鑲嵌加工法自堅高強度複合膛線技術方案的製作方法

2023-06-01 09:14:06 1

專利名稱:鑲嵌加工法自堅高強度複合膛線技術方案的製作方法
技術領域：
本發明涉及兵器工業生產，是製造身管發射武器(火炮和大口徑槍械)所需要的線膛加工技術。屬於IPC《國際專利分類表》-「B21」部(基本上無切削的金屬機械加工)和「F41」(武器)部之技術領域：
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背景技術：
軍力是國家的安全保障。武器始終是軍力的一項重要基礎，也大量佔用和消耗著國家資源。無疑應該努力提高武器系統的技術指標，使之高效率、低消耗的生產和運行，利於節約資源，也可能更多的儲存戰略物資。在研發製造高技術武器同時，發展和維護常規武器仍具有重大意義。
各種身管武器，重要戰技指標包括初速、射程、遠程精確度、外彈道特徵、終點效應及其它項目；除卻操作方面的影響，所對應的決定因素包括有武器的身管材料、膛線特徵、口徑比、自重、作用力矢量、射擊方式，以及彈丸材料、形狀、結構、重量、炮彈有無彈底排氣甚至制導，環境氣象條件和發射藥的爆溫、燃速、藥量、裝填密度、裝藥溫度等，是一個完整系統的綜合體現。線膛武器遠程精度高、彈丸穩定方便、彈丸穩定程度可以根據不同武器系統需要來確定，適用於不同的外彈道要求。線膛武器所表現的優良特性是滑膛武器不可比較的，所以自發明以來一直被廣泛應用。武器的使用壽命實際非常短，一般以通常條件下的射彈數評估。自動步槍的壽命還可以達到上萬發、通用機槍約兩萬發、大口徑機槍數千發至上萬發，一般火炮為數千發，(北約組織《聯合彈道諒解備忘錄》標準52倍身管全裝藥射擊兩千發)，而膛壓高、口徑比大的火炮如坦克炮，壽命一般不足千發，(有資料稱射彈百發身管即開始出現顯著磨損)，以英國挑戰者坦克的L30炮為例僅有300發的壽命；大口徑反器材步槍數百發，(二戰期間的反坦克步槍壽命僅數十發)。身管壽命終了的標誌包括本體出現裂紋或膨脹、初速下降(下降值5-15％)、散布特徵量增大(一般為2-2.5倍)、規定射程上橢圓或橫彈孔達到20％(普通槍彈)-50％(大口徑機槍彈)。身管損耗的原因主要有磨損、燒蝕、腐蝕幾方面。發射藥爆燃的高溫使內膛表面薄層熔融、基質金屬機械強度降低；伴隨彈丸強力擠壓和燃氣的高速衝刷，原本硬度就並不特別高的膛線發生塑性形變，同時造成膛內的硬鉻鍍層逐漸崩解脫落，露出基質金屬；武器身管內是不允許使用常規潤滑劑的，(是否有可能開發彈膛粉末潤滑將是新的課題，譬如一種可耐高溫的粉末潤滑防腐劑置於彈藥藥筒裡，隨每次射擊沉降於膛內)，發生的膛內磨損遠較一般機械的磨損進程更迅速、更嚴重；相對於身管材料，彈丸含有不同金屬，在發射後內膛表面遺留殘餘，即「掛銅」或「掛鉛」，在發射藥燃燒產生的電解質和水分作用下，通過原電池效應發生電化腐蝕。各項原因聯合作用，逐漸造成膛線磨平、彈丸導引變壞、內膛失去光潔度、燃氣洩露增加，使身管狀態和射擊效果達到壽命終了指標。其中膛線變化的影響最為重要。
武器壽命短，不但直接影響日常實彈訓練，不利於提高軍隊戰鬥技能，更可以想像戰場對抗情況下，如果武器技術指標不合格、發生射彈不中時的結果。誰打得準、打得遠，誰就能擁有勝利先機。
在保證閉氣的前提下，為了儘量降低彈丸在膛內彈道的阻力，並且減輕膛線的磨損，除了縮短彈丸圓柱部的長度外，現代槍彈普遍採用被甲彈頭，需要在彈頭殼內加裝鉛襯，以得到彈頭適宜的形變性能；而線膛發射的炮彈則採用數條銅製彈帶，與膛線配合進行閉氣和導轉。為了減輕膛內掛銅的影響，炮彈藥筒裡還要另外加入除銅劑—鉛。從彈藥方面就需要佔用、消耗大量的戰略金屬，也存在製造工藝複雜、成本高的問題。
