數(shù)控拉線機(jī)火炮膛線的加工

□ 劉 川 □ 高富鎖

成都晉林工業(yè)制造有限責(zé)任公司技術(shù)中心 成都 611930

拉線機(jī)數(shù)控改造是我公司一項(xiàng)重大技改項(xiàng)目，該項(xiàng)目被列入了國家863計(jì)劃，歷經(jīng)兩年完成。但由于該機(jī)床局限于某型號(hào)火炮膛線加工，其加工功能還有待進(jìn)一步開發(fā)。本次新產(chǎn)品的科研試制主要針對(duì)數(shù)控改造后的拉線機(jī)其加工產(chǎn)品的拓展和適應(yīng)性，如刀體的設(shè)計(jì)，主要解決刀具的運(yùn)動(dòng)功能和達(dá)到滿足加工要求的強(qiáng)度及剛度。在確定數(shù)控拉線機(jī)的加工性能和范圍后 （如行程觸點(diǎn)開關(guān)的距離，最大拉削力等），需要掌握控制系統(tǒng)的操作和工藝參數(shù)的設(shè)置，以及在理解身管膛線要求基礎(chǔ)上的程序編制等。最終使用離線檢測系統(tǒng)檢測加工數(shù)據(jù)，加工出合格的身管膛線。

1 機(jī)床簡介

圖1所示的SZ21K數(shù)控拉線機(jī)是在機(jī)械 （靠模）式拉線機(jī)的基礎(chǔ)上改造而來，主要增加了圣維數(shù)控系統(tǒng)、海德漢直線光柵和圓光柵、C軸和Z軸伺服電機(jī)及聯(lián)軸器等。加工膛線的曲線軌跡由靠模加工改進(jìn)為數(shù)控模式加工，提高了加工精度，機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定，刀具損耗低（正常狀態(tài)下一副刀片能加工8件以上），產(chǎn)品加工適應(yīng)性及拓展能力大為提高，故障檢測有依可循且能及時(shí)排除。

2 膛線參數(shù)

本次加工的身管是混合膛線，即由漸速段膛線和等齊段膛線組成，拉線工藝較之某型號(hào)產(chǎn)品的漸速膛線要復(fù)雜。由膛線公式：

式中：Y為膛線升程；k為膛線因數(shù)；x為鏜線軸向尺寸；a、b分別為膛線參數(shù)，系由炮口纏角、起始纏角和膛線長度確定。

▲圖1 SZ21K數(shù)控拉線機(jī)示意圖

該膛線纏角大，隨之升程也較大，刀具在拉削過程中旋轉(zhuǎn)角度增大，必然會(huì)加劇刀具磨損，從而影響膛線質(zhì)量。膛線參數(shù)分別由膛線長L、陽線寬D、陰線寬D1、陰線深H組成。膛線參數(shù)作為一項(xiàng)指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)，是整個(gè)膛線加工過程的理論支撐，只有在充分理解膛線參數(shù)要求后，才能全面展開工藝過程。

3 刀具設(shè)計(jì)與有限元分析

由于新產(chǎn)品要在該設(shè)備上進(jìn)行膛線加工，而加工某型號(hào)產(chǎn)品膛線的刀桿和刀體都不能借用，因此必須設(shè)計(jì)新的刀具來加工該身管膛線。筆者借鑒老產(chǎn)品的刀體結(jié)構(gòu)并結(jié)合新產(chǎn)品膛線要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，克服了刀體結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多因素，設(shè)計(jì)了適合新產(chǎn)品膛線加工的刀體及刀桿，如圖2所示。

▲圖2 拉線刀體

基于新刀體上要安裝刀片和彈簧片，要設(shè)計(jì)刀盒槽和壓簧槽等結(jié)構(gòu)，加上新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸要求，刀體及刀桿的強(qiáng)度和剛度比加工某型號(hào)的拉線刀體要差。因此要對(duì)刀體所受的拉應(yīng)力進(jìn)行校核。使用UGNX7.0對(duì)刀體在受最大拉削力時(shí)的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析，優(yōu)化后拉線刀體應(yīng)力云圖分析見圖3，由圖可知，在機(jī)床最大拉力50 kN時(shí)，刀體所受最大拉應(yīng)力為54.24 MPa。刀體材料為40Cr，抗拉強(qiáng)度σb為785 MPa，安全因子取 3，則許用應(yīng)力［σb］=785/3≈262 MPa，刀體許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大工作應(yīng)力，刀體在拉削中是安全可靠的。

