76mm杀爆弹.docx
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76mm杀爆弹
76mm杀爆弹
课程设计说明书
题目：
76mm杀爆弹收口设计
课程名称：
弹箭制造工艺学
专业：
弹药工程与爆炸技术
学号：
姓名：
指导教师：
柳泽鑫
能源与水利学院
2017年06月
课程设计成绩评定表
课程设计题目
76毫米杀爆弹收口设计
专业
弹药工程与爆炸技术
班级学号
姓名
评
语
指导教师签字：
成绩
日期
年月日
弹箭制造工艺课程设计任务书
学院
能源与水利学院
专业
弹药工程与爆炸技术
学生姓名
班级学号
课程设计题目
76毫米杀爆弹收口设计
一、课程设计任务（题目）及要求（具体见课题目录）
1、设计任务（题目）：
76mm杀爆弹收口设计
1）、整理弹体图纸；
2）、完成收口的加工工艺规程设计，形成整套工艺规程。
3）、完成收口的工装设计，形成工装图纸一套；
4）、完成设计说明不少于8000字。
2、要求
1）、按项目组指定人员，不得随意调换；
2）、学生应在老师指导、组长的协调下完成课程设计任务；
二、工作计划与进度安排:
第一天：
下发任务书，分组，讲解课程设计思路，布置任务；
第二天-第三天：
完成弹体总体工艺规程中工艺路线表的编制；
第四天-第五天：
完成必要的工序卡片、检验卡片的编制，并形成整套工艺规程；
第六天-第七天：
设计、计算主要工装，并形成整套图纸。
第八天-第九天：
撰写课程设计说明书。
第十天：
答辩
指导教师：
年月日
专业负责人：
年月日
学院教学副院长：
年月日
摘要
热冲孔是大、中口径钢质弹体毛坯和火箭弹战斗部壳体毛坯的主要成型方法。
由于各类弹体结构上的不同，其热冲压工艺也有区别。
弹体结构一般可分为两种类型：
一种是整体弹体，如地面榴弹和高射榴弹的弹体；另一种为带底螺的弹体，如后膛特种弹、半穿甲弹等。
本次设计的弹体为76mm杀爆弹，为整体弹体，基本的加工过程为下料→加热→预压型→冲孔→拔伸→冷却→粗加工→弹头部加热→收口→冷却→检验→精加工。
本文侧重方向为拔伸结束后的收口工艺过程以及模具的设计。
弹体收口的主要目的是得到合适的弹体弧形部，外弧形部是通过弹体模腔成型，而内弧形部则是靠收口过程自然成型。
模具设计是收口的关键
收口时要预先将毛坯收口部加热至合适温度，以防止收口时金属因变形抗力大使得内部产生裂纹，导致发射时的危险。
由于收口时金属变形情况复杂，药室弧形部难以控制，影响因素较多，故为毛坯成型过程中的最难工序。
关键字：
热冲孔；收口；模具设计
1完整工艺流程
随武器装备的发展，弹药生产工艺的日益发展，热冲压是大、中口径钢质弹体毛坯和火箭弹战斗部毛坯的主要成型方式，其中收口是其中最难控制的步骤。
弹体毛坯的收口是为了获得相应弹体弧形部。
本次设计76mm杀爆弹使用的就是热冲孔工艺，弹头弧形部为热收口成型。
在弹丸完成拔伸工艺后，通过车床简单的机械加工，将弹丸内腔达到相应形状，后通过电磁加热炉对弹体毛坯收口变形区进行加热，使弹体达到相应温度便于收口时变形区的变形，后经过模具收口完成弹体坯料的基本成型。
最后通过机械加工将成型后的弹体坯料加工成所需要的弹体。
具体加工工艺流程为：
下料→检验→加热→去除氧化皮→预压型→热检验→冲孔→检验→拔伸→热检验→冷却→冷检验→定中心孔→粗加工→机械加工检验→弹体加热→收口→收口检验→膛弹口→粗车外形→精车外形→检验→车弹口螺纹→检验→弹体表面喷砂→表面质量检验→弹体表面喷漆→漆面质量检验
本次主要研究的工艺流程为拔伸工艺结束后的定中心孔、粗加工、机械加工检验、弹体加热、收口和收口检验。
其中重点为弹体加热和收口。
2收口前加工
2.1定中心孔
