バルブは、石油・ガス、化学処理、水処理など、精度と信頼性が最優先される産業において重要な部品です。バルブコンポーネントの生産は、厳しい公差、複雑な形状、一貫した品質を達成するために、CNC（コンピュータ数値制御）加工に大きく依存しています。この記事では、バルブボディ、ステム、ディスク、シート、ボンネットといった主要なバルブコンポーネントのCNC加工方法について、それぞれのプロセス、工具、パラメータ、重要な考慮事項について詳しく説明します。実用的なテクニックと技術的な洞察に焦点を当てることで、このガイドはエンジニア、機械工、メーカーに包括的なリソースを提供することを目的としています。
バルブ製造におけるCNC加工の概要
CNCマシニングは、コンピュータ制御のツールを使用してワークピースから材料を除去し、希望の形状に成形するサブトラクティブ製造プロセスです。バルブ部品の場合、CNC機械加工は比類のない精度、再現性、ステンレス鋼からインコネルのようなエキゾチック合金まで様々な材料を扱う能力を提供します。このプロセスでは通常、旋盤加工、フライス加工、ドリル加工、研削加工が行われます。 多軸CNCマシン 複雑な形状を1回のセットアップで実現する。
バルブ部品のCNC加工の主な利点は以下の通りです：
- 高精度： 公差は±0.005mmと厳しい。
- 汎用性がある： 少量生産にも大量生産にも適している。
- 素材の柔軟性： 金属、合金、さらには特定のポリマーの加工が可能。
- 複雑な幾何学： 多軸機は、何度もセットアップすることなく複雑な設計を可能にする。
しかし、成功した。 バルブ部品のCNC加工 には、材料特性、工具の選択、切削パラメータ、品質管理を慎重に考慮する必要があります。以下のセクションでは、各主要バルブ部品の加工方法について掘り下げていきます。
バルブボディの加工
バルブ本体は、内部部品を収納し、配管システムに接続する主要な構造部品である。通常、内部空洞、ねじポート、フランジ面を持つ複雑な部品であり、CNC加工の組み合わせが必要となります。
材料の選択と準備
バルブ本体は、炭素鋼（ASTM A216 WCBなど）、ステンレス鋼（316 SSなど）、または腐食環境用のハステロイのような合金などの材料から作られるのが一般的です。原材料は通常、鍛造または鋳造されたブランクで、表面欠陥を除去し、寸法安定性を確保するために事前に機械加工されます。
主な考慮事項
- 原材料、特に鋳造品に介在物や気孔がないか検査する。
- 機械加工の前に、アニールまたは焼きなましを行い、内部応力を緩和する。
CNC加工プロセス
バルブボディの機械加工には、通常以下のステップが含まれる：
- 荒加工/フライス加工： CNC旋盤またはフライス盤は、外径とフェースから余分な材料を除去する。2インチのゲートバルブボディの場合、典型的なパラメーターは、主軸回転数800～1200RPM、送り速度0.2～0.4mm/rev、切り込み深さ2～3mmです。
- 掘削とボーリング 内部空洞およびポートは、CNCドリルおよびボーリング工具を使用して加工する。316SSのバルブボディには、切削速度50～70m/min、送り速度0.1～0.15mm/revの超硬ドリルを使用する。加工硬化を防ぐためにクーラントは不可欠である。
- スレッディング： 接続用のねじポートは、CNCねじ切り加工またはタッピングで加工する。NPTネジの場合、テーパー角1°47'を確保し、切削速度30～50m/minのスレッドミルを使用する。
- 仕上げフライス加工： フランジ面とシール面は、表面粗さRa 0.8～1.6µmになるように仕上げ切削する。送り速度0.05～0.1 mm/歯、切削速度100～150 m/分のフェースミルを使用する。
主な検討事項
品質を保証するために、機械工はこうしなければならない：
- 重い材料を除去する際の振動を最小限に抑えるため、剛性の高い固定具を使用してください。
- バルブ本体の材質は摩耗しやすいので、工具の摩耗を監視する。
- フランジの厚さ（±0.02mm）やポートのアライメントなどの重要な寸法を確認するため、CMM（三次元測定機）を使用して工程内検査を行う。
バルブステムの加工
