一种阀杆制造工艺及阀杆的制作方法

1.本发明涉及阀杆制造技术领域，具体涉及一种阀杆制造工艺及阀杆。


背景技术：

2.阀杆作为控制阀中重要的传动部件，在其动作时打开或关闭阀口，从而使油路连通或截断。其中，在大功率高速开断碟簧液压机构用的大流量快速控制阀中，控制阀分闸动作时，阀杆会承受不小于400kn的推力，阀杆的运动速度不低于5m/s，其与阀套为线密封金属密封阀口，阀口处产生极大的撞击力，由于阀杆结构复杂、内含通孔等结构，因此阀杆芯部需具备极高的强度及韧性，其外部表层需具备极高的强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，阀杆整体需具备极高的尺寸及形位公差精度，从而保证阀杆能够适用于高推力、强撞击的大流量快速控制阀应用场景中。
3.申请公布号为cn107663565a的中国发明专利申请公布了一种超高临界大口径锻钢闸阀专用阀杆制造工艺，该阀杆加工工序依次为：下料、锻造成型坯料、热处理以及机加工。其中，热处理在淬火后及时进行冷处理，处理后的坯料恢复至室温后，立即进入回火阶段，以充分去除坯料淬火时和冷处理的热应力和组织应力，促使坯料组织转变充分，保证同批阀杆的硬度差相差较小，提高阀杆的机械性及抗压力，该工艺加工出的阀杆的抗拉强度σb＝680mpa，屈服强度σs＝470mpa，延伸率a＝27％，断面收缩率z＝57％，硬度235。
4.但经过计算和试验可知，该专利加工工艺中加工出的阀杆的表面强度并不适用于大功率高速开断碟簧液压机构用的大流量快速控制阀中，在承受不小于400kn的推力时，该工艺加工出的阀杆仍然容易被撞坏破损，影响阀杆的使用，现有技术中也没有能够进一步提高阀杆强度、硬度、耐磨性等性能的加工工艺或方法，因此急需设计一种提高阀杆强度、硬度、耐磨性等性能的阀杆制造工艺，以使阀杆适用于强撞击、高速度、高推力的应用场景中。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种阀杆制造工艺，以解决现有技术中阀杆制造工艺加工出的阀杆容易在高强度推力下磨损、撞坏的技术问题；另外，本发明的目的还在于提供一种阀杆，以解决上述问题。
6.为实现上述目的，本发明所提供的一种阀杆制造工艺的技术方案是：
7.一种阀杆制造工艺，依次包括以下步骤：
8.(1)对阀杆外表面进行半精加工；
9.(2)将半精加工后的阀杆进行表面高频处理，以在阀杆的表面形成硬化层；
10.(3)对阀杆外表面的硬化层进行精加工以满足设计要求。
11.有益效果：先对阀杆进行半精加工使阀杆形状结构均能够初步成型，之后对半精加工的阀杆进行高频处理，高频处理的原理是将材料放在介质内短时高温加热、保温、冷却，从而改变材料表面的组织结构，本发明通过对半精加工后的阀杆进行高频处理，从而在
阀杆的外表面加工出硬化层，硬化层能够提高阀杆表层的耐撞击、耐磨损性能，之后再对具有硬化层的阀杆进行精加工，使阀杆精度满足安装使用需求，提高了强度、硬度、耐磨性等性能的阀杆满足了碟簧液压机构用大流量快速控制阀使用要求，有效地解决了现有技术中阀杆制造工艺加工出的阀杆容易在高强度推力下磨损、撞坏的技术问题。
12.优选地，所述阀杆由航空航天用钢材料制成；高频处理采用的电流频率限定为3900-4100hz，比功率为2-2.1kw/cm2，加热时间限定为1-1.25s，以使得硬化层的深度大于或等于1.5mm，阀杆的表面硬度为hrc50-hrc55。经过不断计算和试验，采用航空航天用钢材料制作阀杆相较于常规钢材料，在保证芯部高强高韧的性能时，表层能具备高强高硬的性能，更适用于高推力、高速度、高撞击的阀杆应用环境。而加热比功率、加热时间和高频电流频率是综合考虑硬化层深度以及设备能力后进行的优化选择，兼顾了设计要求和成本等方面的考虑。
13.优选地，所述高频处理采用的高频电流频率为3900hz，比功率2kw/cm2，加热时间为1s。
