一种高硬度曲面结构模具精确制造方法与流程

本发明涉及金属加工制造技术领域，尤其涉及一种高硬度曲面结构模具精确加工方法。

背景技术：

典型的聚能装药射流具有较高的头部速度(≥8500m/s)和低的尾部速度(约3000m/s)，这种速度梯度使射流在一定的炸高条件下能拉得很长(达到20～100倍药型罩口径长度)，具有高侵彻能力。射流的侵彻能力是与连续射流长度成正比，但是由于药型罩产品表面划痕、内部缺陷与射流膨胀性作用，射流最终在轴向会断裂成一段段的颗粒，而限制了连续射流的长度，以及侵彻能量的传递，且断裂颗粒间相互扰动，其侵彻能力急剧下降。国内外研究机构对药型罩内部组织(晶粒度、形貌、晶界等)、制造工艺和破甲性能之间的关系作了大量而深入的研究。结果表明，药型罩产品尺寸精度、表面质量，以及内在晶粒尺寸、晶粒取向和晶界形貌等参数对侵彻能力影响明显，其中药型罩产品尺寸精度、表面质量是影响侵彻稳定性的关键因子。

铜作为聚能装药战斗部用药型罩已有50多年的发展历史，现有98％破甲战斗部采用纯铜药型罩，为了进一步提高药型罩的侵彻能力，提高药型罩产品尺寸精度、表面质量等尤为迫切，例如批量产品内锥角角度偏差≤2′、表面粗糙度≤ra0.05μm、同轴度≤0.02mm，产品重量差≤3g。现有纯铜药型罩成形工艺主要有温挤压、冷挤压、旋压、冲压、电铸、摆碾等，通过对现有纯铜药型罩综合使用性能分析得出，冷挤压工艺具有材料利用率高、表面质量高、晶粒组织均匀细小、环境友好等特点，是未来发展的重点，但是现有冷挤压药型罩锥角偏差3′～8′，表面粗糙度ra0.15～0.4μm，重量偏差3～18g，导致同批药型罩侵彻深度跳差达到20％以上。

如何提高药型罩产品尺寸精度、表面质量，降低药型罩侵彻深度跳差是研制与生产中的难点。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种高硬度曲面结构模具精确加工方法。使冷挤压成形药型罩尺寸精度高、表面质量好，同批产品破甲性能稳定性、一致性好，并能显著提升破甲战斗部的毁伤效能。

本发明的目的是这样实现的：

一种高硬度曲面结构模具精确加工方法，包括热处理、光亮化处理步骤，所述热处理采用1次高温淬火、3次回火和1次深冷处理；光亮化处理是将精加工后的模具进行高频振动处理。

优选的，上述高频振动的敲击速度5000～16000次/分，敲击力500～1200n，敲击次数为1～5次。

上述热处理中高温加热温度1050～1250℃，保温时间1～3小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质为油，油温60～80℃；回火温度450～600℃；深冷处理采用液氮，保温时间2～6小时。

具体地，上述高硬度曲面结构模具精确加工方法，其主要特征在于，包括以下步骤：

(1)选择相应规格的模具材料；

(2)对模具材料进行多向锻造，锻造比2～8，使碳化物偏析≤3级；

(3)粗车，表面预留1～2mm热处理脱碳层和精加工余量；

(4)对粗加工好的坯件进行热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理，加热温度1050～1250℃，保温时间1～3小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质为油，油温60～80℃；回火温度450～600℃；深冷处理采用液氮，保温时间2～6小时；

(5)将坯件置于高精度数控车床上进行半精加工和精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2；半精加工转数800～2000r/min，进刀量0.1～0.3mm；精加工转数1500～4000r/min，进刀量0.03～0.15mm；

(6)将精加工好的模具在高频振动处理设备系统上进行表面光亮化处理，敲击速度5000～16000次/分，敲击力500～1200n，敲击次数1～5次。

本发明解决了高精度曲面结构加工难的问题，提高了尺寸精度、光亮度，这是常规抛光、研磨、辊压、喷丸难以做到的。本发明制备出高硬度曲面结构模具，并进行硬度、尺寸精度、表面粗糙度测试分析，既保证了模具尺寸精度，又实现表面光亮化。

上述高硬度曲面结构模具精确加工方法，更为具体是按照以下步骤进行的：

(1)以ld钢(7cr7mo2v2si)、m2钢(6w6mo5cr4v)作为模具材料；

(2)首先对模具材料进行多向锻造，锻造比4～8，使碳化物偏析≤3级；

(3)粗车，表面预留1.2～1.8mm热处理脱碳层和精加工余量；

(4)对粗加工好的坯件进行热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理，加热温度1080～1180℃，保温时间1～3小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质油，油温60～80℃；回火温度480～560℃；深冷处理采用液氮，保温时间2～4小时；

(5)将坯件局部位置表面脱碳层去掉，取3～5个部位，每个部位进行硬度测试3～5点，取硬度平均值；

(6)将坯件置于高精度数控车床上进行半精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2；半精加工转数1200～1500r/min，进刀量0.1～0.3mm；

(7)精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2；精加工转数2000～3500r/min，进刀量0.03～0.15mm；或者一次精加工后在三坐标仪上进行检测，重点确定sr138±0.025mm、160°±1′是否达到要求，若没达到，进行二次加工，可以通过多次精加工达到设计值；

