加農炮模型制作與改進

摘要：文章分析了加農炮的結構特點，進行了加工工藝分析，給出了典型零件的加工工序步驟參考方案，提出了加農炮的結構及零件尺寸的改進之處，指出加工注意事項。

關鍵詞：加農炮 結構特點 工藝分析 加工要點

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（b）-00-02

加農炮模型是國家一體化教學改革實驗教材中數控加工一個典型工作任務，這是一個件數多（33件），零件尺寸小，結構復雜，要求精度高的組合件，通常是在數控車床和數控銑床上加工的可觀賞性強的工藝品。現嘗試用普通車床和鉗加工方法加工，成功加工出了做工精良，獨一無二的手工工藝產品（見圖1）。

1 圖樣分析

在制作之前，必須先把圖樣看清楚，分析其裝配關系和裝配要求。

(1）由圖可知，這個加農炮由炮筒、支架、輪子、轉動軸四大部分，共33個零件組成。炮筒部件由，1個炮筒和炮筒座、2個炮耳（用來支撐炮筒）4個零件構成；2個車輪，每一個輪子由外圈、內圈、8根輻條、輪轂共11個零件構成，裝配時將2個組裝好的輪子裝在傳動軸上，兩側用固定螺母緊固；2個支架用于支撐炮筒同時與傳動軸配合起到推動炮體運動的作用。

(2）裝配后，要求炮管配合端直徑與炮管座配合精度在0.029 mm以內，輪緣外圈內孔與輪緣內圈外圓配合公差在0.029 mm以內，輪轂內孔與軸徑間隙配合以保證運動精度。2個連接桿與支撐板對應的φ4孔過渡配合精度在0.026 mm以內。

2 工藝分析

(1）由于加農炮的炮管與炮管座配合精度要求較高，則2個零件合用一根棒料毛坯，一次裝夾將兩個零件共同的外徑按需要一次車出，共同的內孔也一次粗車，然后切斷，并對每個零件的長度尺寸留精加工余量，精加工時嚴格控制炮管座與炮管配合尺寸。

(2）炮的兩個輪子的輪緣的內圈和外圈要求較高的精度配合，則應該共用一根棒料毛坯，一次裝夾，車削共同的φ56內孔，并按圖紙要求嚴格控制內圈的外圓，和外圈階梯內孔的尺寸精度。

(3）為了保證兩塊支架的尺寸精度，各面的平行度、垂直度、平面度和對稱度等要求，需要選用一塊板料進行初加工，初加工后留有適當的精加工余量，在中間鋸成両塊成對精加工至尺寸精度要求。

(4）兩塊支架通過兩個連接桿組成炮架體，連接桿的軸頸與支架的孔配合精度影響到炮架的穩定性，要求緊配合，加工時要嚴格控制尺寸精度。

5）軸頸與輪轂內徑配合精度影響炮的運動精度，加工時要控制尺寸精度達到圖紙要求。

(6）要在軸向尺寸4 mm，壁厚3 mm的輪緣內圈圓周上鉆出8個均勻分布的3 mm小孔，這是加農炮加工的難點之一。加工時劃線后一定要小心試鉆每一個小孔，稍不注意就會把加工好的內圈鉆廢。

