賈建利，劉金合，高 楠

（1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

隨著兵器技術(shù)的發(fā)展，新一代火炮要求比以往的火炮打得更遠(yuǎn)、使用壽命更長，同時要求它有與戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)場機(jī)動性需要相適應(yīng)的輕便性，因此，對火炮身管的要求也越來越高［1］.隨著炮管材料變硬，膛線數(shù)目增多，槽線變深，纏角變大，機(jī)械拉削難以實現(xiàn)膛線的加工.因電解加工（Electrochemical Machining，ECM）具有一次成型、加工效率高，離子級溶解、表面質(zhì)量好，工具損耗小、無殘余應(yīng)力的優(yōu)點，在深孔和膛線加工中尤為突出［2-3］.文獻(xiàn)［4］提出了電解加工陰極的計算機(jī)輔助設(shè)計方法，解決了7個腰子型槽難加工問題，縮短了陰極研制周期.文獻(xiàn)［5］提出了深槽混合膛線電解加工陰極新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，文獻(xiàn)［6］提出混合膛線陰極新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法.因此，電解加工膛線變得不可或缺，它可以使我國國防工業(yè)的制造技術(shù)和能力提高，對新型火炮快速研制很有意義.針對火炮炮管膛線的難加工問題，文中設(shè)計了內(nèi)孔拋光陰極、膛線陰極和電解加工裝置，通過工藝試驗反復(fù)修正加工陰極尺寸參數(shù)，最終實現(xiàn)火炮炮身管混合膛線電解加工，通過試驗分析，檢測工件尺寸和形狀滿足生產(chǎn)實際圖紙要求.

1 研究對象

膛線是槍、炮管內(nèi)膛的重要組成部分，是在內(nèi)孔拋光后采用電解加工一次成型的沿圓周均勻分布的一組螺旋槽，其中被陰極刻蝕后的凹入部分稱為陰線，未被刻蝕的部分稱為陽線［7］.炮管的斷面有矩形、梯形等形狀，現(xiàn)代槍、炮管的膛線斷面則多為矩形，如圖1所示.圖1（b）中，a為陽線寬度，B為陰線寬度，d為陽線直徑，D為陰線直徑，R為根部圓弧半徑.槍管膛線的深度約為其口徑的1.4%～2%，炮管膛線的深度約為其口徑的1%～1.5%；炮管膛線的表面粗糙度包括陽線表面粗糙度Ra0.8μm以下以及陰線表面粗糙度Ra1.6μm以下.

圖1 實物圖及矩形膛線斷面圖Fig.1 The cross－section of rectangular rifling

炮管膛線產(chǎn)品零件如圖2所示.炮管材料為30CrNiMoVA，加工前內(nèi)孔?29.3mm，光潔度Ra3.2μm；允許孔鉸大，但光潔度不低于Ra3.2 μm；錐度、橢圓度不得大于0.02mm；加工后內(nèi)孔?30.02＋0.06mm，光潔度 Ra0.8μm；在口部 15 mm長和尾部120mm長的范圍內(nèi)，允許不通樣柱通過；光潔度達(dá)不到時，允許用鉸刀精鉸，但光潔度不得低于Ra1.6μm；炮管全長2300mm，膛線為右旋等齊膛線，纏腳為5°7′45″±10′，膛線數(shù)目為24.炮管的外徑，膛線的寬度及根部圓角等如圖2所示.

圖2 炮管膛線零件圖Fig.2 The part drawing of artillery barriel rifling

2 陰極設(shè)計與研制

陰極是電解加工的“刀具”，它的結(jié)構(gòu)、形狀和精度對零件的加工質(zhì)量有極大地影響［7］.膛線是在槍炮的深內(nèi)孔表面刻出的一組從彈膛到炮口貫穿始終的均布于圓周方向的螺旋凹槽.膛線的加工分兩道工序：深孔拋光（陽線加工）和燒線（陰線加工）［8-9］.