(8)将精加工好的模具在高频振动敲击设备系统上进行表面光亮化处理，敲击速度8000～12000次/分，敲击力800～1000n，敲击次数3～5次。

上述液氮，具体选用的是工业液氮(-196℃)。

有益效果

本发明通过试验研究得出，药型罩冷挤压成形模具是影响尺寸精度、表面质量的关键因素之一。本发明通过结合研究常用模具材料性能不稳定、寿命低，以及高硬度曲面模具车削加工后，进行研磨抛光、电镀处理等提高表面粗糙度存在技术难题：一是模具硬度高，数控车削过程中易留下车刀痕，采用手工研磨抛光不易去掉，费工费时；二是采用数控曲面磨，在曲面底部与边部由于磨头接触面积不同，导致磨削量不一样，尺寸不稳定。研究得出：采用多向锻造、高温淬火+回火+深冷处理工艺提高模具强韧性，以及数控车削加工保证尺寸精度，高频振动敲击进行表面光亮化处理，实现高硬度曲面模具形状、性能双重控制。此外，本发明还具有以下优异的特点：

(1)模具强韧性好：抗压强度≥5080mpa，抗弯强度≥2550mpa，冲击韧性≥86j/cm²。

(2)模具耐磨性好：比常规模具提高3～6倍。

(3)模具寿命高：单件模具使用寿命≥3000次。

附图说明

图1曲面结构模具零件图

图2曲面结构模具

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是，所述实施例只用于对本工艺进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据本发明的技术方案做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种高硬度曲面结构模具精确加工方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据药型罩产品图设计挤压成形模具(图1)，按照图纸技术要求，选择模具材料为ld钢(7cr7mo2v2si)，尺寸为中155×100mm。

(2)对模具材料进行多向锻造，锻造比5，使碳化物偏析≤3级。

(3)根据图1尺寸要求进行粗车，表面预留1.2mm热处理脱碳层和精加工余量。

(4)对粗加工好的坯件进行热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理，加热温度1150℃，保温时间2小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质油，油温70℃；1次回火工艺540℃×2小时、2次回火工艺510℃×2小时、3次回火工艺490℃×2小时；深冷处理采用液氮，保温时间2小时。

(5)将坯件局部位置表面脱碳层去掉，每个部位进行硬度测试4点，取3个部位，硬度平均值值hrc64。

(6)将坯件置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2。半精加工转数1500r/min，进刀量0.15mm。精加工转数3000r/min，进刀量0.05mm。

(7)对步骤(6)中坯件一次精加工后，检测sr138±0.015mm、160°±1′达到要求。

(8)将精加工好的模具在高频振动敲击设备系统上进行表面光亮化处理，敲击速度10000次/分，敲击力800n，敲击次数为3次，得到尺寸精度与表面质量满足要求的模具(图2)。

将本实施例制备的高硬度曲面结构模具进行检测分析：抗压强度5080～5590mpa，抗弯强度2550～3020mpa，冲击韧性94～123j/cm²，表面粗糙度ra0.02～0.04μm。

实施例2

一种高硬度曲面结构模具精确加工方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据药型罩产品图设计挤压成形模具(图1)，按照图纸技术要求，选择模具材料为ld钢(7cr7mo2v2si)，尺寸为φ155×100mm。

(2)对模具材料进行多向锻造，锻造比6，使碳化物偏析≤3级。

(3)根据图1尺寸要求进行粗车，表面预留1.5mm热处理脱碳层和精加工余量。

(4)对粗加工好的坯件进行热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理，加热温度1180℃，保温时间2小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质油，油温60℃；一次回火工艺560℃×2小时、二次回火工艺540℃×2小时、三次回火工艺480℃×2小时；深冷处理采用液氮，保温时间2小时。

(5)将坯件局部位置表面脱碳层去掉，每个部位进行硬度测试4点，取3个部位，硬度平均值值hrc63。

(6)将坯件置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2。半精加工转数1200r/min，进刀量0.15mm。精加工转数2500r/min，进刀量0.05mm。

(7)对步骤(6)中坯件一次精加工后，检测sr138±0.025mm、160°±1′达到要求。

(8)将精加工好的模具在高频振动敲击设备系统上进行表面光亮化处理，敲击速度12000次/分，敲击力1000n，敲击次数为5次，得到尺寸精度与表面质量满足要求的模具。

将本实施例制备的高硬度曲面结构模具进行检测分析：抗压强度5140～5620mpa，抗弯强度2610～2980mpa，冲击韧性94～114j/cm²，表面粗糙度ra0.01～0.03μm。

实施例3

一种高硬度曲面结构模具精确加工方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据药型罩产品图设计挤压成形模具(图1)，按照图纸技术要求，选择模具材料为m2钢(6w6mo5cr4v)，尺寸为φ156×100mm。

(2)对模具材料进行多向锻造，锻造比8，使碳化物偏析≤3级。

(3)根据图1尺寸要求进行粗车，表面预留1.8mm热处理脱碳层和精加工余量。

(4)对粗加工好的坯件进行热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理，加热温度1120℃，保温时间3小时，真空度1×10^-2pa；淬火介质油，油温60℃；1次回火工艺530℃×2小时、2次回火工艺510℃×2小时、3次回火工艺490℃×2小时；深冷处理采用液氮，保温时间2小时。

(5)将坯件局部位置表面脱碳层去掉，每个部位进行硬度测试4点，取3个部位，硬度平均值值hrc64。

(6)将坯件置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀圆角r0.2。半精加工转数1500r/min，进刀量0.1mm。精加工转数2000r/min，进刀量0.08mm。

(7)对步骤(6)中坯件二次精加工后，检测sr138±0.025mm、160°±1′达到要求。

(8)将精加工好的模具在高频振动敲击设备系统上进行表面光亮化处理，敲击速度9000次/分，敲击力800n，敲击次数为4次，得到尺寸精度与表面质量满足要求的模具。

将本实施例制备的高硬度曲面结构模具进行检测分析：抗压强度5160～5430mpa，抗弯强度2580～2940mpa，冲击韧性86～108j/cm²，表面粗糙度ra0.03～0.05μm。