趙廣軍,李春文,張立巖,李榮智,高云斌,李云龍,姜秀鳳,程玲舒,鄭旭東
(1.北方華安工業集團有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161046;2.西南技術工程研究所,重慶 400039)
某產品通過推板將彈體內膛子彈推出,對敵目標進行毀傷,具備殺傷、破甲、隨進殺傷縱火等功能,結構較為復雜,精度要求較高。為提高子彈殺傷威力,必須提高子彈裝藥量,要求母彈內膛盡可能大,因此彈體壁厚較薄,給加工制造帶來一定難度,特別是在彈體收帶時,易使彈體產生變形。
某產品彈體壁厚較薄、無彈底,為薄壁筒形結構,彈帶材料為H96黃銅,彈帶形狀為環形,使用5000 kN徑向收帶機進行收帶,收帶前彈體內膛放入專用收帶芯子,使用專用夾爪進行收帶。由于彈壁較薄,收帶后部分彈體內膛產生變形,影響產品質量,收帶廢品率較高,使生產成本增加。
經過收帶現場排查、技術分析討論,確定收帶變形產生的原因主要有以下幾點。
1)彈體壁厚較薄,單邊最小壁厚為7.8 mm,彈帶所需收帶擠壓力較高。
2)收帶芯子與彈體內膛配合間隙選擇不恰當。
3)工藝不合理,一次收帶變形量太大。
據H96黃銅抗拉強度、擠壓截面形狀及變形量等參數計算收帶所需擠壓力F:
式中:F為擠壓力,kN;p為單位擠壓力,MPa;A為收帶夾爪與環帶接觸面在垂直擠壓力平面上的投影面積,mm2;c為安全系數,一般取 c≥1.3。
式中:Z為環帶形狀變形系數;N為擠壓方式及變形程度修正系數;σb為擠壓前H96黃銅的強度極限,擠壓前σb=250 MPa。
通過計算收帶總擠壓力 F 為4850 kN[1-2]。
收帶機由PLC邏輯控制器、液壓站、電磁液壓閥、主機、控制面板等組成,主機由6個液壓缸、柱塞、頂料裝置、機身等組成,如圖1所示。液壓缸柱塞頭部放置專用收帶夾爪,通過PLC控制電磁液壓閥使主機6個液壓缸帶動6個收帶夾爪軸向移動,進行彈帶擠壓收帶[3-4]。
圖1 徑向收帶機主機Fig.1 Host machine of radial tightening band machine
收帶機擠壓力公式為:F=6×P×S。其中:系數6為液壓缸的數目;P為作用在液壓缸柱塞橫截面積的單位壓力,MPa;S為液壓缸柱塞橫截面積,mm2。
夾爪的形狀如圖2所示,表示了夾爪與環帶之間的關系。由收帶機擠壓力公式可知,夾爪與環帶作用面積越小,彈帶所需擠壓力就越小,隨之收帶機擠壓力F就越小,作用在彈體上的壓力隨之降低。
H96黃銅環帶收帶前后截面形狀如圖3所示。
圖2 工作時的夾爪與環帶Fig.2 Clamping jaw and belt in work
圖3 彈帶Fig.3 Belt
收帶前環帶力學性能:抗拉強度Rm≤250 MPa,伸長率A≥40%;收帶后環帶力學性能:抗拉強度Rm≥260 MPa,伸長率A≥30%。收帶后需保證彈帶完全充滿彈帶槽。
原來采用1次收帶,由于收帶擠壓力較大,彈體內膛容易產生變形,影響產品質量。將一次收帶改為2次收帶,采用一次、二次等2種結構收帶夾爪進行收帶,一次夾爪收彈帶中部,二次夾爪收彈帶上、下兩側,收帶夾爪與彈帶接觸面積減小約一半,收帶擠壓力F隨之減小一半左右,減小了作用在彈體上的壓力,降低彈體收帶變形量。產品要求收帶后彈帶力學性能提高,實際收帶過程中,如壓力高,則伸長率不合格;壓力低,則抗拉強度不合格。通過改進收帶夾爪結構,經過多次收帶試驗摸索,在保證收帶壓合質量及力學性能滿足產品要求同時,降低收帶壓力,減少收帶彈體變形量[5-7]。
夾爪收帶改進前后縱剖面對比如圖4所示。
圖4 夾爪Fig.4 Clamping jaw
彈體材料為35CrMnSiA,彈體熱處理后力學性能 Rp0.2≥900 MPa,彈體內膛尺寸為mm,收帶前彈體如圖5所示。
圖5 彈體Fig.5 Projectile shell