中心孔通常是作为工艺基准，一般用于工件装夹、检验、装配的定位。
通常分为A型中心孔（不带护锥）、B型中心孔（带120°护锥）和C型中心孔（带螺孔）。
见图2.1。
图2.1三种中心孔类型
本次设计使用的中心孔为A型中心孔，外尺寸D1为8.5mm,D为4mm，t为3.47mm,L为4.57mm,L1为3.9mm。
定中心孔的主要目的为保证弹丸加工过程时的轴向对齐，一方面保证加工时弹体的厚度一致，防止在弹丸膛内运动时的受力不均匀，导致弹丸在膛内破裂或发生早炸；其次保证弹丸质量的均匀，减少膛内运动时的震动，减少外弹道上的误差，保证发射时的安全性，并保证发射时的精度；另一方面保证弹丸装药时的对称，保证弹体上受到的装填物压力足够均匀。
在定中心孔时，应考虑一些问题：
1.中心孔的位置：
使其达到定位作用。
2.中心孔的深度：
中心孔不可以过深，防止打的过深后影响弹底中心的厚度，影响发射安全性；也不可以过浅，这会导致定位时弹体中心的偏移。
3.中心孔的形状：
应便于加工，一次成型，并保证装夹后不发生移动和偏移。
常见的中心孔的加工工艺方法：
1、车外圆→车端面→钻中心孔（先车外圆是为了减少端面车刀损坏，先车端面后钻中心孔是为了防止孔钻偏）。
2、车外圆→车端面→钻中心孔→车端面→钻中心孔→热处理→研中心孔圆锥面。
3、粗车→热处理（调质）→车外圆→车端面→钻中心孔→车端面→钻中心孔→车端面→钻中心孔→热处理→粗研中心孔圆锥面→热处理→研中心孔圆锥面。
以上加工工艺：
一方面确保零件中心轴同轴度误差控制在一定范围；另一方面保证中心孔圆锥面的几何形状误差和表面粗糙度在允许范围内，提高加工效率，降低成本。
为控制成本与生产效率，本次使用工艺1。
使用普通车床加工，也可使用专门的中心孔车床，但成本也随之上升。
从加工效率上来说用中心钻加工效率最高，而精度上使用中心孔磨床精度最高，圆度公差可达到0.0008mm，甚至更高，但成本偏高。
本次设计则使用中心钻在车床上直接加工。
中心孔的目的并非在弹体成型过程中使用，而是在弹体整体基本完成后的机械加工时起定位作用，保证弹体在切去加工余量时保证弹体位置在中心轴上，减少加工误差
2.2药室机械加工
机械加工的目的是为了切去收口时不需要的那部分材料，保证弹体收口时的多余材料对弹壁厚度的影响，也便于弹体收口时的形变，减少模具上承受的力，增加模具的使用寿命。
减少收口时设备的能量消耗（功率大小），同时减少加工成本和能量浪费。
机械加工在这条工艺路线走中的一个原则是，保证收口前后体积不变，即收口时弹头部达到相应形状后，弹头部体积达到设计时的标准。
故在设计时需用proe先对弹头部进行体积测量和模拟，推出弹头部的体积，从而得到机械加工前后的体积与切削余量。
从而便于设计车床车削过程。
机械加工先与收口的目的是为了使药室弧形部能正确成型以及便于刀具进入药室加工。
由于收口后无法进行机械加工，故收口前进行机械加工。
车削的加工余量为：
粗加工余量是3mm，精加工余量为1mm，毛坯口部内径为70mm，圆柱部口部直径为50mm。
图2.2机械工后毛坯
2.3机械加工质量检验
因收口前机加工艺较为粗糙，故检验精度不用太高，主要作用是保证基本尺寸，测量设备也以游标卡尺、塞规等基础量具为主。
药室机械加工的质量检验主要检验的药室的尺寸误差，以免在收口时因壁厚差不均匀导致收口后弹头左右质量不均及不对称，引起弹丸发射时的精度误差以及发射时的安全性问题。
圆柱部尺寸可用专门的塞规测量，弹口内径部分可直接使用游标卡尺测量，弹口直径也可用定尺寸的钢球配合高度尺的方法测量（测量中心孔的方法）。
2.4弹体加热
温度对金属的塑性和变形抗力有着重要的影响。
当金属被加热到某个温度范围时，其塑性变形提高，变形抗力降低。
