一种简单实用的球阀壳体车削加工方法及其刀具设计

在实际生产中，球阀壳体零件的内球面由于位置特殊，加工难度较大，尤其对于加工精度要求较高的零件，为了保证加工质量，就必须制定合理的加工工艺，并设计专用夹具和刀具。本文以球阀壳体的加工为例，介绍一种简单、实用的内球表面车削加工方法及其刀具设计。

1 球阀壳体内表面加工方案

壳体零件的内表面加工可以采取车削、铣削、磨削等多种方法。为了加工图 1 所示的球阀壳体，此前曾采用成形铣刀分别对球体的两个内表面进行铣削加工，但加工精度未能达到要求。因此，该零件的加工被列为校内科研课题进行攻关。

图 1 球阀壳体剖面图

通过分析，加工该零件内表面最理想的方法是采用车削加工。由于用普通车床手动车削很难保证球面的尺寸精度和表面质量，造成与其它零件配合时，难以实现良好的面接触，因此必须采用数控车削，以保证加工精度。

由于该阀体的内表面近似于一个封闭球体，加工时刀具进出很不方便。如采用普通镬刀加工，由于刀杆悬伸长度超过了 75mm，因此很难保证其刚性。因此，合理设计刀具是实现加工的关键步骤。

2 刀具的设计

为了便于刀具进出工件内腔，刀头的尺寸不宜过大。为此，设计了一个活动刀头。这种刀头不仅要解决刀具进出工件的问题，而且在频繁的装拆过程中，必须确保刀具的位置精度。车刀的装配见图 2。刀杆材料选用 45 钢（热处理至 HRC40-45）。车刀采用中心钻改制而成。刀头的槽孔和刀杆的槽均采用数控线切割加工而成，采用过渡配合，并用螺钉在一端固定，以保证刀具在 X 方向窜动最小。刀头的分解见图 3。车刀在刀头内可沿 X 方向调整，并用螺钉固定。

图 2 车刀装配图

图 3 刀头分解图

3 刀尖圆弧半径的误差补偿

在实际加工中，所用刀尖都有一个半径不大的圆弧。而在数控车削编程中，为了方便起见，通常将刀尖看作一个点（图 4 中的 A 点）。在对刀时，一般是以车刀的假想刀尖作为刀位点，因此，在车削加工时，由于假想刀尖与实际刀具切削点的运动轨迹不一致，如果不采取补偿措施，就可能产生加工误差。虽然在切削端面、内径和外径时不会产生误差，但在切削锥面和圆弧时会产生少切或过切。

图 4 假想刀尖与刀尖圆角（A.假想刀尖 B.实际刀具切削点）

为了消除车刀刀尖圆角引起的加工误差，首先要知道刀尖圆角半径的大小。用刀具测量仪对刀尖进行测量的结果为 R0.21mm。

加工所用车床的数控系统为 Fanuc OI-Mate，具有刀尖圆弧半径补偿功能，因此可用刀具半径补偿指令（G41，C42）进行刀尖圆角半径补偿。按照刀具路径前进方向，刀具位于工件右侧，因此应采用 G42 刀补指令。刀具补偿与假想刀尖相对于刀尖圆角中心的方位有关（共有 8 种方位），图 4 的方位代码为 3。确定相关参数后，先用试切法确定车刀在 X 轴和 Z 轴的位置，并输人补偿值，然后输人刀尖圆弧半径 R 和假想刀尖方位代码 T（见《表 1》）。

数控加工程序如下：

粗加工程序……

N50 G00 X0 Z37

N60 G42 G01 Z35

N70 G03 X0 Z0 R37 F0.05

N80 G40 G00 Z37

……

只要按照定好的位置将刀具置位，即可进行加工。切削完毕后，通过直径 φ28 的孔拆下刀头，沿 Z 轴移走刀杆（X 方向不动），然后拆下工件，装上新零件后，再将刀杆置位，装上刀头，即可继续加工。

检测结果表明，用该方法加工出的球阀壳体零件的尺寸精度和表面质量完全合格。

为球阀壳体的大批量加工而设计的活动刀头既保证了加工精度（同心度），又便于装拆（装拆时间仅需 20 多秒），而通过对刀尖圆弧半径的误差补偿，有效保证了圆弧面半径尺寸的加土精度。这种加工方法适合大多数有拆卸孔的球阀壳体内表面加工。