3D打印技術在鼠籠式彈殼計數器設計中的應用

姜曼　張亞新　徐華　董鴻飛　劉仍貴　李萬敏

摘 要：為解決野戰部隊彈殼回收時的計數問題，采用3D打印技術設計了一種鼠籠式彈殼計數器。通過理論計算和3D打印核心部件實驗，確定了鼠籠式彈殼計數器的卡彈槽傾角為31.3°，卡彈機構的轉速為10r/min。采用3D打印技術設計的鼠籠式彈殼計數器結構簡單、構件數量少，大幅度降低了重量和功耗。實驗結果表明，彈殼計數效率為87.4個/分，計數精度為99.8%，滿足軍隊提出的計數效率和計數精度要求。該研究不僅為軍隊提供一種實用的彈殼計數工具，也為其他相近的機械設備采用3D技術進行設計和樣機制造提供了參考借鑒。

關鍵詞：3D打印技術；彈殼回收；鼠籠式彈殼計數器

中圖分類號：TB16；U462.1；N94? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0024-04

引言

3D打印技術是一種快速成型技術，是以數字模型為基礎，運用粉末金屬或塑料等材料通過逐層粘合來構造物體[1]。3D打印技術廣泛應用于醫學領域、藝術品加工、汽車制造、航空航天以及海軍艦艇等[2-8]。近年來，因3D打印技術出色的時效性，將其作為裝備研發和維修保障領域的技術手段，能快速提升裝備和研發維修保障能力，使各國不斷加大3D打印技術在軍工領域的應用。

子彈在戰時是保家衛國的利器，在非戰時是提升軍事訓練水平的重要物資[9，10]。一般的子彈由彈丸、彈殼、發射藥和火帽四部分組成。彈丸用來依靠快速飛行侵徹目標，發射藥是通過燃燒賦予彈丸較高初速，火帽用來擊發，彈殼用來連接彈丸和保護發射藥及密閉火藥氣體。彈丸發射后，彈殼被槍械的拋殼機構拋出。在日常訓練中，彈殼需要全部回收，因此需要高效的彈殼計數裝置。為解決彈殼計數問題，采用3D打印技術設計了鼠籠式彈殼計數器。

1 整體設計

1.1 工作原理

3D打印鼠籠式彈殼計數器由卡彈機構、容托機構、滑槽、電機以及計數裝置組成。使用過程中，將彈殼放入容托機構中，卡彈機構內嵌在容托機構內部，在電機的驅動下與容托機構發生相對運動。彈殼在卡彈機構和容托機構共同作用下，卡入彈殼卡槽中，并隨卡彈機構向上運動至排出口位置，在離心力與重力的作用下，脫離彈殼卡槽并掉落在滑槽中。滑槽底部中間位置安裝傳感器，彈殼在滑槽中滑動中經過傳感器，實現彈殼計數。

1.2 數字建模

3D打印的設計過程：先通過計算機輔助設計建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，從而指導打印機逐層打印[11]。鼠籠式彈殼計數器的核心部件卡彈機構、容托機構以及滑槽三部分由3D打印技術完成，其三維設計模型如圖1所示。

1.3 切片處理

將核心部件模型存儲為STL文件，并通過切片軟件將核心部件模型進行切片處理，制作成3D打印機能夠識別的文件格式，如圖2所示。

2 卡彈機構轉速設計

3D打印核心部件的鼠籠式彈殼計數器在工作時，當轉速低時，卡彈率高，排彈率低；當轉速高時，排彈率高，卡彈率低。計數率與卡彈率和排彈率成正比；排彈率與轉速和卡彈槽數目成正比，因此卡彈機構的轉速是決定計數率的重要因素。當彈殼以團聚體的形式經過光學計數器時，無法形成光柵，造成計數減少的現象[12-15]。為防止彈殼以團聚體形式進入滑槽，根據傳感器的分辨率，彈殼掉落間隙不小于0.1秒。轉速與卡槽數目滿足下式：

式中，n鼠籠卡彈機構的轉速r/min；

k卡彈槽數目個/r。

卡彈槽數目越多，相同轉速下排彈率越高，由于打印材料的力學性能，選取不同卡槽數目進行測試，在滿足功能以及安全余量的基礎上，在直徑為270mm的鼠籠卡彈機構上設置的最大卡槽數目為30個。由式（1）計算可知，在卡槽數目一周選為30個時，鼠籠卡彈機構的轉速n≤20r/min。分別選用5r/min、8r/min、10r/min、12r/min、15r/min和六組轉速進行卡彈率試驗。