此时的坯料即能顺利成型，能减小所需要成型设备的压力和能量的消耗。
坯料加热便于金属塑性变形的同时，还对毛坯的质量和材料的损耗有影响，正确的加热应能使热冲压毛坯有良好的组织，使其性能符合技术要求，并使材料损耗尽可能减小。
但加热过程中表面金属会与炉气中的H2O和CO2等氧化气体发生反应生成氧化皮。
其中氧化皮分三层外层为Fe2O3，中间为Fe3O4，金属与氧化层交界处为FeO。
影响氧化的因素有加热时间、加热温度、炉气成分和金属的化学成分。
在温度逐渐上升时氧化皮生成量越多，故应控制加热温度与加热速度，钢在高温下停留在加热炉的时间尽量短。
在氧化性炉气中加热钢，氧化皮大量生成；而在中性炉气中加热钢，不易生成氧化皮。
同时，加热时的氧化皮直接导致金属的烧损，会对设备以及毛坯质量有所影响。
因此，冲压前应先去除氧化皮。
通常采用高压水枪去除氧化皮。
加热过程也会引起脱碳，这种现象是碳与炉气中的H2O、O2、CO2、H2等反应，形成CO被烧掉或生成非金属碳化物。
脱碳层深度也与加热温度、世界、钢的化学成分以及炉气等有关。
含碳量越高，脱碳层越深。
碳含量下降，金属硬度和强度也降低，若脱碳层深度小于机械加工余量，则对工件没危害，否则影响其性能。
故加热时的加热速度、加热温度、加热时的环境因素对弹体质量有影响。
加热方式分为电磁感应加热和火焰加热，因技术发展，火焰加热逐渐减少，并被电磁感应加热取代。
电磁感应加热时加热温度均匀，氧化脱碳很小，且机械化、自动化程度高。
且比火焰加热迅速且均匀，表面质量好。
加热迅速可减少向圆柱部传热，使圆柱部保持原有强度。
加热时除了加热炉选择外还有以下几个影响收口的因素：
1、加热温度：
确定收口前加热温度的原则与确定热冲压温度的原则相同。
首先应保证弹体弧形部收口完成的温度不低于终冲温度，即800℃~850℃，而后根据由加热炉送运至收口工作地点中的下降温度及毛坯在收口模内的下降温度而定。
收口前的加热温度不超过1000℃，大多数在800℃~850℃之间。
收口前加热温度不可过高或过低，这会导致出现尺寸偏差。
温度过高时，毛坯易被镦粗，导致金属向其内腔流动量增大，使药室弧形部局部尺寸变小或毛坯长度缩短；温度过低时，情况相反。
此外，加热应均匀，否则将由于金属的变形抗力不一致，造成收口后弹头部与圆柱部不同轴，或壁厚差增大。
本次选择加热温度为920℃。
2、加热长度：
指达到规定收口温度的那部分毛坯长度。
通常加热长度都比收口变形区短，以使加热部分到圆柱部之间有一段温度过渡区，避免圆柱部温度过高而导致收口时镦粗。
生产中也有加热长度也大于变形区长度，这样也可避免收口时温度过渡区可能产生硬化现象，故视收口具体情况而定。
加热长度为107.58mm。
3、加热时间：
在保证规定温度的情况和加热均匀的前提下，应力求缩短加热时间，以避免向圆柱部传热过多，并可减少加热时的氧化和烧损。
加热时间主要与口径、弹头部厚度、加热长度及加热设备有关。
加热时间选择为12分钟。
一般加热时间、加热长度、加热温度可根据弹丸的口径、种类与弹头部长度有关。
根据具体加工条件、加工工艺以及弹体要求决定。
3收口
3.1收口的基本过程与收口系数
弹体收口目的是获得弧形部，其外弧形借助于收口膜的型腔成型，药室弧形部则在收口过程中自然形成。
收口时，总是先将毛坯参与变形的区域先加热到一定温度（参考前文1.4），因为冷收口时金属变形抗力大，变形时可能在金属内部产生极细微的裂纹。
本次用的为以轴向力将毛坯待收口部压入收口模型腔使之成型。
在收口过程中，其口部直径Db逐渐减小之Da，中心面在口部的切线与弹轴夹角γ从0增加到γ。
收口变形程度可用收口系数mn表示：
（2.1）
式中：
mn——收口系数；
