一種高強(qiáng)度炮鋼藥室的加工

金鐵輝

(上海重型機(jī)床廠有限公司，上海 200245)

1 高強(qiáng)度炮鋼藥室概述

本文論述的高強(qiáng)度炮鋼材料為PCrNi3MoVA，這種材料是在低合金強(qiáng)度鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的鋼種，該鋼種具有很高的強(qiáng)度、足夠的韌性、較高的調(diào)質(zhì)硬度，能承受很高的應(yīng)力，并且在切削時(shí)具有艮、粘、切削硬化等特點(diǎn)，其力學(xué)性能見表1。

表1 炮鋼材料力學(xué)性能

藥室孔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 基本加工方式及難點(diǎn)分析

藥室孔的加工一般在內(nèi)膛加工好后進(jìn)行，先粗鏜藥室再用鉸刀鉸藥室最后進(jìn)行拋光，這幾道工序里用鉸刀鉸藥室的工作效率太低。這里介紹的是在數(shù)控臥車上用鏜桿精車藥室(如圖2)的方法替代鉸藥室的工藝過(guò)程，這樣能大大提高加工效率。

從圖1 中可看出工件總長(zhǎng)4000 mm，其中藥室部分長(zhǎng)700 mm，藥室孔為連續(xù)3 段內(nèi)錐孔，各段內(nèi)錐孔相對(duì)于Φ126.92 mm 的內(nèi)膛的同軸度要求為Φ0.05 mm(最大實(shí)體要求)，表面粗糙度要求為0.4 μm，若要達(dá)到可以進(jìn)行拋光工序的要求，精車后粗糙度必須小于1.6 μm。

根據(jù)圖紙和技術(shù)要求分析，若要完成該藥室孔須重點(diǎn)解決以下問(wèn)題:(1)如何滿足藥室孔相對(duì)于內(nèi)膛孔的同軸度要求;(2)如何保證藥室精車后可以滿足拋光工序的粗糙度要求;(3)如何測(cè)量各段錐孔是否滿足加工需要。

3 相應(yīng)的解決措施

3.1 如何滿足藥室孔相對(duì)于內(nèi)膛孔的同軸度要求

在加工該藥室孔時(shí)，若用傳統(tǒng)的夾持方式即工件右端夾持卡盤上，靠近左端架在托架上，肯定無(wú)法滿足圖紙要求。

要解決該問(wèn)題必須注意兩點(diǎn):(1)以內(nèi)膛孔為基準(zhǔn);(2)托架有高的回轉(zhuǎn)精度，盡可能使工件回轉(zhuǎn)精度與托架回轉(zhuǎn)精度一致。

本文介紹兩種方法解決該問(wèn)題。

第一種通過(guò)內(nèi)孔定位驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工件，并用具有高回轉(zhuǎn)精度的環(huán)形中心架支承工件的方式加工該藥室孔，見圖2 及圖3。

圖2 即為內(nèi)孔定位驅(qū)動(dòng)裝置，為了保證內(nèi)孔定位的準(zhǔn)確性，圖示A 定位端面和B 定位軸外圓須留余量在機(jī)床裝配結(jié)束后自車至要求尺寸。工件通過(guò)定位孔B 和定位端面A 定位后，再通過(guò)帶齒的夾頭夾持工件以驅(qū)動(dòng)工件。

圖3 為工件托架，即環(huán)型中心架，有4 個(gè)套筒用于夾持工件，并可以跟著工件一起旋轉(zhuǎn)。該中心架本身的回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.005 mm。

這種一端通過(guò)內(nèi)孔定位驅(qū)動(dòng)，另一端通過(guò)環(huán)型中心架夾持工件，既保證了以內(nèi)膛孔為基準(zhǔn)的要求，又保證了該工件在加工過(guò)程中，工件的高回轉(zhuǎn)精度的要求(工件的回轉(zhuǎn)精度即為環(huán)型中心架的回轉(zhuǎn)精度)。

另一種方法是一端通過(guò)三爪自定心卡盤夾持外圓，另一端通過(guò)環(huán)型中心架夾持工件。這種夾持方式如何保證內(nèi)膛孔和藥室孔的同軸度?

