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綜合解決拉制小口徑火炮膛線表面光潔度低的方法

2022-12-25 05:52高志紅霍志剛
新技術(shù)新工藝 2022年11期
關(guān)鍵詞:膛線小口徑切削液

高志紅,霍志剛

(山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司,山西 太原 030009)

火炮膛線是炮膛導(dǎo)向部管壁上與身管軸線成一定傾斜角的若干條螺旋形凸起與凹槽,膛線賦予彈丸在出炮口時(shí)一定的旋轉(zhuǎn)速度,以保證彈丸在空中飛行的穩(wěn)定性[1](見圖1)。膛線的加工質(zhì)量不僅包括尺寸精度、位置精度,還包括表面精度。線膛的表面光潔度直接影響彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

a) 實(shí)物圖

國(guó)內(nèi)火炮膛線的加工一般采用電解法和機(jī)械拉制法,中、大口徑火炮膛線一般采用數(shù)控機(jī)床拉制膛線,小口徑采用電解法加工膛線。膛線的機(jī)械拉制法是對(duì)內(nèi)螺旋槽的一種獨(dú)特的加工方式,小口徑火炮膛線加工由于兼具孔徑較小、長(zhǎng)徑比為40~80,表面粗糙度≤Ra1.6 μm等精密深孔加工特點(diǎn)和內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu)加工工藝特點(diǎn),且火炮身管材料一般選用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼,機(jī)械拉制膛線難度較大,生產(chǎn)工藝條件較大中口徑身管更綜合、復(fù)雜。筆者進(jìn)行小口徑膛線機(jī)械拉制研制中,在刀體工裝精度、刀具性能、刀具角度、拉削速度、吃刀量等拉削工藝因素均相對(duì)適宜時(shí),遇到拉制后膛線局部表面光潔度低影響表面精度的問(wèn)題(見圖2)。如何解決小口徑身管拉制膛線出現(xiàn)的表面光潔度低的問(wèn)題,開展小口徑火炮機(jī)械拉制技術(shù)輔助工藝系統(tǒng)研究顯得非常重要。

圖2 拉制膛線表面質(zhì)量問(wèn)題

1 零件結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)分析

在研的某小口徑身管是火炮關(guān)鍵零件,零件內(nèi)膛尺寸為φ23 mm,長(zhǎng)度為1 400 mm,長(zhǎng)徑比為61,內(nèi)有10根等齊膛線,陰線深0.35 mm,寬度4.8 mm,材料為炮鋼,屈服強(qiáng)度為885 MPa,表面粗糙度為Ra1.6 μm。機(jī)械拉制膛線的主要難點(diǎn)是口徑較小,排屑差,易產(chǎn)生膛線劃傷,表面光潔度差的問(wèn)題。

2 工藝分析

2.1 問(wèn)題分析

針對(duì)發(fā)生的膛線表面光潔度差、陽(yáng)線有劃傷問(wèn)題,用因果圖進(jìn)行系統(tǒng)分析(見圖3)。

圖3 因果分析圖

2.2 小口徑管深孔加工原理分析

小口徑身管膛線機(jī)械拉制具有深孔機(jī)械加工的特點(diǎn),即內(nèi)表面的加工是在半封閉狀態(tài)下進(jìn)行的,操作者不能直接觀察刀具的切削情況,只能憑經(jīng)驗(yàn),通過(guò)聽聲音、看切屑、觀察機(jī)床負(fù)荷及壓力表、觸摸振動(dòng)等外觀現(xiàn)象來(lái)判斷切削過(guò)程是否正常,在刀具走刀行程完成后退出才能觀測(cè)刀具磨損情況、內(nèi)膛質(zhì)量狀況。由于小口徑管尺寸規(guī)格較小,刀體在管膛內(nèi)容屑空間小,切削熱不易傳散,冷卻液不易注入切削區(qū),排屑和冷卻潤(rùn)滑較困難,刀具散熱條件差,使刀具很快磨損,易造成加工表面光潔度降低、內(nèi)膛被切屑劃傷等質(zhì)量問(wèn)題[2-6](見圖2),應(yīng)采用強(qiáng)制冷卻和強(qiáng)制排屑的措施;同時(shí)小口徑炮管的工藝系統(tǒng)剛性薄弱,加工穩(wěn)定性低,易產(chǎn)生振動(dòng)及變形,誤差復(fù)映比較突出,拉制前基準(zhǔn)孔的表面精度對(duì)拉制后膛線表面質(zhì)量影響較大;刀具切削路程長(zhǎng),容易發(fā)生負(fù)荷不均,切削溫度高,切屑經(jīng)過(guò)的路程也長(zhǎng),容易發(fā)生阻塞,刀具易磨損、崩刃,造成膛線劃傷等質(zhì)量問(wèn)題,應(yīng)采用極壓性高的切削液,并改善過(guò)濾情況,提高切削液的壓力、流量[7]。

