某轉管自動機炮尾體壽命提升技術研究

劉建斌，劉丹，朱朋立，張紹亮，何亞蒂，劉彥

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

炮尾體是轉管自動機的重要組成部分，在火炮發射過程中，與閂體共同參與自動機進彈、閉鎖、擊發、開鎖、抽殼、拋殼等大量工作。由于炮尾體為閂體提供支撐，承受著射擊時的高溫、高壓作用，因而易在閉鎖支撐面根部產生應力集中，引發疲勞裂紋，降低炮尾體的疲勞壽命。

超聲作用已被廣泛證明可以有效提高材料表面的硬度、降低粗糙度，同時還可產生有利的壓應力，在大幅提高材料疲勞壽命的同時還能大幅減小由于材料和加工原因造成的壽命散布[1-2]。最早的超聲沖擊處理技術，被用于增強焊接接頭疲勞強度，然后研發出可增加金屬材料抗疲勞與摩擦磨損及腐蝕的其他相關技術，主要有超聲噴丸強化、超聲滾壓等[3-4]。王東坡等通過超聲沖擊處理技術處理了鈦合金、低碳鋼和高碳鋼等金屬的焊接接頭，研究結果表明該技術能大幅度改善材料的疲勞性能[5]。馮淦等科研人員研究發現超聲噴丸強化技術在20鋼表面上可以形成一定厚度的納米層[6]。劉宇等研究表明超聲滾壓技術可提高材料表層的硬度和彈性模量[7]。特別是，超聲作用還沒有應用在火炮零部件上，筆者目的是設計新的炮尾體加工工藝，通過改造數控銑床，研制專用工裝和專用刀具，將傳統車削改為銑削加工，降低表面粗糙度，再應用超聲波表面強化工藝，進一步改善表面質量，研究聲銑復合作用對炮尾體表面性能的影響。

1 研究背景

如圖1所示，炮尾體與閂體配合的閉鎖齒耦合面是內螺旋面，通過對炮尾體受力和破壞過程分析發現應力集中發生在炮尾體閉鎖齒的齒根部圓角處。目前炮尾體閉鎖齒采用的是傳統的車鏜加工方法，由于閉鎖面為多頭、非均布、斷續的內螺旋面，每次進刀車床主軸為非連續轉動，旋轉約180°后停止再回到初始位置進行下一次進刀切削。由主軸提供軸向運動，數控轉臺帶動零件實現旋轉動作，共同完成螺旋面的加工。這種加工方法切削速度低，加工難度大，很難保證設計要求的尺寸精度和表面粗糙度，導致零件強度和疲勞壽命低，在產品研制時，常出現炮尾體損壞的現象，使得維修成本升高，武器系統的使用安全性降低。因此為了進一步提高炮尾體表面性能，提高自動炮的可靠性，延長炮尾體使用壽命是亟待解決的問題。

2 實驗過程

2.1 聲銑復合表面處理工藝

該實驗采用的材料是30CrNi2MoVA炮鋼材料，化學成分如表1所示。

表1 30CrNi2MoVA鋼的化學成分 %

實驗試件是對炮尾體進行簡化，將炮尾體上的6處炮膛簡化為1處，其閉鎖齒的尺寸結構與炮尾體閉鎖齒形相同，如圖2所示，紅色標記面是閉鎖齒需要進行聲銑復合強化處理的內螺旋面。

樣件在GX1000plus哈挺三軸立式加工中心上分別用車削和銑削工藝方法完成試件的試切加工，并對材料進行了與炮尾體零件相同的強度處理，熱處理后材料的硬度為45～50 HRC，使試件試切工況與炮尾體閉鎖齒的加工工況相同。接下來把樣件分為兩組，實驗思路如圖3所示。

實驗分別用干切削加工工藝方法加工5件炮尾體疲勞試件作為對比試樣，用聲銑復合表面改性處理加工工藝方法加工4件閂體疲勞試件和5件炮尾體疲勞試件作為實驗試樣。

Group II樣件和閂體樣件是固定在自行改進設計的德瑪吉五軸加工中心上進行炮尾體閉鎖齒的內螺旋面表面加工，表面改性裝置安裝在改造后的主軸上，超聲裝置前的鋼球作為主要實驗工具。實驗平臺及其示意圖如圖4、5所示。鋼球直接接觸工件表面，由壓力記錄儀記錄超聲設備的進給位移，再轉換成超聲靜壓力。該實驗過程中振頭位移為30 μm，對應超聲靜壓力436 N，機床主軸轉速為12 000 r/min，切削速度為2.5 m/s。

