CN108548454B - 一种短圆弧球冠药型罩的高质量制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种短圆弧球冠药型罩的制备方法，包括旋铆成形、再结晶热处理、冷冻切削加工步骤，所述旋铆成形为旋转+铆压的点接触高压力挤压成形，所述冷冻切削是采用液氮冷却，液氮流量为250g～500g/min。本发明得到具有均匀细小退火再结晶组织结构的药型罩；降低刀具切削温度、磨损量，使切削易断，既保证了尺寸精度，又实现表面光亮化，同时又提高产品的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性成形技术，具体地说是一种短圆弧球冠药型罩精密加工技术领域。
背景技术
钽具有高密度、高动态延展性和优异的侵彻性能，能够显著提高在大炸高下的侵彻能力和抗干扰能力，是杆式射流(JPC)、爆炸成形弹丸(EFP)药型罩的理想材料之一。国外90年代发展了钽、钽钨合金等高密度药型罩，如美国SADARM、德国SMART、瑞典BONUS、法国ACED155等战斗部，已大规模列装部队。
通过查阅相关的文献资料表明，国内外应用的钽、钽钨合金药型罩的制造技术，主要有棒材车削加工、板材冲压成形、旋压成形、摆碾成形，如德克萨斯大学的Romero等人对Ta、Mo材料塑性成形锥形壳体研究后认为，采用强烈旋压成形技术可以获得具有微米晶的锥形壳体，在爆轰作用下能形成聚能杆式侵彻体，但不稳定，形成原因是组织不均匀、对称性差(参见Romero L A.The instability of rapidly stretching plastic jet[J],J.Appl.Phys.,1999,65,3006-3016)；北京有色金属研究总院的彭海健等人采用摆碾成形+数控车削加工技术，制造Ta-W合金薄壁回转体零件,金属流线完整、呈放射状,使薄壁回转体零件周向的性能基本相同,平均晶粒尺寸≤50μm，但表面粗糙度Ra3.2～6.4μm，尺寸偏差0.12～0.35mm，且加工刀具磨损严重(参见彭海健.钽合金零件的摆辗成形工艺[J],稀有金属,2009,8,597-600)。
这些技术存在的具体不足和缺点：一是棒材车削加工，钽易粘刀，形成啃挤缺陷、表面粗糙，且加工非常困难、材料利用率低、加工周期长，仅能保证零件的形状结构，不能改善内部组织与性能；二是板材冲压成形织构各向异性大、内部组织混晶严重，不能改善板材轧制的各向异性，对称性差，尺寸不稳定；三是旋压成形件尺寸精度难以保证，同时晶粒组织扭曲度大，沿药型罩周向应力分布不均，沿母线方向变形量差异大，晶粒尺寸不均匀，同时精加工过程复杂；四是摆碾成形仅能获得一定形状结构毛坯，尺寸精度与表面质量不能满足产品最终使用要求，还需要后续切削加工来达到尺寸精度要求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种短圆弧球冠药型罩的高质量制备方法，通过旋铆成形+冷冻切削加工方法，解决常规塑性成形方法组织不均、车削加工表面质量差(图1)的技术难题，实现形状尺寸、组织性能、表面质量的多重控制，充分发挥钽钨材料的高侵彻性能优势。
一种短圆弧球冠药型罩的制备方法，包括旋铆成形、再结晶热处理、冷冻切削加工步骤，所述旋铆成形为旋转+铆压的点接触高压力挤压成形，所述冷冻切削是采用液氮冷却，液氮流量为250g～500g/min。
所述旋铆成形是在三向压应力作用下，铆头转速1200～2000r/min、铆压力3～6MPa、旋铆角度3～5°。
为了使药型罩晶粒组织均匀细小，所述再结晶热处理是在1200～1350℃保温1～2h，真空度≥2×10-3Pa，再随炉冷却至80～100℃出炉。
一种短圆弧球冠药型罩的制备方法，包括以下步骤：
(1)坯料的准备：依据设计的药型罩成形件图，计算得出材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，以及数值模拟仿真分析，选取合适的坯料规格，根据体积不变原理切取相应的钽钨坯料尺寸，钽钨棒材直径φ40mm～φ70mm。
