Phương pháp gia công điện hóa dựa trên nguyên lý hòa tan anốt là phương pháp gia công phổ biến hiện nay ở các nước phát triển. Với các ưu điểm độ bóng bề mặt rãnh xoắn khi gia công điện hóa cao hơn 2 cấp so với gia công cơ khí. Độ chính xác các kích thước của rãnh theo toàn bộ chiều dài nòng cao hơn so với gia công cơ khí.
Trang 1NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIA CÔNG RÃNH XOẮN
NÒNG SÚNG PHÁO TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
Nguyễn Văn Điển1*, Nguyễn Quang Mạnh1
, Nguyễn Văn Hậu2
Tóm tắt: Phương pháp gia công điện hóa dựa trên nguyên lý hòa tan anốt là phương
pháp gia công phổ biến hiện nay ở các nước phát triển Với các ưu điểm độ bóng bề mặt
rãnh xoắn khi gia công điện hóa cao hơn 2 cấp so với gia công cơ khí Độ chính xác các
kích thước của rãnh theo toàn bộ chiều dài nòng cao hơn so với gia công cơ khí Giá
thành chế tạo dầu Catốt rẻ hơn chế tạo dầu dao gia công cơ khí 5 đến 10 lần Năng suất
cao hơn nhiều lần so với gia công cơ khí Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải tính
toán và hiệu chỉnh các thông số công nghệ khá phức tạp và việc chế tạo dụng cụ Catốt đòi
hỏi độ chính xác cao Sau khi nghiên cứu các vấn đề công nghệ gia công bằng phương
pháp điện hóa, chúng tôi tiến hành xây dựng thành hệ thống gia công điện hóa ứng dụng
công nghệ tự động hóa, cài đặt thông số tùy theo từng loại nòng khác nhau
Từ khóa: Điện hóa; Rãnh xoắn; Gia công; Công nghệ 4.0
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Nòng pháo là một trong những chi tiết đặc thù quan trọng hiện nay, có ảnh hưởng lớn đến
chất lượng của cả hệ thống pháo Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo nòng đảm bảo chất lượng
và năng suất cao là rất cần thiết Hiện nay, việc gia công rãnh xoắn nòng súng pháo ở các nhà
máy quốc phòng chủ yếu sử dụng các công nghệ tống và cắt gọt cơ khí, công nghệ rèn rãnh xoắn
súng cỡ nhỏ mới đang được đầu tư áp dụng Đối với việc gia công rãnh xoắn nòng súng-pháo có
chiều sâu rãnh xoắn >0,3mm ở các nhà máy quốc phòng hiện sử dụng công nghệ cắt gọt cơ
khí-là công nghệ cổ điển có nhược điểm khí-là năng suất thấp và độ chính xác theo suốt chiều dài rãnh
xoắn không cao
Phương pháp gia công điện hóa dựa trên nguyên lý hòa tan anốt là phương pháp gia công phổ
biến hiện nay ở các nước phát triển
Ưu điểm của phương pháp gia công rãnh xoắn nòng pháo bằng điện hóa:
- Độ bóng bề mặt rãnh xoắn khi gia công điện hóa cao hơn 2 cấp so với gia công cơ khí;
- Độ chính xác các kích thước của rãnh theo toàn bộ chiều dài nòng cao hơn so với gia công
cơ khí;
- Giá thành chế tạo dầu Catốt rẻ hơn chế tạo dầu dao gia công cơ khí 5 đến 10 lần;
- Năng suất cao hơn nhiều lần so với gia công cơ khí
Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải tính toán và hiệu chỉnh các thông số công nghệ khá
phức tạp và việc chế tạo dụng cụ Catốt đòi hỏi độ chính xác cao Việc nghiên cứu hoàn thiện
công nghệ này để gia công rãnh xoắn các nòng súng pháo là rất thiết thực
2 ĐẶC ĐIỂM GIA CÔNG RÃNH XOẮN NÒNG SÚNG PHÁO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA
Rãnh xoắn của nòng có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính chiến kỹ thuật, đến tầm bắn, độ chính
xác và độ chụm của nòng pháo Vì vậy, gia công rãnh xoắn là một trong những nguyên công
quan trọng nhất của việc gia công nòng Việc gia công rãnh xoắn của nòng bằng phương pháp
điện hóa có một số đặc điểm khi thiết kế công nghệ là:
