止回阀阀体关键结构加工工艺探索与结构优化

止回阀阀体关键结构加工工艺探索与结构优化

李捷麒

上海凯胜信息技术有限公司 201206

摘要：止回阀大量应用于流体管道中，起到了十分重要的作用，本文选取止回阀关键结构阀体孔进行研究，针对实际加工中出现的问题，开展了各类试验，寻找了切实可行的加工方案，并提出了后续结构优化方案，保障了阀体与轴套装备后的轴套尺寸精度需求。

关键词：止回阀；零件加工；工艺探索；结构优化

止回阀是流体运输管道控制的基本元器件之一，应用十分广泛，主要起到防止流体逆向流动，把控管道内流体流动方向、保护管道器材的作用^[1]。止回阀工作时主要依靠圆形阀瓣的自身重量或流动介质产生的动力驱动阀瓣动作，实现管道的畅通与闭合^[2]。止回阀是一类自动阀，根据阀瓣运动的方式划分，主要类型包括旋转启动式和升降启动式^[3]。其中升降式止回阀的整体结构与截止阀类似，但没有驱动阀瓣的阀杆结构，使用时介质从进口端流入，从出口段流动，当进口压力大于阀瓣重力及流动阻力合力时，阀门在合力的作用下开启，反之介质倒流时，阀门关闭。

传统的止回阀的可动部件，如阀头和阀瓣等，由于工作环境中介质流动快，具备独特的物理环境特性：一是阀体开启与关闭的速度很快，动作时会引起瞬间的介质压力波动^[4]（一般被称为水击现象），进而产生的最大水压可以达到介质正常压力的六倍以上^[5]，严重考验管道及阀体本身的抗压强度；二是止回阀的阀瓣运动速度过快，会存在直接与阀体碰撞的现象，这种碰撞往往会叠加流体的作用，严重时将导致阀瓣结构损坏或寿命减少^[6]。从上述的情况可以看出，由于独特的工作环境，阀体本身的密封性与抗压性直接影响使用寿命。

止回阀阀体材料不同结构部位之间硬度存在差别，其重要结构轴套孔在加工时切削不连续，但是作为密封的重要组件，阀体孔的加工尺寸精度要求极高，两方面的因素使得现有加工的工艺难度增大，成品率有待提升。针对刀具间断切削产生的跳刀现象，以及加工时圆度尺寸和精度不能满足既定需求的问题，在分析故障可能性的基础上，在实际生产中进行了工艺试验，探索了满足精度需求的加工工艺，同时从便于加工的角度，在不影响功能的前提下，提出了结构优化方案。

1 止回阀原理及故障分析

阀瓣结构止回阀在使用时，最常出现阀瓣卡塞的问题，使得整个止回阀的功能出现异常或完全失效。经过对出现问题的止回阀进行拆解并测试，发现轴套孔靠近腔体中腔的部位发生明显变形，尺寸偏离明显、圆度尺寸超差严重。

从加工工艺角度进行分析，得到轴套孔变形的可能原因有以下两个方面：一是在加工阶段，由于轴套孔结构存在不连续切削的工艺，且加工不连续处材料为阀体基材奥氏体钢和堆焊硬质合金层的交界处^[7]，两种材料的硬度差别较大，使得加工刀具在该部位出现让刀的现象，影响加工精度；二是轴套孔完成装配进行应用时，轴套孔与轴套之间产生不均匀的相互作用，经过较长时间的效用累积，轴套孔与轴套的配套尺寸和圆度尺寸超差，装配精度不能达到既定的设计要求。

2 加工试验及方案探索

某型阀体孔尺寸为 ，轴套外径尺寸为 ，轴套孔尺寸为 ，阀体与轴套之间为过渡配合，明确以上故障原因的基础上，对轴套孔加工的问题进行试验，聚焦于避免出现让刀现象，开展了进刀量试验与刀具加工试验。方案探索的方案包括减小进刀量、改进加工刀具、增加研磨工序等，各种方法的加工试验情况如下。

2.1通过减小进刀量进行改进试验

选取多个待加工阀体为试验件，以检验合格的轴套为检测件，刀具选用常用的单头镗刀。在既有加工工序的基础上，减少进刀量进行加工，对多个加工工件进行尺寸检测，检测后的结果见表1。分析表1中的加工结果可知，采用小的进刀量进行加工后，圆度的误差有所改善，但是仍未完全符合要求（＜0.05mm），即通过减小进刀量无法克服止回阀阀体材质硬度差及加工不连续对加工精度的影响。通过该工艺方案完成的加工件在装入阀体后，轴套内孔有比较大的变形，结果不满足实际的精度需求。