(2)旋铆成形：将步骤(1)所得的坯料放入预成形模具模腔内，采用液压旋铆机(MYXM6300)上，在三向压应力作用下，铆头转速1200～2000r/min、铆压力3～6MPa，旋铆角度3～5°。
在成形过程中坯料表面涂布一层润滑剂。
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的药型罩坯件放入真空热处理炉中，保温温度1200～1350℃、保温时间1～2h，真空度≥2×10-3Pa，再随炉冷却至80～100℃出炉。
(4)精整形：将步骤(3)所得的坯件放入精成形模具模腔内，采用冷挤压机(YX1000)上，在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过2～4道次的挤压变形(坯件旋转90℃或180℃)，每道次的变形量在0.2～2％之间。
药型罩锥面、球面圆周壁厚差≤0.07mm、表面粗糙度≤Ra0.4μm。
(5)冷冻切削加工：将步骤(4)所得的坯件装夹于数控车床卡盘上，调节液氮喷嘴与刀具之间的喷射距离50～100mm，调控液氮的流量250g～500g/min，切削速度60～120m/min，进给量0.03～0.2mm/r，切削深度0.2～0.5mm，既保证高效、高精密切削加工，又满足经济性要求。
所述步骤(1)中钽钨棒材包括Ta2.5W、Ta5W、Ta10W等。
所述步骤(2)中润滑剂，包括硫酸锌、纳米石墨、二硫化钼等常用润滑剂中一种或几种混合，在每道次成形过程中涂布在坯料表面，减少坯料与模具接触面间的摩擦力，提高成形过程中金属的流动性，并改善成形构件的表面质量。
所述步骤(4)中1～4道次的挤压变形，根据药型罩的形状结构，锥面、球面圆周壁厚差来确定。
所述步骤(5)中刀具，可以是PCD刀具、立方氮化硼、碳化钛涂层硬质合金等。
有益效果
本发明通过变形应力和累积应变效应促进材料内部的堆垛错排和晶粒的细化；变形组织发生再结晶、孪晶，晶界优化，以及位错的滑移、攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促使退火过程中再结晶和孪晶的形成，降低加工硬化效应，获得均匀、细小等轴晶组织结构，得到具有均匀细小退火再结晶组织结构的药型罩；降低刀具切削温度、磨损量，使切削易断，既保证了尺寸精度，又实现表面光亮化，同时又提高产品的生产效率。
本发明药型罩材料是高粘性、高密度的钽钨合金，属于难切削加工类材料，组织均匀性、尺寸精度、表面质量要求高，通过旋铆成形+冷冻切削加工，实现形状尺寸、组织性能、表面质量的多重控制。
(1)材料利用率高：药型罩内外型面不留加工余量，材料利用率达到90％。
(2)加工效率高：比常规乳化液冷却方式，加工效率提高1～2倍。
(3)表面质量好：切削表面粗糙度达到Ra0.4um。
(4)刀具寿命长：比乳化液冷却方式，刀具寿命提高2～3倍。
(5)尺寸精度高：达到IT6。
附图说明
图1钽钨合金切削加工啃挤缺陷
图2旋铆成形工序图
图3钽钨药型罩精成形件
图4冷冻切削加工构件
图5均匀退火后的金相组织
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)坯料的准备：短圆弧球冠药型罩外径尺寸为108mm，外球面半径118mm、内球面半径142mm、锥角27°、球冠高度23.2mm、底部壁厚3.5mm；依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，在药型罩外径尺寸的法兰部位单边留3mm加工余量，并在药型罩球面中心底部设计φ4mm的定位凸点；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，计算坯料体积与尺寸规格，选用Ta2.5W合金棒材直径φ50×21.5mm。
(2)旋铆成形：将步骤(1)所得的坯料放入预成形模具模腔内，采用液压旋铆机(MYXM6300)上，在三向压应力作用下，铆头转速1450r/min、铆压力4MPa、旋铆角度3°。在成形过程中坯料表面涂布一层纳米石墨润滑剂。
