申 璽,賈建利,李夢娟,黃正莉
(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,西安 710021)
?
大口徑火炮深孔內(nèi)螺旋線電解加工參數(shù)的優(yōu)化
申 璽,賈建利,李夢娟,黃正莉
(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,西安 710021)
為解決大口徑火炮深孔內(nèi)螺旋線加工,研究了火炮炮管材料32CrNi3MoV電解加工主要參數(shù)相互影響變化規(guī)律.選取材料去除率、孔徑過切量和深度過切量為試驗指標(biāo),采用L16(25)正交試驗和灰色關(guān)聯(lián)分析法實現(xiàn)了加工參數(shù)優(yōu)化,得到了深孔內(nèi)螺旋線高效率、高精度無應(yīng)力電解加工成型的優(yōu)化工藝參數(shù).結(jié)果表明:加工電壓為9 V、進給速度為0.5 mm·min-1、電解液壓力為0.6 MPa和采用10%NaNO3+2.5%NaClO3電解液時,材料去除率達到最大,孔徑過切量和深度過切量達到最小,實現(xiàn)了火炮炮管材料32CrNi3MoV電解加工參數(shù)合理匹配.
大口徑火炮;深孔內(nèi)螺旋線;電解加工;材料去除率
隨著兵器科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,炮管材料變硬,槽線變深,機械拉削難以實現(xiàn)甚至無法加工大口徑深內(nèi)螺旋線.電解加工具有一次成型、效率高、表面質(zhì)量好及無殘余應(yīng)力的優(yōu)點,成為大口徑深膛線(內(nèi)螺旋線)的行之有效的加工方法[1-5].炮鋼是當(dāng)今用來制造加農(nóng)炮、榴彈炮等大口徑火炮炮管的主要材料,具有高強度、高硬度性能,普通加工難以制造出所需工件,電解加工成為解決關(guān)鍵工藝的主要技術(shù)手段.文獻[6-7]對炮管膛線電解加工進行了早期研究,并獲得成功應(yīng)用,對實現(xiàn)大口徑火炮炮管深內(nèi)螺旋線加工提供了思路.文獻[8]闡述了超純水電解加工、微細加工工藝技術(shù)特點和加工參數(shù)選取方法.文獻[9]提出了電解微加工的輔助陽極、工具陰極和電解液研制方法.但針對大口徑火炮深孔內(nèi)螺旋線加工很少有人涉及,文中主要研究大口徑火炮炮管材料32CrNi3MoV電解加工的加工參數(shù)相互影響的變化規(guī)律和選擇合適電解液配方.針對試驗研究目的選取了材料去除率、深度過切量和孔徑過切量為主要試驗指標(biāo),采用正交試驗和灰色關(guān)聯(lián)法分析了多目標(biāo)參數(shù)加工電壓、陰極進給速度及電解液(組分、濃度和壓力)對各項試驗指標(biāo)影響規(guī)律,實現(xiàn)了加工參數(shù)優(yōu)化和合理匹配.
1.1 試驗裝置及試件材料
本次電解加工試驗裝置由機床本體部分和電解液循環(huán)系統(tǒng)組成,機床本體實現(xiàn)陰極進給,工件裝夾定位;電解液循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)電解液過濾和加工區(qū)電解液供給.文中研究火炮炮管材料32CrNi3MoV,該材料化學(xué)成分見表1.
表1 炮鋼32CrNi3MoV的化學(xué)成分(w/%)
Tab.1 Chemical composition of gun steel 32CrNi3MoV (w/%)
元素含量元素含量C0.360Si0.220Mn0.400P0.011S0.006Cu0.100Ni3.120Cr1.300Mo0.360V0.150
1.2 試驗設(shè)計
為了在單次試驗盡可能多的獲取反映試件的加工精度和表面質(zhì)量試驗指標(biāo),且能夠簡便快速測量,文中設(shè)計試驗工具陰極,如圖1所示.
通過正交試驗法進行相關(guān)試驗,因素水平見表2.選取加工電壓、進給速度、電解液壓力、電解液組分和濃度作為本次試驗的主要影響因素.分別選取2個水平和L16(25)正交表進行16次正交試驗.試驗所采用試件,如圖2所示.試驗指標(biāo)選用材料去除率、孔徑過切量及深度過切量.
圖1 試驗陰極(mm)
Fig.1 Cathode for experiment(mm)
圖2 試 件
Fig.2 Workpiece
材料去除率為
(1)
式中:mb為加工之前試件質(zhì)量;ma為加工之后試件質(zhì)量;ρ為試件材料密度;t為加工時間.
孔徑過切量為
(2)
式中:Da為加工之后試件孔徑尺寸; D0為加工之前試件孔徑尺寸.
深度過切量為
(3)
式中:da為加工之后試件孔的測量深度;d0為試件上孔的實際要求加工深度.
