一种轻量化活塞杆的制作方法

本发明涉及活塞杆，具体涉及一种轻量化活塞杆。

背景技术：

导气式自动步枪是指采用在身管上开侧孔的方法将膛内的部分高压火药燃气由导气孔导入气室，推动自动机基础构件进行后坐运动，当后坐到位后，在复进装置的作用下复进，基础构件在后坐和复进的过程中，通过机构的传动，完成自动循环。自动武器侧向导气装置是指利用身管侧向的导气孔流出的部分火药气体完成某种工作的装置，最早运用的侧向导气装置，是为自动武器自动机提供原动力的导气式武器的导气装置。随着自动武器的不断发展，利用侧孔导出的火药气体完成的功能越来越多，导气装置的结构形式多重多样，但是他们的气体动力过程基本相同。

自动步枪的导气装置的主要组成部分有：导气孔、导气室、活塞等。以某自动步枪为例，导气装置的活塞杆质量约为260g，其中活塞的材料为40Cr。

活塞杆是机械元件中一个运动比较频繁的元件，一般与动力装置连接，它的使用寿命往往决定了整个部件的使用寿命，而承载能力、冲击强度、疲劳寿命是考量活塞杆的使用寿命的重要指标，此外，活塞杆的长度设计取决于失稳弯曲极限，特别对于武器来说，在保证其功能、质量和寿命的前提下，其每减少一克都具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种轻量化活塞杆，对活塞杆的结构进行优化，在不降低其功能、质量和寿命的前提下大大减小其重量。

本发明揭示了一种轻量化活塞杆，包括杆体以及设置在所述杆体两端的活塞，所述杆体为截面呈十字形的柱体，其侧面沿杆体轴向对称开设有四个凹弧槽，所述杆体长度为90mm，其截面外切圆的直径为10mm，所述凹弧槽由中间的圆弧槽及两端的弧形过渡槽组成，其中所述圆弧槽的槽长为50mm，槽宽为5mm，槽深为1.5mm，圆弧半径为R7，所述弧形过渡槽的槽口及槽底均为弧形结构，将弧形过渡槽纵切面映射至坐标系中，设定槽底一端为圆点O，垂直于槽底的轴为Y轴，弧形槽底的曲线方程为y＝0.0073x²-0.0024x，弧形槽口的曲线方程为y＝0.0045x²-0.0018x+0.58。

所述凹弧槽的槽口边与杆体具有R0.5的倒角。

所述杆体与两端的活塞之间具有R2的倒角。

与现有技术相比，本发明的一种轻量化活塞杆，在杆体侧面对称开设有四个凹弧槽，可以极大的减轻活塞杆的重量，将凹弧槽设计成附图中的形状，可以保证其功能、质量和寿命与圆柱形活塞杆一致。

附图说明

图1是现有的原活塞杆的结构立体图；

图2是本发明的轻量化活塞杆的结构立体图；

图3是本发明的轻量化活塞杆的主视图；

图4是本发明凹弧槽的分解图；

图5是本发明的轻量化活塞杆横向截面图；

图6是本发明弧形过渡槽纵切面映射坐标图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示为现有的轻量化活塞杆，其包括圆柱体的杆体以及设置在杆体两端的活塞2。

如图2～5所示，本发明所揭示的一种轻量化活塞杆，与现有技术中的区别在于，所述杆体1为截面呈十字形的柱体，其侧面沿杆体轴向对称开设有四个凹弧槽3，所述杆体长度为90mm，其截面外切圆的直径为10mm，所述活塞2直径为13mm。

具体说来，所述凹弧槽3由中间的圆弧槽4及两端的弧形过渡槽5组成，其中圆弧槽的槽长为50mm，槽宽为5mm，槽深为1.5mm，圆弧半径为R7(由图5可以看出)，设定所述杆体轴向为纵向，与轴向垂直的方向为横向，所述弧形过渡槽纵向横切面如图6所示，其中弧线AB为槽底，弧线BC为槽口，将图6中弧形过渡槽的横切面映射到坐标系中，设定A点为圆点O，垂直于槽底的轴作为Y轴，其中弧线AB的曲线方程为y＝0.0073x²-0.0024x，弧线BC的曲线方程为y＝0.0045x²-0.0018x+0.58。

所述凹弧槽的槽口边与杆体具有R0.5的倒角，以避免应力集中，同时也避免装配时划伤工人，所述杆体两端与活塞之间具有R2的倒角，避免应力集中。

下面采用具体数据运算对杆体的性能进行验证：

承载能力校核

以某自动步枪为参考对象，根据内弹道计算得到的内弹道数据如下：弹头经过导孔气时的膛内平均压力为57MPa，弹头出膛时的膛内平均压力为37MPa，活塞杆所用材料为40Cr，它的屈服强度σs为785MPa，轻量化后的活塞杆的安全系数n_k为2，它的许用应力由式(1)求得为392.5MPa。

原活塞杆头部(活塞杆头部直径为13mm)截面积为132.7mm²，杆部(杆部直径为10mm)截面积为78.54mm²。轻量化后的活塞杆二头部截面积不变，仍为132.7mm²，杆部截面积减小为56.71mm²，轻量化后，由于面积减小，活塞杆杆部应力由式(2)计算为133.4MPa，仍远小于40Cr的许用应力392.5MPa，故满足强度要求。此外，按照式(3)计算得到活塞杆最小截面面积F_min为19.27mm²，而轻量化活塞杆的杆部截面积为56.71mm²，远大于19.27，满足要求。

[σ]＝σs/n_k (1)

式中[σ]-40Cr的许用应力，MPa；

σs-40Cr的屈服强度，MPa；

n_k-安全系数。

式中σ_杆-活塞杆所受应力，MPa；

σ_头-活塞头部所受应力，为57MPa；

S_头部-活塞头受力面表面积，mm²；

S_杆部-活塞杆截面表面积，mm²。

F_min≥F_p/[σ] (3)

式中F_min-最小截面面积，mm²；

F_p-纵向总压力，N；

[σ]-40Cr的许用应力，MPa。

稳定性校核

活塞杆受轴向压缩负载时，其值F超过某一临界值F_k，就会失去稳定。活塞杆的稳定性按下式进行校核。

式中n_k-安全系数，分析计算得轻量化后的十字型活塞杆的最小安全系数为2.0。

当活塞杆的细长比时

当活塞杆的细长比时

式中l-安装长度，mm；

r_k-活塞杆横截面最小回转半径，

ψ₁-柔性系数，根据40Cr为中碳钢，取ψ₁＝85；

ψ₂-由支撑方式决定的末端系数，取ψ₂＝4；

E-活塞杆材料的弹性模量，对40Cr，取E＝2.06×10¹¹Pa；

J-活塞杆横截面惯性矩，由强度分析计算出为274.57mm⁴；

A-活塞杆横截面积，为56.71mm²；

f-由材料强度决定的实验值，为490MPa；

α-系数，根据40Cr为中碳钢，取

最终由式(5)算得F_k＝27787.9N，代入式(3)得则压缩载荷F＝7562N，小于满足稳定性要求。

轻量化前后变形量对比

基于有限元的力学和强度分析计算，由分析计算得到圆柱形活塞杆的最大综合变形量为0.0385mm，优化后的十字型活塞杆的最大变形量为0.0391mm。由上可见，不仅能满足失稳要求(弯曲强度)，且比减重前变形量仅增加0.0006mm。该槽的加工，可采用精锻毛坯，成型铣刀分别加工四个槽。中段直线进给，二端按弧线AB的曲线方程轨迹线进给，即可加工出该槽。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。