In den Bereichen der kohlechemischen Industrie und des Transports über Hochdruckleitungen bestimmen die Genauigkeit der Dichtfläche der Schieberplatte des Hochdruck-Schieberventils aus Chrom-Molybdän-Stahl (A105N, F91) mit einem Durchmesser von Φ 200–500 mm (mit einer geforderten Ebenheit ≤ 0,015 mm/100 mm und Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,6 μm) sowie die Koaxialität der Ventilkammer und des Flansches (≤ 0,025 mm) direkt die Druckdichtheitsleistung – eine solche Armatur muss langfristig einem Druck von 42 MPa und einer Temperatur von 350 °C standhalten. Falls die Bearbeitungsgenauigkeit nicht den Vorgaben entspricht, überschreitet die Leckrate des Mediums (z. B. Synthesegas aus Kohle zu Olefinen) den in API 602 festgelegten Grenzwert von 0,001 %, was zu Korrosion der Anlage oder Sicherheitsrisiken führen kann. Bei der Bearbeitung dieser Art von Schieberventilen stößt ein heimischer Hersteller von Hochleistungsarmaturen auf ein bekanntes prozesstechnisches Problem: Es sind drei Arbeitsschritte notwendig – „Vorfräsen der Ventilkammer auf einer Drehbank → Präzisionshonen der Dichtfläche der Sperre auf einer Vertikalhonenmaschine → Bohren der Flanschschraubenlöcher auf einer Rüttelbohrmaschine“. Mehrfaches Einspannen führt dazu, dass die Koaxialität zwischen Ventilkammer und Flansch 0,05–0,07 mm überschreitet, der Ebenheitsfehler der Sperrendichtfläche bei 0,03–0,05 mm liegt und die Erfolgsquote beim Drucktest lediglich 88 % beträgt. Chrom-Molybdän-Stahl (F91) weist einen hohen Chromgehalt und hohe Festigkeit bei erhöhter Temperatur auf. Die Werkzeugverschleißrate beim Zerspanen ist 2,5-mal so hoch wie bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl. Die Standzeit von Hartmetallwerkzeugen beträgt nur 25–30 Stück pro Schneide, wodurch die Werkzeugkosten pro Ventil über 320 Yuan liegen. Die Bearbeitungszeit pro Stück beträgt bis zu 50 Minuten, was die Erfüllung der Anforderung nach „kurzer Lieferzeit“ in kohlechemischen Projekten erschwert.
Um die Schwierigkeiten zu überwinden, führte das Unternehmen die CNC-Vertikaldrehmaschine Shenyang Machine Tool CK525 ein und baute ein spezielles Bearbeitungssystem für Absperrventile mit „Anpassung an schwer zu bearbeitende Materialien + hochpräzise Steuerung der Hochdruckdichtung“. Die Anlage verfügt über einen geschlossenen, hochfesten Grauguss-Bettkörper (mit einer Wanddicke von 80 mm), der einer doppelten Spannungsrelaxation unterzogen wurde – „natürliche Alterung über 12 Monate + Vibrationsermüdung über 72 Stunden“. In Kombination mit dem Design von rechteckigen Schlittenkissen und vierpunktig gelagerten hydrostatischen Führungsbahnen wird die Steifigkeitsverteilung durch Finite-Elemente-Analyse optimiert. Die radiale Schneidsteifigkeit erreicht 38 kN/mm und kann somit stabil der radialen Kraft von 22 kN beim Zerspanen von Chrom-Molybdän-Stahl standhalten. Ausgestattet mit dem Fanuc 31i-B5 CNC-System und einer vollständig geschlossenen Regelung durch Messschieber (Auflösung 0,01 μm) erzielt die Anlage eine Positioniergenauigkeit von ± 0,008 mm und eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,005 mm, wodurch die Toleranzanforderungen der H6-Klasse der Sitzdichtfläche exakt erfüllt werden. Um den hohen Temperaturen und der Neigung zur Kaltverfestigung von Chrom-Molybdän-Stahl entgegenzuwirken, ist die Anlage mit einem Spindel-Innenkühlsystem unter hohem Druck (Kühlungsdruck 1,8 MPa, Durchflussmenge 45 L/min) sowie Hartmetall-Schneidplatten aus ultrafeinkörnigem CBN (kubisches Bornitrid, Härte HV3200, bei hohen Temperaturen um 40 % verbesserte Verschleißfestigkeit) ausgestattet. In Kombination mit der Technologie der „kälteerzeugenden Ölnebel-Kühlung“ (Temperatur im Schneidbereich unter 60 °C gehalten) wird effektiv verhindert, dass die Schneidkante ausbricht oder Spanbildung auftritt.