由于加工參數(shù)對材料去除率的影響顯著,材料去除率隨著加工電壓、進給速度和電解液壓力的增大而增大,建立的正交試驗?zāi)P秃唵慰煽?可用于材料去除率的預(yù)測及控制,同時對加工參數(shù)進行優(yōu)化.孔徑過切量對炮管尺寸精度影響很大,而不同的加工參數(shù)對孔徑過切量影響不同,加工電壓增大時,容易造成孔徑過切量,而進給速度對孔徑過切量影響更為顯著.深度過切量對炮管性能也造成很大影響,需要通過分析加工參數(shù)對深度過切量的影響,進而對其進行預(yù)測和控制.
表2 因素水平
Tab.2 Orthogonal factors table
水平因素加工電壓/V進給速度/mm·min
按照式(1)~(3)計算試驗指標(biāo),結(jié)果見表3.試驗指標(biāo)采用灰色關(guān)聯(lián)法分析,試驗數(shù)據(jù)是測量響應(yīng),也就是試驗指標(biāo)測量結(jié)果.
2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)計算
灰色關(guān)聯(lián)性分析有3個不同類型的數(shù)據(jù)規(guī)范化的要求:越低越好、越高越好和符合標(biāo)準(zhǔn)值更好.按越高越好的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn),灰色關(guān)聯(lián)生成后的正常數(shù)據(jù)為
(4)
式中:yi(k)為第i次響應(yīng)過程中的數(shù)據(jù);minyi(k)為k次試驗中yi(k)最小值;maxyi(k)為k次試驗過程中的最大值.
按越低越好的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn),灰色關(guān)聯(lián)生成后的正常數(shù)據(jù)為
(5)
材料去除率的質(zhì)量特征符合越高越好的標(biāo)準(zhǔn),原始序列正?;褂檬?4),計算結(jié)果見表4.孔徑過切量和深度過切量遵循越低越好的標(biāo)準(zhǔn),原始序列正?;褂檬?5).
2.2 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)
第i個試驗中第k次響應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為
表3 試驗指標(biāo)
Tab.3 Test indexes
序號加工時間/min加工電壓/V進給速度/mm·min
2.3 灰色關(guān)聯(lián)度
灰色關(guān)聯(lián)度越大,灰色關(guān)聯(lián)等級俞高.灰色關(guān)聯(lián)度為
(7)
其中n為輸出響應(yīng)個數(shù).灰色關(guān)聯(lián)度為參考序列和比較序列之間的相關(guān)等級,灰色關(guān)聯(lián)度高表明所采用工藝參數(shù)更接近最優(yōu)組合參數(shù)條件.
依據(jù)表3試驗結(jié)果、式(4)和式(5)計算灰色關(guān)聯(lián)分析標(biāo)準(zhǔn)值和灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù).根據(jù)式(6)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),反映理想(最好)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)和實際規(guī)范化試驗數(shù)據(jù)之間的關(guān)系.灰色關(guān)聯(lián)度由選定的響應(yīng)計算出的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)確定,多因素反應(yīng)的總體質(zhì)量結(jié)果特征依賴于所計算灰色關(guān)聯(lián)度.
和深度過切量相互關(guān)聯(lián).灰色關(guān)聯(lián)分析方法優(yōu)化加工工藝參數(shù)主要考慮電解加工火炮炮鋼的4個影響因素的工藝參數(shù)和3個輸出參數(shù).基于田口法設(shè)計的每個試驗的材料去除率、孔徑過切量和深度過切量的灰色關(guān)聯(lián)等級見表4.正交試驗中灰色關(guān)聯(lián)度分布曲線如圖3所示,圖3顯示16次正交試驗過程中第1次試驗的灰色關(guān)聯(lián)度最高.分析結(jié)果表明:在16次正交試驗中第1次試驗所采用參數(shù)為最佳加工參數(shù)優(yōu)化組合,實現(xiàn)了合理匹配.試驗中選取優(yōu)化組合加工參數(shù):加工電壓9 V,進給速度0.5 mm·min-1,電解液壓力0.6 MPa,10%NaNO3+2.5%NaClO3電解液,對應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)度最高,具有最大的材料去除率,最小的孔徑過切量和深度過切量.
