譚勝龍 王新科 景富軍

(中國兵器工業(yè)第五八研究所，四川綿陽 621000)

火炮根據(jù)彈丸口徑分類可以分為小口徑火炮(地面炮20～70 mm，高射炮20～60 mm)、中口徑炮(地面炮70～155 mm，但一般也把122 mm、152 mm、155 mm稱為大口徑，高射炮為60～100 mm)、大口徑炮(地面炮155 mm以上，高射炮100 mm以上)［1］?；鹋谏砉苁腔鹋诘年P(guān)鍵零部件，而膛線則是火炮身管的命脈線，其制造質(zhì)量決定了火炮的射程、命中率和壽命［2］。由于火炮身管長徑比大，精度要求高，加工難度大，其加工技術(shù)成為火炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外對于小口徑火炮主要采用成型刀具加工，中口徑和大口徑主要采用自動進給刀具加工。在火炮身管加工制造方面，國內(nèi)制造技術(shù)與國外相比差距較大，國外火炮加工以數(shù)控設(shè)備為主，在膛線加工這一關(guān)鍵工序，先進國家均采用系統(tǒng)自動監(jiān)控加工狀態(tài)、刀具自動補償?shù)臄?shù)控機床加工，而國內(nèi)在這一工序的加工仍然以傳統(tǒng)靠模機床為主，不但效率低，而且由于靠模磨損，精度降低，產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達國家相比有一定的差距，同時，靠模機床一種靠模只能加工一種火炮膛線，靠模更換困難，對產(chǎn)品變化適應(yīng)性差。

針對靠模機床相關(guān)問題，西南自動化研究所以火炮膛線工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)加工工藝與CNC控制有機結(jié)合起來，設(shè)計出了火炮數(shù)控拉線機床，彌補了我國火炮身管自動化加工技術(shù)的缺口。下面，筆者針對小口徑火炮淺談小口徑火炮數(shù)控拉線機床的設(shè)計與研究。小口徑火炮身管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，梯形膛線，槽寬不大于3 mm，槽深不大于1 mm，夾角α不大于35°，纏度為不大于10°，使用成套成型刀具，從最小號直徑開始依次加大成型刀具號進行加工，每把成型刀具采用小吃刀量。膛線加工實物如圖2所示。

1 機床結(jié)構(gòu)設(shè)計

小口徑火炮拉線機床設(shè)計應(yīng)從以下幾個方面入手:

(1)機床具有良好的支撐剛度;

(2)機床具有沿火炮身管軸線方向的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動;

(3)火炮身管裝夾靈活調(diào)節(jié);

(4)機床具備冷卻和潤滑系統(tǒng);

(5)CNC控制，加工狀態(tài)實時監(jiān)測;

(6)機電一體化機床布局。

機床總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由安裝主軸的動力床身部件、支撐小口徑火炮身管的工件床身部件、CNC控制系統(tǒng)和提供冷卻潤滑及走線輔助部件4部分組成。根據(jù)圖1所示火炮身管加工需求，機床設(shè)計額定拉削力為35 kN，最大拉削力為55 kN。在如此大的拉削力作用下，保證機床具有足夠的剛度也就是在保證機床的加工精度。影響機床加工精度涉及機床自身的支撐剛度、刀具的剛度、工件的剛度等方方面面，設(shè)計時從機床零部件自身結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制造工藝、裝配工藝等方面來綜合提高提升機床自身的支撐剛度對于保證機床精度的重要性是無容置疑的。機床動力床身和工件床身為基礎(chǔ)大件，采用HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造并人工時效處理，雙矩形支撐面熱對稱結(jié)構(gòu)，床身平均壁厚30 mm，加強肋板采用垂直縱向肋和垂直橫向肋組合［4］，肋板厚度20 mm，保證導(dǎo)軌的幾何精度。左段為工件床身，導(dǎo)軌副采用雙矩形導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)寬導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式，床身中間低于導(dǎo)軌面便于冷卻液的回收，右段為動力床身，主軸通過力士樂高精度滾柱直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，很大程度上減小了運動摩擦，提高了機床主軸軸向運動精度和動態(tài)響應(yīng)性能。機床地基是支撐剛度的另一關(guān)鍵要素，機床采用混凝土單獨隔振地基，混凝土牌號選用500#［4］，寬度與長度以滿足機床安裝要求定制，厚度設(shè)計為850 mm，同時在機床混凝土地基邊設(shè)置防振溝，最大限度減小了工房其他振源對機床的影響。

小口徑火炮身管內(nèi)孔尺寸較小，現(xiàn)有技術(shù)一般采用成套成型刀具加工完成，這要求機床具備沿工件軸線直線運動和繞工件軸線旋轉(zhuǎn)運動兩個方向的運動。沿工件軸線的直線運動稱為Z軸運動，主要通過伺服電動機、精密減速機、梯形絲杠構(gòu)成傳動機構(gòu)，通過高精度直線光柵尺構(gòu)成檢測回路，實現(xiàn)機床運行時在工件軸線Z軸上的精確定位，Z軸有效行程為4 800 mm，定位精度為0.03 mm，重復(fù)定位精度為0.01 mm，工進速度為0.5～5 m/min，快進速度達到10 m/min。繞工件軸線的旋轉(zhuǎn)運動稱為C軸運動，實現(xiàn)膛線纏度的加工，主要通過伺服電動機、精密減速機、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成傳動機構(gòu)，通過高精度角度編碼器構(gòu)成檢測回路，實現(xiàn)機床運行時在C軸上的精確定位，C軸定位精度為20″，重復(fù)定位精度為 10″，工進速度為 0 ～4 r/min，快進速度為10 r/min。機床專用控制系統(tǒng)以西門子SINUMERIK 802D sl為基礎(chǔ)開發(fā)，實現(xiàn)對機床Z軸和C軸的控制，Z軸和C軸單獨運行與聯(lián)動運行兩種運行模式可以通過系統(tǒng)設(shè)定，滿足不同加工需求。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

