小口徑火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床設(shè)計(jì)與研究

譚勝龍 王新科 景富軍

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所，四川綿陽(yáng) 621000)

火炮根據(jù)彈丸口徑分類(lèi)可以分為小口徑火炮(地面炮20～70 mm，高射炮20～60 mm)、中口徑炮(地面炮70～155 mm，但一般也把122 mm、152 mm、155 mm稱(chēng)為大口徑，高射炮為60～100 mm)、大口徑炮(地面炮155 mm以上，高射炮100 mm以上)［1］?；鹋谏砉苁腔鹋诘年P(guān)鍵零部件，而膛線(xiàn)則是火炮身管的命脈線(xiàn)，其制造質(zhì)量決定了火炮的射程、命中率和壽命［2］。由于火炮身管長(zhǎng)徑比大，精度要求高，加工難度大，其加工技術(shù)成為火炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于小口徑火炮主要采用成型刀具加工，中口徑和大口徑主要采用自動(dòng)進(jìn)給刀具加工。在火炮身管加工制造方面，國(guó)內(nèi)制造技術(shù)與國(guó)外相比差距較大，國(guó)外火炮加工以數(shù)控設(shè)備為主，在膛線(xiàn)加工這一關(guān)鍵工序，先進(jìn)國(guó)家均采用系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控加工狀態(tài)、刀具自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)控機(jī)床加工，而國(guó)內(nèi)在這一工序的加工仍然以傳統(tǒng)靠模機(jī)床為主，不但效率低，而且由于靠模磨損，精度降低，產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定的差距，同時(shí)，靠模機(jī)床一種靠模只能加工一種火炮膛線(xiàn)，靠模更換困難，對(duì)產(chǎn)品變化適應(yīng)性差。

針對(duì)靠模機(jī)床相關(guān)問(wèn)題，西南自動(dòng)化研究所以火炮膛線(xiàn)工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)加工工藝與CNC控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出了火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床，彌補(bǔ)了我國(guó)火炮身管自動(dòng)化加工技術(shù)的缺口。下面，筆者針對(duì)小口徑火炮淺談小口徑火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床的設(shè)計(jì)與研究。小口徑火炮身管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，梯形膛線(xiàn)，槽寬不大于3 mm，槽深不大于1 mm，夾角α不大于35°，纏度為不大于10°，使用成套成型刀具，從最小號(hào)直徑開(kāi)始依次加大成型刀具號(hào)進(jìn)行加工，每把成型刀具采用小吃刀量。膛線(xiàn)加工實(shí)物如圖2所示。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小口徑火炮拉線(xiàn)機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手:

(1)機(jī)床具有良好的支撐剛度;

(2)機(jī)床具有沿火炮身管軸線(xiàn)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);

(3)火炮身管裝夾靈活調(diào)節(jié);

(4)機(jī)床具備冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng);