圖3 灰色關(guān)聯(lián)度分布曲線圖
Fig.3 The graph of grey correlation grade
表4 灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)
Tab.4 Data of grey correlation analysis
序號標(biāo)準(zhǔn)值灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)y*0my*0dy*0hy*imy*idy*ihεmεdεh灰色關(guān)聯(lián)度10.001.000.871.000.000.130.331.000.790.70820.190.721.000.810.280.000.380.641.000.67430.140.670.670.860.330.330.370.600.600.23040.210.560.600.790.440.400.390.530.560.49150.470.940.800.530.060.200.480.900.710.70060.490.500.730.510.500.270.490.500.650.54970.570.670.530.430.330.470.540.600.520.55180.580.440.400.420.560.600.550.470.450.49190.550.280.330.450.720.670.530.410.430.454100.500.390.470.500.610.530.500.450.480.477110.590.220.200.410.780.800.550.390.380.442120.550.170.130.450.830.870.530.380.370.422130.830.440.000.170.561.000.750.470.330.518140.900.220.200.100.780.800.840.390.380.538150.920.060.070.080.940.930.860.350.350.519161.000.000.270.001.000.731.000.330.410.580
文中進行大口徑火炮炮鋼30CrNi3MoV材料電解加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗研究,通過數(shù)據(jù)處理,所得結(jié)論為
1) 采用NaNO3和NaClO3非線性復(fù)合電解液實現(xiàn)了大口徑火炮炮管30CrNi3MoV材料穩(wěn)定加工;
2) 通過灰色關(guān)聯(lián)法分析實現(xiàn)了火炮深孔內(nèi)螺旋線電解加工參數(shù)優(yōu)化和合理匹配,加工電壓為9 V,進給速度為0.5 mm·min-1,電解液壓力為0.6 MPa;且在10%NaNO3+2.5%NaClO3電解液組分和濃度時,對應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)度最大,材料去除率為0.092 mm3·min-1,孔徑過切量為0.36 mm,深度過切量為0.36 mm.
[1] BURTON L,CARTER R,CHAMPAGNE R,et al.Army Targets Age Old Problems with New Gun Barrel Materials[J].Amptiac Quarterly,2004,18(4):49.
[2] PATTAVANITCH J,HINDUJA S.Machining of Turbulated Cooling Channel Holes in Turbine Blades[J].CIRP Ann Manuf Technol,2012,61:199.
[3] RAJURKAR K P,ZHU D,MCGEOUGH J A,et al.New Development in Electrochemical Machining[J].CIRP Ann Manuf Technol,1999,48:567.
[4] SHOKRANI A,DHOKIA V N.Environmentally Conscious Machining of Difficult-to-machine Materials with Regard to Cutting Fluids[J].Int J Mach Tools Manuf,2012,57:83.
[5] LABIB A W,KEASBERRY V J,ATKINSON J,et al.Towards Next Generation Electrochemical Machining Controllers: A Fuzzy Logic Control Approach to ECM[J].Expert Sys Appl,2011,38:7486.
[6] 徐家文,王建業(yè),田繼安.21世紀(jì)初電解加工的發(fā)展和應(yīng)用[J].電加工與模具,2001(6):1.
XU Jiawen,WANG Jianye,TIAN Jian.The Development and Application of Electrochemical Machining in the Early Years of 21 Century[J].Electromachining & Mould,2001(6):1.(in Chinese)
[7] 范植堅,楊森,唐霖.電解加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,32(10):775.
FAN Zhijian,YANG Sen,TANG Lin.The Application and Development of Electrochemical Machining Technology[J].Journal of Xi’an Technological University,2012,32(10):775.(in Chinese)
[8] 陳遠龍.電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫及電解加工基本工藝規(guī)律研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2000.
CHEN Yuanlong.Electrochemical Machining Process Parameter Database and the Research of Basic Law on Electrochemical Machining Process[D].Hefei:Hefei University of Technology,2000.(in Chinese)
[9] 張璧,羅紅平,周志雄,等.電化學(xué)微加工技術(shù)的新進展及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國機械工程,2007,18(12):1505.
ZHANG Bi,LUO Hongping,ZHOU Zhixiong,et al.New Progress in Electrochemical Micromachining Technology and Key Technology[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,18(12):1505.
(in Chinese)
(責(zé)任編輯、校對 張 超)
Parameter Optimization on the Deep Hole Helix ECM of Large Caliber Artillery
SHENXi,JIAJianli,LIMengjuan,HUANGZhengli
(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)
To solve the problem of helix forming in deep hole of large caliber artillery in ECM,this research is devoted to the interactional variation of major parameters in ECM for the gun steel 32CrNi3MoV. Three principal influencing factors:material removal rate,overcut-diameter and overcut-depth,are selected as experimental indexes. Then,through L16(25) orthogonal experiments and grey correlation analysis, the machining parameters are optimized,which provides the specific processing reference for helix forming in deep hole of large caliber artillery during ECM with high efficiency,high precision and non-stress. The results show that maximum material removal rate as well as minimum overcut-aperture and overcut-depth are obtained with the voltage of 9 V,the feed speed of 0.5 mm·min-1,electrolyte pressure of 0.6 MPa and 10% NaNO3+ 2.5% NaClO3electrolyte. The reasonable matching of the electrolytic process parameters for the gun tube material 32CrNi3MoV is realized.
large caliber gun;inner spiral line in deep hole;electrochemical machining;material removal rate
10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.10.005
2016-01-24
陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(15JS042);西安工業(yè)大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目(201510702002)
申 璽(1994-),男,西安工業(yè)大學(xué)助工.
賈建利(1979-),男,西安工業(yè)大學(xué)副教授,主要研究方向為電解加工技術(shù).E-mail:jl_202@163.com.
TG66
A
1673-9965(2016)10-0797-05