14.优选地，对精加工后的阀杆进行表面改性强化处理，以在阀杆外表面形成复合渗层。阀杆外表面形成复合渗层，进一步增加阀杆外表面的硬度和耐磨性，同时能够提高表层疲劳强度。
15.优选地，所述表面改性强化处理为qpq处理工艺，以使阀杆外表面硬度不低于hv700，复合渗层深度不低于30μm，并对阀杆外表面进行抛光处理。qpq处理工艺采用盐浴进行材料的表面改性硬化处理，作为常用的、性能优秀的处理工艺，快速达到阀杆表面改性强化的目的。
16.优选地，半精加工前对阀杆进行整体调质处理。调质处理能够保证阀杆芯部具备足够的强度和韧性，保证阀杆的整体强度满足使用需求。
17.优选地，调质处理前对毛坯进行锻造而形成所述阀杆。锻造处理能够细化坯体晶粒，强化组织，晶粒尺寸不大于10μm，提高强度和韧性。
18.优选地，半精加工时采用车铣复合中心加工阀杆，加工出的阀杆轴线加工位置同轴度不低于ф0.03mm，表面粗糙度不低于ra0.8。
19.优选地，精加工时采用数控磨床，精确磨削阀杆的轴线加工位置同轴度不低于ф0.02mm，表面粗糙度不低于ra0.2，数控磨床中砂轮转速450r/min，零件转速180r/min，进给量3mm/r，背吃刀量0.005mm。
20.本发明所提供的阀杆的技术方案是：
21.一种阀杆，由阀杆制造工艺制造而成，该阀杆制造工艺依次包括以下步骤：
22.(1)对阀杆外表面进行半精加工；
23.(2)将半精加工后的阀杆进行表面高频处理，以在阀杆的表面形成硬化层；
24.(3)对阀杆外表面的硬化层进行精加工以满足设计要求。
25.有益效果：先对阀杆进行半精加工使阀杆外形、内孔等阀杆形状结构均能够初步成型，之后对半精加工的阀杆进行高频处理，高频处理的原理是将材料放在介质内短时高温加热、保温、冷却，从而改变材料表面的组织结构，本发明通过对半精加工后的阀杆进行高频处理，从而在阀杆的外表面加工出硬化层，硬化层能够提高阀杆表层的耐撞击、耐磨损性能，之后再对具有硬化层的阀杆进行精加工，使阀杆精度满足安装使用需求，本发明所提
供的提高了强度、硬度、耐磨性等性能的阀杆，能够满足碟簧液压机构用大流量快速控制阀使用要求，有效地解决了现有技术中阀杆制造工艺加工出的阀杆容易在高强度推力下磨损、撞坏的技术问题。
26.优选地，所述阀杆由航空航天用钢材料制成；高频处理采用的电流频率限定为3900-4100hz，比功率为2-2.1kw/cm2，加热时间限定为1-1.25s，以使得硬化层的深度大于或等于1.5mm，阀杆的表面硬度为hrc50-hrc55。经过不断计算和试验，采用航空航天用钢材料制作阀杆相较于常规钢材料，在保证芯部高强高韧的性能时，表层能具备高强高硬的性能，更适用于高推力、高速度、高撞击的阀杆应用环境。而加热比功率、加热时间和高频电流频率是综合考虑硬化层深度以及设备能力后进行的优化选择，兼顾了设计要求和成本等方面的考虑。
27.优选地，所述高频处理采用的高频电流频率为3900hz，比功率2kw/cm2，加热时间为1s。
28.优选地，对精加工后的阀杆进行表面改性强化处理，以在阀杆外表面形成复合渗层。阀杆外表面形成复合渗层，进一步增加阀杆外表面的硬度和耐磨性，同时能够提高表层疲劳强度。
29.优选地，所述表面改性强化处理为qpq处理工艺，以使阀杆外表面硬度不低于hv700，复合渗层深度不低于30μm，并对阀杆外表面进行抛光处理。qpq处理工艺采用盐浴进行材料的表面改性硬化处理，作为常用的、性能优秀的处理工艺，快速达到阀杆表面改性强化的目的。
30.优选地，半精加工前对阀杆进行整体调质处理。调质处理能够保证阀杆芯部具备足够的强度和韧性，保证阀杆的整体强度满足使用需求。
31.优选地，调质处理前对毛坯进行锻造而形成所述阀杆。锻造处理能够细化坯体晶粒，强化组织，晶粒尺寸不大于10μm，提高强度和韧性。
32.优选地，半精加工时采用车铣复合中心加工阀杆，加工出的阀杆轴线加工位置尺寸同轴度不低于ф0.03mm，表面粗糙度不低于ra0.8。
