大口径火炮深孔内螺旋线电解加工参数的优化

申 玺，贾建利，李梦娟，黄正莉

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)



大口径火炮深孔内螺旋线电解加工参数的优化

申 玺，贾建利，李梦娟，黄正莉

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

为解决大口径火炮深孔内螺旋线加工，研究了火炮炮管材料32CrNi3MoV电解加工主要参数相互影响变化规律.选取材料去除率、孔径过切量和深度过切量为试验指标，采用L16(25)正交试验和灰色关联分析法实现了加工参数优化，得到了深孔内螺旋线高效率、高精度无应力电解加工成型的优化工艺参数.结果表明：加工电压为9 V、进给速度为0.5 mm·min-1、电解液压力为0.6 MPa和采用10%NaNO3+2.5%NaClO3电解液时，材料去除率达到最大，孔径过切量和深度过切量达到最小，实现了火炮炮管材料32CrNi3MoV电解加工参数合理匹配.

大口径火炮；深孔内螺旋线；电解加工；材料去除率

随着兵器科学与技术的发展，炮管材料变硬，槽线变深，机械拉削难以实现甚至无法加工大口径深内螺旋线.电解加工具有一次成型、效率高、表面质量好及无残余应力的优点，成为大口径深膛线(内螺旋线)的行之有效的加工方法[1-5].炮钢是当今用来制造加农炮、榴弹炮等大口径火炮炮管的主要材料，具有高强度、高硬度性能，普通加工难以制造出所需工件，电解加工成为解决关键工艺的主要技术手段.文献[6-7]对炮管膛线电解加工进行了早期研究，并获得成功应用，对实现大口径火炮炮管深内螺旋线加工提供了思路.文献[8]阐述了超纯水电解加工、微细加工工艺技术特点和加工参数选取方法.文献[9]提出了电解微加工的辅助阳极、工具阴极和电解液研制方法.但针对大口径火炮深孔内螺旋线加工很少有人涉及，文中主要研究大口径火炮炮管材料32CrNi3MoV电解加工的加工参数相互影响的变化规律和选择合适电解液配方.针对试验研究目的选取了材料去除率、深度过切量和孔径过切量为主要试验指标，采用正交试验和灰色关联法分析了多目标参数加工电压、阴极进给速度及电解液(组分、浓度和压力)对各项试验指标影响规律，实现了加工参数优化和合理匹配.

1 试验材料及方法

1.1 试验装置及试件材料

本次电解加工试验装置由机床本体部分和电解液循环系统组成，机床本体实现阴极进给，工件装夹定位；电解液循环系统实现电解液过滤和加工区电解液供给.文中研究火炮炮管材料32CrNi3MoV,该材料化学成分见表1.

表1 炮钢32CrNi3MoV的化学成分(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 试验设计

为了在单次试验尽可能多的获取反映试件的加工精度和表面质量试验指标，且能够简便快速测量，文中设计试验工具阴极，如图1所示.

通过正交试验法进行相关试验，因素水平见表2.选取加工电压、进给速度、电解液压力、电解液组分和浓度作为本次试验的主要影响因素.分别选取2个水平和L16(25)正交表进行16次正交试验.试验所采用试件，如图2所示.试验指标选用材料去除率、孔径过切量及深度过切量.

图1 试验阴极(mm)

Fig.1 Cathode for experiment(mm)

图2 试 件

Fig.2 Workpiece

材料去除率为

(1)

式中：mb为加工之前试件质量；ma为加工之后试件质量；ρ为试件材料密度；t为加工时间.

孔径过切量为

(2)

式中：Da为加工之后试件孔径尺寸； D0为加工之前试件孔径尺寸.

深度过切量为

(3)

式中：da为加工之后试件孔的测量深度；d0为试件上孔的实际要求加工深度.

由于加工参数对材料去除率的影响显著,材料去除率随着加工电压、进给速度和电解液压力的增大而增大,建立的正交试验模型简单可靠,可用于材料去除率的预测及控制，同时对加工参数进行优化.孔径过切量对炮管尺寸精度影响很大，而不同的加工参数对孔径过切量影响不同，加工电压增大时，容易造成孔径过切量，而进给速度对孔径过切量影响更为显著.深度过切量对炮管性能也造成很大影响，需要通过分析加工参数对深度过切量的影响，进而对其进行预测和控制.

表2 因素水平

Tab.2 Orthogonal factors table

水平因素加工电压/V进给速度/mm·min

2 结果分析和加工参数优化

按照式(1)～(3)计算试验指标，结果见表3.试验指标采用灰色关联法分析，试验数据是测量响应，也就是试验指标测量结果.

2.1 灰色关联分析数据计算

灰色关联性分析有3个不同类型的数据规范化的要求：越低越好、越高越好和符合标准值更好.按越高越好的规范化标准，灰色关联生成后的正常数据为

(4)

式中：yi(k)为第i次响应过程中的数据；minyi(k)为k次试验中yi(k)最小值；maxyi(k)为k次试验过程中的最大值.

按越低越好的规范化标准，灰色关联生成后的正常数据为

(5)

材料去除率的质量特征符合越高越好的标准，原始序列正常化使用式(4)，计算结果见表4.孔径过切量和深度过切量遵循越低越好的标准，原始序列正常化使用式(5).