Da——收口后口部直径，mm；
Db——收口前口部直径，mm；
收口系数过小时，收口变形区材料在压应力Rθ的作用下，可能失衡而形成纵向皱褶；此外，变形区的材料还受到压应力Rρ的作用，当此压应力达到材料所能承受的临界数值时，材料也会产生横向皱褶。
所以收口时的变形程度主要受到材料失稳条件限制。
收口系数的许可极限与材料种类、坯料厚度等因素有关。
塑性越好、壁越厚、润滑越好、模具表面光洁度越高，其可变形程度可较大。
必要时，一次收口不能完成的，可进行多次收口。
弹体收口时，通常圆柱部非变形区不会出现材料的横向失稳和起皱，这是由于壁厚较厚，且温度上升不大。
3.2收口方法
轴向力收口采用的设备为立式水压机和机械水压机。
收口的方式同样有两种，一种为弹口部向上，弧形在模型腔内成型；另一种为弹口部向下，弧形在下模腔内成型。
向下的收口方式相比向上的收口，同轴度高，上模的干扰较小，而向上收口对于机床的精度和作为定位的上、下模定心部分配合精度有相应要求。
本次使用的为弹口部向下的收口方式。
下模腔内成型时，由于下模收口过程固定不动，下模上部的圆柱形内腔内腔起收口时弹体毛坯定位的作用，下模型腔型起成型作用，两者结合可保证外弧对圆柱部有良好的同轴度。
上模为平面压头，其偏差和振动不会引起弹丸弧形部的偏歪，且便于上模设计。
特别注意，收口前一步应有一定润滑过程，为了保证收口质量、模具寿命以及减少弹体在收口时的磨损，故每次收口前，模具内腔应先均匀涂抹润滑剂。
特别对弧形部较长、壁较薄的收口工作，润滑为关键。
（润滑剂选择时多为石墨粉和机油的混合物）。
模具也应考虑上模的行进长度，保证弹体长度与药室直径。
下模内收口装置简图见图2.3
图2.3收口装置简图
3.3尺寸计算
在根据设计图的数据情况下，因为收口加工时变化的为弹头弧形部体积，故先确定弹体弧形部机加前的体积。
由于机械加工余量存在，机械加工余量确定一般有查表法、计算法和经验法，这次使用的是经验法，粗加工余量为3mm，精加工余量为1mm。
后用proe绘出机加前的弹头部图，并用proe测得收口后弹头部体积为V=3.08×105mm3。
收口前弹头部为中间去除了圆台的圆柱，其中与圆柱部结合处的内径d4为50mm。
收口前弹头部顶部的内径d5为不确定值，但对于榴弹和杀爆火箭弹弹体，一般越接近口部越薄，收口时开始变厚。
故确定在d5值的原则时应在不影响拔伸和收口的原则下，尽量取较大值。
本次设计d5取70mm。
收口前弹头部高度设为H′。
由体积不变的原则，收口后体积V′也为3.08×105mm3。
收口前弹头部内部体积计算公式：
（2.2）
式中：
R5——弹头部收口前顶部内部半径，mm；
r4——药室直径，mm；
V1——弹头部收口前内部体积，mm3；
H′——收口前弹头部长度；
收口前弹头部外部体积：
（2.3）
式中：
V2——弹头部收口前外部体积，mm3；
R——弹头部外径，mm；
收口前弹头部长度：
（2.4）
得
故收口前头部外径为84mm，高度为114.58mm，收口前弹头部末端内部直径为50mm，弹头部顶端内径为70mm，粗加工余量为3mm，精加工余量为1mm。
由于金属变形情况复杂，所求的收口前头部外形只是近似值，其中的磨损以及金属材料的形变需要用实验测得以及修正，因无法确定，故本次不予以考虑，使收口前后体积不变。
若实际设计与运算，考虑的这些条件有：
加热温度与加热长度、润滑情况、加热炉类型及模具新旧、金属材料的变形及磨损、金属材料的疵病等。
3.4收口后质量检验
收口后弹体毛坯检验是对弹体毛坯的整体检验，为后期机加做辅助，同时也是弹丸整体成型的初始状态，后期加工基本都是对其尺寸的基础修改，故收口后的质量检测不仅仅要检测收口后毛坯的尺寸，同时要检测弹体毛坯的密封性、对压力的承受能力、以及毛坯内部的缺陷和疵病。
