球阀球体基本原理和成形物理分析

福州仪器阀门厂根据生产发展的需要，计划建立一条球阀球体加工生产线，鉴于本厂目前没有完善的不锈钢球体铸、锻设备(市区不允许有影响城市环境的生产设备)，球体毛坯均依靠外协加工，不但费用高，质量不稳定，而且交货期不能保证，影响了正常的生产。并且这两种方法得到的毛坯存在加工余量大，材料利用率低，特别是铸造球体存在毛细孔漏气等缺点，导至产品成本高，质量难以稳定等，严重影响本厂的生产发展。因此，对球体加工技术的改造势在必行。

1、球体旋压的原理

1.1、阀门球体技术参数

表一：球体技术参数

1.2、球体成形方法比较

(1)铸造法

这是一种传统的加工方法，它需要一套完善的熔炼、浇注等设备，还需要较大的厂房和较多的工人，投资大，工序多，生产工艺复杂，并污染环境，每道工序的工人技术水平直接影响产品的质量，球体毛细孔渗漏的问题尚无法彻底解决，而毛坯加工余量大，浪费大，往往在加工过程中发现因铸造缺陷使其报废，至使产品成本增高，质量无法保证，此法本厂不宜采用。

(2)锻造法

这是目前国内许多阀门企业所采用的另一种方法，它有二种加工方式：其一是用圆钢切断加热锻打成球形实心毛坯，然后进行机械加工。其二是将下料成圆形的不锈钢板在大型压力机上模压成形，得到空心半球形毛坯，然后再对焊成球体毛坯进行机械加工，此法材料利用率较高，但需一台大功率的压力机和加热炉以及氩孤焊设备，预计投资需要300万元才能形成生产力，此法也不适合本厂的情况。

(3)旋压法

金属旋压法是一种先进的少、无切屑加工方法，属于压力加工的新分支，它综合了锻、挤、轧及滚压等工艺特点，具有材料利用率高(可达80-90%)，节省大量的加工时间(1-5分钟成形)，经旋压后材料强度可提高一倍。由于旋压时，旋轮与工件小面积接触，金属材料得于二向或三向压应力状态，易于变形，在较小的动力下，就可获得较高的单位接触应力(可达25-35Mpa)，因此，设备重量轻，所需总功率小(不到压力机的1/5-1/4)，现已被国外阀门行业公认为是一种节能的球体加工工艺方案，同时也适用于加工其它空心回转体的零件。

旋压技术在国外已得到广泛的应用和高速的发展，工艺和设备均十分成熟和稳定，并实现机、电、液一体化的自动控制。目前，旋压技术在我国也得以较大的发展，已进入推广实用的阶段。

2、旋压球体毛坯的技术条件

根据本厂生产需要并结合旋压变形特点，拟定如下技术条件：

(1)旋压毛坯材料和型式：1Gr18Nr9Tr、2Gr13的钢管或钢板；

(2)旋压球体毛坯形状结构：

3、旋压成形方案

球体旋压因所选用毛坯型式不同，效果也不相同，经分析可用二种方案：

3.1、钢管缩颈旋压法

此方案分为三步：第一步是将钢管根据尺寸切断后，夹在旋压机床主轴夹盘中随主轴一起旋转，旋轮借助于液压仿形装置对管坯进行若干次旋压，使其逐渐缩径收口，形成半圆球体；第二步将已形成的球体部份切下，并加工焊接坡口；第三步将二个半球体用氩孤焊对焊成所需的空心球体毛坯。

钢管缩颈旋压法方法的优点：不需要模具，成形工艺较简单；缺点是：需要用特定的钢管，有焊缝、且钢管成本较高。

3.2、钢板普旋法

此方案有二种方式：第一种方式将平板圆形材料利用尾座液压的顶力，紧压在球形芯模的外端面上，同主轴一起旋转，利用液压仿形装置，经若干次旋压使平板逐渐地收缩变形贴附在芯模上，得到一个空心半球体，然后切去多余毛边并加工焊接坡口，后将二个半球体用氩孤焊对焊成所需的空心球体毛坯。电站阀门

第二种方式同样用平板毛坯普旋，所不同的是旋成半球形后，还需要旋出一段呈圆柱形的半成品，然后将半成品毛坯装在内半球形的芯模中，利用与通径相同的尾座顶杆压紧，进行与钢管缩颈相同的旋压法，将圆柱段逐渐缩旋(收口)形成另一半球，并将收口多余的金属材料贴在顶杆上，最后切掉多余部分，以获得一个所需的整体空心球毛坯。

钢板普旋法的此法优点：钢板来源方便、价格与钢管对比价格较低，能实现完整的空心结构球体。与钢管缩颈旋压法前面方案对比，缺点是需要二个芯模，旋压工艺复杂，所需旋压设备结构和控制均较复杂，设备造价较高，但从经济效益和产品质量方面来分析，此方案仍是最佳方案。

4、旋压机床的选取

该旋压机床由机、电、液三部分组成，是较先进的机电液一体化较先进的中型机床。机床示意原理。它由主轴变速箱和液压顶出器、尾座、旋轮架、床身等部分组成。

在液压传动方面，有一个液压站及其液压系统，它为机床提供除主轴旋转之外的所有动力。旋轮横向为旋压仿形控制装置，包括仿形阀，仿形板、调整机构及支架等。

在电控方面采用先进的计算机自动控制，实现旋压过程的自动化。

5、结论

上述各种加工方案的比较表明，用平板旋压的球体毛坯是一种最佳方案，不论在工艺上，还是在产品质量上都达到预期的效果。但任何事物都有它的两面性，平板旋压球体工艺复杂，所需旋压设备结构和自动控制均有较高的要求，局限了它的推广。