(5)CNC控制，加工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

(6)機(jī)電一體化機(jī)床布局。

機(jī)床總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由安裝主軸的動(dòng)力床身部件、支撐小口徑火炮身管的工件床身部件、CNC控制系統(tǒng)和提供冷卻潤(rùn)滑及走線(xiàn)輔助部件4部分組成。根據(jù)圖1所示火炮身管加工需求，機(jī)床設(shè)計(jì)額定拉削力為35 kN，最大拉削力為55 kN。在如此大的拉削力作用下，保證機(jī)床具有足夠的剛度也就是在保證機(jī)床的加工精度。影響機(jī)床加工精度涉及機(jī)床自身的支撐剛度、刀具的剛度、工件的剛度等方方面面，設(shè)計(jì)時(shí)從機(jī)床零部件自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝、裝配工藝等方面來(lái)綜合提高提升機(jī)床自身的支撐剛度對(duì)于保證機(jī)床精度的重要性是無(wú)容置疑的。機(jī)床動(dòng)力床身和工件床身為基礎(chǔ)大件，采用HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造并人工時(shí)效處理，雙矩形支撐面熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，床身平均壁厚30 mm，加強(qiáng)肋板采用垂直縱向肋和垂直橫向肋組合［4］，肋板厚度20 mm，保證導(dǎo)軌的幾何精度。左段為工件床身，導(dǎo)軌副采用雙矩形導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)寬導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式，床身中間低于導(dǎo)軌面便于冷卻液的回收，右段為動(dòng)力床身，主軸通過(guò)力士樂(lè)高精度滾柱直線(xiàn)導(dǎo)軌導(dǎo)向，很大程度上減小了運(yùn)動(dòng)摩擦，提高了機(jī)床主軸軸向運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。機(jī)床地基是支撐剛度的另一關(guān)鍵要素，機(jī)床采用混凝土單獨(dú)隔振地基，混凝土牌號(hào)選用500#［4］，寬度與長(zhǎng)度以滿(mǎn)足機(jī)床安裝要求定制，厚度設(shè)計(jì)為850 mm，同時(shí)在機(jī)床混凝土地基邊設(shè)置防振溝，最大限度減小了工房其他振源對(duì)機(jī)床的影響。

小口徑火炮身管內(nèi)孔尺寸較小，現(xiàn)有技術(shù)一般采用成套成型刀具加工完成，這要求機(jī)床具備沿工件軸線(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和繞工件軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。沿工件軸線(xiàn)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為Z軸運(yùn)動(dòng)，主要通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)、精密減速機(jī)、梯形絲杠構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)高精度直線(xiàn)光柵尺構(gòu)成檢測(cè)回路，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行時(shí)在工件軸線(xiàn)Z軸上的精確定位，Z軸有效行程為4 800 mm，定位精度為0.03 mm，重復(fù)定位精度為0.01 mm，工進(jìn)速度為0.5～5 m/min，快進(jìn)速度達(dá)到10 m/min。繞工件軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為C軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膛線(xiàn)纏度的加工，主要通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)、精密減速機(jī)、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)高精度角度編碼器構(gòu)成檢測(cè)回路，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行時(shí)在C軸上的精確定位，C軸定位精度為20″，重復(fù)定位精度為 10″，工進(jìn)速度為 0 ～4 r/min，快進(jìn)速度為10 r/min。機(jī)床專(zhuān)用控制系統(tǒng)以西門(mén)子SINUMERIK 802D sl為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床Z軸和C軸的控制，Z軸和C軸單獨(dú)運(yùn)行與聯(lián)動(dòng)運(yùn)行兩種運(yùn)行模式可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定，滿(mǎn)足不同加工需求。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小口徑火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床C軸和Z軸是機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件，C軸和Z軸傳動(dòng)原理如圖4所示。

本文以C軸為例進(jìn)行具體論述。保證C軸具有高剛度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，決定著機(jī)床的加工精度和性能。C軸以HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造的主軸箱為安裝基體，由伺服電動(dòng)機(jī)5、圓弧齒同步帶4、中空精密減速機(jī)6、彈性聯(lián)軸器2和7、轉(zhuǎn)軸11及軸承組合構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主軸箱受力形變是箱體自身支撐剛度的主要因素，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行仿真分析。主軸箱通過(guò)PRO/E三維建模，運(yùn)用PRO/E MECHANICA進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，在箱體上施加最大55 kN拉削力情況下的等效力，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，箱體最大形變?yōu)?.016 68 mm，支撐剛度滿(mǎn)足機(jī)床整體指標(biāo)。

