CN108544189B - 一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，包括挤压成形、退火热处理、数控旋压封口、切削加工；所述旋压起点离壳体口部距离尺寸2～3.5mm，主轴转速200～300r/min，旋轮转速500～850r/min，旋轮进给量0.05～0.1mm，口部封口壁厚1.3±0.15mm，薄壁壳体件的温度≤120℃。本发明使制备的小尺寸中空薄壁壳体件口部塑性无缝封口，封口部位壁厚均匀，能显著提升中空薄壁壳体组合型装甲的抗侵彻能力和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性成形技术领域，具体地说是一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法。
背景技术
药型罩是聚能装药战斗部的核心构件，现有98％破甲战斗部采用铜药型罩，大量弹道试验表明，采用热轧、挤制的铜棒材或板材制造的药型罩，平均晶粒尺寸10～45μm，破甲侵彻威力8～10倍装药口径。目前世界上先进的反坦克导弹，例如“标枪”、“短号”、“长钉”等，均采用串联战斗部(两级或三级串联)，带隔板的聚能装药、大口径装药、新型军用炸药等，提高了反坦克导弹的毁伤能力。
装甲防护和反装甲弹药相互矛盾相互促进，从而发展了爆炸反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲、主动防护装甲等高性能装甲系统。Manfred Held在试验中发现金属板+炸药+金属板的“三明治”结构，能有效干扰射流对装甲的侵彻，并将该结构定义为爆炸反应装甲(explosive reactive armor，ERA)；截止目前，所研究爆炸反应装甲主要包括单层爆炸反应装甲和双层爆炸反应装甲2种类型，其中单层爆炸反应装甲的研究较为广泛。试验研究表明：单层爆炸反应装甲结构有效抵抗破甲弹的效率约为70％～90％，抵抗穿甲弹的效率约为30％左右；而对于双层反应装甲结构来说，有效抵抗破甲弹的效率约为95％，穿甲弹为60％～70％左右，而带盖板和隔板的双层反应装甲防护效果更为显著。为了进一步提高装甲的防护性能，May-seless等从理论上解释了ERA抗击射流的机理，提出“卵石干扰模型”；在此基础上，Koch A等设计了中空薄壁壳体组合型干扰复合装甲，在射流碰撞作用下，中空薄壁壳体空腔、壁部、空气波反射等干扰射流，抵抗破甲弹射流的侵彻作用更加显著。
从聚能射流与靶板的侵彻作用过程，通过中空薄壁壳体组合型剪切破坏射流，显著降低有效射流的侵彻能力。现有车削加工、冲压与焊接工艺，存在以下缺点：一是焊缝脆性大，影响破片质量；二是焊接热量不易控制(焊缝温度≥300℃)，降低产品质量稳定性；三是生产效率低，成本高。根据中空薄壁壳体件形状特点，以及现有工艺加工制造过程中的难题，本申请提供了一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，包括挤压成形、退火热处理、数控旋压封口、精密切削加工；所述旋压起点离壳体口部距离尺寸2～3.5mm，主轴转速200～300r/min，旋轮转速500～850r/min，旋轮进给量0.05～0.1mm，口部封口壁厚1.3±0.15mm，薄壁壳体件的温升≤120℃。
上述挤压成形是在三向压应力和变形速率为10～20mm/s的作用下，经过2～4道次的挤压变形，每道次挤压内腔深度在1～9mm。
在挤压成形之前、成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂。
在挤压成形之前采用配方Ⅰ润滑剂，配方Ⅰ为磷酸和氟锆酸钾的水溶液，磷酸质量配比2％～10％，氟锆酸钾质量配比5％～15％，余量为水；挤压成形过程中采用配方Ⅱ润滑剂，配方Ⅱ润滑剂由纳米石墨和二硫磺酸钡、聚乙二醇、水组成，纳米石墨质量配比10％～20％，二硫磺酸钡质量配比3～6％，聚乙二醇质量配比5～15％，余量为水。
为了进一步使坯件不同部位的力学性能、组织均匀化，上述退火热处理温度800～1000℃，保温时间45～75min。
一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，经过下列工艺步骤实现：
(1)坯料制备：依据中空薄壁壳体件的成形件图，计算材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，根据塑性成形体积不变原理切取相应的棒材，棒材的直径φ10～15mm，材料牌号可以是20、45、921A等。采用配方Ⅰ润滑剂，对坯料表面进行润滑处理，为后续的冷挤压成形做准备。
(2)挤压成形薄壁壳体：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为10～20mm/s的作用下，经过2～4道次的挤压变形，每道次挤压内腔深度在1～9mm，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层配方Ⅱ润滑剂，通过多道次挤压成形薄壁壳体件，圆周壁厚差≤0.08mm，底部壁厚差≤0.1mm。
(3)退火热处理：将步骤(2)获得的薄壁壳体件放入真空热处理炉中，保温温度800～1000℃，保温时间45～75min，。