2.3 內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu)加工原理分析

火炮膛線是內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu),目前山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司小口徑身管膛線是在專用數(shù)控拉槽機(jī)上拉制的。通過(guò)數(shù)控拉槽機(jī)CNC控制沿身管軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),利用數(shù)控拉槽機(jī)具有主軸(C軸)旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)(Z軸)聯(lián)動(dòng)功能,設(shè)計(jì)專用的刀具系統(tǒng),采用多齒單刀的刀具(見圖4)按照設(shè)定的膛線程序,使C軸和Z軸聯(lián)動(dòng),控制該拉線刀具按一定的螺旋軌跡同時(shí)拉削數(shù)條膛線。拉線刀體根據(jù)火炮口徑設(shè)計(jì)拉刀組數(shù)。

圖4 拉線刀體

刀體的每次徑向進(jìn)刀的循環(huán)由返程與切削來(lái)完成,返程時(shí)刀具全部收回到位,切削時(shí),刀具伸出給定長(zhǎng)度,從而將身管的陰線深度沿徑向切深。炮膛深孔拉削的特點(diǎn)是深孔拉刀的引導(dǎo)部分必須磨出與工件孔相吻合的配合面,才能正確發(fā)揮引導(dǎo)作用[8],加工時(shí)使導(dǎo)向部分進(jìn)入工件孔定位之后,通入切削液并開始刀具進(jìn)給。由于身管材料強(qiáng)度相對(duì)較高,拉線時(shí)進(jìn)給量很小,且涉及多組膛線,需要經(jīng)過(guò)數(shù)十次循環(huán),機(jī)床本身行程較長(zhǎng),內(nèi)螺旋槽膛線加工過(guò)程切削振動(dòng)、工藝系統(tǒng)剛性等都承受考驗(yàn)。深孔拉削的突出特點(diǎn)是切屑處理問(wèn)題,對(duì)于小口徑火炮身管而言,內(nèi)膛空間較中、大口徑更為狹小,刀體、刀桿直徑受限,刀桿撓度大,剛性差,同時(shí)加工幾組膛線,加工平穩(wěn)性低,易出現(xiàn)排屑不暢造成膛線的劃傷。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)輔助條件分析

針對(duì)出現(xiàn)的表面質(zhì)量問(wèn)題,筆者對(duì)拉線刀體同軸度、工裝精度、刀具硬度、刀具角度、拉削速度、吃刀量等拉削工藝因素分別進(jìn)行了檢查,分析并予以局部?jī)?yōu)化調(diào)整。在上述因素均適宜的情況下再次拉削,切屑形狀正常的情況下仍出現(xiàn)了膛線表面質(zhì)量問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)小口徑身管膛線機(jī)械拉制的深孔加工、內(nèi)螺旋槽加工分析,對(duì)拉線前零件內(nèi)膛光潔度檢查,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工環(huán)境的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)拉制膛線時(shí)正值冬季12月初,氣溫驟冷,室溫較低,不足10 ℃,刀體工裝內(nèi)冷卻液噴射軟綿無(wú)力,切削液較粘稠。因切削油液油溫、油壓、粘度、清潔度與排屑順暢有直接關(guān)系,所以判定切削液強(qiáng)制排屑存在問(wèn)題;經(jīng)檢查拉線前內(nèi)孔表面粗糙度>Ra3.2 μm,已加工內(nèi)孔是拉制膛線的定位基準(zhǔn),其精度對(duì)表面質(zhì)量有直接影響,所以判定基準(zhǔn)精度存在問(wèn)題。