2.2 測試和表征

表面粗糙度測量是使用便攜式表面粗糙度測試儀(Taylor SURTRONIC 25)測試，在每個試樣表面被處理區域的5處進行測量，然后求和取其平均值為最終測量結果。表面硬度測量使用洛氏硬度計(HR-150A)測試，每個樣品測量5次硬度值后取其平均。材料表面的微觀結構是利用三維光學體視顯微鏡(HiROX KH-7700數字顯微鏡)觀察。疲勞實驗是使用微機控制電液伺服疲勞實驗機(PWS-100)實驗，共完成10組實驗，在最大載荷為360 kN、振幅為162 kN、應力比為0.1、頻率為5 Hz正弦波交變應力下，通過兩組炮尾體樣品分別與閂體一起實驗，得到疲勞實驗循環次數數據。試樣加載形式及尺寸標注如圖6所示，其中疲勞試樣直徑為40 mm，疲勞機液壓上、下夾具的夾持長度均為150 mm。疲勞試樣加載照片如圖7所示，疲勞試件宏觀照片如圖8所示。

3 實驗結果分析

3.1 表面粗糙度和表面形貌

干切削與聲銑復合強化處理后樣品的表面粗糙度，如表2所示。

表2 干切削和聲銑復合強化處理后表面粗糙度

由表2可以看出，與傳統干切削加工方法相比，聲銑復合工藝將樣品的表面粗糙度從1.60 μm減少到0.32 μm，顯著降低了樣品的表面粗糙度，這主要與超聲振頭頻率和超聲振頭的粗糙度等因素有關。炮尾體閉鎖齒表面的加工目標是Ra≤0.4 μm，聲銑復合工藝符合加工要求。

干切削和聲銑復合表面強化處理表面后的形貌對比如圖9所示。宏觀對比表明聲銑復合強化作用后的閂體樣件相比干切削樣件表現出更好的表面狀態；干切削微觀表面原始結構如圖9(b)，顯示存在表面大量缺陷和低粗糙度，顯然，干切削后樣品表面不光滑，有可見平行線分布，如圖9(d)所示。相比之下，圖9(c)和(e)顯示了良好的表面質量且沒有明顯的表面缺陷。有研究表明，超聲納米晶表面改性(UNSM)可以改善表面粗糙度、顯微硬度和壓縮殘余應力[8-10]。本實驗結果進一步表明聲銑復合強化處理后的材料表面好于干切削處理的表面。

3.2 表面硬度

干切削和聲銑復合強化處理后樣件的洛氏硬度如表3所示，可見聲銑復合強化處理后樣件表面洛氏硬度從47.0 HRC增加到58.3 HRC。由于樣件熱處理后的基體硬度較硬，在聲銑復合處理后，表面硬度增加了24%，表層形成了硬化層，積攢了大量的表面壓應力，而表層硬化可以提高材料的疲勞強度，但表面硬度增加不太明顯的原因可能是達到了材料的屈服極限。

表3 干切削和聲銑復合強化處理后的表面硬度

3.3 疲勞壽命

試件疲勞實驗結果，如圖10所示，斷裂發生在炮尾體閉鎖齒根部，與射擊實驗故障情況一致。

在疲勞實驗的基礎上，對不同工藝下的炮尾體試件在應力比R=0.1下進行5組疲勞加載實驗，所得的疲勞壽命結果如表4所示。

表4 不同工藝下的炮尾體試件疲勞實驗結果

聲銑復合加工試件的疲勞壽命循環次數在9 000～11 000之間，平均循環次數為9 624；傳統車鏜工藝試件的疲勞壽命的循環次數在800～1 000左右，平均循環次數為874。實驗結果表明，采用聲銑復合新工藝方法可將炮尾體閉鎖齒的疲勞壽命提高到原來的11倍以上。

聲銑復合表面改性方法利用金屬在常溫狀態下的冷塑性特點，通過高頻振動的硬質滾輪作用于金屬表面，使工件表層產生局部殘余壓應力，形成冷作硬化，從而達到改善工件表面質量的目的。這種表面質量改善是綜合的，既有表面顯微硬度的提高，又有表面粗糙度的降低，還能彌合一些微觀裂紋，同時在零件表面產生有利于強度壽命的壓應力，可大幅度延長零件的疲勞壽命。

4 結束語

針對射擊過程中炮尾體在高溫及連續瞬態沖擊等惡劣工況下易產生疲勞裂紋和斷裂故障，且傳統切削方法下炮尾體表面強度和疲勞壽命不足的問題，筆者提出了一種新的基于聲銑復合表面改性方法的炮尾體疲勞壽命提升技術，并在表面粗糙度及表面形貌、表面硬度、疲勞壽命等方面與傳統工藝方法進行了實驗對比。結果表明，與傳統工藝方法相比，在筆者提出的基于聲銑復合表面改性方法的炮尾體疲勞壽命提升技術下，炮尾體樣品的表面粗糙度為0.32 μm，表面硬度相比基體硬度提高了24%左右，炮尾體閉鎖齒的疲勞壽命提高為原來的11倍以上。在實彈射擊實驗中，傳統方法加工的炮尾體在射擊不足500發時即出現裂紋故障，而應用此技術加工的炮尾體隨樣機完成了3 000余發實彈射擊且未出現損壞。說明筆者提出的炮尾體疲勞壽命提升技術能顯著提高炮尾體的表面性能及疲勞壽命，對自動炮產品質量、使用可靠性和產品壽命起到了積極作用。