(4)数控旋压封口：将步骤(3)获得的薄壁壳体件，通过工装夹持于双旋轮的数控旋压设备上，旋压起点离壳体口部距离尺寸2～3.5mm，主轴转速200～300r/min，旋轮转速500～850r/min，旋轮进给量0.05～0.1mm，口部封口壁厚1.3±0.15mm，薄壁壳体件的温升≤120℃。
(5)精密切削加工：将步骤(4)获得的中空薄壁壳体封口件，装夹于数控车床上，对旋压封口件端面进行少余量切削加工，保证壳体件的高度与重量的一致性，重量偏差≤2g。
所述步骤(2)中2～4道次的挤压变形，根据壳体内腔、壁厚等尺寸，设计所需的变形道次等工序，内腔深度小、壁厚尺寸大挤压变形道次少，反之则挤压道次多。
所述步骤(2)中每道次挤压内腔深度在1～9mm，根据变形道次和坯件的硬度，合理分配每道次的挤压深度，随变形道次的增加道次挤压深度降低，通过阶梯变形量控制壳体壁厚差。
所述步骤(4)中旋压起点离壳体口部距离尺寸2～3.5mm，根据封口后口部壁厚的尺寸要求，确定旋压起点离壳体口部距离尺寸。
所述步骤(4)中主轴转速200～300r/min，旋轮转速500～850r/min，相互匹配，保证壳体在高度方向尽量不发生塑性变形。
所述步骤(4)中旋轮进给量0.05～0.1mm，根据壳体件表面粗糙度、效率、发热量等来确定。
有益效果
1.本发明实现薄壁壳体件的成形控制，改善构件的塑性，实现组织性能一致性控制；应用旋压塑性变形技术，实现口部塑性无缝封口，并降低旋压热量对壳体件的影响。通过该方法获得壳体强度与韧性匹配，以及封口部位的无缝塑性密封，提高壳体质量、抗侵彻性能的稳定性，为小尺寸中空薄壁壳体件的研制提供了一种新的制备方法。本发明克服了常规制备方法获得构件性能不一致，以及热量对空腔内部物体性能的影响，同时还具有生产效率高、工艺稳定性好、易于实现工业化生产等优点。
2.本发明使制备的小尺寸中空薄壁壳体件口部塑性无缝封口，封口部位壁厚均匀，能显著提升中空薄壁壳体组合型装甲的抗侵彻能力和稳定性。
3.薄壁壳体件封口部位的强度与韧性、密封性、壁厚是影响破片大小、毁伤威力稳定性的关键，本发明通过挤压成形薄壁壳体内孔、冷旋压封口的塑性成形等步骤和工艺的配合，解决中空薄壁壳体件的加工技术难题。
4.本发明具备以下优势：
(1)产品性能好。有效控制坯件的热量升高，且口部密封性好。
(2)产品尺寸一致性好。尺寸精度与表面质量好。
(3)产品材料利用率高。仅对封口端面进行少余量切削加工，材料利用率达到96％以上。
(4)产品加工效率高。实现小尺寸中空薄壁壳体件连续制造。
附图说明
图1中空薄壁壳体件制备工艺流程图
图2挤压坯件结构图
图3挤压坯件
图4旋压封口壳体结构图
图5中空薄壁壳体件(剖分图)
具体实施方式
下面是具体实施例证对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例证只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术是由熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，包括以下步骤：
(1)坯料制备：依据中空薄壁壳体件的成形件图(图2)，计算材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，根据塑性成形体积不变原理切取相应的棒材，材料牌号为20，棒材的直径φ12mm，经车削加工制备出尺寸为φ11.2×10.6mm的坯料。经Ⅰ润滑剂处理，在坯料表面制备润滑层。
(2)挤压成形薄壁壳体：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为10mm/s的作用下，经过2道次的挤压变形，第一道次挤压内腔深度10mm，第二道次挤压内腔深度4.5mm，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布Ⅱ润滑剂，通过2道次挤压成形制备出薄壁壳体件(图3)，圆周壁厚差0.02～0.05mm，底部壁厚差0.04～0.08mm。
(3)退火热处理：将步骤(2)获得的薄壁壳体件放入真空热处理炉中，保温温度820℃，保温时间60min，通过退火热处理，使坯件不同部位的力学性能、微观组织均匀化。
(4)数控旋压封口：将步骤(3)获得的薄壁壳体件，夹持于双旋轮的数控旋压设备上(型号：PS-CNCXY550)，根据旋压封口壳体结构图计算(图3)，旋压起点离壳体口部距离尺寸2.3mm，主轴转速240r/min，旋轮转速650r/min，旋轮进给量0.05mm，旋压过程坯件温升40～80℃，制备的坯件如图4所示。
(5)精密切削加工：将步骤(4)获得的封口薄壁壳体件，装夹于数控车床上，对旋压封口端面进行少余量切削加工，保证壳体件的高度，重量差0.6～1.8g。
将上述得到的中空薄壁壳体件采用线切割分开(图5)，旋压封口部位的壁厚尺寸在1.24～1.35mm；采用金相显微镜与X射线探伤，实现了壳体件口部无缝塑性密封；进一步通过静破甲试验考核，平均壳体破片9块，有效抵抗破甲弹的效率约为85％。
实施例2
一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，包括以下步骤：
