某型榴彈彈體內(nèi)膛加工折彎刀桿設(shè)計

鄭利民，李艷飛

(遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

0 引言

榴彈是彈丸內(nèi)裝有猛炸藥，主要利用爆炸時產(chǎn)生的破片和炸藥爆炸的能量以形成殺傷和爆破作用的彈藥總稱[1]。這種彈藥威力的發(fā)揮主要是依靠榴彈的戰(zhàn)斗部，其戰(zhàn)斗部主要由炸藥裝藥和彈體兩部分組成，而在榴彈的生產(chǎn)過程中，在彈體加工完成后才能將炸藥裝入彈體的內(nèi)膛。因此彈體的內(nèi)膛加工質(zhì)量制約著炸藥的裝藥量，從而影響榴彈戰(zhàn)斗部威力的發(fā)揮。所以榴彈的內(nèi)膛加工就成為了彈體加工的重要工序。

榴彈彈體的內(nèi)膛一般包括彈體內(nèi)表面的圓柱部和弧形部?；⌒尾吭趶楏w的收口工序及旋壓等過程中已經(jīng)形成，故在機加工藝中不安排內(nèi)表面加工工序[2]，所以在機加過程中只需完成對內(nèi)膛圓柱部的加工。本文針對某型榴彈在進行彈體內(nèi)膛圓柱部加工時尺寸加工不到位的問題，通過對刀桿和彈體口部尺寸的分析，提出在原有刀桿的基礎(chǔ)上進行折彎設(shè)計，從而實現(xiàn)對某型榴彈內(nèi)膛圓柱部的高質(zhì)量加工。

1 折彎力計算及仿真分析

1.1 刀桿折彎力的確定

圖1所示為某型榴彈與內(nèi)膛車刀加工內(nèi)膛時的相對位置示意圖。從圖中可以看出，彈體內(nèi)膛圓柱部距離彈體內(nèi)膛口部底部距離為87.5mm，當?shù)稐U伸入內(nèi)膛口部達到該距離后，刀尖與加工內(nèi)膛圓柱部的端面距離相差約6.67mm，因此要想完成對某型榴彈內(nèi)膛圓柱部的加工，需要使刀桿向下彎曲6.67mm，這樣才能使刀桿接近口部邊緣后也能夠使刀片完成對內(nèi)膛圓柱部的加工。

圖1 某型榴彈內(nèi)膛加工示意圖

通過上面的分析，將刀桿折彎的受力狀態(tài)簡化為如圖2所示的力學(xué)模型。圖2中A點對應(yīng)圖1中刀桿伸入榴彈內(nèi)膛時與口部底面的接觸位置。B點為刀桿頭部位置。因此AB兩點的距離l為87.5mm，最大撓度WB為6.67mm，所以根據(jù)最大撓度[3]計算公式

圖2 刀桿受力折彎力學(xué)簡圖

(1)

(2)

式中的截面慣性矩I與刀桿的截面形狀有關(guān)，刀桿的截面形狀尺寸如圖3所示為非規(guī)則截面，所以需要借助CAD軟件進行計算，經(jīng)計算，結(jié)果為Iy=49 605.850 8mm4，Ix=47 879.843 8mm4。所以計算時取I=Ix；刀桿材料為42CrMo，根據(jù)文獻[4]彈性模量為E=2.12×1011Pa。將所有已知數(shù)據(jù)帶入式(2)，可得折彎力為303 187.656N。

圖3 刀桿截面圖

1.2 刀桿折彎仿真計算

為了進一步驗證理論計算的正確性，應(yīng)用ANSYS Wrokbench有限元分析軟件對刀桿受力折彎過程進行仿真計算。由1.1的分析可知，刀桿的折彎部分需要變形，而折彎部分以外是不需要變形的，所以折彎的仿真采用ANSYS Workbench剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析模塊完成。建模時將剛體和柔性體分開建模，通過接觸的定義將二者結(jié)合到一起，分析時將刀桿的折彎部分設(shè)置為柔性體并劃分網(wǎng)格，其余部分設(shè)置為剛體，如圖4所示。

圖4 ANSYS Workbench中的刀桿剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

對于柔性體需要添加材料模型，刀桿材料為42CrMo，材料參數(shù)選自參考文獻[4]，如表1所示。網(wǎng)格劃分和材料模型添加完畢后對模型添加約束和載荷。首先將刀桿剛體部分不與變形體接觸的端面添加固定約束；然后在刀桿柔性體不與剛體接觸端面且不安裝刀片一端施加303 187.656 N的載荷，添加載荷后的模型如圖5所示。然后進行仿真計算和結(jié)果查看。本文所關(guān)心的是刀桿的折彎變形情況，因此添加Total Deformation，查看模型的最大總變形，其最大等效變形云圖如圖6所示。由圖6可以看出刀桿前端的最大等效變形為7.604 7mm，相比于理論變形值6.67mm大了14.01%。這是因為刀桿的截面面積在端面處相對于理論分析值稍小，因此造成了抗彎強度降低，使變形量有所增加，同時考慮在實際的折彎過程中會發(fā)生材料的回彈，按照理論計算結(jié)果會造成變形不到位的情況，所以對于稍大于理論計算值的變形在實際進行折彎加工是合理的。

表1 42CrMo材料模型參數(shù)

圖5 添加載荷后的刀桿模型

圖6 刀桿最大等效變形云圖

2 折彎刀桿加工時的強度分析

2.1 切削力計算

刀桿在工作時主要承受來自刀片加工時的切削力，因此切削力的計算主要根據(jù)刀片的結(jié)構(gòu)尺寸確定。對于硬質(zhì)合金車刀，切削合力可以分解為3個分力，即主切削力Fc、背向力Fp以及進給力Ff。三者的計算公式分別為[5]：