毛坯内部疵病探伤常用方法有：
超声波探伤、射线探伤、涡流探伤、渗透探伤以及磁力探伤。
本次设计使用超声波探伤，其是使用超声波透过金属材料，遇到金属材料缺陷和零件地面先后发生反射波，在屏幕上形成相应脉冲波形，从而表现缺陷。
通过超声波探伤仪，测量出毛坯内部缺陷，确定是否会对弹体强度以及发射安全有所影响，若无影响可继续进行后续检测，若有影响则直接剔除。
尺寸方面可用三坐标测量仪，三坐标的使用虽然较为麻烦，但精准度高，可保证弹体测量时的准确度，为后续粗车和精车的加工工序做一定准备，并便于在粗车和精车时对弹体表面缺陷的修正。
在弹体毛坯内部密封性和压力测试时可直接使用高压水枪。
通过控制高压水枪的喷射时的压力，对毛坯内腔进行喷射，在800个大气压下可以承受10s。
后通过超声波探伤仪或X射线探伤仪检验毛坯内部裂痕的产生情况。
4收口模具设计
收口模形状很多，其内形决定于收口后毛坯的外形尺寸要求，而外形取决于收口方式和模具安装要求，并要求考虑冷却的因素。
4.1内形尺寸确定
1、H1为空位长度，防止口部变形伸长而留的空位，一般为20~50mm。
2、H2时收口后毛坯变形部长度，本次设计为125mm。
3、H3为收口与过度时的长度，长为7mm。
因为收口是在热状态下进行，故模具尺寸为：
H=H′[1+a（t1-t2）]（3.1）
=132×[1+1.16×10-5×（800-200）]
=132.9mm
式中：
H——收口模设计长度尺寸，mm；
H′——收口后毛坯长度尺寸，mm；
a——钢的线膨胀系数，取1.16×10-5；
t1——收口时弹体变形部位的温度，℃；
t2——收口模温度，一般约为200~250℃；
4、毛坯收口时口部外径d1为48mm。
5、毛坯收口时外径d2为84mm。
在d1至d2范围内各直径的尺寸按下列公式计算：
d=d′[1+a（t1-t2）]（3.2）
式中：
d——收口模设计直径尺寸（mm）；
d′——收口后毛坯直径尺寸（mm）；
a——钢的线膨胀系数，取1.16×10-5；
t1——收口时弹体变形部位的温度（℃）；
t2——收口模温度，一般约为200~250℃。
故收口模内的d1为48.3mm，d2为84.6mm。
6、dn+1由收口前毛坯不变形区的圆柱部外径确定，可按下列公式
计算：
dn+1=d′n+1[1+a（t1-t2）]+K（3.2）
式中：
dn+1——收口模设计毛坯不变形区尺寸（mm）；
d′n+1——收口后毛坯毛坯不变形区尺寸（mm）；
a——钢的线膨胀系数，取1.16×10-5；
t1——收口时弹体变形部位的温度（℃）；
t2——收口模温度，一般约为200~250℃。
K——收口入型系数，根据弹形而定，一般取0.5~1mm。
故收口模内的dn+1为85.1mm。
7、R为收口内腔弧形的半径，与收口后毛坯外弧形半径相同。
内部图见图3.1
图3.1收口模图
4.2外形尺寸确定
外形尺寸的确定，由收口方式、冷却条件等因素确定。
实践证明，收口模的寿命在保证强度条件下，模壁越薄模子寿命越高，但薄壁散热条件好，容易冷却。
而且当各部分厚薄不均匀时，当收口时，壁内温度高，壁外温度低引起内外壁温差较大，因而产生较大应力，容易发生裂坏，故尽量使模子各部分壁厚一致。
本次使用向下收口。
整体式收口模外形为圆柱。
组合式收口模外形一般做成1~2°斜度的圆锥，使收口模能和模套压为一体。
图3.2收口模外形图
为了提高模具寿命，可使用H13（4Cr5MoSiV1）材料砂铸收口模，可取得较好效果。
这类模具除了寿命长以外，还有以下优点：
1、材料利用率由锻制方式的50%提高到90%以上。