- Nòng thường có tỉ lệ chiều dài so với đường kính lỗ lớn, do đó, việc đảm bảo độ sai lệch các
kích thước của rãnh xoắn suốt chiều dài nòng trong dung sai cho phép là rất khó khăn;
- Trong gia công rãnh xoắn khe hở giữa các điện cực nhỏ nên việc bơm dung dịch qua khe hở
cần được tính toán kích thước của Catốt phải có độ chính xác cao;
Trang 2- Tổ chức của thép làm nòng trước khi gia công rãnh xoắn phải có yêu cầu nghiêm ngặt: hạt mịn và đều;
- Các mép của rãnh xoắn dễ bị vê tròn nên cần biện pháp đảm bảo các mép này đạt yêu cầu của bản vẽ thiết kế
Để đảm bảo độ chính xác gia công cần có hệ thống hiệu chỉnh các thông số công nghệ cơ bản như cường độ dòng điện I, hiệu điện thế V, tốc độ tịnh tiến của Catốt v, tốc độ quay của Catốt w Sau khi nghiên cứu các vấn đề công nghệ gia công bằng phương pháp điện hóa, chúng tôi chọn phương án gia công rãnh xoắn nòng súng-pháo cỡ nhỏ
Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết cũng như tính toán sơ bộ và tham khảo thực tiễn các nước nhóm nghiên cứu đưa ra trong quá trình cắt rãnh xoắn các tham số đảm bảo điều kiện làm việc ổn định cần sử dụng là:
- Dòng điện ở khe ở giữa các điện cực;
- Điện thế ở catốt và anốt;
- Nhiệt độ dung dịch ở đầu vào và đầu ra của khe hở giữa các điện cực;
- Tốc độ chảy của dung dịch trong khe hở các điện cực;
- Áp suất bơm dung dịch;
- Độ côn phần làm việc của catốt điện cực
Từ đó xây dựng mô hình toán học và tính toán tham số công nghệ gia công rãnh xoắn
3 PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ GIA CÔNG ĐIỆN HÓA
Sau khi xem xét kỹ bản vẽ nòng do Viện nghiên cứu và thiết kế cũng như xem xét khả năng thiết bị và chế tạo trang bị công nghệ nhóm đề tài chọn phương án công nghệ:
Phương pháp Catốt di động: tịnh tiến và quay đồng thời, sản phẩm đứng yên
Dung dịch được bơm vào ngược với chiều tịnh tiến của Catốt
3.1 Tính toán tham số thử nghiệm
Kích thước khe hở giữa các điện cực xác định bằng việc áp dụng phương trình sau:
cos
) (
S
k U
E
o
Trong đó: - Hiệu suất dòng điện; E- Đương lượng điện hóa thể tích, g/A.min;
U- Điện áp, V; a, k – Điện thế phản ứng trên các điện cực: (a- k) = (1,5 2,5)V;
k – Độ dẫn điện của chất cách ly, 1/m; S – Vận tốc dịch chuyển catot; mm/min;
- Góc xoắn; 0; Với dung dịch điện ly muối NaCl nồng độ 20%
Vật liệu thử nghiệm là thép C45 ta tính được: a0=0,39 mm
Sự thay đổi khoảng cách giữa các điện cực trong mặt phẳng cơ sở df trong trong khoảng thời gian dt được tính theo công thức:
a = a0 + E I dt/df - X tan Alf (2) Trong đó: Alf – Độ côn của bề mặt tạo hình, 0, Alf = 00;
X – Chiều dài bề mặt tạo hình, mm
Thay các giá trị vào phương trình (2), sau khi tích phân ta được: a= a02 0.72t (3)
Đồ thị thay đổi khoảng cách giữa các điện cực được mô tả theo hình 1:
Trang 3Hình 1 Đồ thị thay đổi khoảng cách giữa các điện cực theo thời gian
Chiều sâu rãnh xoắn cần gia công theo thiết kế của pháo A0-18 mm là 0,45 mm, căn cứ vào
phương trình 3 và đồ thị hình 1 ta tính được thời gian cần thiết để gia công rãnh t = 0.8 phút;
Chiều dài phần catot được tính là: l = 0,80 x 10 = 8 mm
3.2 Sơ đồ gia công
Hệ thống truyền chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay bằng động cơ servo gắn hộp số
điều khiển từng tốc độ độ chính xác cao
Trên cơ sở đó, hệ thống điều khiển quá trình ăn mòn điện hóa gia công rãnh xoắn nòng pháo
được xây dựng theo sơ đồ sau:
Hình 2 Sơ đồ hệ thống điều khiển quá trình ăn mòn điện hóa
Trong đó:
Hệ thống pha dung dịch: sử dụng cân định lượng, bơm khuấy và các thiết bị phụ trợ nhằm
