一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法与流程

文档序号:15457799发布日期:2018-09-15 01:39

本发明属于金属塑性成形技术,具体地说是一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法。



背景技术:

爆炸成形弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)是盘类结构药型罩在爆轰能量作用下经过挤压、翻转、拉伸成形的侵彻体,在炸高100~150m范围内,以2000~2500m/s左右的速度侵彻集群装甲目标,破甲的最大厚度达到1.2倍装药直径,是对付现代装甲车辆的“克星”武器。

20世纪80年代,随着计算机、精密装药和起爆技术的发展,EFP战斗部技术取得进步,设计带围裙、尾翼的EFP,改善气动稳定性,飞行阻力减小,保证了EFP以更小的着角侵彻装甲,提高命中精度与破甲威力;20世纪90年代,为了获得更大威力的EFP战斗部,除了进一步优化结构,重点在新型材料以及精密制造加工技术上进行了积极的探索和研究,进行了钽、钽钨合金、贫铀等高密度药型罩的弹道试验,掌握其爆轰物理性能、穿深与孔径等参量;进入21世纪,由于新型装甲防护技术迅速发展,装甲越来越硬、越厚,电磁防护以及主动防护技术应用,目标特性也越来越复杂,装甲车辆的战场适应能力也越来越强,对反装甲弹药结构设计、EFP性能等提出了挑战。

工业纯铁、纯铜、钽是EFP药型罩的骨干材料,对于相同的药型罩结构及装药条件,钽的侵彻性能最大,是由于钽密度高、延性好,有利于EFP的拉伸,从而形成大长径比的EFP。侵彻威力与EFP的长径比成函数关系,则药型罩材料塑韧性、延伸率的提高成为提升侵彻能力的关键因素,如张新民等采用真空熔铸铜锭坯、锻造-挤压制坯、模锻成形单锥药型罩,热处理后平均晶粒尺寸约为10μm、极密度平均值约1.84,与传统加工方法相比破甲性能有明显提高(张新明,冷锻紫铜药型罩材料的织构研究[J],中南大学2008);左波等研究了不同轧制变形量对Ta、Ta-W板材晶粒组织、织构及力学性能的影响,当变形量≥90%时,晶粒组织明显细化,延伸率提高10%以上(左波,钽及钽钨合金冷轧变形组织及织构研究[D],中南大学2011)。

从爆炸成形弹丸与侵彻威力、稳定性之间的关联性出发,要求盘类药型罩弱织构、力学性能对称,晶粒细小均匀、延展性好,从而提高EFP的毁伤性能。现有技术以切削加工、冲压为主,该工艺存在以下缺点:一是晶粒尺寸不均匀,在变形弱区存在大尺寸晶粒;二是板材的各向同性较差,性能不稳定;三是材料的收得率低,制造成本高;四是药型罩顶部织构较强、口部弱,且对称性不高。由此,本申请提供了一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法。



技术实现要素:

本发明解决的技术问题在于提供一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法。

一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法,包括梯度变温累积大塑性挤压成形、冷精整形、振动时效、低温去应力。

上述梯度变温累积大塑性挤压成形,预热温度为300~510℃,加热时间30~90s;然后变形温度为280~490℃,保温时间2h。优选的,挤压成形在三向压应力和变形速率为5~15mm/s的作用下,经过3~5道次的挤压变形,每道次的变形量在30~85%。通过一定工艺的挤压变形,产生变形应力和应变效应发生动态再结晶,使晶粒组织细化。

上述低温去应力处理,热处理温度135~185℃,热处理时间2~4h,真空度≥3×10-3Pa,随炉冷却到80℃以下出炉。

上述冷精整形是在在三向压应力和变形速率为2~5mm/s的作用下,经过1~4道次的冷精整形,每道次的变形量在1~5%。

具体的,一种纯铜盘类药型罩的低应力弱织构控制方法,包括以下步骤:

(1)坯料的准备:依据设计的盘类药型罩成形件图,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,以及成形过程数值模拟仿真结果,选取合适的坯料尺寸规格,根据体积不变原理选择相应的纯铜坯料尺寸,棒材直径φ35mm~φ70mm。

