小口徑子彈裝配性能評估與試驗技術研究

陳晶晶 趙金庫 趙玉峰 樸春華 王成恩

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240;2. 黑龍江北方工具有限公司 黑龍江牡丹江,郵編 157000)

0 引 言

隨著軍事戰略與戰爭要求的變革,現代軍事裝備對裝備質量提出了越來越高的要求,而槍彈作為一種基礎、必要的軍事裝備,我國在生產槍彈方面雖然能夠達到使用要求,但在產量、良品率和槍彈質量等重要指標上還未很好地兼顧到。

在現代軍事環境中,彈藥不僅需要確保操作人員的安全,還必須在有效射程內精確打擊目標,并產生足夠的殺傷效能和穿透效果。子彈的殺傷效能和穿透效果主要由拔彈力決定,而拔彈力要達到一定標準,要求藥量和結構過盈量同時達到標準。子彈的精確性又需要保證制造的形狀精度、同軸度誤差和全彈長誤差等多個因素。

國內對子彈性能研究主要集中在理論計算、仿真分析等方向。2005年陳連基于正態分布的概率模型對簡單的厚壁圓筒進行了過盈連接的可靠性分析,并分析了過盈量、配合直徑和配合長度對過盈連接的可靠性的影響[1］。錢俊松根據彈性力學基本假設、拉梅公式以及結合處的邊界條件,推導出拔彈力與過盈量之間的關系[2］。

綜上所述,盡管國內對武器裝備的需求不高,但新時代的軍事戰略要求未來實際使用的武器彈藥有足夠的可靠性。而國內目前對小口徑彈藥的研究還不夠完善,本文綜合試驗系統設計、關鍵性能指標研究和完備的實驗方案,為小口徑彈藥的研究、性能評估提供了一套完整的體系。

1 裝配性能試驗系統設計

圖1所示為裝配性能試驗系統設計方案。該方案由執行系統、多功能驗證調整模組、控制系統、下位機、上位機等組成。執行系統主要實現壓裝運動和夾具運動;多功能驗證調整模組主要實現被測試件的裝夾定位,正反壓裝轉換,偏心調節等功能;控制系統包含了整機的供電,執行系統的驅動控制,兩側的光電安全防護及各種必要的傳感器控制;下位機實現運動控制、壓裝力控制、速度控制及位置控制等驅動控制指令的上傳下達,同時進行人機交互和安全防控接口控制;上位機通過圖形化的控制界面能夠清晰簡單地實現實驗參數的設置,并進行實驗數據的統計分析。

圖2為小口徑子彈裝配性能試驗方案的傳動系統,包含多功能夾頭、夾緊模組、偏心調節機構、反壓機構等。

圖2 裝配性能評估傳動系統

多功能夾頭和夾緊模組用于對彈頭、底火、彈殼的裝夾定位,可實現不同型號的小口徑彈藥的壓裝試驗;偏心機構可實現夾緊模組在水平X、Y方向的調節,能夠驗證偏心對壓裝性能的影響。彈頭夾持器用于彈頭的夾持定位,彈殼夾持器用于彈殼的夾持定位,夾緊氣缸用來驅動彈頭夾持器和彈殼夾持器的夾緊松開。為了得到彈頭的拔彈試驗數據,多功能驗證調整模組內部還設計了一套齒輪齒條的反壓機構,通過伺服壓機的壓頭作用于下壓桿,驅動反向齒輪轉動,從而帶動反壓桿向上運動,將彈頭向上頂出,實現彈頭與彈殼的分離。忽略齒輪齒條傳動機構摩擦力的情況下,伺服壓機所施加的力即等于將彈殼與彈頭分離所需的力。

2 試驗流程設計

試驗流程如下頁圖3所示。

圖3 小口徑彈藥智能制造驗證試驗流程

實驗具體步驟:

材料準備:模擬小口徑子彈的材料選用H68黃銅,以基孔制制造一批過盈量不同的模擬彈頭和彈殼,每個過盈量制造數量不小于50個,過盈裝配生產誤差不高于0.005 mm。

試驗設計與準備:針對試驗內容制定試驗計劃。完成相應設備的調試準備工作。并對設備狀態進行校準,在啟用壓機前先要手動調試進行機械尋零,使壓頭達到機器出廠設定的零點,并測量機械零點與彈頭頂端之間的距離,作為空行程。在做好以上準備后需要用網線將機器與上位機連接,設置好對應的IP與掩碼,以實現上位機對壓機的控制與數據的導出。根據調試階段測量的空行程距離,設置相應的空行程速度為100 mm/s,工作行程速度為10 mm/s,為避免錯誤工況導致實驗設備損壞,設置壓機上限壓力為5 kN。