為了防止松動固定螺母與軸的螺紋有效旋和足夠長。

3 加工過程

(1）車削炮筒

①裝夾工件，伸出卡盤爪長度大于85 mm。

②車棒料端面并打中心孔。

③車削階梯臺長度為7 mm，Φ25 mm長度為82 mm

④向左移動小溜板1.2 °。

⑤手動小溜板手柄車削長度為72.5 mm的錐面，最大直徑為Φ24 mm。

⑥用三角螺紋車刀劃出圖紙要求R1.5圓弧的距離。

⑦手動小溜板手柄，用切斷車刀車削長度為72.5 mm的錐面，留出長度1.5 mm的階臺，車至最小直徑為Φ19 mm。

⑧用R1.5的樣板刀，在長度1.5 mm的階臺上車削出R1.5 mm的圓弧。

⑨用Φ14 mm的鉆頭鉆孔長度為80 mm左右，再用Φ15 mm的鉸刀精車內孔至尺寸要求。

⑩用切斷刀在長度為78 mm處切斷工件。

(2）車削炮底座

①裝夾工件，伸出卡盤爪長度42 m左右。

②平端面，車削外徑Φ27 mm長度為30 mm，外徑Φ22 mm長度為28 mm的階臺。

③用R1.5 mm的樣板刀，在長度Φ27的階臺上車削出1.5 mm的圓弧。

④用Φ16 mm的鉆頭鉆孔長度為8 mm，在車削內孔使內孔為Φ18 mm上偏差 0.018下偏差0。

⑤調頭裝夾工件，平端面使總長為41 mm。

⑥車削外徑Φ24 mm長度11 mm，外徑Φ9 mm長度3 mm，外徑Φ2 mm長度1 mm的階梯臺。

⑦用R12 mm的樣板刀，在外徑Φ24 mm上車削12的圓弧。

⑧用R1 mm的樣板刀，分別在外徑Φ9 mm、Φ2 mm上車削1 mm的圓弧。

4 材料選用

考慮到可長期保留，有較好的可觀賞性，沒有用通常學生練習用的鋼料，而選用了性能比較穩定的鋁合金材料。鋁合金按生產工藝分為變形鋁合金和鑄造鋁合金（或稱鑄鋁合金）兩大類。前者主要包括防銹鋁合金、硬鋁合金和超硬鋁合金、鍛鋁合金等，后者主要包括硅鋁合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金等。我學校現有的鋁合金材質是前者。

5 刀具材料及幾何參數選用

(1）刀具材料

不同的鋁合金材料選擇不同的刀具材質，變形鋁合金，其強度和硬度都不高，切削加工的難度在于有較高的塑性，切削時易形成積屑瘤，難以獲得良好的表面質量，用高速鋼車刀加工，光潔度要比使用硬質合金車刀加工的光潔度高。如果需要更高要求的，就用金剛石刀具能做鏡面切削效果很亮（刀具成本就有所上升了），鑄鋁合金據其硅含量的不同，選用的刀具材料也不盡相同。

學生實習常用的刀具材料有高速鋼和硬質合金兩種，如果是普車用普通白鋼刀即可，光潔度主要依靠刀具的型角即可，冷卻液的效果不大，冷卻液只有在光潔度0.8左右的時候稍微有點作用。想要無毛刺高效率，一般是用金剛石PCD刀具，壽命是合金刀具的50～80倍，粗糙度一般在0.5 u左右。

2）刀具的幾何參數

車削加工小型鋁合金零件時，可采用小尺寸的釬焊硬質合金刀具，經整體刃磨后使用。切削刃參數應選擇：加工塑性材料取較大的前角；加工脆性材料取較小的前角，加工鋁合金前角γ＝30 °左右，同樣工件材料強度和硬度高時易取較小后角；工件材料硬度低塑性較大時，主后刀面的摩擦對已加工表面質量和刀具磨損影響較大，此時應取較大的后角，加工鋁合金后角＝11 °～20 °，刃傾角=0～10 °，主偏角Ｋr＝75～90 °，刀尖角εr＜90 °，刀尖圓弧半徑r＝0.3～1 mm。

6 改進之處

在加工制作時發現，按教材中的圖紙尺寸加工出來的輻條裝不上，經過研究計算，輻條的長度應該由原來的40 mm改為25 mm長；連接桿與支架的裝配質量直接影響炮的結構穩定性，原圖紙連接桿是一根光軸，沒有和支架的配合精度，現將連接桿改為軸頸為的臺階軸，支架配合尺寸；考慮到外觀造型好看，炮體裝飾帶的圓弧半徑應與炮筒座的圓弧半徑相協調，由原來的R2.5 mm改成R1.5 mm。

7 加工注意事項

(1）鋁合金加工時容易產生變形。解決鋁合金加工變形的冷處理方法主要有振動時效和人工冷校形。振動時效是利用機械方法使零件振動，在振動過程中應力得以松弛或重新分布達到穩定尺寸的目的。與熱處理相比，振動時效有節能、生產周期短、生產費用底等優點。對于單件小批量生產，一般采用人工冷校形方法，該方法是指零件加工變形后，由人工對變形零件進行校形。一方面通過施加外力對零件校形，另一方面，通過不斷的施加外力達到內應力釋放的目的。

(2）鋁合金加工切記不能打砂紙，以免影響美觀。

(3）輪子裝配時一定成對裝配，注意輪緣的反正，輪緣的大端朝外，插輻條的一側朝里，否則不小心裝反拆卸困難。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

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