CN112556512B - 预控破片的制造方法及预控破片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预控破片的制造方法及预控破片，所述方法包括以下步骤：对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂；根据破片的参数确定所述待处理壳体的预破裂位置，基于所述预破裂位置生成加工路径，基于所述加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结，以使所述待处理壳体的经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的区域与位于其周围的壳体基体之间具有硬度差；对经选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却，以形成预控破片。该方法保留了破片的质量，提高了破片飞散动能，解决了传统机械加工刻槽战斗部破片连片多、加工效率低等制造难题，提高了预控破片壳体的制造精度与加工效率。

Description

预控破片的制造方法及预控破片

技术领域

本发明涉及壳体爆破技术领域，尤其涉及一种预控破片的制造方法及预控破片。

背景技术

战斗部是各类弹药和导弹毁伤目标的最终毁伤单元，主要由壳体、战斗装药、引爆装置和保险装置组成。根据破片的生成途径，战斗部可分为自然、预控和预制破片战斗部三种类型。自然破片是在爆轰产物作用下，壳体膨胀、断裂破碎而成，此类破片大小不均匀，形状不规则，在空气中飞行时速度衰减快，使榴弹的有效杀伤范围有限；因此此种战斗部已很少使用，而为了获得更多的有效杀伤破片，大多数转用预控或预制破片战斗部。

预控破片又称半预制破片，是通过特殊的技术措施控制或引导壳体的破碎，从而控制所形成的破片的大小。常用的预控技术有壳体刻槽、装药表面刻槽、圆环叠加点焊方法。而对壳体刻槽和装药表面刻槽，通常是采用机械加工进行制造，而此加工方式中刻槽的深度和形状受到刀具形状、尺寸的要求，加工难度大；特别是对于薄壁高阶曲面类型的战斗部，其采用普通的加工方式根本无法整体加工，因此转而采用圆环叠加点焊的方式进行加工。由于战斗部破片连片数量多，因此对于高阶曲面的战斗部若采用圆环叠加点焊方式进行加工的话，其加工效率低，制造困难，并且加工精度底。因此，对于战斗部预控破片，如何提高加工精度及提高加工效率是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种预控破片的制造方法及预控破片，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种预控破片的制造方法，所述方法包括以下步骤：

对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂；

根据破片的参数确定所述待处理壳体的预破裂位置，基于所述预破裂位置生成加工路径，基于所述加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结，以使所述待处理壳体的经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的区域与位于其周围的壳体基体之间具有硬度差；

对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却，以形成预控破片。

在本发明的一些实施例中，对所述待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂，包括以下步骤：

清理所述待加工表面；

将碳粉及酒精按照比例混合成渗碳剂，将渗碳剂均匀的涂覆在所述待加工表面；

对涂覆有渗碳剂的待处理壳体放入真空炉中烘干。

在本发明的一些实施例中，所述碳粉及酒精的质量分数比为2:8；所述碳粉的粒径范围为10nm～20nm。

在本发明的一些实施例中，在对涂覆有渗碳剂的待处理壳体放入真空炉中烘干过程中，烘干温度为70℃，烘干时间为60分钟，真空炉的真空度在0.5Pa以下。

在本发明的一些实施例中，在对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结步骤中，所述待处理壳体所处环境为惰性气体保护环境。

在本发明的一些实施例中，所述惰性气体的氧含量不高于1000ppm。

在本发明的一些实施例中，所述待处理壳体的待加工表面为所述待处理壳体的内壁或外壁。

在本发明的一些实施例中，对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却步骤为：

所述待处理壳体在激光熔融或激光烧结之后，5秒之内放置于液氮中浸泡，浸泡时间不低于10min。

在本发明的一些实施例中，在对所述待加工表面进行选择性激光熔融过程中，所采用的激光的波长范围为1060nm～1070nm，功率范围为2000W～4000W，熔融速度范围为1500mm/min～3000mm/min，光斑尺寸范围为0.5mm～1mm。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种预控破片，所述预控破片采用如上所述的预控破片的制造方法加工而成。

本发明实施例中的预控破片的制造方法，基于激光控制断裂工艺，采用激光对待处理壳体进行选择性区域脆化，增大被脆化区域的硬度、降低其韧性，使该区域与壳体基体之间产生硬度梯度，并产生裂纹，形成预控破片战斗部。通过对裂纹深度和裂纹排列方式的调控，提高应力集中作用，引导壳体的破碎，得到预期的破碎效果。相比传统机械加工方法，此技术为非减材加工技术，可在一定程度上保留破片的质量，提高破片飞散动能。解决了传统机械加工刻槽战斗部破片连片多、加工效率低等制造难题，提高预控破片的制造精度与加工效率。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例的预控破片的制造方法的流程图。