33.优选地，精加工时采用数控磨床，精确磨削阀杆的轴线加工位置同轴度不低于ф0.02mm，表面粗糙度不低于ra0.2，数控磨床中砂轮转速450r/min，零件转速180r/min，进给量3mm/r，背吃刀量0.005mm。
附图说明
34.图1为本发明所提供的实施例1中阀杆制造工艺锻造出的坯体的结构示意图；
35.图2为图1中的坯体加工出的阀杆的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.1、坯体；2、阀杆；3、中心孔；4、第一加工位置；5、第二加工位置；6、第三加工位置。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通
常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。
41.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.以下结合实施例对本发明作进一步地详细描述。
44.本发明所提供的阀杆制造工艺的具体实施例1：
45.如图1和图2所示，本实施例中的阀杆制造工艺用于加工出高强度、高硬度、高耐磨性的阀杆2，阀杆通过本实施例中的阀杆制造工艺加工后，在其外表形成极高硬度的硬化层，硬化层保证阀杆表面的硬度和耐磨性，硬化层靠高频处理步骤完成。为保证坯体材料能够在高频处理的过程中形成高强度、高硬度硬化层，本实施例中图1所示的坯体1选用航空航天所用的超高强度钢材料制作而成，阀杆制造工艺包括锻造、热处理、机加工、高频处理和表面改性强化处理。其中，机加工包括对阀杆进行的半精加工和精加工，高频处理在半精加工之后、精加工之前。
46.其中，本实施中的阀杆制造工艺的具体加工步骤为：
47.(1)对钢材料进行切削锻造，初步制成加工阀杆所需的坯体；
48.(2)步骤(1)完成后采用真空热处理炉对坯体进行调质处理，使坯体芯部性能达标；
49.(3)步骤(2)完成后对调质处理后的坯体进行半精加工磨削，使阀杆的造型被初步加工完成；
50.(4)步骤(3)完成后将半精加工后的阀杆进行高频处理，使阀杆表面在高频处理加热后形成强度极高的硬化层；
51.(5)步骤(4)完成后对高频处理后外表面形成硬化层的阀杆进行精加工，使阀杆上各结构的尺寸精度、粗糙度及同轴度等规定指标均能够精确达标；
52.(6)步骤(5)完成后将精加工后的阀杆进行表面改性强化处理，之后进行抛光处理，进一步提高阀杆的表面硬度和表面耐磨性。
53.在上述各步过程中，具体地指标参数为：
54.如图1所示，步骤(1)的锻造过程中，对航空航天用超高强度钢材料进行切削锻造，制成矩形的坯体1，锻造的温度范围为850℃～1180℃，每次加热锻压使坯体1的变形程度不低于35％，锻造比8～12，锻件切削压锻后缓冷至150℃后空冷，锻件若出现过热倾向，可采用较高温度正火(不小于950℃)改善组织，细化晶粒，强化组织，使坯体的晶粒尺寸不大于10μm。
55.步骤(2)对步骤(1)锻造出的坯体进行热处理调质，调质采用真空热处理炉，热处理包括预备热处理和调质热处理，具体工艺参数为：预备热处理采用正火温度925
±
15℃、保温时间30min空冷，回火温度650℃～700℃、保温时间120min空冷；调质热处理采用淬火温度870
±
15℃、保温时间30min油冷，回火温度380
±
5℃、保温时间120min空冷；此步骤增强坯体整体强度，调质后的坯体硬度hrc30～hrc35，保证了阀杆芯部不低于1200mpa的屈服强度及102j/cm2的冲击韧性。
56.步骤(3)中的半精加工磨削采用车铣复合中心设备加工阀杆中心，对调质后的坯体进行半精加工，阀杆外周的结构以及内部的通孔结构均能够被加工出来，如图2所示，加工出的阀杆2的前端第一加工位置4、中部第二加工位置5以及后端第三加工位置6等各关键加工位置的同轴度不低于ф0.03mm，表面粗糙度不低于ra0.8。