根據不同試驗內容,將不同規格的彈頭分裝,在壓裝之前對同一規格的彈頭使用馬克筆進行1～10編號,依次進行壓裝。首先將導向機構松開,將彈殼放入彈殼限位孔,再通過伺服氣缸閉合導向機構,放入彈頭,將壓機調至運行模式,關閉本地鎖,按下啟動按鈕,壓機將根據設定的程序對子彈進行壓裝,每完成一次壓裝壓頭會按設定的回程速度回到壓裝原點,最后松開導向機構,將壓裝好的子彈取出并放入對應的分裝袋中。

試驗一:小口徑彈藥裝配過程中過盈量與壓裝力的規律研究

選擇一系列過盈量下的彈頭和彈殼,在保證同軸度足夠高的工況下,以0.1 m/s的壓裝速度進行正常流程的壓裝實驗,每個過盈量的彈頭和彈殼進行十次以上的壓裝實驗,記錄壓裝好的子彈的編號及其過盈量,并導出對應數據,分析其壓裝力位移曲線。

試驗二:小口徑彈藥裝配過程中彈頭同軸度與壓裝力的規律研究。

選擇某一過盈量的彈頭和彈殼,并將壓頭設置幾個偏心量,然后依據正常壓裝流程進行壓裝實驗,記錄相應偏移量下的壓裝曲線,并提取出最大壓裝力,將其與無偏下的標準過盈量壓裝曲線進行對比分析,從而判斷同軸度誤差對應力分布的影響。

試驗三:彈頭與彈殼裝配過程中某一過盈量下的最大壓裝力與拔彈力的對應規律研究。

拔彈裝置的功能實現是通過一個齒輪齒條裝置實現的。在工作面上有一下壓桿,它作為一個齒條,通過反向齒輪傳導壓力來推動另一端的一個從動齒條,從動齒條作為反壓桿,當壓機對下壓桿施加壓力時,反壓桿就會向上運動,通過未封閉的彈殼底部對彈頭施加向上的壓力,由于彈殼頂端被限位,當壓機的壓力逐漸增大到拔彈力時,彈頭就會慢慢被頂出,此時壓機的壓力就等于相應的拔彈力。拔彈測試首先需要將工作平面平移到壓頭與下壓桿對齊的工位,并重新測量壓頭與下壓桿頂端之間的距離,由于空行程和工作行程都有所改變,所以需要重新設定程序,使壓頭在接觸下壓桿后緩慢施加壓力將彈頭頂出。該實驗根據動摩擦系數與靜摩擦系數相對恒定的比例來研究最大壓裝力與拔彈力之間的對應關系。

試驗四:變速驗證試驗

變速壓裝實驗的目的是測試壓裝速度對成彈質量——主要是全彈長誤差的影響,控制過盈量、摩擦力和接觸長度不變,將壓裝速度作為唯一變量對子彈進行壓裝,設置四個不同壓裝速度的程序,并在壓裝后對子彈進行編號及測量成彈的全彈長。

數據處理:壓裝的歷史曲線儲存在W500_NCFK的SD卡中,當需要使用歷史曲線信息時,可以使用查找和導出功能實現。歷史曲線信息通過程序號來分類保存數據,導出數據時根據實驗類別將數據分別導出至過盈量實驗、變速實驗、拔彈實驗的文件夾中。

數據分析: 根據實驗數據曲線,結合仿真分析,對小口徑彈藥壓裝機理模型進行試驗數據分析。

3 試驗數據統計分析

3.1 實驗一:不同過盈量驗證試驗

分別對0.02 mm、0.04 mm、0.06 mm、0.09 mm、0.11 mm、0.13 mm、0.15 mm、0.17 mm過盈量下的彈殼和彈頭組合進行編號后開展壓裝試驗,根據操作標準依次壓裝制定的彈頭,并在壓裝后對數據進行導出。在導出后使用曲線處理軟件對得到的數據進行分析。使用H68黃銅為原材料制成彈頭和彈殼,采用基孔制配合方法,以彈殼內徑9.03 mm為基準,通過制造不同外徑的彈頭來控制彈頭與彈殼配合的過盈量,所測試彈頭外徑如表1所示。

表1 彈頭外徑尺寸數據

不同過盈量下壓裝力-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同過盈量壓裝力-位移曲線

對上述相同過盈量的曲線的數據進行處理,計算出每個過盈量下的均值線,即將每個坐標點以x軸為基準取y的平均值,列在同一個圖中進行比較,如圖5所示,可以發現:

