大口徑機槍彈彈殼多工位連續成型研究

沈勇 汪正勝

摘要：本文以某大口徑機槍彈彈殼的多工位連續成型為研究，以多工位連續擠壓加工為代表，對多工位連續擠壓技術在大口徑機槍彈彈殼制造上的應用加以介紹，對工藝方案的確定，關鍵技術的解決情況，產品性能和經濟效益等方面做了系統的介紹，并指出了多工位連續擠壓技術將成為大口徑機槍彈彈殼制造的一個發展趨勢。

關鍵詞：多工位連續擠壓；大口徑機槍彈；彈殼制造

1前言

多工位連續冷擠壓技術已經問世多年，是一項成熟的技術。彈殼擠壓加工工藝，在國外許多國家已開展相關研究并取得了一定成果，如德國、俄羅斯等都實現了采用反擠壓工藝制造23mm、30mm等小口徑炮彈彈體的技術。目前我國部分單位也相繼開展了相關研究，但在大口徑機槍彈彈殼的多工位連續擠壓加工方面國內還未見相關報道。生產某大口徑機槍彈彈殼，過去采用的是單機沖壓引伸的加工方法，加工工藝多，中間需進行多次熱處理，使用設備多，存在加工效率低、加工成本高、環境污染大、產品質量不易保證等多項缺點。

通過開展多工位連續擠壓加工技術研究，實現彈殼多工位連續擠壓加工，在一臺多工位設備上完成了原工藝需多道工序才能完成的加工量。與原工藝相比，采用多工位連續擠壓加工工藝，縮短了加工周期，降低了加工成本，減少生產設備，節約了能耗。彈殼經過連續的冷變形，彈殼底部、體部金屬纖維組織在受到強烈的擠壓變形后變長，內部組織更加致密，明顯改善金屬材料本身內部組織缺陷，產生冷作硬化效果，彈殼強度大、剛性好，不會產生裂紋、開裂現象，潛在缺陷少，有利于提高產品質量；經過批量生產，滿足產品戰技指標的要求。

2工藝方案的確定

2.1多工位后制品形狀和尺寸的確定

結合原材料機械性能、后道工序加工不改變、彈殼綜合性能要求等多種因素，多工位連續加工后的制品形狀尺寸應確定在二引前，為充分發揮多工位連續加工優勢，將多工位后制品尺寸狀態確定在原工藝的一引后尺寸狀態。

2.2成形方案可行性分析

多工位擠壓成形工步為：下料→一次整形→二次整形→反擠壓→擴口→正擠壓→引伸（分別為下料工位→一工位→二工位→三工位→四工位→五工位→六工位）。

經過初步分析擠壓變形工藝，結合所確定的多工位制品形狀和尺寸，三工位加工是彈殼多工位擠壓成形最關鍵工步，下面對三工位進行的斷面加工率進行驗算，具體如下：

通過擠壓力計算，則需要選用2286.35 kN以上的設備，選用的PF33B6SLPKO型多工位冷鐓機鐓鍛力為3600kN，滿足工藝要求。

2.4模具及模具材料

根據冷擠壓模具的設計方法及原理，結合多工位設備的結構特點，完成了凸、凹模的設計加工。凹模材料選用鎢鋼系列材料，凸模材料采用日本高速鋼SKH55、SKH59，工作部位有TiN涂層。

2.5工藝流程

經歷了初步方案的設計與試驗，改進方案的設計與調整和批量考核工作后，完成了20000件多工位制品的批量考核，經后續加工至成品的制品，檢驗其相關性能指標滿足產品圖和技術條件的要求。因此，可以認定改進后的工藝方案設計合理、可行，能夠實現彈殼的多工位擠壓的連續加工，確定了最終工藝方案。

多工位擠壓加工工藝與原單機加工工藝對比，在二次引長工序前的變化情況如下：

1）現有單機加工工藝流程

下料→鐓餅→退火→磷化→擠盂→退火→磷化→一次引長→退火→磷化→二次引長……

2）多工位擠壓加工工藝流程

多工位擠壓——除油——退火→磷化→二次引長……（與原單機加工工藝相同）。

3關鍵技術的解決

在進行彈殼多工位連續擠壓加工研制過程中，要綜合各方面的因素來進行試驗和調整，以達到最佳效果。研制中主要解決了以下幾個方面的問題：

a）內腔形狀不符合要求；

b）壁厚差；

c）線痕；

d）沖棒不脫料；

e）三工位沖棒使用壽命低。

具體情況如下：

3.1解決內腔形狀不符合要求問題

3.1.1原因分析

三工位沖頭直徑小于六工位沖錐度位置尺寸，在六工位加工時沖棒加工不到制品內腔底部，并且還產生閉氣問題。

3.1.2解決措施

在三工位和六工位之間增加擴徑變形，即在四工位上增加擴徑工步，四工位沖棒形狀設計成錐度，以利于六工位沖棒加工。經過試驗，很好地解決了工件內腔閉氣問題，工件內腔形狀符合要求。