收帶芯子采用60鋼材料,熱處理后洛氏硬度為52~58HRC,產品圖允許收帶后彈體內膛有≤0.05的變形量,但必須保證收帶后彈體內膛尺寸在φ130 mm范圍內。收帶前彈體內膛必須放入專用收帶芯子,芯子與彈體為間隙配合,芯子外圓尺寸為mm,最大間隙為0.4 mm,最小間隙為0.1 mm。如配合為最大間隙,收帶壓力可能會導致彈體產生塑性變形,因此在保證芯子順利放入彈體內膛中,應盡可能減小配合間隙。為此通過收帶試驗摸索對收帶芯子尺寸進行優化[8-10],按彈體內膛尺寸mm 中間值 φ130.125 mm 和最小值 φ130 mm,分別設計大、小2個芯子,芯子外徑尺寸分別為。收帶前對彈體內膛尺寸進行實測值測量分類,內膛尺寸在φ130.25 mm和φ 130.125 mm之間的使用大芯子,在 φ130.125 mm和φ130 mm之間的使用小芯子,盡可能減小配合間隙,收帶芯子結構如圖6所示。
圖6 收帶芯子Fig.6 Core of tightening band
通過優化設計工藝,改進收帶夾爪結構,減小了夾爪與彈帶接觸面積,降低了收帶擠壓力。調整優化收帶芯子與彈體內膛配合間隙,使彈體不產生塑性變形。通過上述工藝改進,解決了該產品彈體收帶變形問題,降低了收帶廢品損失,節約了生產成本,同時積累了薄壁筒形開倉類零件收帶技術經驗。
[1]濮良貴.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2002.PU Liang-gui.Mechanical Design[M].Beijing:Higher Education Press,2002.
[2]張水忠.擠壓工藝及模具設計[M].北京:化學工業出版社,2009.ZHANG Shui-zhong.Extrusion Technology and Die Design[M].Beijing:Chemical Industry Press,2009.
[3]王啟平.機械制造工藝學[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2002.WANG Qi-ping.Machinery Manufacturing Technology[M].Harbin:Harbin Industrial University Press,2002.
[4]謝建新.金屬擠壓理論與技術[M].北京:冶金工業出版社,2001.XIE Jian-xin.Metal Extrusion Theory and Technology[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2001.
[5]鄧文英.金屬工藝學[M].北京:高等教育出版社,2000.DENG Wen-ying.Metallurgical Technology[M].Beijing:Higher Education Press,2000.
[6]劉永亮.銅及銅合金擠壓生產技術[M].北京:冶金工業出版社,2007.LIU Yong-liang.Copper and Copper Alloy Extrusion Production Technology[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.
[7]修樹東.機械加工工藝基礎[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1996.XIU Shu-dong.Mechanical Processing Technology Foundation[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,1996.
[8]劉培興.銅合金加工基礎[M].北京:化學工業出版社,2010.LIU Pei-xing.Copper Alloy Processing[M].Beijing:Chemical Industry Press,2010.
[9]溫景林.有色金屬擠壓與拉拔技術[M].北京:化學工業出版社,2007.WEN Jing-lin.Non-ferrous Metal Extrusion and Drawing Technology[M].Beijing:Chemical Industry Press,2007.
[10]黃志堅.液壓系統控制與PLC應用[M].北京:中國電力出版社,2012.HUANG Zhi-jian.Hydraulic System Control with PLC Application[M].Beijing:China Power Press,2012.