圖5 壓裝力-位移曲線均值線對比

① 0.02～0.06過盈量之間,壓裝力位移曲線的斜率增加的幅度很大。

② 0.11～0.17過盈量之下,壓裝力位移曲線斜率及最大壓裝力均不再增加。

③ 壓裝起始階段,大過盈量下的力反應突變情況更加顯著。

上述實驗現象①證明了在彈性變形階段增加過盈量可以顯著增加壓裝力,以使拔彈力隨著過盈量的增加而快速增加。實驗現象②證明了當過盈量超過一定界限時,拔彈力不再隨著過盈量的增加而顯著增加,說明材料已經開始發生了塑性變形。實驗現象③證明了大過盈量時,彈頭和彈殼接觸初期就會發生較大的應力集中,且過盈量越大應力集中越明顯,更加容易產生材料的破壞。

3.2 實驗二:偏心壓裝試驗

設置標準過盈量為0.03 mm,偏心量分別設置為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm,對相應的彈頭進行壓裝,記錄并分壓裝曲線,不同偏心量下壓裝力-位移曲線如圖6所示。

圖6 同過盈量不同偏心量壓裝曲線

表2所示為0.03 mm過盈情況下不同偏心量的最大壓裝力。從上數據分析可以發現,對比無偏心量的標準壓裝曲線,有偏心量的最大壓裝力變化幅度非常小,對比同等過盈量增量下的最大壓裝力變化,偏心量對壓裝力的變化造成的影響幾乎可以忽略。

表2 不同偏心量下最大壓裝力

但同時可以看到在0.2 mm偏心量下的實驗結果出現了壓裝力先增大到最大值后再慢慢減小的情況,這個情況與過盈量實驗下的大過盈情況類似,都是因為材料發生了破壞從而產生了壓裝力隨接觸面積降低的情況,在實際生產情況中應該盡量避免這種情況的發生。

3.3 實驗三:拔彈力試驗

對不同過盈量的彈頭和彈殼進行編號,再依次對其進行無偏壓裝,記錄數據并導出后切換程序、切換壓機工作位置后依據原有編號依次對子彈進行拔彈,拔彈后將對應的彈頭和彈殼保留,并記錄拔彈力數據。

以過盈量為0.05 mm的彈頭和彈殼壓裝為例進行驗證,圖7為過盈量為0.05 mm配合的壓裝力曲線。圖 5-7為過盈量為0.05 mm配合的拔彈力曲線。

圖7 過盈量為0.05 mm配合的壓裝力曲線

圖8 過盈量為0.05 mm配合的拔彈力曲線

可以明顯看到壓裝階段的曲線基本呈線性增長,且峰值為0.8 kN～0.9 kN,而拔彈階段的曲線呈先快速上升,再緩慢下降的趨勢,這證明了拔彈過程的機理是壓頭接觸彈頭底后開始施加力,當力緩慢增長直至達到拔彈力后,彈頭和彈殼開始發生相對移動,此后由于接觸長度的不斷減小,相應的摩擦力也開始不斷減小。

通過試驗數據整理分析,最大壓裝力與拔彈力對應關系如表3所示。

表3 最大壓裝力與拔彈力對應表

對最大壓裝力、拔彈力及兩者的比值進行分析,最大壓裝力和拔彈力之間的比值即為彈殼材料與彈頭材料間的靜動摩擦系數之比k=2.78。

3.4 實驗四:壓裝速度對全彈長誤差試驗

對過盈量為0.02 mm的彈頭和彈殼進行變速壓裝,通過編寫壓機的壓裝程序來實現不同速度的壓裝。0.02 mm過盈量的彈頭和彈殼進行編號,依次使用10 mm/s、20 mm/s、50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s、200 mm/s的壓裝速度各進行10次壓裝,再對壓裝好的子彈進行全彈長測量,綜合最大與最小值,得到如下頁表4數據。

表4 不同壓裝速度全彈長測量數據表

從實驗結果可以看出,在低速壓裝的情況下,全彈長誤差基本能控制在1%以內,而隨著壓裝速度的增加,全彈長誤差與壓裝速度呈很強的正相關性。

4 結 語

本文主要根據小口徑彈藥裝配過程中所涉及的關鍵機理,設計了小口徑彈藥智能壓裝試驗驗證系統,并結合彈頭壓裝試驗過程對該系統的使用進行了詳細說明。通過本試驗系統,能夠以獲取彈頭與彈殼最大允許同軸度偏差,為彈頭壓裝設備的壓頭部分與定位部分機構的同軸度設計提出具體的指標要求;通過彈頭壓裝試驗,能夠獲得彈頭與彈殼壓裝的運動規律,不僅為彈頭壓裝設備的設計提供運動學和動力學設計所需基礎參數,對壓裝設備的動力選型、機構設計、穩定性校核、振動控制提供數據,而且為彈頭壓裝生產效率的提升和壓裝質量的提高提供所需的數據支撐;通過拔彈力試驗,可以獲得彈頭與彈殼裝配過盈量與拔彈力的關系,進一步為小口徑彈藥的設計提供數據支撐。本系統還可作為一個通用的試驗平臺,為新產品的設計測試提供原始數據。