綜合解決拉制小口徑火炮膛線表面光潔度低的方法

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。

a) 實(shí)物圖

國內(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適宜時，遇到拉制后膛線局部表面光潔度低影響表面精度的問題(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，長度為1 400 mm，長徑比為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，表面光潔度差的問題。

2 工藝分析

2.1 問題分析

針對發(fā)生的膛線表面光潔度差、陽線有劃傷問題，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)，通過聽聲音、看切屑、觀察機(jī)床負(fù)荷及壓力表、觸摸振動等外觀現(xiàn)象來判斷切削過程是否正常，在刀具走刀行程完成后退出才能觀測刀具磨損情況、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)孔的表面精度對拉制后膛線表面質(zhì)量影響較大；刀具切削路程長，容易發(fā)生負(fù)荷不均，切削溫度高，切屑經(jīng)過的路程也長，容易發(fā)生阻塞，刀具易磨損、崩刃，造成膛線劃傷等質(zhì)量問題，應(yīng)采用極壓性高的切削液，并改善過濾情況，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。通過數(shù)控拉槽機(jī)CNC控制沿身管軸線方向的直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，利用數(shù)控拉槽機(jī)具有主軸(C軸)旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(Z軸)聯(lián)動功能，設(shè)計專用的刀具系統(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，控制該拉線刀具按一定的螺旋軌跡同時拉削數(shù)條膛線。拉線刀體根據(jù)火炮口徑設(shè)計拉刀組數(shù)。

圖4 拉線刀體

刀體的每次徑向進(jìn)刀的循環(huán)由返程與切削來完成，返程時刀具全部收回到位，切削時，刀具伸出給定長度，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)度相對較高，拉線時進(jìn)給量很小，且涉及多組膛線，需要經(jīng)過數(shù)十次循環(huán)，機(jī)床本身行程較長，內(nèi)螺旋槽膛線加工過程切削振動、工藝系統(tǒng)剛性等都承受考驗(yàn)。深孔拉削的突出特點(diǎn)是切屑處理問題，對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)場輔助條件分析

針對出現(xiàn)的表面質(zhì)量問題，筆者對拉線刀體同軸度、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，分析并予以局部優(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)量問題。

通過對小口徑身管膛線機(jī)械拉制的深孔加工、內(nèi)螺旋槽加工分析，對拉線前零件內(nèi)膛光潔度檢查，對現(xiàn)場加工環(huán)境的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)拉制膛線時正值冬季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)，其精度對表面質(zhì)量有直接影響，所以判定基準(zhǔn)精度存在問題。

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強(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)量差的問題，方法可行。下述將對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)行分析說明。

3.1 壓力的控制說明

3.1.1 理論分析

深孔加工時加強(qiáng)內(nèi)冷卻，強(qiáng)制排屑可以帶走切屑帶走熱量，但排屑不暢會使內(nèi)膛表面劃傷，產(chǎn)生表面質(zhì)量問題。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]。這是通過對切削液的壓力和流量控制實(shí)施的[10]。無堵塞的連續(xù)自動排屑，必須同時得到供油/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，必須通過高的壓力迫使切削液到達(dá)切削刃上以保持潤滑、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)，無專門切削液出口，切削液通過刀體與內(nèi)膛間隙流出且拉線機(jī)床無切削液壓力表顯示，僅有調(diào)壓裝置，試驗(yàn)前未對切削液的壓力予以控制。

試驗(yàn)時為了控制切削液的壓力，在設(shè)備上加改裝了壓力檢測表，調(diào)節(jié)切削液壓力進(jìn)行試驗(yàn)。室溫15 ℃時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€表面均無劃傷；壓力控制在0.8 MPa時，即使刀具角度適宜，但切削液流出軟綿無力，拉制的膛線有局部切屑劃傷，說明切削液壓力控制對切屑排出影響較大。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?，所以為了保持精度，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控制切削液溫度，一般最高工作溫度是43～48 ℃。對于切削液來說，首先應(yīng)滿足液壓裝置在工作溫度與啟動溫度下對液體粘度的要求，每種切削液都有一定的使用范圍，過高或過低的溫度對切削液都存在不利的影響。

低溫使切削液粘度變大，粘度過高，油泵的自吸能力下降，液壓系統(tǒng)壓力損失增大，同時油液沖刷內(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40#)粘度低。為了保證切削油的粘度，試驗(yàn)時，將工房工作溫度由10 ℃提高至15 ℃，在控制工作溫度的同時，筆者采取在冷卻液箱的油池中增加100目網(wǎng)眼篩的過濾措施，以避免排屑不暢或切削液內(nèi)有大顆粒物，對內(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，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)動軌跡沿身管內(nèi)膛軸線運(yùn)動。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造成拉制膛線時刀體振動、切削力方向改變、尺寸精度超差、陰線表面光潔度差等問題。

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)窺鏡檢測發(fā)現(xiàn)，在距拉線出口150～200 mm段陰、陽線圓周向光潔度均較差，肉眼判斷僅為Ra(12.5～3.2) μm。又對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線圖樣要求(Ra1.6 μm)低一個等級，達(dá)到Ra0.8 μm。同時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)對內(nèi)膛質(zhì)量進(jìn)行全膛檢測，確保全膛表面合格后才進(jìn)行膛線加工。通過保證并提高基準(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，所以在加工過程中及時監(jiān)控刀具的磨損情況，使用復(fù)磨工具保證刀刃的鋒利；通過選取合理的加工參數(shù)，及時調(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，同時設(shè)計導(dǎo)向套穩(wěn)定刀桿，減少刀桿剛度不足引起的顫動，減少共振帶來的影響表面加工質(zhì)量的因素，以保證膛線加工質(zhì)量。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過對切削液的壓力、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，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題，表面粗糙度均滿足Ra1.6 μm要求。試驗(yàn)證明，對切削液系統(tǒng)壓力予以控制，根據(jù)切削油標(biāo)號，對工作環(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題發(fā)生；對拉線前基準(zhǔn)精度提升，表面粗糙度高于零件圖樣表面精度1個等級后拉制膛線，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

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。對于深孔加工來說，能否連續(xù)地、無堵塞地自動排出切屑，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，同時由于小口徑火炮的身管口徑較小，從外面觀測不到內(nèi)膛的實(shí)際情況，必須使用專用內(nèi)徑檢測儀檢測內(nèi)膛表面，關(guān)注深孔加工的誤差復(fù)映，通過試驗(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題，為小口徑火炮膛線的機(jī)械加工提供了技術(shù)依據(jù)。