一种高强度炮钢药室的加工

金铁辉

(上海重型机床厂有限公司，上海 200245)

1 高强度炮钢药室概述

本文论述的高强度炮钢材料为PCrNi3MoVA，这种材料是在低合金强度钢和合金结构钢的基础上发展起来的钢种，该钢种具有很高的强度、足够的韧性、较高的调质硬度，能承受很高的应力，并且在切削时具有艮、粘、切削硬化等特点，其力学性能见表1。

表1 炮钢材料力学性能

药室孔结构如图1 所示。

2 基本加工方式及难点分析

药室孔的加工一般在内膛加工好后进行，先粗镗药室再用铰刀铰药室最后进行抛光，这几道工序里用铰刀铰药室的工作效率太低。这里介绍的是在数控卧车上用镗杆精车药室(如图2)的方法替代铰药室的工艺过程，这样能大大提高加工效率。

从图1 中可看出工件总长4000 mm，其中药室部分长700 mm，药室孔为连续3 段内锥孔，各段内锥孔相对于Φ126.92 mm 的内膛的同轴度要求为Φ0.05 mm(最大实体要求)，表面粗糙度要求为0.4 μm，若要达到可以进行抛光工序的要求，精车后粗糙度必须小于1.6 μm。

根据图纸和技术要求分析，若要完成该药室孔须重点解决以下问题:(1)如何满足药室孔相对于内膛孔的同轴度要求;(2)如何保证药室精车后可以满足抛光工序的粗糙度要求;(3)如何测量各段锥孔是否满足加工需要。

3 相应的解决措施

3.1 如何满足药室孔相对于内膛孔的同轴度要求

在加工该药室孔时，若用传统的夹持方式即工件右端夹持卡盘上，靠近左端架在托架上，肯定无法满足图纸要求。

要解决该问题必须注意两点:(1)以内膛孔为基准;(2)托架有高的回转精度，尽可能使工件回转精度与托架回转精度一致。

本文介绍两种方法解决该问题。

第一种通过内孔定位驱动装置驱动工件，并用具有高回转精度的环形中心架支承工件的方式加工该药室孔，见图2 及图3。

图2 即为内孔定位驱动装置，为了保证内孔定位的准确性，图示A 定位端面和B 定位轴外圆须留余量在机床装配结束后自车至要求尺寸。工件通过定位孔B 和定位端面A 定位后，再通过带齿的夹头夹持工件以驱动工件。

图3 为工件托架，即环型中心架，有4 个套筒用于夹持工件，并可以跟着工件一起旋转。该中心架本身的回转精度可达0.005 mm。

这种一端通过内孔定位驱动，另一端通过环型中心架夹持工件，既保证了以内膛孔为基准的要求，又保证了该工件在加工过程中，工件的高回转精度的要求(工件的回转精度即为环型中心架的回转精度)。

另一种方法是一端通过三爪自定心卡盘夹持外圆，另一端通过环型中心架夹持工件。这种夹持方式如何保证内膛孔和药室孔的同轴度?

如图4，千分表量杆座安装在防振镗杆上，千分表量杆为杠杆式，通过千分表显示。在架环型中心架的时候，以千分表测量内膛孔摆差保证在孔深700 mm处不大于0.05 mm为要求，调整中心架套筒，调好后，卸下千分表量杆及量杆座，在镗杆头部装上刀具进行先精车端面作为后续测量基准，然后进行药室孔车削，这样就可以保证内膛孔和药室孔的同轴度要求。

3.2 如何保证药室精车后可以满足抛光工序的要求

通过镗杆精车药室引起药室表面粗糙度差的原因主要有以下几点:(1)镗杆的刚性差而引起的振刀，使加工表面产生振痕;(2)切削刀具及切削用量选择不当。

3.2.1 采用防振镗杆，并改善镗杆的夹持方式

从图1 可以看到，药室孔的深度达到700 mm，也就是说镗杆的悬伸长L 至少要700 mm。当选用d=Φ100 mm 的镗杆时，镗杆的悬伸长L 与直径d 的比值L/d＞7。若采用一般的钢制镗杆，其悬伸与镗杆直径的比值L/d≤4，若用这种镗杆加工悬伸长径比＞7d 的孔，当刀尖切削工件时，镗杆便会出现由切削力引起的弹性变形从而转变为振动。

在这里，我们采用了Sandvik 的φ100 mm×1500 mm的硬质合金加强型防振镗杆，最大切削深度可达1000 mm。这里需要注意的是镗杆座在设计时，夹持部分的长度须至少满足图5 要求，即夹持部分长度＞4d。