表1 减小进刀量加工后尺寸数据（mm）

2.2通过选用更精密刀具进行改进试验

选取待加工的阀体件为试验件，采取更精密的刀具进行工艺改进探索，测试中保证加工的所有参数一致，但是刀具选为微调精密镗刀进行加工。该型刀具为专业加工刀具，可以有效虚伪若止回阀阀体材料硬度差及加工不连续导致的让刀问题^[8]。对该工艺加工后的工件进行尺寸测量，结果见表2，分析数据可知，采用更加精密的刀具仍不能完全消除圆度及尺寸偏差的问题，且实际加工完成后，阀体加工面有明显让刀现象。

表2 选用更精密刀具加工后尺寸数据（mm）

此外，将该方法加工得到的工件与合格的轴套进行组合测试，测量其轴套孔的变形大小，经分析可知，变形量相比较于原始方法有所改善，但仍存在较大的变形，无法满足设计的需求，这说明该方法对于加工的改善效果有限。

2.3通过增加研磨工序进行工艺改进试验

在采用精密镗刀完成加工的基础上，增加专用研磨工序对加工尺寸进行修正。试验结果表明，经过研磨微调，加工件的尺寸完全满足设计的需求。将尺寸符合规定的轴套与之装配进行测试，测量装配的尺寸数据，多组数据如下表3所示。分析数据可知，轴套组合的变形量明显减少，完全满足设计需求。这说明通过精密镗刀加工，此后配合精密研磨的工艺，可以满足加工需要。

表3 增加研磨工序后加工后尺寸数据（mm）

2.4 加工试验结果分析

采用以上的三种加工工序，从减小进刀量、选用更精密刀具、增加研磨的方法，轴套孔尺寸加工的精度呈现不断改善的趋势，说明措施逐步有效。其中采用减小进刀量的方法：轴套孔圆度尺寸有所改善，但是提升效果有限，数据显示最大的偏差小于0.15毫米；采用更精密刀具的加工方法：轴套孔圆度尺寸相比较于减少进刀量进一步改善，但仍不满足需求，数据显示最大偏差小于0.075毫米；在选用更精密刀具基础上，进行精密研磨：轴套孔各种尺寸数据满足需求，数据显示最大偏差小于0.022毫米，从经济效益上讲，该种方法将带来成本的小幅度提升，很难在实际大规模生产中得到广泛应用。

3 结构优化分析

通过上述分析结果可知，通过改进加工工艺的方法，虽然可以满足轴套孔的精度要求，但是成本已无法承受，因而必须配合开展结构设计优化。经分析，在满足功能需求的基础上，止回阀阀体孔与轴套之间的配合可以由过渡配合改为间隙配合，在圆弧部位改为过渡配合，同时增加其他部位的密封需求。经过以上的设计改正后，采用精密镗刀进行加工，经测试可得轴套孔各尺寸满足设计需求，满足大规模生产的需要。

4 结束语

止回阀出现阀瓣卡塞的问题，经分析发现根本原因是止回阀阀体孔现有加工工艺无法满足设计需求，本文围绕此问题开展研究，通过实际测试发现仅通过改善加工工艺无法满足加工需求。随后提出基于设计方案的修改，配合加工工艺的改进，可以使得阀体孔与套轴的配合既满足了功能需求，又可降低了加工难度，后续通过开展实际的加工，应用于实际后，未再出现卡塞现象。

参考文献

1. 方本孝,郑庆伦,王渭.高性能止回阀结构设计的分析研究[J].流体机械,1998(4):10-14.

2. 张宝江.轴流式止回阀的应用[J].石油化工设计,2011,28(2).

3. 雍歧卫,瞿德刚.止回阀水力特性分析及水击计算[J].阀门,2003(5):1-4.

4. 王敏.止回阀阀体强度计算与应力分析[D].哈尔滨工程大学,2013.

5. 邱晓来,史国平,孙晓霞.止回阀结构设计进展[J].流体机械,1991(5):42-47.

6. 李永德.止回阀的正确选择[J].油气储运,1994,13(2):38-42.

7. 孟磊磊.主给水止回阀设计与分析[D].

8. 庄会涛,周志宏.斜瓣倾转式止回阀的研究与设计[J].科技信息,2013(6):167-168.