2.1 內(nèi)孔拋光陰極設(shè)計

炮管內(nèi)孔拋光時，采用移動式深孔電解加工方法，工具陰極結(jié)構(gòu)為移動式圓錐式，如圖3所示.

圖3 炮管內(nèi)孔拋光陰極Fig.3 The polishing cathode of artillery internal hole

2.2 膛線加工陰極設(shè)計

炮管膛線加工時，工具陰極選擇移動式帶修正齒的錐體陰極，如圖4所示.在加工過程中，與陰極絕緣片相對應(yīng)的工件表面受到保護(hù)，成為陽線，與銅條相對應(yīng)的部位被電解，成為陰線，銅條被稱為陰極工作齒條.絕緣條槽應(yīng)按加工膛線的纏度銑制，槽應(yīng)有足夠的深度，以便絕緣片能牢固地粘結(jié)于槽內(nèi).

圖4 膛線加工陰極Fig.4 The cathode of rifling machining

3 工藝試驗

加工裝置和陰極結(jié)構(gòu)合理是實現(xiàn)穩(wěn)定、高效加工的條件；陰極工作型面正確是工件尺寸和形狀精度的基本保證.本次試驗裝置如圖5所示，采用圖6的導(dǎo)電座，通過更換不同直徑導(dǎo)電瓦，實現(xiàn)不同口徑炮管膛線加工.前期膛線電解加工試驗以修正膛線陰極尺寸參數(shù)為主要目的，試驗表明前引導(dǎo)套和后引導(dǎo)套長度對流場影響較大，分析認(rèn)為膛線具有一定纏角，后引導(dǎo)套過短，加工區(qū)容易出現(xiàn)紊流，流線發(fā)散.經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)，解決雜散腐蝕問題，保證膛線根部圓角的尺寸.

第二階段試驗檢測采用符合圖紙要求陰極加工膛線，工藝試驗在DJW－08型數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行，炮管材料為30CrNiMoVA，采用非線性復(fù)合電解液15%NaNO3＋5%NaClO3電解液；工作溫度為30～35℃；工作壓力為1.5MPa；進(jìn)給速度為25mm／min；工作電壓為12V.用通、止樣柱檢測膛線直徑，用通、止樣板檢測膛線寬度，見表1，均在產(chǎn)品尺寸公差范圍內(nèi)，達(dá)到圖紙要求.

文中采用電解加工工藝方案，設(shè)計了炮管內(nèi)孔拋光陰極、混合深膛線加工陰極及其加工裝置，并以航炮炮管為研究對象進(jìn)行電解加工工藝試驗.

表1 膛線尺寸測量結(jié)果Tab.1 The results of measured rifling

圖5 電解加工試驗裝置Fig.5 Setup of ECM

圖6 炮管膛線加工導(dǎo)電座Fig.6 The conducting bed of artillery rifling machining

4 結(jié)論

通過對炮管內(nèi)孔拋光陰極、混合深膛線加工陰極和電解加工裝置設(shè)計，以某火炮炮身管為研究對象進(jìn)行電解加工工藝試驗，采用電解加工能夠優(yōu)質(zhì)、高效解決炮管膛線難加工問題，節(jié)約成本，縮短火炮炮管混合膛線研制周期.結(jié)果表明，用通、止樣柱檢測混合膛線直徑，用通、止樣板檢測膛線寬度，加工尺寸誤差小于±0.03mm，均在產(chǎn)品尺寸公差范圍內(nèi)，達(dá)到圖紙要求.通過SURTRC表面輪廓儀對混合膛線表面粗糙度進(jìn)行測量，檢測結(jié)果Ra≤0.6μm.研究還發(fā)現(xiàn)可以利用電解加工技術(shù)實現(xiàn)大口徑、深膛線以及大纏角火炮膛線加工，使我國國防工業(yè)的制造技術(shù)和能力提高，對新型火炮快速研制具有重要意義.

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