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的药型罩坯件放入真空热处理炉中，保温温度1200℃、保温时间1h，真空度1.5×10-3Pa，再随炉冷却至80℃出炉。
(4)精整形：将步骤(3)所得的坯件放入精成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下，经过4道次的挤压精整形(坯件旋转90℃)。如表1所示，经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.02～0.07mm。
表1精整形参数
(5)冷冻切削加工：将步骤(4)所得的坯件装夹于数控车床卡盘上，刀具选用立方氮化硼，调节液氮喷嘴与刀具之间的喷射距离60mm，调控液氮的流量360g/min，切削速度80m/min，进给量0.08mm/r，切削深度0.3mm，既保证高效、高精密切削加工，又满足经济性要求。
将本实施例制备的Ta2.5W合金药型罩(图4)进行检测分析：表面粗糙度Ra0.14～0.32μm，中心波导孔与外径同轴度0.016～0.024mm，外球面半径SR118mm±0.08mm、内球面半径SR142mm±0.05mm、锥角27°±3′，平均晶粒尺寸25μm(图5)。与传统制备方法相比，材料利用率由55％提高到92％，加工效率提高1倍以上(如下表)。
通过静破甲试验考核，与传统成形方法钽药型罩相比，侵彻深度提高约10％，稳定性提高8～20％。
实施例2
(1)坯料的制备：短圆弧球冠药型罩口径尺寸为139mm，外球面半径140mm、内球面半径155mm、锥角33°、球冠高度23.8mm、底部壁厚为3.8mm；依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，在药型罩外径尺寸的法兰部位单边留3mm加工余量，并在药型罩球面中心底部设计φ4mm的定位凸点；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，计算坯料体积与尺寸规格，选用Ta5W合金棒材直径φ65×17mm。
(2)旋铆成形：将步骤(1)所得的坯料放入预成形模具模腔内，采用液压旋铆机(MYXM6300)上，在三向压应力作用下，铆头转速1600r/min、铆压力5MPa、旋铆角度4°。在成形过程中坯料表面涂布一层二硫化钼润滑剂。
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的药型罩坯件放入真空热处理炉中，保温温度1260℃、保温时间1.5h，真空度1.5×10-3Pa，再随炉冷却至80℃出炉。
(4)精整形：将步骤(3)所得的坯件放入精成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下，经过2道次的挤压精整形(坯件旋转180℃)，如表2所示，经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.03～0.09mm。
表2精整形参数
(5)冷冻切削加工：将步骤(4)所得的坯件装夹于数控车床卡盘上，刀具选用PCD刀具，调节液氮喷嘴与刀具之间的喷射距离70mm，调控液氮的流量450g/min，切削速度90m/min，进给量0.07mm/r，切削深度0.25mm，既保证高效、高精密切削加工，又满足经济性要求。
将本实施例制备的Ta5W合金药型罩进行检测分析：表面粗糙度Ra0.09～0.28μm，中心波导孔与外径同轴度0.012～0.03mm，外球面半径SR140mm±0.06mm、内球面半径SR155mm±0.04mm、锥角33°±2′，平均晶粒尺寸20μm。与传统制备方法相比，材料利用率由50％提高到91％，刀具寿命提高2倍以上(如下表)。
通过静破甲试验考核，与传统成形方法钽药型罩相比，侵彻深度提高约10％，稳定性提高8～20％。
实施例3