3 提高膛線表面加工質(zhì)量的措施分析及驗(yàn)證

筆者判定在上述拉削工藝因素適宜的條件下,造成該小口徑身管膛線加工表面質(zhì)量問(wèn)題的原因是油液清潔度、粘度、排屑不暢和基準(zhǔn)精度較低等。為此制定了控制切削液壓力促?gòu)?qiáng)制排屑、油液清潔度保證以及提高拉制基準(zhǔn)表面精度的方法,并對(duì)相關(guān)的輔助工藝系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整、改善,拉制了6支身管予以驗(yàn)證方法的可行性。

經(jīng)使用內(nèi)窺鏡并結(jié)合表面粗糙度對(duì)比樣塊檢查6支身管膛線表面,膛線表面質(zhì)量均滿足要求,解決了刀具、刀體、切削參數(shù)等拉削工藝因素適宜情況下的表面質(zhì)量差的問(wèn)題,方法可行。下述將對(duì)控制切削液的壓力和流量、溫度和粘度、清潔度、基準(zhǔn)表面精度等輔助工藝系統(tǒng)的方法進(jìn)行分析說(shuō)明。

3.1 壓力的控制說(shuō)明

3.1.1 理論分析

深孔加工時(shí)加強(qiáng)內(nèi)冷卻,強(qiáng)制排屑可以帶走切屑帶走熱量,但排屑不暢會(huì)使內(nèi)膛表面劃傷,產(chǎn)生表面質(zhì)量問(wèn)題。促進(jìn)內(nèi)膛加工的冷卻,促進(jìn)排屑通暢需要采取強(qiáng)制有效的冷卻方式[9]。這是通過(guò)對(duì)切削液的壓力和流量控制實(shí)施的[10]。無(wú)堵塞的連續(xù)自動(dòng)排屑,必須同時(shí)得到供油/排屑通道的結(jié)構(gòu)合理、保持正常合理的油壓和流量以及合理的切屑形態(tài)。切削液的壓力和由它產(chǎn)生的速度主要作用是從切削區(qū)域和刀槽向刃具的前方?jīng)_掉切屑,必須通過(guò)高的壓力迫使切削液到達(dá)切削刃上以保持潤(rùn)滑、控制溫度及幫助斷屑。切削溫度隨拉制速度增加而增高,應(yīng)選取冷卻能力強(qiáng)的切削液[11],為得到最佳的表面光潔度,切削液工作壓力應(yīng)保持恒定而且要很高。參考王世清的研究成果(見表1),選擇外排屑深孔鉆切削液壓力與流量。

表1 外排屑深孔鉆切削液壓力與流量

3.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

拉線刀體為外排屑結(jié)構(gòu)(見圖4),刀體外徑尺寸規(guī)格較小(直徑為20 mm),無(wú)專門切削液出口,切削液通過(guò)刀體與內(nèi)膛間隙流出且拉線機(jī)床無(wú)切削液壓力表顯示,僅有調(diào)壓裝置,試驗(yàn)前未對(duì)切削液的壓力予以控制。

試驗(yàn)時(shí)為了控制切削液的壓力,在設(shè)備上加改裝了壓力檢測(cè)表,調(diào)節(jié)切削液壓力進(jìn)行試驗(yàn)。室溫15 ℃時(shí)將切削液壓力控制在1.2、1.6和0.8 MPa各拉制1根管,在1.2和1.6 MPa拉制時(shí)切削液隨刀體成噴射狀噴出,沖出有力,易排出切屑,試?yán)频奶啪€表面均無(wú)劃傷;壓力控制在0.8 MPa時(shí),即使刀具角度適宜,但切削液流出軟綿無(wú)力,拉制的膛線有局部切屑劃傷,說(shuō)明切削液壓力控制對(duì)切屑排出影響較大。根據(jù)霍爾登 J. 斯溫哈特論點(diǎn),切屑能夠較滿意地排出并不是判斷壓力恰當(dāng)與否的唯一標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)根據(jù)拉制膛線的表面光潔度分析判斷,所以控制切削液壓力的同時(shí)還應(yīng)關(guān)注其他影響膛線表面質(zhì)量的綜合影響因素。