图2为本发明一实施例的预控破片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。在此，还需要说明的是，本说明书内容中所出现的方位名词是相对于附图所示的位置方向。

本发明实施例中的预控破片的制造方法包括以下步骤，对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂；根据破片的参数确定所述待处理壳体的预破裂位置，基于所述预破裂位置生成加工路径，基于所述加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结，以使所述待处理壳体的经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的区域与位于其周围的壳体基体之间具有硬度差；对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却，以形成预控破片。

该制造方法可有效弥补传统机械加工技术的局限性；即选择性激光熔融技术及烧结技术通过稳定的激光扫描功率和建模可实现对刻槽深度和宽度的精准控制；并且由于被加工壳体的旋转运动可改变激光烧结路径，实现了薄壁高阶曲面的预控破片加工，且进一步通过内壁激光加工设备实现了待处理壳体内壁复杂曲线的均匀刻制。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。

图1为本发明一实施例的预控破片的制造方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S10:对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂。

待处理壳体为未采用内侧槽预控破片战斗部加工技术处理前的壳体，其可通过铸造等方式加工而成；待处理壳体也可理解为预控破片的壳体基体。待处理壳体的待加工表面具体的可为壳体的内壁或外壁。渗碳剂具体的为在预定条件下能将其中的碳渗入工件表层的介质，其具有多种类型，如固体状、膏状、液体状等。在该步骤中，待处理壳体的基材优选的可为低碳钢或低合金钢，且渗碳剂的类型可根据基材的类型进行改变。例如，当待处理壳体的基材为低碳钢时，此时渗碳剂可由碳粉与酒精混合而成；另外根据具体采用的基材的特性，渗碳剂也可为包括其他类型成分的混合剂，如由碳粉、酒精以及丙酮按照预定比例混合而成。

另外，渗碳剂的涂覆方法具有多种。其可以选择将待处理壳体整体浸入渗碳剂中，然后将待处理壳体取出，并沥干壳体上的渗碳剂。当渗碳剂由碳粉及酒精混合而成时，此时待处理壳体即整体被浸入碳粉与酒精的混合溶液中。示例性的，涂覆在待处理壳体的待加工表面的渗碳剂被均匀涂覆，且渗碳剂的厚度范围为0.01mm～0.1mm。

S20：根据破片的参数确定所述待处理壳体的预破裂位置，基于所述预破裂位置生成加工路径；

破片的参数包括破片的大小、形状以及杀伤力等。即当壳体在爆破过程中，基于预设的破片的形状、大小、数量而设定各个破片的预破裂位置；其可是根据破片的实际参数要求在模拟仿真试验状态下所获取的。当待处理壳体的预破裂位置被确定之后，进一步基于待处理壳体的预破裂位置生成加工路径。

S30：基于所述加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结，以使所述待处理壳体的经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的区域与位于其周围的壳体基体之间具有硬度差。

在确定好加工路径之后，还基于该加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结。图2为本发明一实施例的预控破片的结构示意图，如图2所示，壳体内壁的A区域作为脆化区，也即待处理壳体的预破裂位置；壳体内壁的B区域作为破片区，也即在爆破力作用下，随着脆化区的破裂，生成多个具有杀伤力的破片。

选择性激光熔融是利用金属粉末在激光束的热作用下完全融化、经冷却凝固成型的一种技术。在该步骤中，对待加工表面进行选择性激光熔融是为了使待处理壳体的经选择性激光熔融工艺处理后的区域与其周围的壳体基材之间具有硬度差，从而形成硬度梯度，也即处理后的预破裂位置的硬度大于其周围的壳体基材的硬度。以使在壳体的爆破力作用下，预破裂位置形成裂缝，从而形成预控破片。

示例性的，实现选择性激光熔融工艺的装备所应用的激光加工设备具体可为光纤激光器、CO2激光器及Nd-YAG激光器等。光纤激光器的波长为1090nm，Nd-YAG激光器的波长1064nm，而CO2激光器的波长为10640nm。但应当注意的是，金属粉末对于1064nm等较短波长激光加工设备的吸收率比较高，而对于10640nm等波长较长激光加工设备的吸收率较低。因此优选的，在该步骤中所采用的的激光加工设备的波长范围可为1060nm～1070nm。

另外，在制造工程中，激光加工设备的激光功率及熔融速度影响预控破片性能，并随着激光功率的升高以及熔融速度的降低会降低零件的孔隙率，因此为了确保预控破片具有较优的性能，所选用的激光加工设备的功率范围可为2000W～4000W，熔融速度范围为1500mm/min～3000mm/min。除上述参数之外，在待处理壳体表面上的光斑尺寸也会影响零件的机械性能。例如，光斑尺寸不宜过大，因为在同样的能量密度下，随着光斑直径的变大会使得能量集中在待处理壳体的上表面，且位于上表面下方的粉末不能良好的受到激光熔池的影响而有效融化，直接影响零件质量；因此，为了进一步的确保预控破片的质量，其所选用的激光加工设备的光斑直径范围可为0.5mm～1mm。