實驗中每種轉速測試50組，每組以掉落100個子彈殼記錄時間。卡彈率計算公式如式（2）所示

式中，ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時間（s），

n：電機轉速（r/min）。

卡彈機構的轉速與卡彈率試驗結果如表1所示。

由實驗結果可知，卡彈率隨卡彈機構的轉速的增加而減小，卡彈機構轉動越快，彈殼跳動越劇烈，越不容易卡入卡槽中。在不考慮其他因素的條件下，理論排彈率如公式（3）所示：

Qp＝３０nηk? （3）

式中，Qp：排彈率（個/min），

ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時間（s），

n：電機轉速（r/min）。

經計算，不同轉速下，理論排彈率如表2所示。

由表2可知，理論排彈率在卡彈機構的轉速為10r/min出現最大值，因此轉速設置為10r/min。

3 卡彈槽傾角設計

卡彈槽傾角是卡彈槽推彈面與過此面外邊及圓柱形卡彈機構柱線組成平面的夾角；容托機構傾角是容托機構前側上平面與支撐水平面之間的夾角；排彈角是彈殼從卡彈槽滑出切線方向與支撐水平面之間的夾角，如圖3所示。

3.1 排彈角試驗

最小排彈角是彈殼滑出卡彈槽所需要的最小傾斜角度。目前，尚無文獻報道3D打印PLA材料與彈殼的滑動摩擦角，需要通過試驗測得彈殼與打印材料的滑動摩擦角。3D打印PLA材料成型的平面因角度和結構的不同，其表面粗糙度差異較大，我校實驗室使用的打印機為低端打印機，粗糙度最大的打印平面是圓盤形底部平面。以打印粗糙度最大的平面為測試平面，測試彈殼的滑動摩擦角和滾動摩擦角，如圖4所示。

通過試驗測得，彈殼軸線方向與下滑方向垂直時，彈殼以滾動的方式向勢能低的方向運動，滾動摩擦角為21.3°；彈殼軸線方向與下滑方向垂直時，彈殼以滑動的形式向勢能低的方向運動，滑動摩擦角為42.7°。在鼠籠式彈殼計數器中，彈殼以滾動形式脫離卡彈槽，同時考慮到彈殼滑出后速度過大會對計數精度產生不利影響，因此選擇21.3°為排彈角。

3.2 容托機構傾角設計

容托機構傾角通過試驗獲得，通過增加支撐座墊塊調整高度差的方式改變容托機構傾角。旋轉電機轉速為轉速為10r/min，分別以3°、5°、8°、10°、12°、15°六種傾斜角度，測試異形掉落率，異形掉落率根據公式（4）所示：

式中，ηc：異形掉落率（%）。

λi：第i組試驗中未通過傳感器計數個數。

試驗對每種容托機構傾斜角度測試50組，每組100枚彈殼，由試驗結果可知，在容托機構傾角不足10°時，因彈殼未沿卡彈槽方向卡入卡彈槽中，呈異形卡入狀態，其在排彈口掉落軌跡復雜，容易造成計數誤差。當容托機構傾角大于10°時，異形卡入卡彈槽的彈殼在重力作用下，掉落在容托機構內部，不影響計數器工作，考慮到容托機構中，彈殼的回落及彈殼容量等因素，選擇容托機構傾角大于10°。

3.3 卡彈槽傾角設計

為擴大容托機構的載彈量，需加大對卡彈機構的包裹角度，但限于容托機構以及三葉花鍵的的安裝和調試，容托機構最大包裹范圍為180度，即容托機構前側上平面為過圓柱形卡彈機構柱心的直徑面。因此，卡彈槽傾角與排彈角和容托機構傾角的關系如式（5）所示：

αk=αp+αd? （5）

式中，αk：卡彈槽傾角，

αp：排彈角，

αd：容托機構傾角。

由式（6）計算得卡彈槽傾角為31.3°。

4 整機試驗及整機參數對比

4.1 整機試驗

3D打印整機裝配完成后，如圖5所示，分別對計數效率和計數精度個進行500組測試，每組測試200枚彈殼。

試驗結果表明，3D打印鼠籠式彈殼計數器的計數效率為87.4個/分，計數精度為99.8%。

4.2 性能參數

3D打印鼠籠式彈殼計數器的性能參數與軍隊提出的鼠籠式彈殼計數器設計要求如表3所示。

鼠籠式彈殼計數器的核心部件卡彈機構、容托機構以及滑槽均采用3D打印技術，結構更加緊湊，體積比最大的設計要求減小了85.15%；制作材料選擇質輕耐磨的PLA材質，外殼使用亞克力板，使整體重量減輕92.8%；輕質材料配合填料加工的高加工精度使額外損耗大幅減小，采用的電機功率是最大設計要求值的12.5%，大幅度提高工作續航能力。

5 結論

3D打印技術大大地縮短了鼠籠式彈殼計數器的設計以及樣機的制作時間，并通過理論計算和樣機核心部件試驗，確定了3D打印鼠籠式彈殼計數器的卡彈槽傾角為31.3°以及卡彈機構的轉速為10r/min。采用3D打印技術設計的鼠籠式彈殼計數器結構簡單、構件數量少，大幅度的降低重量和功耗。通過整機試驗表明，3D打印彈殼計數效率為87.4個/分，計數精度為99.8%，滿足了軍隊提出的計數效率和計數精度要求。

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收稿日期：2022-09-17

通訊作者：張亞新（1981-），男，內蒙古赤峰市人，碩士，副教授。研究方向：現代機械設計理論及方法。

基金項目：赤峰市科研課題項目（SZR074）；赤峰學院服務地方重點項目（cfxyfd201806）