如圖4，千分表量桿座安裝在防振鏜桿上，千分表量桿為杠桿式，通過(guò)千分表顯示。在架環(huán)型中心架的時(shí)候，以千分表測(cè)量?jī)?nèi)膛孔擺差保證在孔深700 mm處不大于0.05 mm為要求，調(diào)整中心架套筒，調(diào)好后，卸下千分表量桿及量桿座，在鏜桿頭部裝上刀具進(jìn)行先精車端面作為后續(xù)測(cè)量基準(zhǔn)，然后進(jìn)行藥室孔車削，這樣就可以保證內(nèi)膛孔和藥室孔的同軸度要求。

3.2 如何保證藥室精車后可以滿足拋光工序的要求

通過(guò)鏜桿精車藥室引起藥室表面粗糙度差的原因主要有以下幾點(diǎn):(1)鏜桿的剛性差而引起的振刀，使加工表面產(chǎn)生振痕;(2)切削刀具及切削用量選擇不當(dāng)。

3.2.1 采用防振鏜桿，并改善鏜桿的夾持方式

從圖1 可以看到，藥室孔的深度達(dá)到700 mm，也就是說(shuō)鏜桿的懸伸長(zhǎng)L 至少要700 mm。當(dāng)選用d=Φ100 mm 的鏜桿時(shí)，鏜桿的懸伸長(zhǎng)L 與直徑d 的比值L/d＞7。若采用一般的鋼制鏜桿，其懸伸與鏜桿直徑的比值L/d≤4，若用這種鏜桿加工懸伸長(zhǎng)徑比＞7d 的孔，當(dāng)?shù)都馇邢鞴ぜr(shí)，鏜桿便會(huì)出現(xiàn)由切削力引起的彈性變形從而轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)。

在這里，我們采用了Sandvik 的φ100 mm×1500 mm的硬質(zhì)合金加強(qiáng)型防振鏜桿，最大切削深度可達(dá)1000 mm。這里需要注意的是鏜桿座在設(shè)計(jì)時(shí)，夾持部分的長(zhǎng)度須至少滿足圖5 要求，即夾持部分長(zhǎng)度＞4d。

3.2.2 選擇合適的鏜桿頭部形式、切削刀片及切削用量

(1)選擇合適的鏜桿頭部

該炮管雖然為通孔工件，但因?yàn)楣ぜ?nèi)孔定位驅(qū)動(dòng)端為車床主軸箱，故可以看成盲孔工件，也就是說(shuō)切屑只能從藥室孔端排出。從圖6 可以很明顯地看出，圖6b 的鏜桿頭部形式更利于冷卻液將切屑沖出。針對(duì)該工件，我們選用了570-3C-100-1500 的鏜桿及570-DTFNR-80-16 的切削頭，其中鏜桿頭部帶有高壓冷卻液沖刷口，用于刀頭切屑的沖刷。

(2)選擇合適的刀片

由于該鋼種具有很高的強(qiáng)度、足夠的韌性、較高的調(diào)質(zhì)硬度，能承受很高的應(yīng)力，并且在切削時(shí)具有艮、粘、切削硬化等特點(diǎn)，這導(dǎo)致在切削過(guò)程中比較容易出現(xiàn)斷屑難、刀具易磨損、容易產(chǎn)生積屑瘤等問(wèn)題，另外我們知道不同的切削刀片產(chǎn)生的切削力不同，而切削力又是引起振動(dòng)的重要原因。針對(duì)這些情況，我們?cè)谶x擇刀片時(shí)主要是按以下幾個(gè)方面選擇:①該刀片材料必須具有很高的熱硬度和良好抗塑性變形性，可以適合超高強(qiáng)度鋼的切削。②由于鏜刀桿較長(zhǎng)，剛性相對(duì)較差，采用90°主偏角的刀具以及選用較小的刀尖圓弧半徑有利于減小徑向切削力，從而有利于減小切削振動(dòng)。③由于工件材料的特性，應(yīng)減小刀具前角，這樣可以提高刀具強(qiáng)度，改善刀頭的容熱和散熱條件，減少加工硬化的趨勢(shì)，增大切屑的變形，使之易于脆化斷裂。④刀片的刃傾角越小越好，這樣副主偏角很大，副刃口與被加工表面的顫動(dòng)接觸區(qū)小，顫動(dòng)很難變成振動(dòng)，副切屑刃擠削的機(jī)會(huì)也小。⑤選擇合適的刀片槽形，有利于斷屑。