バルブステムは、操作部からディスクやゲートに動きを伝え、スムーズな操作と漏れのないシール性を確保するために高い精度が要求されます。ステムは一般的に細長い部品で、ネジ部、キー溝、研磨された表面を持っています。
素材とデザインに関する考察
ステムは、耐食性と耐久性のために、ステンレス鋼（例：410 SSまたは17-4 PH）または高強度合金から作られることが多い。デザインには、円筒形シャフト、作動用ネジ部、研磨されたシール部が含まれます。
主な考慮事項
- 繰り返し荷重に耐えられるよう、耐疲労性の高い材料を選ぶ。
- 運転中のバインディングを防ぐため、真直度と同心度を確認する。
CNC加工プロセス
バルブステムの加工には以下が含まれる：
- 回っている： CNC旋盤でステムの外径と長さを成形する。直径10mmの410SSステムの場合、切削速度は80～120m/min、送り速度は0.1～0.2mm/rev、切り込み深さは0.5～1mmを使用する。
- 糸の切断： アクチュエータ接続用のねじは、1点ねじ切り工具またはねじ切りミルを使用して切ります。メートルねじM10x1.5の場合、切削速度は40～60m/min、送り速度はねじピッチと同期させます。
- キー溝加工： トルク伝達用のキー溝は、サイド・アンド・フェース・カッターを備えたCNCフライス盤でフライス加工する。キー溝の幅の公差は±0.01mmに保つ。
- 研磨： シール部は、CNC研削盤または超仕上げ工程を使用して、表面仕上げRa 0.4μmまで研磨される。
主な検討事項
重要な要素には以下が含まれる：
- 細いステムにはステディ・レストを使用し、旋回の際のたわみを最小限に抑える。
- 高精度の工具を使用し、厳しい公差を達成する（例えば、シール面の公差は±0.005mm）。
- 研削中の熱変形を防ぐため、クーラントを塗布する。
バルブディスクの加工
弁体（またはゲート）は、通路を開閉することで流れを制御します。その形状はバルブのタイプによって異なりますが（例えば、ゲートバルブはくさび形、バタフライバルブは円形）、シーリング性能には精度が重要です。
素材と形状
ディスクは通常、摩耗や腐食に耐えるよう、ステンレス鋼、青銅、またはコーティングされた材料で作られている。ディスクの形状には、シール面、ガイド機能、ステムの取り付け位置が含まれます。
主な考慮事項
- ガルバニック腐食を防ぐため、バルブ本体との材質の適合性を確認してください。
- 最適な接触が得られるよう、正確な角度（例えばウェッジゲートでは5°）でシール面を設計する。
CNC加工プロセス
バルブディスクの加工には以下が含まれる：
- 荒加工/フライス加工： ディスクの基本形状は、CNC旋盤またはフライス盤を使用して形成する。4インチのバタフライバルブディスクの場合、切削速度は70～100m/min、送り速度は0.15～0.3mm/revを使用する。
- プロファイル加工： ウェッジ角やカーブエッジなどの複雑な輪郭は、5軸CNCフライス盤で加工する。シーリング・アングルの公差は±0.02 mmに保つ。
- 掘削： ステム取り付け用の穴は、位置精度のために±0.01mmの公差で開けられている。
- 表面研磨： シール面は、CNC平面研削盤を使用し、20～30m/minの切削速度でRa 0.8μmに仕上げられる。
主な検討事項
品質を達成するために：
- セットアップを最小限にし、同心度を維持するために多軸機を使用する。
- 定盤とインジケータを使用して、シール面の平坦性を検査する。
- 耐摩耗性のために必要であれば、機械加工後にコーティング（ステライトなど）を施す。
バルブシートの加工
弁座はディスクまたはゲートとシールを形成し、卓越した表面仕上げと寸法精度が要求されます。シートは一体型（バルブ本体に直接機械加工）または分離型（所定の位置にプレスまたは溶接）があります。
素材とデザイン
シートは、多くの場合、ステンレス鋼、ステライト、またはソフトシーテッドバルブ用の PTFE で作られています。設計には、ディスクに適合する特定の角度または半径を持つシール面が含まれます。
主な考慮事項
- 摩耗を防ぐため、シートとディスクの硬度の適合性を確認する。
- シール圧を均一にするため、正確な同心度を維持します。
CNC加工プロセス
バルブシートの加工には以下が含まれる：