57.步骤(4)对半精加工后的阀杆进行高频处理，改变阀杆外表面的组织结构，使阀杆表面形成硬化层，高频处理采用的电流频率限定为3900-4100hz，比功率为2-2.1kw/cm2，加热时间限定为1-1.25s。当频率为3900hz、比功率为2kw/cm2，加热时间为1s时，阀杆外部硬化层深度约为1.5mm，表面硬度约为hrc51；当频率为4100hz、比功率为2.1kw/cm2，加热时间为1.25s时，阀杆外部硬化层深度约为2mm，表面硬度约为hrc55。本实施例中，经过不断试验验证，高频处理采用的最优频率为3900hz、比功率为2kw/cm2，加热时间为1s。
58.步骤(5)中对高频处理完成后的阀杆采用数控磨床进行精加工，磨削阀杆轴线加工位置上的各关键部位，使阀杆上各关键部位同轴度不低于ф0.02mm，表面粗糙度不低于ra0.2，数控磨床具体的磨削工艺参数为：磨床砂轮转速450r/min，零件转速180r/min，进给量3mm/r，背吃刀量0.005mm。
59.步骤(6)中表面改性强化处理的处理工艺为qpq工艺，该工艺过程的原理是：通过将金属零件放入性质不同的盐浴中，使多种元素渗入金属表面形成复合渗层，达到阀杆表面改性以进一步增加强度、保持硬度的目的；具体的工艺过程和参数为：将精加工后的阀杆预热(温度370
±
10℃、时间10min)-氮化盐浴(温度560
±
10℃、时间80m)-氧化盐浴(温度370
±
10℃、时间15min)；在两种物质的盐浴完成后对阀杆进行抛光，之后再进行二次盐浴，二次氧化盐浴(温度560
±
10℃、时间80min)，最终对阀杆进行磷油处理，使阀杆外表面硬度不低于hv700，复合渗层深度不低于30μm，完成阀杆的加工。
60.本实施例中，采用航空航天超高强度钢材料进行锻压、调质处理，使阀杆芯部的屈服强度及冲击韧性得到保证，车铣复合进行半精加工，保证阀杆整体尺寸及形位公差精度等参数需求。在半精加工后对成型阀杆进行高频处理，通过高频处理的高频率电流短时间加热，使阀杆外表面形成硬化层，保证阀杆表面的硬度和耐磨性，阀杆表面大于1.5mm深度
的硬化层具有不低于1800mpa的屈服强度及59j/cm2以上的冲击韧性，相较于现有技术中的加工工艺加工出的阀杆，本实施例中的阀杆屈服强度和韧性极大地提高，表面硬度及耐磨性也极大地提升，阀杆不容易被撞坏破损，延长了阀杆的使用寿命，提高了使用稳定性，阀杆适用于大功率高速开断碟簧液压机构用的大流量快速控制阀，有效地解决现有技术中阀杆制造工艺加工阀杆容易在高强度推力下磨损、撞坏的技术问题。
61.本实施中的阀杆制造工艺在实际使用时，可以直接购买市场上已经进行锻造以及调质的阀杆，仅进行半精加工之后的工序。
62.应当说明的是，无论是半精加工还是精加工，其加工方式不局限于上述的方式，比如半精加工中也可以进行磨削，精加工中也可以进行车削。
63.本发明所提供的阀杆制造工艺的具体实施例2：
64.与实施例1的不同之处在于，实施例1中,阀杆的坯体采用航空航天用钢材料制成。本实施例中，坯体采用密度和硬度更高的铜板材料制成。
65.本发明所提供的阀杆制造工艺的具体实施例3：
66.与实施例1的不同之处在于，实施例1中，对精加工磨削加工后的阀杆进行的表面改性强化处理为qpq处理工艺。本实施例中，表面改性强化处理为非金属加热涂层工艺。其他实施例中，表面改性强化处理还可以是气体渗透工艺如渗氮、渗碳等改性工艺。
67.本发明所提供的阀杆的具体实施例：
68.本实施例中的阀杆由上述各阀杆制造工艺的实施例加工而成，阀杆表面形成有不小于1.5mm的硬化层，阀杆能够被加工成适用于装配和使用的具体所需形状，其强度、性能、阀芯韧性以及抗撞击能力均能够得到保证。
69.最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。