3.2.2 选择合适的镗杆头部形式、切削刀片及切削用量

(1)选择合适的镗杆头部

该炮管虽然为通孔工件，但因为工件内孔定位驱动端为车床主轴箱，故可以看成盲孔工件，也就是说切屑只能从药室孔端排出。从图6 可以很明显地看出，图6b 的镗杆头部形式更利于冷却液将切屑冲出。针对该工件，我们选用了570-3C-100-1500 的镗杆及570-DTFNR-80-16 的切削头，其中镗杆头部带有高压冷却液冲刷口，用于刀头切屑的冲刷。

(2)选择合适的刀片

由于该钢种具有很高的强度、足够的韧性、较高的调质硬度，能承受很高的应力，并且在切削时具有艮、粘、切削硬化等特点，这导致在切削过程中比较容易出现断屑难、刀具易磨损、容易产生积屑瘤等问题，另外我们知道不同的切削刀片产生的切削力不同，而切削力又是引起振动的重要原因。针对这些情况，我们在选择刀片时主要是按以下几个方面选择:①该刀片材料必须具有很高的热硬度和良好抗塑性变形性，可以适合超高强度钢的切削。②由于镗刀杆较长，刚性相对较差，采用90°主偏角的刀具以及选用较小的刀尖圆弧半径有利于减小径向切削力，从而有利于减小切削振动。③由于工件材料的特性，应减小刀具前角，这样可以提高刀具强度，改善刀头的容热和散热条件，减少加工硬化的趋势，增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。④刀片的刃倾角越小越好，这样副主偏角很大，副刃口与被加工表面的颤动接触区小，颤动很难变成振动，副切屑刃挤削的机会也小。⑤选择合适的刀片槽形，有利于断屑。

(3)选择合适的切削用量

在切削用量选择时，除应符合机床加工条件外，还应考虑以下几个方面:①在车削加工时，一般切削速度V=20～60 m/min 时，容易产生自振，高于或低于此范围则振动减弱。因此，在精密加工时应采用低速或高速切削。如对该炮钢工件的加工，可以选择切削速度160 r/min(线速度70 m/min)。②进给量f 增大，自振强度会下降，所以在机床工作条件允许的情况下，尽量加大进给量。③在选择切削深度时，虽然切削深度越大，工作效率越高。但切削深度越大，越有产生振动的趋势，同时引起切屑较厚，不利于断屑和排屑，导致加工表面质量差，以及刀具磨损快等缺陷。在对该炮钢工件的实际试切削过程中，我们按上述原则用几种不同的刀片及切削用量进行了试切削，切削试验情况见表2。

表2 切削试验结果

3.3 如何测量各段锥孔是否满足加工需要

在加工锥孔的过程中，如何简便地去测量加工余量以及各段锥孔的同轴度是否符合要求呢?在这里主要介绍一种使用测量规的测量手段。

图1 所示的药室孔，共有3 段锥孔，我们通过5 个确定位置的测量规来测量每段的加工余量及保证各段锥孔的同轴度符合图纸要求，具体测量位置示意图见图7。

每个固定位置的测量规的测量方法见图8，主要由测量塞规和套在外面的唯一的标准测量套，其中标准测量套上有刻度线，1 格为1 mm，测量塞规杆上也有两条刻度线，表示锥孔的允许尺寸范围要求，见图7左边，即为锥孔允许最大和最小尺寸时测量杆刻度线的位置。

那如何设定测量塞规杆上的两条刻度线的宽度呢?我们以第一段和第二段锥孔为例，作简要介绍。

由图1，可以知道第一段锥孔的锥度约为1:35.71，也就是说对于该段锥孔，标准测量套上刻度线每格转化成锥孔直径方向的尺寸为1/35.71=Φ0.028 mm;第二段锥孔的锥度为1:11.77，也就是说对于该段锥孔，标准测量套上刻度线每格转化成锥孔直径方向的尺寸为1/11.77=Φ0.08 mm。又由于图纸要求各段锥孔同轴度不能超过Φ0.05 mm，故定第一段锥孔的测量塞规杆上的刻度线宽度为1.5 mm，第二段锥孔的测量塞规杆上的刻度线宽度为0.5 mm。

由于标准套为唯一，且各段锥孔的测量方法和基准一致，故按此方法能较为简捷方便地反映出各段锥孔的尺寸及同轴度。

4 结语

在该炮管的首次加工生产中，通过实时跟踪，表明了以上几种措施的实施完全满足了加工要求，表面粗糙度基本在Ra1.0 μm 左右，同轴度要求也能在Φ0.05 μm 以内，此外生产效率还有了明显的提高。这为其他类似多段深锥孔的加工提供了借鉴。

［1］冯彩霞，张喜群，李娟，等.加工超高强度钢的深孔镗削刀具［J］.工具技术，2008，42(1):127-128.

［2］李景伟.加工深孔时刀具振动现象的分析［J］.煤炭技术，2008，27(6):19-21.