Kundennutzungsszenarien
In Bezug auf technologische Innovation hat die Anlage einen Durchbruch bei der »präzisen Bearbeitung von Hochdruck-Absperrventilen in einem einzigen Spannprozess« erzielt: Integration eines Φ-750-mm-Vierbacken-Hydraulikspannfutters (Spannkraft bis zu 100 kN, geeignet für Ventilgehäuse mit Φ 200–500 mm), eines 8-Stationen-Servoturms (Werkzeugwechselzeit 1,4 Sekunden) und einer radialen angetriebenen Bohr- und Gewindeschneidspindel. Damit können in einem Arbeitsgang die präzise Ausbohrung der Ventilkammer (Zylindrizität ≤ 0,006 mm), die genaue Drehbearbeitung der Spiegeloberfläche der Sitzdichtfläche der Keilplatte (unter Verwendung des »konstante Schnittgeschwindigkeit + Mikrozuführung«-Verfahrens, Schnittgeschwindigkeit 80–120 m/min, Einstelltiefe 0,03–0,05 mm, Ebenheit ≤ 0,012 mm/100 mm), die präzise Drehbearbeitung der Flanschansicht (Ebenheit ≤ 0,018 mm) sowie das Bohren und Gewindeschneiden von 8–16 Flanschschraubenlöchern (Positionsgenauigkeit ≤ 0,018 mm) durchgeführt werden. Die Lochpositionstoleranz beträgt 0,08 mm und entspricht dem API-602-Standard für die Symmetrie von Ventilschraubenlöchern. Um der Anforderung nach einer »hochpräzisen spiegelglatten Oberfläche« an der Dichtfläche der Keilplatte gerecht zu werden, setzen wir innovativ ein »mehrstufiges, progressiv präzises Bearbeitungsverfahren« ein: Im ersten Durchgang wird 70 % des überschüssigen Materials abgetragen, im zweiten Durchgang werden Form- und Lagetoleranzen mit einer Einstelltiefe von 0,08 mm korrigiert, und im letzten Durchgang erfolgt der spiegelglatte Schnitt mit einer Einstelltiefe von 0,02 mm. In Kombination mit dem Maschinenmessfühler von Renishaw (Messgenauigkeit ± 0,0005 mm) wird die thermische Verformung des Werkstücks in Echtzeit kompensiert, wodurch die Rauheit der Dichtfläche stabil bei Ra 0,4 μm liegt. Für den Wechsel zwischen verschiedenen Absperrventiltypen (z. B. Druckstufen PN25–PN42) verfügt die Anlage über 35 vorkonfigurierte Prozessparametervorlagen, wodurch die Rüstzeit von traditionell 2 Stunden auf 18 Minuten reduziert wird.
Dreiseitige Spezialvorrichtung für Drei-Wege-Bearbeitung
Die Implementierungsergebnisse entsprechen vollständig den Branchenstandards für Hochdruckventile: Der Einzelbearbeitungszyklus wurde von 50 Minuten auf 26 Minuten verkürzt, und die tägliche Produktionskapazität stieg von 160 auf 280 Einheiten; Die Koaxialitätsstabilität zwischen Ventilkammer und Flansch beträgt ≤ 0,02 mm, und die Ebenheit der Sperrflächenabdichtung liegt bei ≤ 0,012 mm/100 mm, was vollständig den Anforderungen der API 602 „Kompakte Stahlschieber“ und GB/T 12234 „Stahlschieber mit schraubverbundenem Ventildeckel für die Erdöl- und Erdgasindustrie“ entspricht; Die Durchgangsrate des Produktdrucktests stieg von 88 % auf 99,2 %, und die Leckrate wurde unter 0,0008 % kontrolliert, wodurch der technische Standard von Shell Coal Chemical für „Null-Leckage“ erfüllt wird; Die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen aus Chrom-Molybdän-Stahl (F91) hat sich um 80 % verlängert (bis zu 45–54 Stück/Schneide), und die Kosten für Schneidwerkzeuge pro Ventil sanken auf 180 Yuan; Das auf dem Gerät installierte intelligente Betriebs- und Wartungsmodul kann Schnittkräfte (Genauigkeit ± 0,5 %) und Spindelschwingungen (Abtastrate 1 kHz) in Echtzeit erfassen. In Kombination mit einem Verschleißvorhersagemodell für Werkzeuge wurde die Gesamtnutzungsrate der Anlage von 76 % auf 94 % erhöht, und die jährliche Stillstandszeit verringerte sich um 400 Stunden.
CK525 hat das branchenweite Problem der 'schwierigen Bearbeitung + hohe Präzision' bei Hochdruck-Druckkugelhähnen aus Chrom-Molybdän-Stahl vollständig gelöst. „Der technische Leiter des Unternehmens erklärte: 'Unsere Absperrhähne wurden bereits erfolgreich in großtechnischen kohlechemischen Projekten wie Baofeng in Ningxia und Tianye in Xinjiang eingesetzt. Sie haben nicht nur die globale Lieferantenzertifizierung von Shell bestanden, sondern erfüllen auch die strenge Anforderung eines 'kontinuierlichen Betriebs für 8000 Stunden ohne Wartung', wodurch wir eine technologische Hürde im Marktsegment für Hochdruckarmaturen aufgebaut haben.'“ Dieser Fall bestätigt, dass CNC-Vertikal-Drehmaschinen durch die tiefe Integration von 'kundenspezifischer Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, geschlossener Regelung der Dichtgenauigkeit unter Hochdruck und effizienter Prozessintegration' zum Kerngerät zur Überwindung von Qualitäts- und Effizienzengpässen in der Herstellung von Hochdruckarmaturen geworden sind.
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