3.2 溫度、粘度的影響及清潔度的控制

3.2.1 理論分析

因?yàn)榻饘俣家獰崤蛎洠詾榱吮3志?,刃具、刀桿和工件的溫度一致是必要的。因此,往往需要用人工的辦法來(lái)控制切削液溫度,一般最高工作溫度是43~48 ℃。對(duì)于切削液來(lái)說(shuō),首先應(yīng)滿足液壓裝置在工作溫度與啟動(dòng)溫度下對(duì)液體粘度的要求,每種切削液都有一定的使用范圍,過(guò)高或過(guò)低的溫度對(duì)切削液都存在不利的影響。

低溫使切削液粘度變大,粘度過(guò)高,油泵的自吸能力下降,液壓系統(tǒng)壓力損失增大,同時(shí)油液沖刷內(nèi)膛刀具的力度不足,造成排屑不暢,內(nèi)膛表面易發(fā)生切屑劃傷。同時(shí)加工小直徑深孔使用的切削液亦選用黏度低的切削液,以便降低黏滯阻力,減少液體能量損失。切削液要求潔凈度較高,對(duì)于小口徑管內(nèi)膛加工應(yīng)保證切削液的清潔度,臟的切削液能導(dǎo)致孔壁上潤(rùn)滑膜的破壞,使直徑小的刀具上的油路通路被堵塞住,應(yīng)定期檢查過(guò)濾系統(tǒng)。

3.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本公司拉線機(jī)使用的是20#高速深孔鉆削油,考慮拉線刀體的排屑通道較狹小,所選油比深孔鉆鏜床用油(標(biāo)號(hào)40#)粘度低。為了保證切削油的粘度,試驗(yàn)時(shí),將工房工作溫度由10 ℃提高至15 ℃,在控制工作溫度的同時(shí),筆者采取在冷卻液箱的油池中增加100目網(wǎng)眼篩的過(guò)濾措施,以避免排屑不暢或切削液內(nèi)有大顆粒物,對(duì)內(nèi)膛表面造成損傷。試驗(yàn)表明,經(jīng)采取上述措施,在保證切削液壓力的同時(shí),冬季拉線工作環(huán)境溫度應(yīng)不低于15 ℃,切削液粘度適宜,促進(jìn)了排屑,后續(xù)未出現(xiàn)膛線劃傷現(xiàn)象。

3.3 已加工內(nèi)孔表面精度控制

3.3.1 理論分析

零件應(yīng)有可靠的加工基準(zhǔn),基準(zhǔn)的表面光潔度應(yīng)高于零件加工面[12]。膛線的加工是在身管內(nèi)孔加工完成后進(jìn)行的。加工膛線的拉線刀體的運(yùn)動(dòng)軌跡沿身管內(nèi)膛軸線運(yùn)動(dòng)。拉線刀體的導(dǎo)向作用的發(fā)揮是依托已加工孔,由于深孔加工的誤差復(fù)映突出,身管已加工內(nèi)孔的表面質(zhì)量對(duì)后期膛線的表面光潔度有直接影響。已加工內(nèi)孔的表面光潔度差會(huì)造成拉制膛線時(shí)刀體振動(dòng)、切削力方向改變、尺寸精度超差、陰線表面光潔度差等問(wèn)題。

