APP下载

某炮弹弹体内膛裂纹原因分析

2015-12-31夏克祥姜春茂刘海艳方晓玲孙家利迟维恒

精密成形工程 2015年3期
关键词:钢坯毛坯弹体

夏克祥,姜春茂,刘海艳,方晓玲,孙家利,迟维恒

(北方华安工业集团有限公司,黑龙江齐齐哈尔 161046)

9260钢是我国应用较为普遍的硅猛系合金弹簧材料,具有较高的屈服极限、高的屈强比、广泛的适应性,以及良好的淬透性、冷脆性、热加工性能、冷加工性能等,广泛应用于兵器行业中作为关键零部件的材料,其战术性能相当于国外高破片弹钢的水平[1]。我公司某弹关键零部件弹体采用鞍山特种钢铁有限公司生产的9260钢154 mm×154 mm进行热冲压加工。该钢材的加工方式为连铸、连轧。2014年在弹体生产中,检验员在冲孔工序、水浸探伤工序共计发现90发弹体存在侧壁拉裂和底部裂纹疵病[2],弹体疵病宏观形貌如图1所示。为准确找到裂纹产生的原因,进行了原理分析和理化检测分析。

该弹体制造工艺流程如下:钢坯锯切下料(圆盘锯切割)→工频感应加热(1120~1150℃)→压型→冲下盲孔→冲上盲孔→空冷→粗车→二次感应加热→热拉伸→空冷→弹体退火(感应加热,780~810℃)→粗车(单边车削4 mm)→上部感应加热→收口→热处理→探伤→精车→探伤。

图1 弹体疵病宏观形貌Fig.1 Macro morphology of projectile faults

1 原因分析

1.1 疵病数量统计

用于该弹体冲压生产的9260钢的炉号分别为2014-1和2014-2,共计下料602发,90发壳体毛坯底部不同程度地出现了裂纹疵病,占总体的14.95%[3]。具体疵病情况为:2014-1号炉,投料358发,疵病数量为53,占14.8%;2014-2号炉投料244发,疵病数量为37,占15.16%。

1.2 疵病产生原因分析

1)冲压加工过程中监控的感应加热温度不满足工艺要求、冲压用压型工装尺寸超差或者操作过程中不符合工艺要求,也可能是产生该疵病的原因之一。

2)原材料本身存在缺陷,在后续加工过程中容易产生裂纹,也可能是产生该疵病的原因之一。

2 裂纹产生原因检查和分析

对冲压过程中感应加热记录及工装尺寸进行了检查,结果均符合工艺要求。

2.1 毛坯底部裂纹

通过实物观察,结合钢厂生产流程及我厂加工工艺,经分析认为:该毛坯属于钢坯浇铸帽口残余部位,内部组织缺陷较重,钢坯锯切时,帽口残余部位没有完全清除,一般情况下,浇铸时缩孔缺陷常伴有偏析、低熔点夹杂、疏松等缺陷[4]。该毛坯缺陷组织位于钢坯上部或者说非常接近冲头底部(非变形区),在冲孔过程中受高温高压的润滑气体冲击,毛坯底部缺陷熔化或者撕裂而形成孔洞(如图2所示)。冲压过程中,一般情况下轻微的缺陷组织会得到有效改善[5]。

图2 底部缩孔形成示意图Fig.2 Schematic diagram of the formation of bottom shrinkage hole

2.2 内膛侧壁拉裂

第1炉1发弹体内膛侧壁拉裂,具体形态见图3。由于钢锭的凝固过程是自外向内的,因而其内部铸造组织自心部向外越来越致密[6],疵病区会存在于钢锭中心部位(越靠近中心越严重),同时,钢锭的内部收缩是自下而上的,即越接近帽口端致密性越差[7]。

图3 侧壁拉裂形成原理示意Fig.3 Schematic diagram of the formation principle of side wall crack

弹体的变形过程顺序为镦粗、反挤、拔伸,在镦粗工序钢坯受到自外向内的挤压力,变形程度大[8],有缺陷组织在这一工序会得到最大程度的改善,使毛坯组织致密;在反挤变形过程中,随着冲头的压入,钢坯心部组织会在冲头下行过程随着金属流动至冲头表面[9],若钢坯心部存在缺陷同时也会在反挤压过程中被带动至冲头表面[10];拔伸加工过程弹体毛坯所有组织受拉应力,若此时基体存在有缺陷的组织,会因承受不住巨大的拉应力而开裂,形成内膛侧壁的拉裂[11]。

2.3 理化检测

2.3.1 金相取样

将1发裂纹较严重弹体进行解剖试验,采用带锯机将弹体解剖后,发现在弹体发动机底部有宏观微孔聚集型裂纹存在[12],见图4。采用车床对弹体底部进行切削试验,结果见图5。将解剖后弹体底部进行锯切取样[13],经抛光后,裂纹见图6,深度约为7 mm。

图4 解剖后弹体底部裂纹Fig.4 Projectile bottom crack after dissection

图5 切削后弹体底部裂纹Fig.5 Projectile bottom crack after cutting

2.3.2 金相分析

在光学显微镜下,对弹底有裂纹的部位和异常部位进行观察并照相[14],图7a,b为200倍光学显微镜下照片,图7c为500倍光学显微镜下照片,图7d为1000倍光学显微镜下的照片[15]。通过显微照片观察,发现弹底裂纹处有夹杂、偏析、缩孔、沿晶低熔点物质等原材料缺陷存在。

图6 抛光后试样裂纹Fig.6 Crack in specimen after polishing

图7 横向裂纹照片Fig.7 Photos of transverse cracks

3 结论

通过对某弹弹体毛坯成形原理分析和裂纹疵病料理化检测分析,准确找到了裂纹疵病产生的原因。用于生产该弹体的9260钢存在缩孔残余类缺陷和沿晶低熔点物质,是造成弹体底部裂纹和侧壁拉裂疵病的根本原因[1—16]。

[1]朱小兢.冷挤压技术在精冲模具设计中的应用[J].模具制造,2013,13(6):15—17.