S40：对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却，以形成预控破片。

当采用选择性激光熔融工艺对待处理壳体加工完成之后，还需进一步的对经选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体进行冷却。因为在S20步骤中，在高激光能量密度作用下，被涂覆在待处理壳体的待加工表面的碳粉被完全融化，因此通过S30步骤中的冷却程序可使被融化之后的碳粉与待处理壳体的基材凝固成型。

进一步的，对于经选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体为了实现快速冷却，冷却介质优选的可选用液氮。即当采用选择性激光熔融工艺对壳体加工完毕后，将激光熔融之后的待处理壳体在5秒之内放置于液氮中浸泡，且浸泡时间不低于10min。但应当理解的是，激光熔融之后的待处理壳体还可以采用处液氮冷却之外的其他冷却方法进行冷却。

在本发明一实施例中，对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂具体的还包括以下步骤：

清理待加工表面。

对于需要涂覆渗碳剂的待加工表面，可能会存在一定的锈斑、油污、切削液等杂物，而在预控破片的制造过程中，为了防止出现淬火软点、硬化层不均匀、组织不均匀等质量缺陷，一般需要将待加工表面的氧化皮、锈斑、油污等杂物清理干净。对于待加工表面的油污、金属碎屑、研磨料等可通过碱液清理方法进行清理；而对于待加工表面的锈斑等可通过机械清理的方法进行清理。应当理解的是，在涂覆碳粉之前的清理方法不做具体限制，其可以是多种清理方法之间的一种，也可以是多种清理方法的结合，只要确保清理之后的壳体的待加工表面清洁，无氧化皮、锈斑、油污等杂物而露出壳体基体本色即可。

将碳粉及酒精按照一定比例混合成渗碳剂，将渗碳剂均匀的涂覆在待加工表面。

在该步骤中，对于渗碳剂中碳粉及酒精的比例优选的可为2:8。该比例不仅能保证渗碳剂的流动性，还能保证其分散度。另外，渗碳剂中的碳粉的颗粒大小直接影响后续的加工程序，优选的，渗碳剂所采用的碳粉的粒径范围可为10nm～20nm。

对涂覆有渗碳剂的待处理壳体放入真空炉中烘干。

当将渗碳剂均匀的涂覆在待处理壳体的待加工表面之后，还需进一步的将涂覆有渗碳剂的待处理壳体进行烘干。这是因为，通过碳粉及酒精混合而成的渗碳剂呈液体状态，在后续的选择性激光熔融工艺过程中，为了防止呈液态的渗碳剂由于其流动而影响零件质量，因此可先将涂覆有渗碳液的待处理壳体进行烘干。而烘干方式具有多种，可选的可采用真空炉进行烘干。

当选用真空炉进行烘干时，其炉内的真空度可在0.5Pa以下。此时炉内的烘干温度可为70℃，且在烘干60分钟之后，进一步将经选择性激光熔融或选择性激光烧结处理之后的待处理壳体随炉冷却至室温取出。

在本发明一实施例中，在待加工表面涂覆有渗碳液的待处理壳体进行选择性激光熔融工艺过程中，待处理壳体一直处于惰性气体保护环境中，也即待处理壳体的加工环境为惰性气体保护环境。也可以理解为待处理壳体在气氛保护环境下进行选择性激光熔融。惰性气体又称为稀有气体，其在高温时不分解，且不易于金属产生化学作用，也不溶解于液态金属的单原子气体；惰性气体具体的为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气及氡气。由此可知，将待处理壳体放置在惰性气体环境下进行选择性激光熔融，有效的防止了保护气体与物质发生化学反应，因此进一步的确保了预控破片保持良好的机械性能。处于惰性气体环境中的待处理壳体对气氛保护室的刚性及密封性要求不高，且可以减少气体保护环境准备时间，提高惰性气体利用率，降低成本。并且优选的，惰性气体的氧含量不高于1000ppm。

待处理壳体的待加工表面为壳体的内壁或外壁。当待加工表面为外壁时，此时激光加工设备的激光头位于壳体的外部；而当待加工表面为壳体的内壁时，激光加工设备的激光头位于壳体的内壁，优选的可将激光加工设备的激光头从壳体外部伸入至壳体的内腔内，或者仅是激光束从壳体的外部射入壳体的内壁上，并在壳体的内壁上释放能量。进一步的，待加工的待处理壳体可根据预定速度及方向做旋转运动，此时也即随着待处理壳体的旋转运动，激光加工设备在待加工表面的预定位置或根据预定路径进行选择性激光熔融，从而使得被加工的区域与其周边的待处理壳体基体之间存在一定的硬度之差或形成硬度梯度；具体的为被选择区域的硬度大于其周边壳体基体的硬度，因此既实现了对待处理壳体的选择性区域脆化，在脆化过程中会生成壳体刻槽，且刻槽的深度及宽度得到精确控制。