2、用过的废模具可以再次重熔铸，提高材料利用率和循环利用，降低成本。
3、减少了模具加工工序。
为了使收口后毛坯弧形偏差小，收口模的定位圆柱部分应尽量的长。
但一个很长的收口模，材料消耗多，且在制造、安装或更换模具时均不方便。
因此可将此模做成组合模（两端），向下收口：
收口模为下端，上端为正料圈。
正料圈设计可见图2.2。
同时这样组合，便于加工，减少加工的难度。
4.3正料圈设计
口向下收口时，上模称为正料圈；口向上收口时，下模为正料圈。
口向下的正料圈d1尺寸与收口模d′n+1相同，其高度H应根据收口前毛坯总长度以及料入模时，使弹体不变形区的圆柱部有15~20mm以上长度进入正料圈，故正料圈长度H为134.58mm。
压力机的最大闭合高度、收口完出模条件，也是确定H值的重要因素。
d1尺寸精度可取H11级，内表面粗糙度Ra值取3.2μm。
正料圈见图4.2。
图4.2正料圈图
4.4热收口模具的材料、硬度及表面粗糙度
热收口模具常用的材料硬度范围及表面粗糙度见表3.1
表3.1热收口模具材料、硬度、表面粗糙度
材料
热处理硬度
化学热处理或电镀
模内表面粗糙度Ra/μm
5CrNiMo
HRC45~51
镀铬，厚度0.05~0.08mm
0.8
5CrNiMo
HRC43~58
氮化
1.6
5CrNiMo
HRC48~53
0.8
3Cr2W8V
HRC44~50
镀铬，厚度0.05~0.08mm
0.8
3Cr2W8V
HRC54~58
0.8
4Cr5MoSiV1
HRC54~58
0.8
本次使用的为4Cr5MoSiV1（代号为H13）。
总结
这次的收口设计只能说是大致的估算，实际的计算研究和分析更为复杂，由于收口金属变形情况相当复杂，故所得到的头部外形都只是近似值。
等体积原则只是个大致的估计，因为金属的变形的复杂，需要用试验模拟和修正。
需要指出：
即使经过修正的外形，由于在一定试验条件下进行，试验条件一般接近理想条件，而实际生产过程中环境依旧是不确定环境，故无法得到理想的收口弹体毛坯。
当生产条件与试验时不符时，仍不能得到理想的弹体毛坯，所以还要通过实际情况改变一定生产条件，主要影响生产的生产条件有：
加热温度与加热长度、润滑情况、加热炉类型及模具新旧等。
在加工余量的选择上，本次选择是经验法，在机械加工过程中常取用的粗加工余量为3mm，精加工余量为1mm。
本次设计的基础是建立于体积不变的条件上的，收口过程虽然毛坯形状变化了，但弹头部的体积十分微小，基本忽略了。
在体积不变的原则上，通过preo绘制出收口弹体头部毛坯图得到体积3.08×105mm3。
考虑收口时金属的流动，弹体口部内直径较大，此处壁厚小于弹体壁厚，故选取弹口部内直径d5的考虑值为70mm，后部直径d4为50mm。
在确定体积和收口前口部直径后，可通过体积公式得到收口前弹头部毛坯的高度。
得到各尺寸后，则是确定模具，参考榴弹制造工艺，设计出模具所用的收口模和正料圈，后基于这两部分等到冲头及外部零件。
考虑到热膨胀的情况，模具尺寸相比成型后毛坯需要一定的放大。
口部直径变化为d1为48.3mm，变形部尾部d2为84.6mm。
收口模长度为132mm。
在没有响应试验设备前提下，本设计可能有一定误差，但基本设计无太大问题。
可行性也不错。
参考文献
[1]董素荣.陈国光.弹箭制造工艺[M].北京:
北京理工大学出版社，2014:
63-98
[2]刘京凤.榴弹设计与制造技术实践[M].北京.北京理工大学出版社，2000:
292-299
[3]陈立德.机械设计基础[M].北京.高等教育出版社，2007:
4-11
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