2.2 灰色关联系数

第i个试验中第k次响应的灰色关联系数为

表3 试验指标

Tab.3 Test indexes

序号加工时间/min加工电压/V进给速度/mm·min

2.3 灰色关联度

灰色关联度越大，灰色关联等级俞高.灰色关联度为

(7)

其中n为输出响应个数.灰色关联度为参考序列和比较序列之间的相关等级，灰色关联度高表明所采用工艺参数更接近最优组合参数条件.

依据表3试验结果、式(4)和式(5)计算灰色关联分析标准值和灰色关联分析数据.根据式(6)计算灰色关联系数，反映理想(最好)试验结果数据和实际规范化试验数据之间的关系.灰色关联度由选定的响应计算出的平均灰色关联系数确定，多因素反应的总体质量结果特征依赖于所计算灰色关联度.

和深度过切量相互关联.灰色关联分析方法优化加工工艺参数主要考虑电解加工火炮炮钢的4个影响因素的工艺参数和3个输出参数.基于田口法设计的每个试验的材料去除率、孔径过切量和深度过切量的灰色关联等级见表4.正交试验中灰色关联度分布曲线如图3所示，图3显示16次正交试验过程中第1次试验的灰色关联度最高.分析结果表明：在16次正交试验中第1次试验所采用参数为最佳加工参数优化组合，实现了合理匹配.试验中选取优化组合加工参数：加工电压9 V，进给速度0.5 mm·min-1，电解液压力0.6 MPa，10%NaNO3+2.5%NaClO3电解液，对应灰色关联度最高，具有最大的材料去除率，最小的孔径过切量和深度过切量.

图3 灰色关联度分布曲线图

Fig.3 The graph of grey correlation grade

表4 灰色关联分析数据

Tab.4 Data of grey correlation analysis

序号标准值灰色关联分析数据灰色关联系数y*0my*0dy*0hy*imy*idy*ihεmεdεh灰色关联度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 结 论

文中进行大口径火炮炮钢30CrNi3MoV材料电解加工工艺参数优化试验研究，通过数据处理，所得结论为

1) 采用NaNO3和NaClO3非线性复合电解液实现了大口径火炮炮管30CrNi3MoV材料稳定加工；

2) 通过灰色关联法分析实现了火炮深孔内螺旋线电解加工参数优化和合理匹配，加工电压为9 V，进给速度为0.5 mm·min-1，电解液压力为0.6 MPa；且在10%NaNO3+2.5%NaClO3电解液组分和浓度时，对应灰色关联度最大，材料去除率为0.092 mm3·min-1，孔径过切量为0.36 mm，深度过切量为0.36 mm.

[1] BURTON L,CARTER R,CHAMPAGNE R,et al.Army Targets Age Old Problems with New Gun Barrel Materials[J].Amptiac Quarterly,2004,18(4):49.

[2] PATTAVANITCH J,HINDUJA S.Machining of Turbulated Cooling Channel Holes in Turbine Blades[J].CIRP Ann Manuf Technol,2012,61:199.

[3] RAJURKAR K P,ZHU D,MCGEOUGH J A,et al.New Development in Electrochemical Machining[J].CIRP Ann Manuf Technol,1999,48:567.

[4] SHOKRANI A,DHOKIA V N.Environmentally Conscious Machining of Difficult-to-machine Materials with Regard to Cutting Fluids[J].Int J Mach Tools Manuf,2012,57:83.

[5] LABIB A W,KEASBERRY V J,ATKINSON J,et al.Towards Next Generation Electrochemical Machining Controllers: A Fuzzy Logic Control Approach to ECM[J].Expert Sys Appl,2011,38:7486.

[6] 徐家文,王建业,田继安.21世纪初电解加工的发展和应用[J].电加工与模具,2001(6):1.

XU Jiawen,WANG Jianye,TIAN Jian.The Development and Application of Electrochemical Machining in the Early Years of 21 Century[J].Electromachining & Mould,2001(6):1.(in Chinese)

[7] 范植坚,杨森,唐霖.电解加工技术的应用和发展[J].西安工业大学学报,2012,32(10):775.

FAN Zhijian,YANG Sen,TANG Lin.The Application and Development of Electrochemical Machining Technology[J].Journal of Xi’an Technological University,2012,32(10):775.(in Chinese)

[8] 陈远龙.电解加工工艺参数数据库及电解加工基本工艺规律研究[D].合肥：合肥工业大学，2000.

CHEN Yuanlong.Electrochemical Machining Process Parameter Database and the Research of Basic Law on Electrochemical Machining Process[D].Hefei:Hefei University of Technology,2000.(in Chinese)

[9] 张璧,罗红平,周志雄,等.电化学微加工技术的新进展及关键技术[J].中国机械工程,2007,18(12):1505.

ZHANG Bi,LUO Hongping，ZHOU Zhixiong,et al.New Progress in Electrochemical Micromachining Technology and Key Technology[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,18(12):1505.

(in Chinese)

(责任编辑、校对 张 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

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(15JS042)；西安工业大学2015年国家级大学生创新项目(201510702002)

申 玺(1994-)，男，西安工业大学助工.

贾建利(1979-)，男，西安工业大学副教授，主要研究方向为电解加工技术．E-mail：jl_202@163.com.

TG66

A

1673-9965(2016)10-0797-05