3.2解決壁厚差問題

試制時工件壁厚差較大，壁厚差在0.4mm，經調車無法解決。生產過程中影響制品壁厚差的因素較多，如：沖模具形狀質量、工件質量、設備精度、加工定位方式等。為了解決壁厚差問題，從工件基準孔定位上進行了重新設計和改進。二工位沖棒端部直徑和角度與三工位沖棒形狀相互配合，改進后經批量生產壁厚差≤0.20mm。

3.3解決線痕問題

在試制過程中六工位模加工約2000發制品表面開始出現較深線痕，經過原因分析認為：a） 引伸模鎢鋼硬度低；b） 引伸模加工部位表面粗糙度高。措施如下：

引伸模鎢鋼材料選用YG8；

引伸模表面增加TiN涂層。

改進后引伸模可加工10萬發以上。

3.4解決沖棒不脫料問題

三工位沖棒不脫料不僅會將工件帶出模口將設備上的夾鉗撞壞，而且再次擠壓時三工位沖棒帶料擠壓極易導致沖模的損壞，因此沖棒不脫料是制約多工位連續加工的關鍵問題。解決沖棒不脫料從兩方面進行：

減少沖棒端部工作帶高度，將工作帶高度由原來的1.5mm改為0.8mm；

三工位凹模增加脫料設計，在凹模模底弧形處設計3°的錐度。

通過以上措施，解決了三工位沖棒不脫料問題。

3.5解決三工位沖棒使用壽命低問題

在批量生產過程中，三工位沖棒每加工至3000發～5000發，沖棒夾持部位發生斷裂。沖棒夾持部位在軸向內壓力（ p ）的作用下產生向外擴大變形，當作用在沖棒的最大切向拉應力（σtmax）超過材料抗拉強度時，沖棒就要產生裂紋造成橫向開裂；當作用在沖棒的最大等效應力（σvmax）超過材料許用應力時，就開始產生破壞。根據p與σtmax ， p與σvmax關系可知，增大沖棒直徑可顯著提高沖棒強度。為了節省模具材料，增加預應力圈是比較好的解決辦法。具體措施如下：在沖棒直徑不變的情況下，將沖棒夾套內徑擴大，即在沖棒和夾套之間增加一個預應力套。經過批量生產，增加預應力套后三工位沖棒使用壽命有了明顯提高。

4性能檢驗和試驗

為驗證項目研制成果與項目合同要求的符合性，對多工位批量試制品進行壁厚差及底厚檢驗，對完成后續加工的多工位彈殼進行硬度檢測、彈殼強度及射擊性能試驗，各項試驗結果如下：

4.1壁厚差及底厚

在多工位批量考核制品中抽驗200件，壁厚差≤0.15mm的196件，占98%，0.15mm～0.20mm的6件，占2%，無大于0.25mm的，滿足相關技術規范的要求。連續加工500～1000發后檢測底厚，抽驗100發，底厚公差在0.10mm以內。

4.2硬度及金相

4.2.1硬度

多工位加工的彈殼和單機加工的彈殼各抽取5發進行硬度檢測對比，多工位彈殼各點的硬度值與單機生產的彈殼相差較小，符合產品圖的要求。

4.2.2金相

多工位彈殼金相組織與單機產品一致，均為球狀珠光體。

4.3彈殼射擊性能

進行了強度試驗，高溫、低溫、常溫共100發，試驗結果滿足技術條件的要求。

5成本對比分析

多工位加工完成后，制品形狀和尺寸與原單機加工的一引制品相同，因此，單機工藝的工序成本費用可計算至一引后工序前即一引退火工序。經計算，采用多工位加工工藝比原單機加工工藝節省的成本約1000元/萬發。

6結束語

大口徑機槍彈彈殼多工位連續擠壓技術，開創了國內大口徑槍彈彈殼制造多工位擠壓加工的先河，研制過程解決了一系列關鍵技術問題；所研制的工藝技術方案正確、合理、可行，實現了多工位連續加工；生產出的制品質量穩定，滿足產品的各項要求；有效提高了產品質量和生產效率、降低生產成本，滿足了經濟性和批量生產要求，必將成為今后大口徑機槍彈彈殼制造的一個發展趨勢。

（作者單位：駐牡丹江地區軍事代表室。）