小口徑火炮數(shù)控拉線機床C軸和Z軸是機床設(shè)計的關(guān)鍵零部件，C軸和Z軸傳動原理如圖4所示。

本文以C軸為例進行具體論述。保證C軸具有高剛度和高動態(tài)響應(yīng)速度，決定著機床的加工精度和性能。C軸以HT250(GB/T 9439)［3］為材料整體鑄造的主軸箱為安裝基體，由伺服電動機5、圓弧齒同步帶4、中空精密減速機6、彈性聯(lián)軸器2和7、轉(zhuǎn)軸11及軸承組合構(gòu)成傳動機構(gòu)。主軸箱受力形變是箱體自身支撐剛度的主要因素，設(shè)計時必須進行仿真分析。主軸箱通過PRO/E三維建模，運用PRO/E MECHANICA進行結(jié)構(gòu)仿真，在箱體上施加最大55 kN拉削力情況下的等效力，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，箱體最大形變?yōu)?.016 68 mm，支撐剛度滿足機床整體指標(biāo)。

C軸通過伺服電動機驅(qū)動，伺服電動機選用西門子針對具有高動態(tài)性能和高精度要求機床提供的1FT6系列(1FT6 086－8AC7)永磁式同步電動機，額定輸出扭矩TC=22.5 N·m，額定轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min。伺服電動機與減速機輸入軸通過圓弧齒同步帶直聯(lián)，減速機選用精密中空減速機，減速比ic1=20，圓弧齒同步帶減速比ic2=3.5，總減速比i=ic1×ic2=20×3.5=70。機床運行工況為2～3班制，工況惡劣，在機床正常運行時，同步電動機最大轉(zhuǎn)速n1=10×70=700 r/min，處于額定轉(zhuǎn)速1/3左右。根據(jù)西門子電動機特性，滿足連續(xù)工作的惡劣工況。減速機輸出軸與轉(zhuǎn)軸通過高剛度聯(lián)軸器聯(lián)接，從電動機輸出軸到轉(zhuǎn)軸傳動鏈短，傳動剛度好，傳動精度高。轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度主要由支撐軸承決定，轉(zhuǎn)軸選用雙向推力球軸承軸向定位(P5級)，選用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(SP級)與深溝球軸承(P4級)徑向支撐，轉(zhuǎn)軸軸向竄動達到0.005～0.015 mm，徑向跳動達到0.005～0.015 mm。C軸位置采用全閉環(huán)控制，首先通過1FT6 086－8AC7電動機內(nèi)置編碼器，根據(jù)電動機輸出脈沖數(shù)換算得到電動機輸出位置，實現(xiàn)半閉環(huán)控制，然后通過轉(zhuǎn)軸尾端同軸安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器，實時監(jiān)控轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位置，CNC將旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)與電動機數(shù)據(jù)比對并進行位置修正，完成位置全閉環(huán)控制。

3 控制系統(tǒng)

小口徑火炮數(shù)控拉線機床采用西門子802D sl系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進行功能應(yīng)用和擴展，將NC、PLC、HMI系統(tǒng)集成在同一操作界面，形成火炮數(shù)控拉線機專用控制系統(tǒng)，配置原理如圖7所示。該系統(tǒng)保證機床持續(xù)長久可靠地運行，而且具有加工過程的運行方式監(jiān)控、電動機電流瞬動檢測、全程數(shù)據(jù)記錄、強化故障診斷、在異常發(fā)生后刀具能夠沿原軌跡自動退出等特殊功能，同時根據(jù)機床加工需求，系統(tǒng)擴展數(shù)據(jù)采集模塊與報警信息監(jiān)控模塊。數(shù)據(jù)采集模塊與802D sl共同作用完成火炮身管的加工與過程監(jiān)控。報警信息監(jiān)控模塊主要針對冷卻泵故障、潤滑泵故障、行程超限故障、電源模塊故障、驅(qū)動模塊故障、802D sl系統(tǒng)故障、單軸位置超差故障、軸聯(lián)動位置超差故障、電動機負載電流超差、空調(diào)器故障、緊急停止故障、數(shù)據(jù)采集模塊故障等報警信號的處理，均在802D sl系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部進行并在系統(tǒng)面板上優(yōu)先顯示。如果數(shù)控系統(tǒng)遇到影響加工精度的報警信號則停機待檢，如果數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)全閉環(huán)位置反饋信息判定機床加工精度無法保證，但誤差不超過預(yù)設(shè)的情況下，系統(tǒng)自動啟動預(yù)先設(shè)置的螺距補償功能，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)加工精度，減小加工誤差。

4 結(jié)語

小口徑火炮數(shù)控拉線機床彌補了我國火炮身管自動化加工技術(shù)的缺口，機床實現(xiàn)了位置全閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)實時監(jiān)控機床運行狀態(tài)并根據(jù)預(yù)設(shè)值調(diào)控運行參數(shù)，保證了機床優(yōu)良的加工精度和穩(wěn)定的性能，對小口徑火炮產(chǎn)品類別的擴展和質(zhì)量的提升提供了裝備技術(shù)支持。

［1］丁世用.兵器構(gòu)造和發(fā)展概論［J］.現(xiàn)代兵器，1984(9):53－55.

［2］王靖君，赫信鵬.火炮概論［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1992.

［3］現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［4］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.