(2)梯度变温累积大塑性挤压成形:将步骤(1)所得的坯料放入感应加热装置中加热温度300~510℃,加热时间30~90s,然后放入具有保温装置的预成形模具型腔内(模具温度280~490℃、保温时间2h),在三向压应力和变形速率为5~15mm/s的作用下,经过3~5道次的挤压变形,每道次的变形量在30~85%范围,在成形过程中坯料表面涂布一层润滑剂,进行梯度变温累积大塑性挤压成形,每道次成形完成后,清理预成形件表面(油污、毛刺等),为下一道次挤压成形作准备。

(3)冷精整形:将步骤(2)所得的坯件放入终成形模具型腔内,在三向压应力和变形速率为2~5mm/s的作用下,经过1~4道次的冷精整形,每道次的变形量在1~5%之间,通过冷精整形处理后的药型罩锥面、球面圆周壁厚差≤0.1mm、表面粗糙度≤Ra0.2μm。

(4)振动时效处理:将步骤(3)所得的药型罩构件进行振动时效处理1~3次,采用智能振动时效IFVSR-2000型设备,通过频谱扫描获得共振峰,确定加速度幅值为偏心2档,处理时间10~45分钟。

(5)低温去应力处理:将步骤(4)所得的挤压件放入真空热处理炉中,热处理温度135~185℃,热处理时间2~4h,真空度≥3×10-3Pa,随炉冷却到80℃以下出炉,获得药型罩构件。

(6)将步骤(5)所得的药型罩构件进行波导孔、外径的少余量精密切削加工,保证中心波导孔、外径等装配尺寸满足图纸设计要求。

所述步骤(1)中纯铜坯料包括TU1、TU2、T1、T2等。

所述步骤(2)中感应加热温度300~510℃,加热时间45~75s,依据挤压成形道次、坯料的尺寸确定,初始道次、大规格尺寸坯料的加热温度高。

所述步骤(2)中3~5道次的挤压成形,根据药型罩的口径尺寸、壁厚、球面半径等形状结构特点,设计所需的变形道次,尺寸小、形状简单的零件成形道次少,相同口径药型罩壁厚的成形道次少。

所述步骤(2)中变形量为30~85%,根据挤压道次和零件结构特点,合理分配每道次的变形量,随挤压成形道次的增加变形量降低,实现近均匀塑性变形。

所述步骤(2)中润滑剂,包括纳米石墨、纳米二硫化钼、石油磺酸钡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。

所述步骤(3)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(4)中1~3道次的振动时效处理,根据药型罩底部、口部壁厚尺寸,以及应力分布等参数确定。

有益效果

1.本发明通过变形应力和应变效应发生动态再结晶,使晶粒组织细化,同时配合冷精整形技术,实现药型罩尺寸精度、表面质量的协同控制;并消除药型罩内部应力不均,从而实现药型罩弱织构对称性控制,既保证了尺寸精度,又实现表面光亮化,同时又提高产品性能的稳定性。

2.药型罩侵彻性能的稳定性对织构、晶粒组织、应力敏感,本发明实现低应力弱织构对称性、组织均匀性的多重控制。解决常规塑性成形方法织构严重与对称性差(图1)、组织不均匀(图2)的技术难题,实现药型罩外形尺寸精确、内在组织均匀的双重控制,提高药型罩的侵彻能力与稳定性。

3.本发明具备以下优势:

(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95%。

(2)加工效率高:与冲压成形相比,加工效率提高1~2倍。

(3)表面质量好:表面粗糙度达到Ra0.2um。

(4)尺寸精度高:达到IT6。

附图说明

图1冲压成形盘类药型罩织构分布

图2冲压成形盘类药型罩组织分布(金相显微镜放大100倍)

图3药型罩梯度变温累积大塑性挤压变形过程图

图4盘形结构药型罩成形件

图5冷精整形后的显微组织(金相显微镜放大100倍)