ZHU Xiao-jing.The Application of Cold Extruding Technic in the Fine-Blanking Die Design[J].Die & Mould Manufacture,2013,13(6):15—17.

[2]张福乐.圆形凸台件的冷挤压工艺及模具设计[J].精密成形工程,2009,1(2):65—67.

ZHANG Fu-le.Cold Extrusion Process and Die Design of Cups with Bosses[J].Journal of Netshape Forming Engineering,20019,1(2):65—67.

[3]李亮,王平,陈爱华.汽车起动机减速轴冷挤压数值模拟分析[J].机械设计与制造,2010,(12):210—212.

LI Liang,WANG Ping,CHEN Ai-hua.Numerical Simulation Analysis of Cold Extrusion for Speed-reducer Shaft of Auto's Starter[J].Machinery Design & Manufacture,2010,(12):210—212.

[4]WADESH Kumar Singh,AMRIT Dixit,RAVI Kumar D.Optimization of the Design Parameters of Modified Die in Hydro-Mechanical Deep Drawing Using LS-DYNA[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008:32—37.

[5]方泉水,辛选荣,刘汀,等.直齿圆柱齿轮浮动凹模冷闭式镦挤成形数值模拟分析[J].锻压技术,2007,32(2):1—2.

FANG Quan-shui,XIN Xuan-rong,LIU Ting,Et al.FEM Numerical Simulation Analysis for the Cold Closed Upsetting-Extrusion Fluctuating Forging of the Spur Gear[J].Forging & Stamping Technology,2007,32(2):1—2.

[6]杨继章,孙建军,王薇.高轮毂齿轮毛坯的模锻成形工艺及模具设计[J].精密成形工程,2012,4(3):67—70.

YANG Ji-zhang,SUN Jian-jun,WANG Wei.Die Forging Technology and Mold Design of High Hub Gear Blank[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2012,(3):67—70.

[7]CHITKARA N R.Near Net Shape Gorging of Spur Gear Forms:an Analysis and Some Experiments[J].International Journal of Mechanical Sciences,1996,(8):891—91.

[8]WALTERS J,WU W T,ARVIND A.Recent Development of Process Simulation for Industrial Application[J].Materials Processing Technology,2000:205—211.

[9]李伟,刘庆锁,陆翠敏等.自行车多飞飞轮轮芯冷挤压模具失效分析[J].热加工工艺,2011,40(6):190—192.

LI Wei,LIU Qing-suo,LU CuiminEtc.Failure Analysis of Cold Extruding Die for Molding of Bicycle Multi-flywheel[J].Hot Working Technology,2011,40(6):190—192.

[10]曹国洲,王谦,张建波.Cr12钢模具加工失效分析[J].热加工工艺,2009,38(10):181—182.

CAO Guo-zhou,WANG Qian,ZHANG Jian-bo.Failure A-nalysis of Mould Processing of Cr12 Steel[J].Hot Working Technology,2009,38(10):181—182.

[11]孙永刚.基于有限元方法的大型曲轴镦锻模具损伤分析[J].热加工工艺,2012(7):72—74.

SUN Yong-gang,Damnification Analysis of Upset Forging Heavy Crankshafts Based on FEA[J].Hot Working Technology,2012(7):72—74.

[12]赵春雨,孟宪举,李军.齿轮坯模锻成形过程的数值模拟及优化[J].精密成形工程,2010,2(6):24—28.

ZHAO Chun-yu,MENG Xian-ju,LI Jun.Gear Blank Forging Forming Process Simulation and Optimization[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2010,2(6):24—28.

[13]CHOI J,CHO H Y,JO C Y.An Upper-bound Analysis for the Forging of Spur Gears[J].Journal of Materials Procession Technology,2000(8):67—73.

[14]HECHT-NIELSEN R.Theory of the Back Propagation of Neural Network[A].Sheraton Washington Hotel,1989:593—605.

[15]于文生,聂兰启,汪发春.带凸缘薄壁喇叭形零件的整形[J].精密成形工程,2010,2(3):76—77.

YU Wen-sheng,NIE Lan-qi,WANG Fa-chun.Sizing of the Thin-walled Horn Part with Flange[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2010,2(3):76—77.

[16]张志明,黄少东,刘川林,等.弹体成形工艺数字化设计系统的开发与实践[J].精密成形工程,2010,2(6):55—59.

ZHANG Zhi-ming,HUANG Shao-dong,LIU Chuan-lin,et al.Development and Practice of Digital Design of Shell Body Forming[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2010,2(6):55—59.

猜你喜欢

钢坯毛坯弹体
尾锥角对弹体斜侵彻过程中姿态的影响研究
椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究*
热锻状态铝合金锻件毛坯的优化方法
钢坯库行车作业的辅助驾驶的技术研发与应用
基于机器视觉的毛坯件磨削轨迹识别研究
基于最短路径的杠杆毛坯尺寸设计
STOPAQ粘弹体技术在管道施工中的应用
基于路径图的平面毛坯尺寸基准的研究
旋转弹控制系统结构与弹体静稳定特性研究
2012年9月钢坯分国别(地区)进口情况