CN109175140A - 弹壳的冲压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冲压成型技术领域，公开弹壳的冲压成型方法，采用铝合金材料经过5‑9次冲压制得弹壳，其制作步骤如下：S1.取铝合金圆柱锭，冲压成型出弹壳底部形状；S2.冲压成型出弹壳筒体部分；S3.冲压收口，弹壳成型；S4.对弹壳平端面；S1、S2和S3中冲压速度为1～60mm/min。本成型方法针对铝合金材料设计，通过多道次冲压成型出弹壳，其每道次冲压的冲压速度、变形量等均与铝合金材料相适应，使最终成型的弹壳具备优良的表面质量、强度和韧性；通过以上成型方法成型的弹壳基本不会发生变形、开裂，成型合格率99.9%以上，其成型过程中形成高密度的位错，后续热处理过程中发生完全再结晶，弹壳组织为均匀、等轴的纳米晶组织，弹壳表面光洁度高。

Description

弹壳的冲压成型方法

技术领域

本发明涉及冲压成型技术领域，具体地，涉及一种弹壳的冲压成型方法。

背景技术

铝合金特别是高强韧铝合金因具有质量轻、耐腐蚀、比强度高等优点，已在机械、建材、化工、包装等民用领域被广泛使用。铝合金作为轻量化弹壳材料，可大幅度降低弹壳重量，提高单兵作战效能。目前，铝合金弹壳成形技术已成为了各国弹药轻量化研究的重点。

传统的钢质弹壳生产多采用冷冲压和冷锻(冷挤压)，典型枪弹弹壳制造工艺包括下料、冲盂、多次引长、打凹、平底、齐口、收口等，冷挤压作为弹壳加工的常用技术，材料通过塑性形变产生加工硬化，从而提高制品的强度，达到药筒使用要求，降低了由于切削引起的材料的耗损，但该制造工艺过于复杂，同时依现有钢质弹壳的成型情况来看，其表面质量、强度和韧性效果并不佳。

此外，现有技术中小批量的弹壳和部分大口径弹壳也采用旋压工艺进行制造，旋压是利用旋压工具对旋转坯料施加压力，产生连续局部变形，从而获得空心回转零件的塑性加工方法，它综合了挤压、锻造、拉伸弯曲等工艺特点，无切削加工工艺，多用于锥形件和薄壁的管形件以及各种形状复杂的旋转零件，但生产率较低、劳动强度较大，比较适合试制和小批量生产。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种成型效果好、弹壳成型表面质量、强度和韧性佳的弹壳冲压成型方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种弹壳的冲压成型方法，采用铝合金材料经过5-9次冲压制得弹壳，其制作步骤如下：S1.取铝合金圆柱锭，冲压成型出弹壳底部形状；S2.冲压成型出弹壳筒体部分；S3.冲压收口，弹壳成型；S4.对弹壳平端面。

其中S1、S2和S3中冲压速度为1～60mm/min。

进一步地，S2和S3步骤中视铝合金材料加工硬化的程度进行退火处理。

更进一步地，退火处理工艺为：320～450℃保温10～60min，空冷。

进一步地，S1、S2和S3的冲压过程中需使用润滑液，润滑液采用油基石墨悬浮液，油基石墨悬浮液为石墨粉与汽缸油的混合液，混合比例为3～5:5～7。

更进一步地，石墨粉与汽缸油的混合比例为4:6。

进一步地，圆柱锭是采用圆锭在723 K温度下挤压成Φ30mm的圆棒，挤压比为16:1；圆棒再经733 K固溶1.5 h后淬火，并在393 K时效18 h后锯制而成。

进一步地，S1中冲压成型过程为1道次冲压，冲压变形量为20%～30%。

进一步地，S2中冲压成型过程为7道次冲压，各道次冲压变形量相对于上一道次所得冲压体而言依次为30%、25%、20%、15%、10%、5%、3%。

进一步地，S3中冲压收口过程为1道次冲压。

进一步地，S1中单个圆柱锭重量为25～35g。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

成型方法针对铝合金材料设计，通过多道次冲压成型出弹壳，其每道次冲压的冲压速度、变形量等均与铝合金材料相适应，使最终成型的弹壳具备优良的表面质量、强度和韧性；

通过以上成型方法成型的弹壳基本不会发生变形、开裂，成型合格率99.9%以上，其成型过程中形成高密度的位错，后续热处理过程中发生完全再结晶，弹壳组织为均匀、等轴的纳米晶组织，弹壳表面光洁度高。

附图说明

图1为制备弹壳毛坯的喷射成形-快速凝固装置及原理示意图；

图2为实施例1～4成型的弹壳的拉伸应变图示；

图3为实施例1～4成型的弹壳在室温下的拉伸性能表；

图4为实施例1冲压成型后冲压态和在进行实施例1的冲压成型工艺前挤压态的弹壳的显微组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

