способ изготовления сферической пробки крана с шаровым затвором

Формула изобретения

Способ изготовления сферической пробки крана с шаровым затвором, включающий получение сферической заготовки со сквозным проходным отверстием и с установочными базовыми поверхностями, чистовую обработку шлифовальным инструментом сферической поверхности заготовки, установленной на вращающейся оправке, и формирование паза под приводной вал или шпиндель крана и торцевых поверхностей, определяющих ширину шарового пояса пробки, отличающийся тем, что в качестве материала для заготовки используют техническую керамику, паз под приводной вал или шпиндель и торцевые поверхности шарового пояса формируют в процессе получения сферической заготовки, а чистовую обработку сферической поверхности осуществляют кольцевым алмазным инструментом с концентрацией алмазных зерен, возрастающей в радиальном направлении от периферии к центру, и с внутренним диаметром не менее ширины шарового пояса пробки, при этом ось вращения инструмента располагают перпендикулярно оси вращения заготовки в плоскости, равноудаленной от стенок паза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическому, химическому и нефтяному машиностроению и может быть использовано при изготовлении запорной и регулирующей трубопроводной арматуры.

Известен способ изготовления сферической пробки крана с шаровым затвором и шлифовальный инструмент для его осуществления по обзорной информации "Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы", Серия XM-9, статья Н.Н. Кузьмина и др., Шаровые краны и прогрессивные способы их изготовления, с. 13-17, М., ЦИНТИХИМ НЕФТЕМАШ, 1980, включающий в себя получение сферической заготовки со сквозным проходным отверстием и с установочными базовыми поверхностями для последующей обработки, чистовую обработку сферической поверхности заготовки, при которой заготовку базируют в приспособлении по установочным базовым поверхностям и, сообщая ей вращение, обрабатывают шлифовальным инструментом, а также последующее формирование паза под приводной вал или шпиндель крана и торцевых поверхностей, определяющих ширину шарового пояса пробки.

В известном способе изготовления сферической пробки технологическая цепочка - получение заготовки - сферотокарная обработка - шлифование сферы - чистовая обработка торцев шарового пояса (необходимая после штамповки) - фрезерование паза - предполагает многократную переустановку и перебазирование заготовки на различном оборудовании, что приводит к увеличению трудоемкости и к снижению точности изготовления, увеличению погрешностей геометрической формы шаровых пробок.

Это обусловлено, в частности, тем, что фрезерование паза по известному способу является последней операцией (после чистовой обработки) изготовления пробки. Базирование отшлифованной заготовки перед фрезерованием паза осуществляют, используя сферическую или цилиндрическую поверхности либо участок их сопряжения, что требует достаточно сложных приспособлений для базирования и не устраняет наличия значительного смещения паза от номинального положения после его изготовления.

Упомянутое смещение паза (центр сферической поверхности пробки не лежит в плоскости симметрии паза или в плоскости, равноудаленной от стены паза) приводит к несоосности оси приводного вала или шпинделя крана в собранном виде (между осями пробки и вала или шпинделя образуется эксцентриситет). Это увеличивает усилие, необходимое для проворота вала или шпинделя при эксплуатации крана, смещение паза дополнительно нагружает уплотнительные элементы приводного вала или шпинделя и пробки, увеличивает их износ и, в конечном итоге, ухудшает герметичность крана и сокращает срок его службы.

Кроме того, известная технология предусматривает изготовление сферических пробок из металла, имеющего низкую стойкость в агрессивных средах, что сужает область их применения.

Высокой стойкостью в агрессивных средах обладает запорная и регулирующая арматура, элементы конструкции которой выполнены из технической керамики. Однако известный способ изготовления не может быть целиком использован для получения керамической сферической пробки из-за качественных особенностей данного материала.

Помимо значительной трудоемкости изготовления и невозможности полностью использовать технологию для получения керамических сферических пробок, имеющие место неточности и погрешности формы шаровых пробок, изготовленных по известному способу, как было отмечено, ухудшают герметичность и увеличивают усилие проворота приводного вала или шпинделя крана, что может привести к заклиниванию и разрушению элементов его конструкции и, соответственно, сокращает срок его службы.

Все это снижает эксплуатационные качества кранов со сформированными пробками, изготовленными по известной технологии.

Вместе с тем неточности изготовления, в частности погрешности геометрической формы, в еще большей степени могут негативно влиять на эксплуатационные качества шаровых пробок из керамики, что обусловлено качественными свойствами этого материала.

Например, неточности изготовления и отклонения в расположении паза керамической сферической пробки могут привести к тому, что при взаимодействии стенок паза с валами или шпинделями крана в процессе эксплуатации из-за относительной хрупкости керамики и вследствие краевых эффектов на стенке паза, сопряженной со сферической поверхностью пробки под более острым углом, могут образовываться сколы.