mục đích tạo ra hỗn hợp dung dịch theo yêu cầu của bài toán đầu vào;
Hệ thống ổn định nhiệt độ dung dịch: sử dụng hệ thống làm lạnh, nóng nước; bơm nước
vào ra để ổn định nhiệt độ Hệ thống có sử dụng các sensor đo nhiệt độ;
Hệ thống điều khiển dòng điện ăn mòn: sử dụng các van bán dẫn công suất, thiết bị biến
đổi điện áp AC/DC và các sensor đo dòng điện, điện áp để ổn định dòng điện;
Hệ thống điều khiển chuyển động của ca tốt: sử dụng động cơ servo có điều khiển tốc độ
để ổn định tốc độ dịch chuyển của ca tốt độ chính xác cao để đảm bảo độ sâu ăn mòn của
Hệ thống pha dung dịch
Hệ thống ổn định nhiệt độ dung dịch
Hệ thống điều khiển dòng điện ăn mòn
Hệ thống điều khiển chuyển động của ca tốt Máy tính điều khiển RS485
a(mm)
t(min)
Trang 4rãnh xoắn Hệ thống vít me con trượt để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng;
Máy tính: dùng để tính toán các tham số theo yêu cầu của bài toán đầu vào để tính ra các tham số cho các hệ thống chấp hành trong quá trình làm việc; thống kê, lưu số liệu của phiên làm việc
Các thông số về mật độ dòng điện, điện thế, tốc độ dịch chuyển của catot được cài đặt theo từng loại nòng súng pháo khác nhau, nhóm nghiên cứu đưa ra sơ đồ nguyên lý như sau:
+
-Hình 3 Sơ đồ Hệ thống tự động gia công điện hóa rãnh xoắn Nòng súng pháo
1-Dung dịch điện hóa; 2-Đầu nối dung dịch; 3-Nòng AO-18; 4-Catot điện cực; 5-Nguồn điện; 6- Tiếp điểm dương; 7-Buồng chứa dung dịch; 8-Gối đỡ; 9-Cán catot; 10-Tiếp điểm âm; 11-Động cơ secvo quay;12-Hộp giảm tốc; 13-Động cơ secvo tịnh tiến; 14-Trục Vitme;
15-Máy bơm nước
Quá trình hoạt động của thiết bị như sau:
- Lắp nòng vào đồ gá và kẹp chặt;
- Lắp đai của dây dẫn điện vào nòng và kẹp chặt;
- Lắp catốt và vị trí chuẩn bị làm việc;
- Tiến hành bật và chạy hệ thống gia công điện hóa
Các thông số về mật độ dòng điện, điện thế, tốc độ dịch chuyển của catot được cài đặt theo từng loại nòng súng pháo khác nhau theo bảng hiện thị dưới đây:
Thông số dòng điện
Thời gian bơm dung dịch
Thời gian bơm chạy khi gia công xong
Tốc độ dịch chuyển catot
Tổng thời gian gia công
Trên cơ sở các nghiên cứu trên đã chọn ra được thông số công nghệ để gia công rãnh xoắn nòng pháo AO-18 30mm là:
Mật độ dòng điện: Ia= 14,9A/cm2
; Điện thế: U= 1221,5V;
Áp suất dung dịch: P=6at; Nhiệt độ dung dịch: T0
=30370C;
Tốc độ dịch chuyển của Catốt: 15mm/phút, tổng thời gian điện hóa 2,5 giờ
Các thông số cơ bản của nòng pháo 30mm và yêu cầu kỹ thuật cơ bản:
Trang 5Cỡ nòng:
Chiều dài nòng:
Chiều dài phần có rãnh xoắn của nòng:
Số rãnh xoắn:
Bước xoắn:
Độ rộng của rãnh (âm tuyến):
Độ sâu của rãnh:
30mm;
1492mm;
1460mm;
16;
715±10mm;
3,5mm;
0,45mm
Hình ảnh lỗ Nòng A0-18 sau khi gia công điện hóa
Yêu cầu kỹ thuật chế tạo nòng:
Phôi nòng trước gia công điện hóa phải tiến hành kiểm tra vết nứt bằng máy dò từ lực Thân
nòng pháo không được phép có vết nứt
Sau khi gia công rãnh xoắn xong phải dùng thước hình sao để kiểm tra độ ôvan của lòng nòng
trên toàn bộ chiều dài phần có khương tuyến Cứ cách 100mm kiểm tra một vị trí Ở mỗi vị trí
phải kiểm tra cả 16 rãnh Độ ô van cho phép không quá 0,05mm
Kết quả nghiên cứu đã ứng dụng thành công nòng nòng pháo AO-18 nhóm nghiên cứu đã tiếp
tục thay đổi thông số và catot áp dụng gia công:
* Nòng súng phóng lựu M79 như sau:
Mật độ dòng điện: Ia= 14,9A/cm2
; Điện thế: U= 1521,5V;
Áp suất dung dịch: P=6at; Nhiệt độ dung dịch: T0
=30370C;
Catot tĩnh, thời gian điện hóa: 103 giây
Cỡ nòng: 40mm; Chiều dài nòng: 356mm;
Chiều dài phần có rãnh xoắn của nòng: 305,5mm;