先制备用于冲压成型的弹壳毛坯，弹壳毛坯为采用喷射成形的方法制备后进行挤压得到，其中弹壳毛坯的材料为铝合金，铝合金材料的具体成分组成为：锌4.0～7.0wt%，铜1.0～2.0wt%，镁1.5～3.0wt%，钛小于0.5wt%，铬小于0.5wt%，稀土小于0.5wt%，杂质Fe、Si含量小于0.2 wt.%，其余成分为铝。

铝合金材料的制备过程如下：

弹壳毛坯的喷射成形操作在自行研制的SF380大型3D喷射成形设备上进行，该设备如图1所示，其喷射成形制备弹壳毛坯的制备步骤为：

S1.铝合金在石墨坩埚中以1053K的温度进行熔炼和精炼，整个熔炼和精炼过程均采用无水氮气保护，以减少合金的氧化；

S2.精炼后的铝合金溶液升温至1103K，并经密封流道浇入已预热至1000K左右的3D喷射成形设备中，同时采用内孔径为Φ3～5 mm的导液管将铝合金溶液导流至3D喷射成形设备的雾化器中进行雾化喷射，喷射的固、液态颗粒沉积至铁基体板上形成沉积坯；

S3.将沉积坯加工成圆锭并挤压成圆棒，具体地，沉积坯规格为Φ150mm×1000 mm，圆锭规格为Φ120 mm×500 mm；挤压比为15～18:1，挤压速度为0.1～2m/min；挤压前铝合金圆锭的预热温度为320～480℃，挤压模具的预热温度为400～450℃，挤压时挤压温度为723K；

S4.对S3所得圆棒进行固溶后淬火，其中固溶温度为733K，固溶时间为1.5h；同时将淬火后的圆棒进行时效处理，时效温度为393K，时间为18h；

S5.将S4所得圆棒加工成圆柱锭作为弹壳毛坯。

其中，弹壳毛坯的喷射成形过程中雾化气体为无水氮气，雾化喷射压力为1.0MPa，雾化器喷射喷嘴直径为3.0mm，铁基体板与雾化器的喷射距离为200 mm。

据图1可知，喷射出口周围为圆锥形，即铝合金溶液在喷射出口处是以圆锥限制的形式集中喷出的，圆锥设计可使喷出的雾化颗粒越来越小，并使形成的沉积坯晶粒细小均匀。

本发明S3步骤中进一步对从喷射成形装置中出来的沉积坯进一步挤压，可使弹壳毛坯组织更致密，优选地，挤压比为16:1，即挤压得到的圆棒直径为30mm。

进一步优选地，S3中挤压速度为1m/min，本实施例范围内的挤压速度可确保挤压件温度升高幅度不大，不会造成铝合金材料变形抗力降低，且该挤压速度范围可使得变形热的产生和热量散失之间达到平衡，挤压件温度趋于稳定。

S5中圆柱锭是通过将圆棒锯制得到的。

实施例1

提供一种弹壳的冲压成型方法，冲压弹壳的设备为液压机，弹壳毛坯通过上述3D喷射成形工艺所得，冲压成型过程可为5～9道次冲压，其冲压成型步骤为：S1.取铝合金圆柱锭，冲压成型出弹壳底部形状（包括底火）；S2.冲压成型出弹壳筒体部分；S3.冲压收口，弹壳成型；S4.对弹壳平端面。

其中S1、S2和S3中冲压速度为5mm/min，S1、S2和S3的冲压模具与各步骤需要冲压成型的弹壳结构适配。

冲压成型过程在室温下进行。

本实施例颠覆传统的铜质和钢质弹壳的理念，采用铝合金，特别是质量轻、耐腐蚀和比强度高的高强韧铝合金来制备弹壳，可大幅降低弹壳重量，提高单兵作战效能。

具体地，S1中单个圆柱锭重量为25～35g，该重量契合本实施例单个弹壳的重量设计。

圆柱锭是采用上文中的铝合金圆锭经上文记载的挤压工艺成型工艺制得，挤压成型中的挤压比、挤压速度、挤压坯预热温度、模具预热温度和挤压温度等参数的设置，使铝合金材料的弹壳毛坯得到适应性的挤压加工，并促成弹壳毛坯的晶粒组织得到充分细化，且挤压过程中不会出现裂纹。此外，挤压后的圆棒进行了固溶淬火，有效消除了挤压过程中由材料内耗产生的内应力，使圆棒材料均匀化，固溶淬火后进行了相应温度和时间的时效处理，圆棒内部组织形成了铝合金材料中的镁元素和锌元素组合形成的MgZn2和Al2Mg3Zn3强化相，均匀、弥散地分布在铝基体中，主要起强韧化作用，保证了用于本次冲压成型的弹壳毛坯优良的机械性能。