- つまらない： 一体型シートの場合、CNCボーリング工具を使用してシール部をボーリングする。3インチのボールバルブシートの場合、切削速度は60～90m/min、送り速度は0.1～0.2mm/revを使用する。
- プロフィール・ターニング シール角度または半径は、成形工具を使用して加工する。シール径の公差は±0.01mmに保つ。
- ラッピング： シール面は、ダイヤモンドペーストを使用したCNCラップ盤でRa0.2～0.4μmに仕上げられる。
- 検査だ： 表面仕上げの確認にはプロフィロメーターを、寸法精度の確認にはCMMを使用する。
主な検討事項
重要な要素には以下が含まれる：
- 高精度の工具を使用して、鏡面仕上げを実現する。
- 材料の歪みを避けるため、ラッピング中の温度管理を行う。
- 真円度計でシートの真円度を確認する（許容誤差：±0.005 mm）。
バルブボンネットの加工
ボンネットは弁の内部部品を囲み、ステムをシールします。ボンネットには通常、ネジ式またはボルト式の接続部と、ステムをシールするためのスタッフィングボックスが含まれます。
素材とデザイン
ボンネットは、炭素鋼やステンレス鋼など、弁本体部と同じ材質で作られています。フランジ、ステム用センターボア、パッキン押さえが含まれます。
主な考慮事項
- 圧力および熱負荷に耐える材料強度を確保する。
- スタッフィングボックスは、パッキング圧縮のために正確な公差で設計する。
CNC加工プロセス
ボンネットの加工には以下が含まれる：
- 回っている： 外径とフランジはCNC旋盤で加工する。6インチのボンネットの場合、切削速度は80～110m/min、送り速度は0.2～0.4mm/revとする。
- 掘削とボーリング センターボアとボルト穴は、位置精度のために±0.015mmの公差で機械加工されている。
- スレッディング： ボディ接続用のネジ山は、40～60m/分の切削速度でCNCスレッドミルを使用して切削される。
- 表面フライス加工： フランジ面は、送り速度0.05～0.1 mm/歯のフェースミルを使用してRa 1.6 µmの仕上げにフライス加工される。
主な検討事項
品質を確保するため：
- 重いフライス加工中の歪みを防ぐため、剛性の高いセットアップを使用する。
- 定規とフィーラーゲージを使ってフランジの平坦度を検査する。
- 組み立ての際、ネジ山に防錆剤を塗布する。
結論
CNC加工はバルブ部品製造の要であり、厳しい業界基準を満たす複雑で高精度な部品の製造を可能にします。慎重に材料を選択し、加工工程を最適化し、ベストプラクティスを遵守することで、メーカーはバルブボディ、ステム、ディスク、シート、ボンネットに要求される公差、表面仕上げ、信頼性を達成することができます。このガイドに記載されている詳細な工程とパラメータは、機械工とエンジニアが高品質のバルブ部品を効率的かつ一貫して製造するためのロードマップとなります。
よくある質問（FAQ）
バルブの部品にはどのような材料が一般的に使われていますか？
バルブの部品は通常、炭素鋼（ASTM A216 WCBなど）、ステンレス鋼（316 SS、410 SSなど）、青銅、またはハステロイやインコネルなどの高性能合金で作られています。ステンレス鋼は耐食性に優れ、合金は高温または腐食性環境に適しています。
バルブ部品のCNC加工で達成できる公差は？
CNC機械加工では、シール面やステム径のような重要な形状について、±0.005 mmという厳しい公差を達成することができます。重要でない寸法の一般的な公差は、部品や材質にもよりますが、通常±0.02 mmから±0.05 mmです。
バルブシート加工における表面仕上げはどのように管理されていますか？
バルブシートの表面仕上げは、精密旋削、研削、ラッピングによって制御されます。Ra0.2～0.4µmの一般的な仕上げは、ダイヤモンドペーストを使用したCNCラッピングマシンで達成されます。表面粗さの確認にはプロフィロメーターが使用されます。
細身のバルブステムを加工する際の課題は何ですか？
細長いバルブステムは、加工中にたわみや振動が発生しやすく、精度に影響を与えます。この課題は、安定した静止状態、低い切削力、高精度の工具を使用することで軽減されます。また、熱変形を防ぐためにクーラントも使用します。