图6药型罩织构分布

具体实施方式

下面是具体实施例证对本发明进行具体描述,在此指出以下实施例证只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术是由熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种药型罩的制备方法,按以上步骤进行:

(1)坯料的准备:以弧锥结构的EFP盘形药型罩为例,口径尺寸为114mm,外球面半径126mm、内球面半径145mm、锥角33°、球冠高度25.6mm、底部壁厚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2.5mm加工余量,并在药型罩球面中心底部设计φ5mm的定位凸台;采用UG、DEFORM软件对药型罩挤压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T2纯铜冷拉制棒材尺寸为φ50×26.2mm,棒材的杂质元素含量如表1所示:

表1 T2铜棒材的杂质元素含量(wt.%)

(2)梯度变温累积大塑性挤压成形:首先将挤压成形模具系统进行预热保温,保温时间2h;然后将步骤(1)所得的坯料放入感应加热装置进行加热,热透后再放入预挤压模具型腔内,在三向压应力和一定的变形速率作用下,经过4道次的挤压变形,获得药型罩构件,成形工序如图3所示,每道次变形量分配、坯件加热温度等参数如表2所示。

表2梯度变温累积大塑性成形参数

(3)冷精整形:将步骤(2)所得的坯件放入精整形模具型腔内,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3所示,经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.02~0.07mm,表面粗糙度Ra0.09~0.17μm。

表3冷精整形参数

(4)振动时效处理:采用智能振动时效IFVSR-2000型设备,通过频谱扫描得到共振峰,确定加速度幅值为偏心2档,将步骤(3)所得的药型罩构件进行振动时效处理3次。第1次振动时效处理时间30分钟,第二次振动时效处理时间20分钟,第三次振动时效处理时间10分钟

(5)低温去应力处理:将步骤(4)所得的挤压件放入真空热处理炉中,热处理温度145℃±1℃,热处理时间2h,热处理炉真空度(1~3)×10-3Pa,随炉冷却到80℃以下出炉。

(6)将步骤(5)所得的药型罩构件进行少余量精密切削加工,保证中心波导孔、外径等与战斗部装配的尺寸满足图纸设计要求。

将上述得到的药型罩(图4),采用金相显微分析方法测试,平均晶粒尺寸5~8μm(图5);采用X射线测试方法,织构最大极密度值约为2.9(图6),与冲压等传统成形工艺相比(最大极密度值约8),织构分布均匀对称,最大极密度值降低约65%;采用通用的静破甲试验方法(主靶板厚度60mm、副靶10mm),与传统冲压成型的药型罩相比(每种试验5件),破甲深度提高约10%,稳定性提高约20%。

实施例2

一种药型罩的制备方法,按以上步骤进行:

(1)坯料的准备:以弧锥结构的EFP盘形药型罩为例,口径尺寸为142mm,外球面半径138mm、内球面半径152mm、锥角38°、球冠高度29.4mm、底部壁厚为4.5mm;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2.5mm加工余量,并在药型罩球面中心底部设计φ5mm的定位凸台;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TU1纯铜棒材直径φ55×42mm。

(2)梯度变温累积大塑性挤压成形:首先将挤压成形模具系统进行预热保温,保温时间2h;然后将步骤(1)所得的坯料放入感应加热装置进行加热,热透后再放入预挤压模具型腔内,在三向压应力和一定的变形速率作用下,经过5道次的挤压变形,获得药型罩构件,每道次变形量分配、坯件加热温度等参数如表4所示。

表4梯度变温累积大塑性成形参数

(3)冷精整形:将步骤(2)所得的坯件放入冷精整形模具模腔内,在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下,经过3道次的挤压精整形(坯件旋转120℃),如表5所示,经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.03~0.08mm,表面粗糙度Ra0.04~0.12μm。

表5冷精整形参数

(4)振动时效处理:采用智能振动时效IFVSR-2000型设备,通过频谱扫描得到共振峰,确定加速度幅值为偏心2档,将步骤(3)所得的药型罩构件进行振动时效处理2次。第1次振动时效处理时间30分钟,第2次振动时效处理时间10分钟。