Кроме того, шлифование сферической поверхности пробки в известном способе производят чашечным коническим кругом, абразивный материал которого однороден по составу в любой части круга. В процессе шлифования зона контакта режущей части круга и заготовки перемещается в радиальном направлении. Особенности формы круга и неравенство окружных скоростей различных его точек (в радиальном направлении) вызывают неравномерный износ различных участков его режущей части и нестабильность процессов резания на различных стадиях шлифования, что требует достаточно частой правки геометрической формы режущей части круга и дополнительно увеличивает трудоемкость изготовления пробки.

Известно шлифование по книге "Шлифование металлов", В.В. Лоскутова, с. 24, М., изд. Машиностроение, 1970, алмазным кругом, содержащим алмазоносное кольцо, состоящее из алмазных зерен, связки и наполнителя. Вследствие вышеуказанных причин износ данного круга при шлифовании сферической поверхности и интенсивность процессов резания также будут неравномерными, а правка круга из-за высокой твердости зерен еще более трудоемка.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности и снижения трудоемкости изготовления, а также повышения эксплуатационных качеств сферических пробок с шаровым затвором за счет использования в качестве материала для заготовки технической керамики и возможности в связи с этим сократить технологическую цепочку и количество переустановок заготовки, используя при этом в качестве базовых установочных поверхностей сквозного проходного отверстия и стенок паза, а также за счет выполнения шлифовального инструмента с геометрической формой и структурой абразивного материала, обеспечивающих стабильность процессов резания и равномерный износ режущей части круга и исключение его правки.

Это достигается тем, что в способе изготовления сферических пробок крана с шаровым затвором с использованием шлифовального инструмента для его осуществления, включающем в себя получение сферической заготовки со сквозным проходным отверстием и с установочными базовыми поверхностями для последующей обработки, чистовую обработку сферической поверхности заготовки, при которой заготовку базируют в приспособлении по установочным базовым поверхностям и, сообщая ей вращение, обрабатывают шлифовальным инструментом, а также последующее формирование паза под приводной вал или шпиндель крана и торцовых поверхностей, определяющих ширину шарового пояса пробки, в качестве материала для заготовки используют техническую керамику, а в процессе получения заготовки формируют торцевые поверхности шарового пояса и паз под приводной вал или шпиндель крана, после чего проводят чистовую обработку сферической поверхности, устанавливая заготовку на оправке, имеющей поперечное сечение, соответствующее форме поперечного сечения отверстия, и, базируя заготовку по внутренней поверхности отверстия и наружной поверхности оправки, причем в качестве шлифовального инструмента используют кольцевой алмазный круг, ось которого располагают перпендикулярно оси вращения заготовки с оправкой, а выставление заготовки в направлении оси ее вращения осуществляют по одной из стенок паза, устанавливая заготовку на оправке в этом направлении так, чтобы ось круга располагалась в плоскости, равноудаленной от стенок паза, при этом внутренний диаметр круга выбирают не меньшим ширины шарового пояса, а окончание процесса шлифования производят внутренней кромкой круга, образованной пересечением его торцевой и внутренней цилиндрической поверхностями.

Указанная задача решается также за счет того, что в шлифовальном инструменте, содержащем алмазоносное кольцо, состоящее их алмазных зерен, связки и наполнителя, алмазоносное кольцо выполнено с концентрацией алмазных зерен, возрастающей в радиальном направлении от периферии к центру.

Изобретеник поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема базирования и чистовой обработки керамической заготовки сферической пробки крана с шаровым затвором, а на фиг. 2- конструктивное выполнение шлифовального инструмента.

Сферическую заготовку 1 пробки крана изготавливают из технической керамики, применяя любую известную технологию получения керамических изделий.

В процессе получения заготовки 1 в ней формируют сквозное проходное отверстие 2, торцовые поверхности 3 шарового пояса и паз 4 со стенками 5 шириной "а" под приводной вал или шпиндель крана. Сквозное отверстие 2 может быть цилиндрическим или иметь в поперечном сечении форму эллипса, квадрата и т. п. После изготовления заготовка 1 направляется на чистовую обработку. Чистовая обработка осуществляется шлифованием на станке 6, имеющем шпиндель 7 с соосно установленной в нем оправкой 8, поперечное сечение которой соответствует форме поперечного сечения отверстия. Наружная поверхность 9 оправка 8 является базовой при выставлении заготовки 1 для обработки шлифовальным инструментом 10, ось которого перпендикулярна оси шпинделя 7 и оси вращения оправки 8 с заготовкой 1. При установке заготовки 1 перед шлифованием на оправку 8 она базируется по внутренней поверхности отверстия 2 и наружной поверхности 9 оправки 8.