3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在切削液壓力、工作環(huán)境得到控制的情況下,以未珩磨孔為基準(zhǔn)拉制了1根管的膛線,經(jīng)內(nèi)窺鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn),在距拉線出口150~200 mm段陰、陽(yáng)線圓周向光潔度均較差,肉眼判斷僅為Ra(12.5~3.2) μm。又對(duì)1支管進(jìn)行了試驗(yàn),拉線前將已鏜削的內(nèi)孔進(jìn)行了珩磨,保證其全膛表面粗糙度值比陽(yáng)線圖樣要求(Ra1.6 μm)低一個(gè)等級(jí),達(dá)到Ra0.8 μm。同時(shí)由于小口徑火炮身管內(nèi)徑較小,外觀目視不能直接判定全膛的表面質(zhì)量,拉膛線前用內(nèi)窺鏡結(jié)合表面粗糙度比較塊規(guī)對(duì)內(nèi)膛質(zhì)量進(jìn)行全膛檢測(cè),確保全膛表面合格后才進(jìn)行膛線加工。通過(guò)保證并提高基準(zhǔn)的精度,后續(xù)拉制的膛線光潔度達(dá)到要求。試驗(yàn)證明,采取提升拉線基準(zhǔn)精度的方法提高表面質(zhì)量,措施有效。

3.4 刀具等其他方面的控制措施

由于在拉削過(guò)程中,刀具存在磨損,易造成加工表面質(zhì)量降低,所以在加工過(guò)程中及時(shí)監(jiān)控刀具的磨損情況,使用復(fù)磨工具保證刀刃的鋒利;通過(guò)選取合理的加工參數(shù),及時(shí)調(diào)整吃刀量和拉削速度,保證加工精度及表面加工質(zhì)量;增大刀具的容屑槽促進(jìn)排屑,同時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)向套穩(wěn)定刀桿,減少刀桿剛度不足引起的顫動(dòng),減少共振帶來(lái)的影響表面加工質(zhì)量的因素,以保證膛線加工質(zhì)量。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)切削液的壓力、工作溫度和粘度、清潔度、基準(zhǔn)表面精度、刀具方面等輔助工藝條件均采取綜合控制措施,試制加工了6支小口徑身管膛線,經(jīng)逐一使用內(nèi)窺鏡結(jié)合表面粗糙度比較塊規(guī)檢測(cè),膛線表面質(zhì)量得到了明顯改善,6支管均未發(fā)現(xiàn)劃傷膛線現(xiàn)象,未發(fā)生局部表面光潔度差的問(wèn)題,表面粗糙度均滿足Ra1.6 μm要求。試驗(yàn)證明,對(duì)切削液系統(tǒng)壓力予以控制,根據(jù)切削油標(biāo)號(hào),對(duì)工作環(huán)境溫度、粘度、清潔度等進(jìn)行控制,可以顯著促進(jìn)強(qiáng)制冷卻、排屑,避免切屑劃傷膛線的問(wèn)題發(fā)生;對(duì)拉線前基準(zhǔn)精度提升,表面粗糙度高于零件圖樣表面精度1個(gè)等級(jí)后拉制膛線,可以有效降低誤差復(fù)映的影響,拉制滿足要求的表面質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

影響拉制火炮膛線表面質(zhì)量的因素較多,小口徑火炮膛線的加工較大中口徑而言更為復(fù)雜。對(duì)于深孔加工來(lái)說(shuō),能否連續(xù)地、無(wú)堵塞地自動(dòng)排出切屑,始終是成敗的首要課題?,F(xiàn)代深孔刀具由于保證了供油、排屑通道以及高壓切削液,使連續(xù)自動(dòng)排屑成為可能,但并未從根本上消除堵屑發(fā)生的可能。深孔加工中,只有正確地使用和管理切削液,才能通過(guò)最佳的切削液獲得所期望的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的綜合效果。但在實(shí)際中,使用者往往忽視了切削液的重要性。本文通過(guò)采取切削液控制、拉線基準(zhǔn)的精度控制、刀具控制等措施,提出了火炮膛線的機(jī)械拉制不僅應(yīng)關(guān)注刀具、工裝、切削參數(shù)情況,更應(yīng)關(guān)注切削液、溫度等輔助工藝條件的綜合情況,同時(shí)由于小口徑火炮的身管口徑較小,從外面觀測(cè)不到內(nèi)膛的實(shí)際情況,必須使用專用內(nèi)徑檢測(cè)儀檢測(cè)內(nèi)膛表面,關(guān)注深孔加工的誤差復(fù)映,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性,確保了膛線的表面加工滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求,解決了表面光潔度低的問(wèn)題,為小口徑火炮膛線的機(jī)械加工提供了技術(shù)依據(jù)。

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