(3)

(4)

(5)

式中：CFc、CFp、CFf為與加工材料、刀具材料和加工形式有關(guān)的系數(shù)；xFc、yFc、nfc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf為與加工材料、刀具材料和加工形式有關(guān)的指數(shù)；KFc、KFp、KFf為修正系數(shù)；ap、f、Vc為背吃刀量、進給量、進給速度。

通過查文獻[6]可得：

CFc=270；XFc=1.0；yFc=0.75；nFc=-0.15。

CFp=199；XFp=0.9；yFp=0.6；nFp=-0.3。

CFf=294；XFf=1.0；yFf=0.5；nFf=-0.4。

已知彈體材料為58SiMn，材料的強度極限為σb=1 080MPa，由刀尖圓弧半徑R=0.8(查表時取1.0)，刀片前角ro=0°，主偏角kr=90°，刃傾角λs=0°，吃刀量ap=0.6mm，進給量f=0.2min/r，切削速度Vc=90m/min，工作效率取9.81，最后可計算得：

Fc=9.81×270×0.61.0×0.20.75×90-0.15×1.332 4≈322.444 3N；

Fp=9.81×199×0.60.9×0.20.6×90-0.3×1.139 2≈138.612 8N；

Ff=9.81×294×0.61.0×0.20.5×90-0.4×2.721 6≈348.184 9N。

2.2 刀桿強度分析

分析時使用UG三維仿真軟件進行模型建立并將刀桿和刀片進行裝配，然后將UG中裝配好的三維模型以STP格式的文件導(dǎo)入到ANSYS Workbench[7]中。模型導(dǎo)入成功后進行材料模型的設(shè)置，刀桿的材料為42CrMo，材料參數(shù)見表1，刀片的材料為硬質(zhì)合金，材料參數(shù)如表2所示。材料模型設(shè)置后分別賦給刀桿和刀片，并給模型劃分網(wǎng)格，共劃分177 249個節(jié)點、124 018個單元。劃分后的模型如圖7所示。

圖7 劃分網(wǎng)格后的刀桿和刀片

表2 硬質(zhì)合金材料模型參數(shù)

網(wǎng)格劃分完成后要添加約束和載荷，經(jīng)分析刀桿在加工內(nèi)膛時一端為固定端，因此在刀桿的后端面添加固定約束，而在加工過程中刀片為承受切削力的部件，前面已經(jīng)經(jīng)過理論計算，因此在刀片的刀尖處添加力，然后將理論計算得到的受力值添加到x、y、z三個方向，添加約束和載荷后的模型如圖8所示。之后進行有限元計算并添加Total Deformation以及Equivalent Stress來查看最大等效變形和等效應(yīng)力。二者的云圖如圖9和圖10所示。

圖8 添加約束和載荷后的模型

圖9 刀桿和刀片的最大等效變形云圖

圖10 刀桿和刀片的最大等效應(yīng)力云圖

由圖9可以看出，在進行內(nèi)膛切削過程中，刀桿的最大等效變形為0.258 58mm，出現(xiàn)在刀桿切削的一端。這是因為在進行切削過程中整個模型近似為一個懸臂梁，受力一端變形最大；而從圖10可以看出，模型的最大等效應(yīng)力值為330.11MPa，出現(xiàn)在刀片與切削端相對一側(cè)的刀桿位置。這是因為刀片工作時受力很大產(chǎn)生變形后，導(dǎo)致刀片與刀桿接觸，二者在切削力作用下相互作用，且刀桿在該位置有一個易產(chǎn)生應(yīng)力集中的棱角，因此造成該部位所受到的應(yīng)力最大。從計算結(jié)果來看，刀桿所受的應(yīng)力小于材料的屈服極限，變形也很微小，所以在正常的工作狀態(tài)下，折彎刀桿能夠滿足對某型彈體的內(nèi)膛加工要求。

3 折彎刀桿加工及內(nèi)膛車削應(yīng)用

經(jīng)過上面的分析，折彎刀桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工作狀態(tài)能夠滿足要求，因此可以在原內(nèi)膛車刀刀桿的基礎(chǔ)上進行折彎加工。加工時采用某型50t壓力機對刀桿進行下壓加工，根據(jù)理論計算可知壓力值為303 187.656N，所施加的壓力約為30.937t。由于此數(shù)據(jù)精度較高，手動調(diào)節(jié)很難達到，所以實際加壓時采用31t的壓力對刀桿進行加工，加工后由于材料的回彈量大于仿真時的預(yù)估值，因此對刀桿的折彎部分進行了多次打磨和內(nèi)膛切削驗證才達到了設(shè)計要求。圖11為經(jīng)過壓力機折彎加工并打磨后的刀桿。

圖11 加工成型的折彎刀桿

對采用折彎刀桿加工某型榴彈內(nèi)膛圓柱部在檢驗加工質(zhì)量時，分別對完成機加工序和經(jīng)過內(nèi)膛噴砂的成品彈進行了切割檢驗，如圖12和圖13所示。經(jīng)過檢驗，彈體內(nèi)膛的加工質(zhì)量能夠滿足對某型榴彈內(nèi)膛圓柱部尺寸的加工要求。

圖12 某型榴彈完成內(nèi)膛圓柱部機加工序的切割彈

圖13 某型榴彈成品彈切割彈

4 結(jié)語

本文通過理論分析、仿真計算和對刀桿的加工，完成了對某型榴彈內(nèi)膛圓柱部加工的折彎刀桿設(shè)計。經(jīng)過對內(nèi)膛加工的實際應(yīng)用，并對成品彈進行切割檢驗，驗證了設(shè)計方案的合理性，解決了某型榴彈內(nèi)膛圓柱部加工不到位的問題。