申 璽，賈建利，李夢娟，黃正莉

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

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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(jī)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(yàn)指標(biāo)，采用L16(25)正交試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)分析法實(shí)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(jìn)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(shí)，材料去除率達(dá)到最大，孔徑過切量和深度過切量達(dá)到最小，實(shí)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(jī)械拉削難以實(shí)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(diǎn)，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(qiáng)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(xiàn)[6-7]對炮管膛線電解加工進(jìn)行了早期研究，并獲得成功應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)大口徑火炮炮管深內(nèi)螺旋線加工提供了思路.文獻(xiàn)[8]闡述了超純水電解加工、微細(xì)加工工藝技術(shù)特點(diǎn)和加工參數(shù)選取方法.文獻(xiàn)[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(yàn)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(yàn)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)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(jìn)給速度及電解液(組分、濃度和壓力)對各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了加工參數(shù)優(yōu)化和合理匹配.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試件材料

本次電解加工試驗(yàn)裝置由機(jī)床本體部分和電解液循環(huán)系統(tǒng)組成，機(jī)床本體實(shí)現(xiàn)陰極進(jìn)給，工件裝夾定位；電解液循環(huán)系統(tǒng)實(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)

為了在單次試驗(yàn)盡可能多的獲取反映試件的加工精度和表面質(zhì)量試驗(yàn)指標(biāo)，且能夠簡便快速測量，文中設(shè)計(jì)試驗(yàn)工具陰極，如圖1所示.

通過正交試驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，因素水平見表2.選取加工電壓、進(jìn)給速度、電解液壓力、電解液組分和濃度作為本次試驗(yàn)的主要影響因素.分別選取2個(gè)水平和L16(25)正交表進(jìn)行16次正交試驗(yàn).試驗(yàn)所采用試件，如圖2所示.試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(shí)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(jìn)給速度和電解液壓力的增大而增大,建立的正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃唵慰煽?可用于材料去除率的預(yù)測及控制，同時(shí)對加工參數(shù)進(jìn)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(shí)，容易造成孔徑過切量，而進(jìn)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(jìn)而對其進(jìn)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(jìn)給速度/mm·min

2 結(jié)果分析和加工參數(shù)優(yōu)化

按照式(1)～(3)計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果見表3.試驗(yàn)指標(biāo)采用灰色關(guān)聯(lián)法分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是測量響應(yīng)，也就是試驗(yàn)指標(biāo)測量結(jié)果.

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)計(jì)算

灰色關(guān)聯(lián)性分析有3個(gè)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(yàn)中yi(k)最小值；maxyi(k)為k次試驗(yàn)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)，原始序列正常化使用式(4)，計(jì)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(gè)試驗(yàn)中第k次響應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

表3 試驗(yàn)指標(biāo)

Tab.3 Test indexes

序號加工時(shí)間/min加工電壓/V進(jìn)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(gè)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(yàn)結(jié)果、式(4)和式(5)計(jì)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(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，反映理想(最好)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和實(shí)際規(guī)范化試驗(yàn)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(jì)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(jì)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(gè)影響因素的工藝參數(shù)和3個(gè)輸出參數(shù).基于田口法設(shè)計(jì)的每個(gè)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)過程中第1次試驗(yàn)的灰色關(guān)聯(lián)度最高.分析結(jié)果表明：在16次正交試驗(yàn)中第1次試驗(yàn)所采用參數(shù)為最佳加工參數(shù)優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了合理匹配.試驗(yàn)中選取優(yōu)化組合加工參數(shù)：加工電壓9 V，進(jìn)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

3 結(jié) 論

文中進(jìn)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(yàn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)，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.

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(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JS042)；西安工業(yè)大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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?yàn)殡娊饧庸ぜ夹g(shù)．E-mail：jl_202@163.com.

TG66

A

1673-9965(2016)10-0797-05