В направлении оси вращения оправки 8 и, соответственно, оси вращения заготовки 1 шпинделя 7 станка 6 заготовка 1 выставляется по одной из стенок 5 паза 4 любым известным способом (с помощью упоров, индикаторов и т.д.). При этом для того, чтобы плоскость симметрии паза 4 или плоскость, равноудаленная от его стенок 5, проходила через центр "0" сферической поверхности готовой пробки, необходимо расположить плоскость симметрии паза 4 так, чтобы в этой плоскости находилась ось вращения инструмента 10. Тогда после обработки шлифованием плоскость симметрии паза 4 будет проходить через центр "0" сферической поверхности пробки.

Сквозное отверстие 2 может быть образовано участками, оси которых пересекаются, например, как у шаровой пробки трехходового крана. В этом случае заготовка 1 базируется на оправке 8 с помощью участка отверстия, ось которого перпендикулярна плоскости симметрии паза 4. Ось отверстия 2 и ось вращения заготовки 1 могут не совпадать (ось конструктивно смещена относительно центра сферической поверхности пробки). В этом случае ось вращения заготовки 1 при обработке и ось отверстия 2 должны быть расположены параллельно, что достигается за счет соответствующего конструктивного исполнения оправки 8.

Так как расстояние "B" от базовой поверхности станка 6 до оси инструмента 10 является известной величиной, для выставления заготовки 1 в направлении оси ее вращения при обработке так, чтобы в плоскости симметрии паза 4 располагалась ось инструмента 10, необходимо учесть лишь величину, равную половине ширины паза 4, то есть расстояние "a/2". Например, при базировании заготовки 1 по ближней к базовой поверхности станка 6 станке 5 паза 4 расстояние "С" (положение плоскости симметрии паза 4) определяется так C= B - a/2, а при базировании по другой стенке 5 расстояние C= B + a/2. После установки заготовки 1 указанным образом она закрепляется на оправке 8 цанговым, кулачковым или другим зажимом 11 или с помощью других известных средств фиксации и обрабатывается шлифовальным кругом 10 его подачей к центру "0".

В качестве шлифовального инструмента 10 используется алмазный круг (кольцевой) с внутренним диаметром, не меньшим ширины шарового пояса.

В процессе обработки формообразующая зона 12 режущей части инструмента - алмазного круга 10 (зона взаимодействия заготовки 1 и режущей части круга 10) перемещается к внутренней кромке 13, образованной пересечением торцовой поверхности режущей части с внутренней цилиндрической поверхностью круга 10. Окончательное формирование заданного размера сферы осуществляется внутренней кромкой 13, так как внутренний диаметр круга 10 не меньше ширины шарового пояса пробки. Конечное положение (вылет) круга 10 ограничивается регулируемым упором, а при настройке определяется, исходя из замеров сферической поверхности сферометром до тех пор, пока не будет получена сферическая поверхность требуемого размера.

Внутренний диаметр круга 10 выбирается из условия окончания съема припуска каждой заготовки 1 внутренней кромкой 13 формообразующей зоны 12. Выполнение этого условия обеспечивает исключение правки геометрической формы режущей части круга 10 за счет того, что зона взаимодействия заготовки 1 и круга 10 "обрывается" на внутренней цилиндрической поверхности инструмента - алмазного круга 10 при достижении заданного размера сферы пробки в конце шлифования. При использовании круга 10 с внутренним диаметром меньшим, чем размер, определяемый указанным выше соотношением, возникает необходимость в достаточно точной настройке величины подачи круга 10 в направлении к центру "0", при этом неравномерный износ формообразующей зоны в конечной стадии шлифования требует правки профиля режущей части круга 10.

Кроме того, так как в начале обработки припуск снимается наиболее удаленным от оси круга 10 участками формообразующей зоны 12, имеющими наибольшую окружную скорость, а в конце обработки - внутренней кромкой 13, имеющей меньшую окружную скорость, интенсивность процессов взаимодействия инструмента 10 с заготовкой 1 в формообразующей зоне 12 выше в начале шлифования и ниже в конце шлифования. Для обеспечения стабилизации процесса формообразования алмазоносное кольцо 14 выполнено с концентрацией алмазных зерен 15, возрастающей в радиальном направлении от периферии к центру в зависимости от соотношения окружных скоростей участков формообразующей зоны 12 в начале и в конце обработки.

По предложенному способу была получена сферическая пробка ДУ15 с диаметром сферы D = 25^-0,1 с несферичностью 0,005 мм и шероховатостью поверхности сферы 0,1 мкм, отклонение от номинального положения стенок паза составило 0,05 мм.

Таким образом, заявленный способ изготовления позволяет получить сферическую керамическую пробку с минимальным отклонением стенок паза от номинального положения, что обеспечивает равенство углов сопряжения стенок паза со сферической поверхностью пробки и уменьшает вероятность возникновения сколов на пробке в процессе эксплуатации, при этом достигаемое предложенным способом повышение точности обработки за счет уменьшения эксцентриситета между осями пробки и вала или шпинделя снижает усилие поворота последних в процессе эксплуатации крана, повышает его герметичность, а применение керамики позволяет использовать краны для работы в агрессивных средах.