图2为基于本发明一实施例的预控破片的制造方法加工而成的预控破片的结构示意图，如图2所示，在形成预控破片之前，待处理壳体的待加工表面为待处理壳体的内壁。采用上述实施例所公开的预控破片的制造方法处理之后，内壁上的A区域作为脆化区，B区域为破片区。应当理解的是，对于该预控破片，脆化区的硬度大于其周边壳体基体的硬度，脆化区的韧性小于其周边壳体基体的韧性，因此由于脆化区与壳体基体之间的硬度梯度，使得位于多个脆化区之间的壳体基体形成了破片区。并且从图2中可以看出，该预控破片的待处理外壳为圆柱形筒体结构，其内壁上的脆化区及破片区分别为规则分布；除此之外，待处理外壳的待加工表面也可为不规则曲面或高阶曲面，并且脆化区及破片区也可为不规则排布结构。由此可知，采用该制造方法可完成薄壁高阶曲面中复杂曲线的均匀刻制，其不受刀具形状及尺寸的限制；并且提高了破片的成型率及飞散精度。

从上述内容可以看出，本发明所公开的预控破片的制造方法通过采用选择性激光熔融或选择性激光烧结技术，通过稳定的激光扫描功率和建模实现了待处理壳体的选择性区域脆化，增大了被脆化区域的硬度、降低其韧性，使被脆化区域与战斗部壳体基体之间产生硬度梯度，并产生裂纹，形成预控破片。通过对裂纹深度和裂纹排列方式的调控，提高应力集中作用，引导壳体的破碎，得到预期的破碎效果。相比传统机械加工方法，此技术为非减材加工技术，可在一定程度上保留破片的质量，提高破片飞散动能。解决了传统机械加工刻槽战斗部破片连片多、加工效率低等制造难题，提高战斗部壳体的制造精度与加工效率。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

上述所列实施例，显示和描述了本发明的基本原理与主要特征，但本发明不受上述实施例的限制，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明做出的修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种预控破片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

对待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂；

根据破片的参数确定所述待处理壳体的预破裂位置，基于所述预破裂位置生成加工路径；

基于所述加工路径采用激光加工设备对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结，以使所述待处理壳体的经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的区域与位于所述区域周围的壳体基体之间具有硬度差；

对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却，以形成预控破片；

其中，所述待处理壳体的基材为低碳钢或低合金钢，且当所述待处理壳体的基材为低碳钢时，所述渗碳剂由碳粉与酒精混合而成，且碳粉及酒精的质量分数比为2:8，且所述碳粉的粒径范围为10nm～20nm，所述渗碳剂的厚度范围为0.01mm～0.1mm；且在对所述待加工表面进行选择性激光熔融过程中，所采用的激光的光斑尺寸范围为0.5mm～1mm；

所采用的激光的波长范围为1060nm～1070nm，且所述激光加工设备为Nd-YAG激光器；

在对所述待加工表面进行选择性激光熔融或选择性激光烧结步骤中，所述待处理壳体所处环境为惰性气体保护环境，且所述惰性气体的氧含量不高于1000ppm。

2.根据权利要求1所述的预控破片的制造方法，其特征在于，对所述待处理壳体的待加工表面涂覆渗碳剂，包括以下步骤：

清理所述待加工表面；

将碳粉及酒精按照比例混合成渗碳剂，将渗碳剂均匀的涂覆在所述待加工表面；

对涂覆有渗碳剂的待处理壳体放入真空炉中烘干。

3.根据权利要求2所述的预控破片的制造方法，其特征在于，在对涂覆有渗碳剂的待处理壳体放入真空炉中烘干过程中，烘干温度为70℃，烘干时间为60分钟，真空炉的真空度在0.5Pa以下。

4.根据权利要求1所述的预控破片的制造方法，其特征在于，所述待处理壳体的待加工表面为所述待处理壳体的内壁或外壁。

5.根据权利要求1所述的预控破片的制造方法，其特征在于，对经所述选择性激光熔融或选择性激光烧结工艺处理后的待处理壳体冷却步骤为：

所述待处理壳体在激光熔融或激光烧结之后，5秒之内放置于液氮中浸泡，浸泡时间不低于10min。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的预控破片的制造方法，其特征在于，在对所述待加工表面进行选择性激光熔融过程中，所采用的激光的功率范围为2000W～4000W，熔融速度范围为1500mm/min～3000mm/min。

7.一种预控破片，其特征在于，所述预控破片采用如权利要求1至6中任意一项所述的预控破片的制造方法加工而成。

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