▲圖3 優(yōu)化后的拉線刀體應(yīng)力云圖

4 加工過程

（1）刀體應(yīng)符合與機(jī)床主軸連接的接口尺寸，安裝后必須進(jìn)行刀桿母線檢測，要求側(cè)母線和上母線的直線度都小于φ0.15 mm。刀體的跳動(dòng)必須小于0.20 mm，否則無法實(shí)現(xiàn)膛線拉削。

（2）安裝好刀桿后，預(yù)設(shè)凸輪參數(shù)值，見表1。

表1 凸輪參數(shù)預(yù)設(shè)值

表1數(shù)據(jù)結(jié)合近端換向點(diǎn)N以及膛線長L，初步確定刀體移動(dòng)位置 （刀體刀槽后端面與身管小端口部平齊），結(jié)合面板顯示記錄該數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)床工藝參數(shù)設(shè)置，這是整個(gè)數(shù)據(jù)輸入的重要部分。以上操作是在機(jī)床“手動(dòng)操作”一欄下進(jìn)行。步驟必須嚴(yán)密且數(shù)據(jù)記錄要準(zhǔn)確，可以反復(fù)對(duì)刀，如果每次數(shù)據(jù)差別不大，就可以確定基本對(duì)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)可以使用。

近端換向點(diǎn)N是以某型號(hào)膛線加工為基礎(chǔ)并結(jié)合機(jī)床加工行程確定，可作為所有產(chǎn)品凸輪參數(shù)的基礎(chǔ)點(diǎn)位，這個(gè)參數(shù)是整個(gè)膛線參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，一般不允許隨意改動(dòng)。以上述近端換向點(diǎn)N為基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)點(diǎn)，打開操作面板上“工藝參數(shù)”→“凸輪設(shè)置”項(xiàng)，然后將表2中的數(shù)據(jù)依次輸入。

表2中的數(shù)據(jù)必須輸入正確，否則將引起控制系統(tǒng)報(bào)警。

（3）速度參數(shù)設(shè)置。速度設(shè)置對(duì)刀具切削刃的耐用度、機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性都起著決定性的作用（當(dāng)然切削深度也有很大影響，此次試制切削深度是0.03 mm）。太慢，加工效率低，磨損刀具；太快，機(jī)床運(yùn)行受力大，切削時(shí)容易造成Z軸電流和C軸扭矩超過額定要求，造成刀片崩裂，無法保證加工質(zhì)量。

表2 凸輪參數(shù)設(shè)置值

比較某型號(hào)產(chǎn)品膛線的速度參數(shù)設(shè)置，由于某新產(chǎn)品膛線長度與某型號(hào)產(chǎn)品膛線長度雖有差別，纏角α 也較大（tanα=π/η，η 為纏度，即膛線繞炮膛旋轉(zhuǎn) 1周在軸向移動(dòng)的長度），但其陰線（膛線陰橫截面）深度較淺，整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛度（刀具、夾具以及機(jī)床）可以滿足膛線要求，因此與某型號(hào)產(chǎn)品速度參數(shù)設(shè)置相同（見表3）。重點(diǎn)分析此參數(shù)的原因是因?yàn)樾庐a(chǎn)品數(shù)量少，具有代表性的數(shù)據(jù)不多，并且此次膛線加工，在剛拉削第3件的時(shí)候出現(xiàn)了4片刀崩裂或磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，說明速度參數(shù)有很多地方還有待優(yōu)化。

表3 速度參數(shù)設(shè)置/（mm·min-1）

另外，加工程序的編制采用的是角度編程，一般情況下也可以使用系數(shù)編程（兩種編程方式區(qū)別不大，但角度編程更容易操作，建議首選使用）。并且由于是混合膛線，要求分別輸入程序數(shù)據(jù)，必須保證實(shí)現(xiàn)兩段程序的鏈接。