(1)坯料制备：依据中空薄壁壳体件的成形件图，计算材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，根据塑性成形体积不变原理切取相应的棒材，材料牌号为45，棒材的直径φ12mm，经车削加工制备成φ11.2×10.6mm。经Ⅰ润滑剂处理，在坯料表面制备润滑层。
(2)挤压成形薄壁壳体：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为15mm/s的作用下，经过3道次的挤压变形，第一道次挤压内腔深度8mm，第二道次挤压内腔深度4mm，第三道次挤压内腔深度2.5mm，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布Ⅱ润滑剂，通过3道次挤压成形制备出薄壁壳体件，圆周壁厚差0.02～0.06mm，底部壁厚差0.03～0.07mm。
(3)退火热处理：将步骤(2)获得的薄壁壳体件放入真空热处理炉中，保温温度850℃，保温时间60min，通过退火热处理，使坯件不同部位的力学性能、微观组织均匀化。
(4)数控旋压封口：将步骤(3)获得的薄壁壳体件，夹持于双旋轮的数控旋压设备上(型号：PS-CNCXY550)，根据旋压封口壳体结构图计算，旋压起点离壳体口部距离尺寸2.4mm，主轴转速250r/min，旋轮转速750r/min，旋轮进给量0.08mm，旋压过程坯件温升45～90℃。
(5)精密切削加工：将步骤(4)获得的封口薄壁壳体件，装夹于数控车床上，对旋压封口端面进行少余量切削加工，保证壳体件的高度，重量差0.4～1.5g。
将上述得到的中空薄壁壳体件采用线切割分开，旋压封口的壁厚尺寸在1.28～1.36mm；采用金相显微镜与X射线探伤，实现了壳体件口部无缝塑性密封；进一步通过静破甲试验考核，平均壳体破片12块，有效抵抗破甲弹的效率约为85％。。
实施例3
一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，包括以下步骤：
(1)坯料制备：依据中空薄壁壳体件的成形件图，计算材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，根据塑性成形体积不变原理切取相应的棒材，材料牌号为921A，棒材的直径φ12mm，经车削加工制备成φ11.2×10.6mm。经Ⅰ润滑剂处理，在坯料表面制备润滑层。
(2)挤压成形薄壁壳体：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为20mm/s的作用下，经过4道次的挤压变形，第一道次挤压内腔深度7mm，第二道次挤压内腔深度5mm，第三道次挤压内腔深度3mm，第四道次挤压内腔深度1.5mm，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层Ⅱ润滑剂，通过4道次挤压成形制备出薄壁壳体件，圆周壁厚差0.02～0.04mm，底部壁厚差0.03～0.08mm。
(3)退火热处理：将步骤(2)获得的薄壁壳体件放入真空热处理炉中，保温温度920℃，保温时间75min，通过退火热处理，使坯件不同部位的力学性能、微观组织均匀化。
(4)数控旋压封口：将步骤(3)获得的薄壁壳体件，夹持于双旋轮的数控旋压设备上(型号：PS-CNCXY550)，根据旋压封口壳体结构图计算，旋压起点离壳体口部距离尺寸3mm，主轴转速230r/min，旋轮转速700r/min，旋轮进给量0.05mm，旋压过程坯件温升50～100℃。
(5)精密切削加工：将步骤(4)获得的封口薄壁壳体件，装夹于数控车床上，对旋压封口端面进行少余量切削加工，保证壳体件的高度，重量差0.7～1.8g。
将上述得到的中空薄壁壳体件采用线切割分开，旋压封口的壁厚尺寸在1.32～1.39mm；采用金相显微镜与X射线探伤，实现了壳体件口部无缝塑性密封；进一步通过静破甲试验考核，平均壳体破片14块，有效抵抗破甲弹的效率约为90％。
Claims (1)
1.一种小尺寸中空薄壁壳体件的塑性成形方法，用于中空薄壁壳体组合型装甲，包括以下步骤：
（1）坯料制备：依据中空薄壁壳体件的成形件图，选取坯料，棒材的直径φ10～15mm；
（2）挤压成形薄壁壳体：将步骤（1）所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为10～20mm/s的作用下，经过2～4道次的挤压变形，每道次挤压内腔深度在1～9mm，在成形中坯料表面和模具型腔内表面涂布润滑剂；
（3）退火热处理：将步骤（2）获得的薄壁壳体件放入真空热处理炉中，保温温度800～1000℃，保温时间45～75min；
（4）数控旋压封口：将步骤（3）获得的薄壁壳体件，通过工装夹持于双旋轮的数控旋压设备上，旋压起点离壳体口部距离尺寸2～3.5mm，主轴转速200～300r/min，旋轮转速500～850r/min，旋轮进给量0.05～0.1mm，口部封口壁厚1.3±0.15mm，薄壁壳体件的温升≤120℃；
（5）精密切削加工。
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