Số rãnh xoắn: 6; Bước xoắn: 1200±5mm;
Độ rộng của rãnh (dương tuyến): 6,4mm; Độ sâu của rãnh: 0,25mm
* Nòng súng phóng lựu Nòng AGS-17:
Mật độ dòng điện: Ia= 14,9A/cm2
; Điện thế: U= 1221,5V;
Áp suất dung dịch: P=6at; Nhiệt độ dung dịch: T0
=30370C;
Tốc độ dịch chuyển của Catốt: 15,5mm/phút, tổng thời gian điện hóa 30 phút;
Cỡ nòng: 30mm; Chiều dài nòng: 300mm;
Chiều dài phần có rãnh xoắn của nòng: 278mm;
Số rãnh xoắn: 16; Bước xoắn: 750±10mm;
Độ rộng của rãnh (âm tuyến): 4mm; Độ sâu của rãnh: 0,45mm
Kết quả nghiên cứu đã ứng dụng thành công công nghệ gia công điện hóa nòng nòng pháo
AO-18 và nòng M79, nòng AGS-17 được kiểm tra tĩnh về độ ôvan của lòng nòng trên toàn bộ
chiều dài phần có khương tuyến, kích thước âm tuyến và đã được bắn nghiệm thu đặt yêu cầu về
chất lượng đặt ra
4 KẾT LUẬN
Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng thành công công nghệ 4.0 vào việc gia công rãnh xoắn các
loại nòng súng pháo bằng công nghệ điện hóa với độ chính xác cao Điều khiển bằng các động
cơ servo gắn hộp số điều khiển từng tốc độ độ Hệ thống vít me con trượt để chuyển đổi chuyển
động quay thành chuyển động thẳng Hệ thống cấp dung dịch điện hóa tự động, kiểm tra nồng độ
dung dịch trong giới hạn cho phép Nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai ứng dụng công nghệ gia
công điện hóa vào gia công khoan lỗ sâu, ứng dụng cho các chi tiết có lỗ chiều dài 2m đến 5m,
Trang 6mà công nghệ cắt gọt cơ khí là công nghệ cổ điển có nhược điểm là năng suất thấp và độ chính xác không cao
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Hoàng Nguyên Khôi, Báo cáo kết quả đề tài cấp Viện: “Hoàn thiện công nghệ gia công điện hóa rãnh xoắn nòng súng AGS-17 bằng phương pháp điện hóa”, Viện Vũ khí, 2003
2 Học Viện Kỹ Thuật quân sự, “Nguyên lý thiết kế vũ khí có nòng”, Hà Nội, 2003
3 В.П Смеленцев, “технология Электрохимической обработки внутренних поверхностей”,
Москва, 1978
4 В.П Любимоб, “Приспособление для Электрофизической и Электрохимической обработки”,
Москва, 1988
5 Б.А Голобачёв, “Электрохимичекая обработка деталей сложной формы”, Москва, 1969
6 Д.Л Мороз, “Электрохимическая обработка металлов”, Москва,1969
7 Л.Я Либоь, “Установки подачи Электролита при Электрохимической обработке”, Москва,
1981
ABSTRACT
MACHINERY USING EC TECHNOLOGY FOR PROCESSING THE RIFLE
OF DIFFERENT TYPES OF BARREL SUCH
The electrochemical (EC) method based on the principle of anode solubility is a common machining method in developed countries The moonth of rifle surface using EC machining is two levels higher than that of mechanical one The accuracy of the rifles dimensions in the whole barrel length is higher as well The cost of making cathode is 5 to
10 times cheaper than mechanical cutting tools Its productivity is much higher than mechanical processing, too However, this method requies complex calculation and technological parameters adjustment and the cathode requires high accuracy in making
We then have built an EC processing system using automation technology which can adjust the parameters for different types of barrels
Keywords: Electrochemical; Rifle; Technology 4.0; Machining
Nhận bài ngày 13 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 03 tháng 12 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021
Địa chỉ: 1 Viện Vũ khí/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng;
2 Bộ môn Quân sự võ thuật/Học viện Cảnh sát nhân dân
*
Email: cokhipt@gmail.com