(1)坯料的制备：短圆弧球冠药型罩口径尺寸为142mm，外球面半径136mm、内球面半径148mm，球冠高度24.6mm，底部壁厚4.8mm；依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，在药型罩外径尺寸的法兰部位单边留3mm加工余量，并在药型罩球面中心底部设计φ4mm的定位凸点；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，计算坯料体积与尺寸规格，选用Ta10W合金棒材直径φ50×18mm。
(2)旋铆成形：将步骤(1)所得的坯料放入预成形模具模腔内，采用液压旋铆机(MYXM6300)上，在三向压应力作用下，铆头转速1800r/min、铆压力6MPa、旋铆角度3°。在成形过程中坯料表面涂布一层二硫化钼润滑剂。
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的药型罩坯件放入真空热处理炉中，保温温度1320℃、保温时间2h，真空度1.5×10-3Pa，再随炉冷却至80℃出炉。
(4)精整形：将步骤(3)所得的坯件放入精成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下，经过4道次的挤压精整形(坯件旋转90℃)，如表3所示，经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.03～0.09mm。
表3精整形参数
(5)冷冻切削加工：将步骤(4)所得的坯件装夹于数控车床卡盘上，刀具选用PCD刀具，调节液氮喷嘴与刀具之间的喷射距离100mm，调控液氮的流量500g/min，切削速度70m/min，进给量0.05mm/r，切削深度0.2mm，既保证高效、高精密切削加工，又满足经济性要求。
将本实施例制备的Ta10W合金药型罩进行检测分析：表面粗糙度Ra0.16～0.38μm，中心波导孔与外径同轴度0.016～0.035mm，外球面半径SR136mm±0.1mm、内球面半径SR148mm±0.06mm，底部壁厚4.8mm±0.03mm，平均晶粒尺寸15μm。与传统制备方法相比，材料利用率由50％提高到90％，表面粗糙度由Ra3.2μm提高到Ra0.4μm，刀具寿命提高2倍以上。
通过静破甲试验考核，与传统成形方法钽药型罩相比，侵彻深度提高约10％，稳定性提高8～20％。
Claims (4)
1.一种短圆弧球冠药型罩的制备方法，包括旋铆成形、再结晶热处理、精整形、冷冻切削加工步骤，所述旋铆成形为旋转铆接挤压成形，所述冷冻切削是采用液氮冷却，液氮流量为250g～500g/min。
2.如权利要求1所述的短圆弧球冠药型罩的制备方法，所述旋铆成形是在三向压应力作用下，铆头转速1200～2000r/min、铆压力3～6MPa、旋铆角度3～5°。
3.如权利要求1或2所述的短圆弧球冠药型罩的制备方法，所述再结晶热处理是在1100～1350℃保温1～2h，真空度≥3×10-3Pa，再随炉冷却至80～100℃出炉。
4.如权利要求1或2所述的短圆弧球冠药型罩的制备方法，包括以下步骤：
（1）坯料的准备：切取钽钨坯料，钽钨棒材直径φ40mm～φ70mm；
（2）旋铆成形：将步骤（1）所得的坯料放入预成形模具模腔内，采用液压旋铆机在三向压应力作用下，铆头转速1200～2000r/min、铆压力3～6MPa，旋铆角度3～5°；
（3）再结晶热处理：将步骤（2）获得的药型罩坯件放入真空热处理炉中，保温温度1100～1350℃、保温时间1～2h，真空度≥3×10-3Pa，再随炉冷却至80～100℃出炉；
（4）精整形：将步骤（3）所得的坯件放入精成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过2～4道次的挤压变形，坯件旋转90℃或180℃，每道次的变形量在0.2～2%；
（5）冷冻切削加工：将步骤（4）所得的坯件装夹于数控车床卡盘上，调节液氮喷嘴与刀具之间的喷射距离50～100mm，调控液氮的流量250g～500g/min，切削速度60～120m/min，进给量0.03～0.2mm/r，切削深度0.2～0.5mm。
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