C軸通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)選用西門(mén)子針對(duì)具有高動(dòng)態(tài)性能和高精度要求機(jī)床提供的1FT6系列(1FT6 086－8AC7)永磁式同步電動(dòng)機(jī)，額定輸出扭矩TC=22.5 N·m，額定轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min。伺服電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)輸入軸通過(guò)圓弧齒同步帶直聯(lián)，減速機(jī)選用精密中空減速機(jī)，減速比ic1=20，圓弧齒同步帶減速比ic2=3.5，總減速比i=ic1×ic2=20×3.5=70。機(jī)床運(yùn)行工況為2～3班制，工況惡劣，在機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速n1=10×70=700 r/min，處于額定轉(zhuǎn)速1/3左右。根據(jù)西門(mén)子電動(dòng)機(jī)特性，滿(mǎn)足連續(xù)工作的惡劣工況。減速機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)軸通過(guò)高剛度聯(lián)軸器聯(lián)接，從電動(dòng)機(jī)輸出軸到轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)剛度好，傳動(dòng)精度高。轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度主要由支撐軸承決定，轉(zhuǎn)軸選用雙向推力球軸承軸向定位(P5級(jí))，選用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(SP級(jí))與深溝球軸承(P4級(jí))徑向支撐，轉(zhuǎn)軸軸向竄動(dòng)達(dá)到0.005～0.015 mm，徑向跳動(dòng)達(dá)到0.005～0.015 mm。C軸位置采用全閉環(huán)控制，首先通過(guò)1FT6 086－8AC7電動(dòng)機(jī)內(nèi)置編碼器，根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出脈沖數(shù)換算得到電動(dòng)機(jī)輸出位置，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制，然后通過(guò)轉(zhuǎn)軸尾端同軸安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位置，CNC將旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)與電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)比對(duì)并進(jìn)行位置修正，完成位置全閉環(huán)控制。

3 控制系統(tǒng)

小口徑火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床采用西門(mén)子802D sl系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能應(yīng)用和擴(kuò)展，將NC、PLC、HMI系統(tǒng)集成在同一操作界面，形成火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)專(zhuān)用控制系統(tǒng)，配置原理如圖7所示。該系統(tǒng)保證機(jī)床持續(xù)長(zhǎng)久可靠地運(yùn)行，而且具有加工過(guò)程的運(yùn)行方式監(jiān)控、電動(dòng)機(jī)電流瞬動(dòng)檢測(cè)、全程數(shù)據(jù)記錄、強(qiáng)化故障診斷、在異常發(fā)生后刀具能夠沿原軌跡自動(dòng)退出等特殊功能，同時(shí)根據(jù)機(jī)床加工需求，系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集模塊與報(bào)警信息監(jiān)控模塊。數(shù)據(jù)采集模塊與802D sl共同作用完成火炮身管的加工與過(guò)程監(jiān)控。報(bào)警信息監(jiān)控模塊主要針對(duì)冷卻泵故障、潤(rùn)滑泵故障、行程超限故障、電源模塊故障、驅(qū)動(dòng)模塊故障、802D sl系統(tǒng)故障、單軸位置超差故障、軸聯(lián)動(dòng)位置超差故障、電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流超差、空調(diào)器故障、緊急停止故障、數(shù)據(jù)采集模塊故障等報(bào)警信號(hào)的處理，均在802D sl系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部進(jìn)行并在系統(tǒng)面板上優(yōu)先顯示。如果數(shù)控系統(tǒng)遇到影響加工精度的報(bào)警信號(hào)則停機(jī)待檢，如果數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)全閉環(huán)位置反饋信息判定機(jī)床加工精度無(wú)法保證，但誤差不超過(guò)預(yù)設(shè)的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置的螺距補(bǔ)償功能，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)加工精度，減小加工誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

小口徑火炮數(shù)控拉線(xiàn)機(jī)床彌補(bǔ)了我國(guó)火炮身管自動(dòng)化加工技術(shù)的缺口，機(jī)床實(shí)現(xiàn)了位置全閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)預(yù)設(shè)值調(diào)控運(yùn)行參數(shù)，保證了機(jī)床優(yōu)良的加工精度和穩(wěn)定的性能，對(duì)小口徑火炮產(chǎn)品類(lèi)別的擴(kuò)展和質(zhì)量的提升提供了裝備技術(shù)支持。

［1］丁世用.兵器構(gòu)造和發(fā)展概論［J］.現(xiàn)代兵器，1984(9):53－55.

［2］王靖君，赫信鵬.火炮概論［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1992.

［3］現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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