加工工序，其并不构成本发明的发明点，在此不再赘述。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种偏心顶块，其特征在于：包括顶块本体，所述顶块本体的第一表面上具有一个中心定位件和至少一对周边定位件，每对周边定位件关于中心定位件中心对称；所述顶块本体的与第一表面相对的第二表面上具有一个顶针孔，所述顶针孔的中心与中心定位件的中心间的垂直距离等于偏心球面的偏心量。

2.一种具有双向偏心球面的球体的加工方法，其特征在于：采用权利要求1所述的两个偏心顶块，分别作为左和右偏心顶块，所述加工方法包括如下步骤：

步骤1：在球形基本体上加工出一个与基准直径垂直的右平面，在右平面上加工出与右偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔，以及与右偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔；

步骤2：在球形基本体上加工出一个与所述右平面平行的左平面，在左平面上加工出与左偏心顶块的中心定位件相适配的以基准直径为中心线的中心孔，并在左平面上加工出与左偏心顶块的各对周边定位件一一适配的各对周边孔，其中，左偏心顶块的各对周边定位件的位置，以及左平面的各对周边孔的位置要求二者适配安装后，左偏心顶块的顶针孔与右偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向；

步骤3：将左、右偏心顶块分别与球形基本体的左、右平面适配安装，使两个偏心顶块的顶针孔相对球形基本体的球心具有相同的偏心方向；

步骤4：使球面车床的前顶针***右偏心顶块的顶针孔内，并使右偏心顶块与前顶针限制其相对转动地连接在一起；

步骤5：将球形车床的尾架顶针***与左偏心顶块的顶针孔内，并顶紧左偏心顶块；

步骤6：在球形基本体的包括右平面在内的右半球加工一向偏心的右侧偏心球面；

步骤7：取下左和右偏心顶块，将二者均旋转180度后再与球形基本体的左、右平面适配安装，并重复步骤4和5的操作；

步骤8：在球形基本体的包括左平面在内的左半球加工另一向偏心的左侧偏心球面。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：所述球体为双向偏心金属硬密封球阀的球体，设所述球形基本体的三条相互间正交的直径分别为第一、第二和第三条直径，在以第一条直径为中心线形成贯通的流道孔的球形基本体上加工出以第二条直径为中心线的上轴端和下轴端；球形基本体的位于过第一和第二条直径的基准面的左侧和右侧部分分别为所述左和右半球；所述第三条直径为步骤1中所述的基准直径。

4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：在步骤6的加工右侧偏心球面的过程中，加工位于右侧偏心球面上的一圈平行于基准面的右侧堆焊凹槽；在步骤7的加工左侧偏心球面的过程中，加工位于左侧偏心球面上的一圈平行于基准面的左侧堆焊凹槽。

5.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：在加工出所述上轴端和下轴端后，将球形基本体定位安装于卧式加工中心的回转工作台上，使第一条直径垂直于工作台，然后顺次完成以下工序：

工序1：精加工上轴端部分；

工序2：工作台回转180度，精加工下轴端部位；

工序3：工作台回转90度，完成步骤1；

工序4：工作台回转180度，完成步骤2。

6.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：步骤1中，在所述右平面上加工各对周边孔的位置要求为，使右偏心顶块与右平面适配安装后，右偏心顶块的顶针孔的中心线与中心定位件的中心线间的垂线与第一条直径平行。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的偏心顶块，其特征在于：所述各对周边定位件位于顶针孔的中心线与中心定位件的中心线间的垂线和/或垂线的延长线上。

8.根据权利要求7所述的偏心顶块，其特征在于：所述顶块本体的第一表面具有一对周边定位件，所述中心定位件和一对周边定位件均为定位销，所述周边定位件位于顶针孔的***。

9.根据权利要求2至6中任一项所述的加工方法，其特征在于：在步骤4中，所述右偏心顶块通过安装于前顶针上的拨叉与前顶针限制其相对转动地连接在一起。

10.根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于：所述拨叉包括拨叉本体，所述拨叉本体中具有供携带前顶针的主轴通过并与主轴紧配合的安装孔，所述拨叉本体的与右偏心顶块的第二表面相接触的端面上具有卡块，所述右偏心顶块的第二表面上设置有与各卡块一一适配的卡槽。

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