(5)低温去应力处理:将步骤(4)所得的挤压件放入真空热处理炉中,热处理温度165℃±1℃,热处理时间2h,热处理炉真空度(1~3)×10-3Pa,随炉冷却到80℃以下出炉。

(6)将步骤(5)所得的药型罩构件进行少余量精密切削加工,使中心波导孔、外径等与战斗部装配的尺寸满足图纸设计要求。

将上述得到的药型罩,采用金相显微分析方法测试,平均晶粒尺寸2.8~5μm;采用X射线测试方法,织构最大极密度值约2.6,与冲压等传统成形工艺相比(最大极密度值约8),织构分布均匀,最大极密度值降低约70%;采用通用的静破甲试验方法(主靶板厚度70mm、副靶10mm),与传统冲压成型的药型罩相比(每种试验5件),破甲深度提高约10%,稳定性提高约20%。

实施例3

一种药型罩的制备方法,按以上步骤进行:

(1)坯料的准备:以弧锥结构的EFP盘形药型罩为例,口径尺寸为100mm,外球面半径112mm、内球面半径126mm、锥角22°、球冠高度21.4mm、底部壁厚为3.2mm;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2.5mm加工余量,并在药型罩球面中心底部设计φ5mm的定位凸台;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TU1纯铜棒材直径φ40×21mm。

(2)梯度变温累积大塑性挤压成形:首先将挤压成形模具系统进行预热保温,保温时间2h;然后将步骤(1)所得的坯料放入感应加热装置进行加热,热透后再放入预挤压模具模腔内,在三向压应力和一定的变形速率作用下,经过3道次的挤压变形,获得药型罩构件,每道次变形量分配、坯件加热温度等参数如表6所示。

表6梯度变温累积大塑性成形参数

(3)冷精整形:将步骤(2)所得的坯件放入冷精整形模具模腔内,在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下,经过3道次的挤压精整形(坯件旋转120℃),如表7所示,经检测药型罩锥面、球面圆周壁厚差0.02~0.05mm,表面粗糙度Ra0.02~0.1μm。

表7冷精整形参数

(4)振动时效处理:采用智能振动时效IFVSR-2000型设备,通过频谱扫描得到共振峰,确定加速度幅值为偏心2档,将步骤(3)所得的药型罩构件进行振动时效处理2次。第1次振动时效处理时间45分钟,第2次振动时效处理时间30分钟。

(5)低温去应力处理:将步骤(4)所得的挤压件放入真空热处理炉中,热处理温度175℃±1℃,热处理时间3h,热处理炉真空度(1~3)×10-3Pa,随炉冷却到80℃以下出炉。

(6)将步骤(5)所得的药型罩构件进行少余量精密切削加工,保证中心波导孔、外径等与战斗部装配的尺寸满足图纸设计要求。

将上述得到的药型罩,采用金相显微分析方法测试,平均晶粒尺寸5~10μm;采用X射线测试方法,织构最大极密度值约2.3,与冲压等传统成形工艺相比(最大极密度值约8),织构分布均匀,最大极密度值降低约72%;采用通用的静破甲试验方法(主靶板厚度50mm、副靶10mm),与传统冲压成型的药型罩相比(每种试验5件),破甲深度提高约10%,稳定性提高约20%。

结果表明:

首先采用梯度变温累积大塑性挤压成形技术,在一定温度条件下挤压变形,通过变形应力和应变效应发生动态再晶粒,使晶粒组织细化;在通过冷精整形技术,实现药型罩几何尺寸精确、高表面质量的双重控制;最后采用振动时效+低温去应力处理方法,消除药型罩应力不均,从而实现药型罩弱织构、对称性控制,既保证了尺寸精度,又实现表面光亮化,同时又提高产品性能的稳定性。通过该方法获得低应力、弱织构对称的细晶均匀药型罩,平均晶粒尺寸≤10μm,圆周壁厚差≤0.08mm、表面粗糙度≤Ra0.2μm、锥角偏差≤2′,极密度值≤3。与传统的冲压成型药型罩相比,破甲深度提高约10%,稳定性提高20%以上。

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