5 數(shù)據(jù)采集

此次新產(chǎn)品身管膛線試制，包括1件試件、2件正產(chǎn)品?，F(xiàn)將試制中的膛線數(shù)據(jù)用于分析，其數(shù)據(jù)采集使用膛線離線評(píng)測系統(tǒng)，能夠直觀地反映出膛線加工是否符合設(shè)計(jì)要求，并且對(duì)機(jī)床加工過程中的運(yùn)行狀況有精確的監(jiān)測。使用膛線離線評(píng)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為膛線加工必要的步驟。

Z軸主要采集膛線起始點(diǎn)到膛線終點(diǎn)的光柵反饋點(diǎn)，主要采集典型數(shù)據(jù)，依據(jù)是膛線曲線X增量（每100 mm遞增值）。參考起點(diǎn)是膛線遠(yuǎn)端終點(diǎn)T′，計(jì)算Z軸的增量：

式中：Zf1為光柵反饋點(diǎn)第1個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；Zfn為隨機(jī)采集的點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 Z軸反饋數(shù)據(jù)表/mm

C軸是在Z軸反饋點(diǎn)的基礎(chǔ)上采集的C軸光柵角偏角度，計(jì)算C軸角度增量：

式中：C1為光柵角偏角度；Cn為隨機(jī)采集的光柵角偏角度。

將所采集數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)螺旋角相對(duì)比來檢驗(yàn)加工的膛線，見表5。

反饋基礎(chǔ)點(diǎn)：Zf1=-5 662.360；C1=91.242，Y 為膛線升程；d為身管內(nèi)孔直徑。

對(duì)比C軸角度增量和C軸設(shè)計(jì)螺旋角，可以看到兩者的值是非常接近的，說明膛線拉削各工藝參數(shù)點(diǎn)以及程序編制正確，機(jī)床加工狀態(tài)良好，滿足了設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)以上采集數(shù)據(jù)，生成能反映膛線軌跡的曲線圖，如圖4所示。

由圖可見，曲線準(zhǔn)確地表達(dá)了膛線軌跡，結(jié)合表4、表5分析可知，在反饋基礎(chǔ)點(diǎn)-5 662.360至膛線終點(diǎn)膛線軌跡符合設(shè)計(jì)要求，角度增量和設(shè)計(jì)螺旋角基本吻合，誤差在公差允許范圍內(nèi)。

在膛線加工中，對(duì)刀具切削過程中的載荷要求非常嚴(yán)格，如有超過額定載荷的情況出現(xiàn)，機(jī)床控制系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)報(bào)警停機(jī)，如果載荷在非正常狀態(tài)下工作（如刀具切削中發(fā)生振動(dòng)，載荷接近額定值等），那么即使能拉削，膛線的粗糙度也不能保證。

從圖5及圖6電機(jī)電流帶的變化范圍可見，在拉削過程中機(jī)床C軸和Z軸電機(jī)電流帶都在額定電流之下（額定電流為25 A），并且電流波形平穩(wěn)，幅值穩(wěn)定，說明機(jī)床加工狀態(tài)穩(wěn)定可靠。從工件實(shí)際加工結(jié)果看，膛線尺寸及表面粗糙度均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

縱觀該新產(chǎn)品身管膛線的試制過程，對(duì)身管膛線理論知識(shí)的理解非常重要，針對(duì)某型號(hào)產(chǎn)品和新產(chǎn)品膛線的差異，進(jìn)行刀具設(shè)計(jì)以及程序編制，和制定正確的機(jī)床加工工藝參數(shù)。結(jié)合本次試制，全面了解拉線機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工性能。深刻認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)采集的重要性，并拓展了機(jī)床的加工范圍，使得改造后的機(jī)床發(fā)揮更大的作用。

表5 C軸反饋數(shù)據(jù)表/（°）

▲圖4 膛線曲線圖

▲圖5 C軸電機(jī)電流帶

▲圖6 Z軸電機(jī)電流帶

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