(3)選擇合適的切削用量

在切削用量選擇時(shí)，除應(yīng)符合機(jī)床加工條件外，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:①在車削加工時(shí)，一般切削速度V=20～60 m/min 時(shí)，容易產(chǎn)生自振，高于或低于此范圍則振動(dòng)減弱。因此，在精密加工時(shí)應(yīng)采用低速或高速切削。如對(duì)該炮鋼工件的加工，可以選擇切削速度160 r/min(線速度70 m/min)。②進(jìn)給量f 增大，自振強(qiáng)度會(huì)下降，所以在機(jī)床工作條件允許的情況下，盡量加大進(jìn)給量。③在選擇切削深度時(shí)，雖然切削深度越大，工作效率越高。但切削深度越大，越有產(chǎn)生振動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)引起切屑較厚，不利于斷屑和排屑，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差，以及刀具磨損快等缺陷。在對(duì)該炮鋼工件的實(shí)際試切削過(guò)程中，我們按上述原則用幾種不同的刀片及切削用量進(jìn)行了試切削，切削試驗(yàn)情況見表2。

表2 切削試驗(yàn)結(jié)果

3.3 如何測(cè)量各段錐孔是否滿足加工需要

在加工錐孔的過(guò)程中，如何簡(jiǎn)便地去測(cè)量加工余量以及各段錐孔的同軸度是否符合要求呢?在這里主要介紹一種使用測(cè)量規(guī)的測(cè)量手段。

圖1 所示的藥室孔，共有3 段錐孔，我們通過(guò)5 個(gè)確定位置的測(cè)量規(guī)來(lái)測(cè)量每段的加工余量及保證各段錐孔的同軸度符合圖紙要求，具體測(cè)量位置示意圖見圖7。

每個(gè)固定位置的測(cè)量規(guī)的測(cè)量方法見圖8，主要由測(cè)量塞規(guī)和套在外面的唯一的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量套，其中標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量套上有刻度線，1 格為1 mm，測(cè)量塞規(guī)桿上也有兩條刻度線，表示錐孔的允許尺寸范圍要求，見圖7左邊，即為錐孔允許最大和最小尺寸時(shí)測(cè)量桿刻度線的位置。

那如何設(shè)定測(cè)量塞規(guī)桿上的兩條刻度線的寬度呢?我們以第一段和第二段錐孔為例，作簡(jiǎn)要介紹。

由圖1，可以知道第一段錐孔的錐度約為1:35.71，也就是說(shuō)對(duì)于該段錐孔，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量套上刻度線每格轉(zhuǎn)化成錐孔直徑方向的尺寸為1/35.71=Φ0.028 mm;第二段錐孔的錐度為1:11.77，也就是說(shuō)對(duì)于該段錐孔，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量套上刻度線每格轉(zhuǎn)化成錐孔直徑方向的尺寸為1/11.77=Φ0.08 mm。又由于圖紙要求各段錐孔同軸度不能超過(guò)Φ0.05 mm，故定第一段錐孔的測(cè)量塞規(guī)桿上的刻度線寬度為1.5 mm，第二段錐孔的測(cè)量塞規(guī)桿上的刻度線寬度為0.5 mm。

由于標(biāo)準(zhǔn)套為唯一，且各段錐孔的測(cè)量方法和基準(zhǔn)一致，故按此方法能較為簡(jiǎn)捷方便地反映出各段錐孔的尺寸及同軸度。

4 結(jié)語(yǔ)

在該炮管的首次加工生產(chǎn)中，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤，表明了以上幾種措施的實(shí)施完全滿足了加工要求，表面粗糙度基本在Ra1.0 μm 左右，同軸度要求也能在Φ0.05 μm 以內(nèi)，此外生產(chǎn)效率還有了明顯的提高。這為其他類似多段深錐孔的加工提供了借鑒。

［1］馮彩霞，張喜群，李娟，等.加工超高強(qiáng)度鋼的深孔鏜削刀具［J］.工具技術(shù)，2008，42(1):127-128.

［2］李景偉.加工深孔時(shí)刀具振動(dòng)現(xiàn)象的分析［J］.煤炭技術(shù)，2008，27(6):19-21.