具体地，S1中冲压成型过程为1道次冲压，该1道次冲压变形量为铝合金圆锭整体的20%。

S2中冲压成型过程为2～7道次冲压，各道次冲压变形量逐渐减小，优选地，S2中需经7道次冲压，以确保弹壳筒体部分得到优良引伸，使外观及筒体表面光滑，具体地，该7道次冲压的变形量依次设计为30%、25%、20%、15%、10%、5%、3%，其中下一道次冲压均以上一道次冲压得到的整体为冲压基准整体。

S3中冲压收口过程为1道次冲压，使弹壳完成收口，随后再车床上进行平端面处理。

为避免弹壳毛坯在冲压变形过程中越来越硬产生开裂，在S2和S3的冲压步骤中需视铝合金材料加工硬化的程度进行退火处理，退火处理工艺为：退火温度450℃，保温时间为10min，空冷。

此外，S1、S2和S3的冲压过程中需使用润滑液，以确保冲压操作的顺利进行，同时也有效提高模具的使用寿命，具体地，润滑液采用油基石墨悬浮液，即为石墨粉与汽缸油的混合液，混合比例为3～5:5～7，优选地，石墨粉与汽缸油的最佳混合比例为4:6，润滑液的使用可提高冲压过程中材料的流动性，防止产生粗晶环，减少沿型材长度上组织和性能的不均匀性，减少与模具的摩擦力。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是：S1、S2和S3中冲压速度为1mm/min；第1道次冲压变形量为铝合金圆锭整体的20%。

在S2和S3的冲压步骤中退火处理工艺为：320℃保温60min，空冷。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是：S1、S2和S3中冲压速度为20mm/min；第1道次冲压变形量为铝合金圆锭整体的30%。

在S2和S3的冲压步骤中退火处理工艺为：450℃保温10min，空冷。

实施例4

本实施例与实施例1的区别是：S1、S2和S3中冲压速度为60mm/min；第1道次冲压变形量为铝合金圆锭整体的30%。

在S2和S3的冲压步骤中退火处理工艺为：400℃保温40min，空冷。

图2和图3示出了实施例1至实施例4的铝合金弹壳的力学性能检测结果，可知，经过本发明各工艺步骤处理得到的铝合金弹壳其延伸率达到了12%以上，且其拉伸强度基本在590MPa以上，其中实施例3的力学性能最好，拉伸强度达到了608MPa，延伸率达到了15%，一般的铝合金经过常规的冲压工艺后达到的拉伸强度只能达400MP左右，最多至500MPa，显然，这种强度远远达不到弹壳的使用要求，因此，本发明的各步骤处理完全是与铝合金材料相适应的，且充分发挥出了铝合金弹壳的优异的力学性能。

本实施例成型的铝合金弹壳在进行实弹射击后，没有发现烧蚀现象，铝弹壳没有变形、开裂，整个弹壳没有变形；铝合金弹壳可承受400MPa以上的膛压和1000℃的瞬时高温，弹头初速达1200m/s以上。

结合图4来看，实施例1的弹壳显微组织相对于挤压态的弹壳毛坯来说，位错密度较低，其在本技术方案的冲压成型过程中形成高密度的位错，后续热处理过程中发生完全再结晶，弹壳组织为均匀、等轴的纳米晶组织，弹壳表面光洁度高。反观挤压成型后的弹壳毛坯，其组织为回复态组织，存在一定量的位错，局部区域甚至出现了位错缠结和位错胞。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹壳的冲压成型方法，其特征在于，采用铝合金材料经过5-9次冲压制得弹壳，其制作步骤如下：S1.取铝合金圆柱锭，冲压成型出弹壳底部形状；S2.冲压成型出弹壳筒体部分；S3.冲压收口，弹壳成型；S4.对弹壳平端面；

S1、S2和S3中冲压速度为1～60mm/min。

2.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S2和S3步骤中对铝合金材料进行退火处理。

3.根据权利要求2所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，退火处理工艺为：320～450℃保温10～60min，空冷。

4.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S1、S2和S3的冲压过程中需使用润滑液，润滑液采用油基石墨悬浮液，油基石墨悬浮液为石墨粉与汽缸油的混合液，混合比例为3～5:5～7。

5.根据权利要求4所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，石墨粉与汽缸油的混合比例为4:6。

6.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，圆柱锭是采用圆锭在723K温度下挤压成Φ30mm的圆棒，挤压比为16:1；圆棒再经733 K固溶1.5 h后淬火，并在393 K时效18 h后锯制而成。

7.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S1中冲压成型过程为1道次冲压，冲压变形量为20%～30%。

8.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S2中冲压成型过程为7道次冲压，各道次冲压变形量相对于上一道次所得冲压体而言依次为30%、25%、20%、15%、10%、5%、3%。

9.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S3中冲压收口过程为1道次冲压。

10.根据权利要求1所述的弹壳的冲压成型方法，其特征在于，S1中单个圆柱锭重量为25～35g。