部分手槍和單發步槍的槍管用優質碳素結構鋼製造(GB/699中的F類兵器用鋼)，對大口徑、高膛壓或連射武器的身管，大多採用耐壓強度高、耐腐蝕、耐磨性能好、耐燒蝕、高低溫脆性小、缺口敏感性小、回火脫碳傾向小的，含有鎢鉻鎳鉬釩矽等元素的合金高強度結構鋼(GB/T3077-1999類)製造。儘管這類材料各項性能優秀，但材質硬度並不特別高，與其它硬質合金相比較，仍屬於易磨損材料。少數武器採用了內膛襯套技術，襯套與身管配裝有相當的加工難度；由於加工膛線困難，襯套也不可能採用硬質合金。因此武器身管的膛線與膛線基質為同一材料。
暫且不論線膛武器身管制造過程的外型加工、校直、成型後熱處理、高壓彈試驗、探傷檢驗、外表面處理等工序。謹討論內膛加工，計有光膛、線膛、彈膛和內膛表面四個步驟。
1.加工光膛對毛坯材料進行校直、回火、切端面、中心孔定位，深孔鑽鑽成通孔後，粗鉸、半精鉸、校直、擠光(或珩磨、電解)。
2.加工線膛膛線的規定，包括有膛線的結構、數目、陰陽膛線的寬度、陰膛線的深度、膛線的纏度；膛線的結構按形狀分類，為矩形、梯形、圓弧形、多弧形、多邊弧形和弓形膛線；膛線按纏度變化分類，為等齊膛線和漸速膛線；膛線的數目和深度由身管的口徑決定；兩側陽膛線的相對直徑即是身管的口徑。按線膛前後直徑有無變化分為圓柱形線膛和圓錐形線膛。
當前分別有下列四種工藝可以進行膛線加工。
刻膛刀具拉削法用膛線拉刀在專用拉床上進行。膛線拉刀由刀杆、刀片和進刀量微調機件構成，刀片的數量、寬度、形狀和斜度根據膛線的規定確定。拉刀按導程要求作徑向旋轉同時軸向進動。一次拉削後微調進刀量再次進行，達到規定陰膛線深度為止。此工藝方法簡單、成型準確，可以加工漸速纏度膛線。但生產效率低；膛線表面毛糙有刀痕，使內彈道阻力大；新武器投入使用後，要經過一定射彈磨合才能進入穩定技術狀態，壽命全程中最好的技術狀態期限短。
冷作擠壓法(內孔擠壓強化工藝的應用)用硬質合金製造擠壓頭，擠壓頭工作面按膛線的規定加工為陽模。用專用工具機帶動，身管坯件按導程相對於擠壓頭作旋轉進動，使基質材料塑性形變形成膛線。此工藝方法簡單、成型精確、生產效率高；同時對內膛表面進行冷作硬化加工，可以使身管壽命提高；線膛光滑。所形成的陰膛線深度有限，不適於加工火炮膛線。
電解加工法身管坯件作為陽極，用製成符合膛線寬度、纏度之凸凹形狀的芯棒作為陰極，用氯化鈉溶液作為電解質，加直流電後芯棒在身管坯件內按規定導程相對旋轉進動(分芯棒固定和芯棒移動兩種方式)，通過電解作用使光膛內析出金屬形成陽膛線。此方法現廣泛應用於大中口徑機槍身管加工。加工過程時間長；如果電解條件不當將影響沉積的金相組織，使陽膛線金屬強度達不到壽命要求；難以形成技術較為先進的膛線結構；形成的陽膛線高度有限，達不到火炮膛線的高度要求。
精密冷作鍛造法用專用精鍛機進行。在身管坯件內置入合乎膛線規定的陽模芯棒，運作對稱裝置的數對鍛錘，向置有芯棒的身管坯件高頻鍛擊，同時身管坯件旋轉進動，在螺旋式重複鍛擊下形成膛線。這是當前較好的加工技術，在提高身管強度、精度和材料利用率各方面均有優點。中國95式槍族身管是以這項技術加工製造的，達到了世界先進水平。但這項技術不便加工大尺度、大重量的工件(目前尚未獲得關於應用水壓機進行各種身管加工的信息)。
上述加工方法均不能得到強度明顯高於基質材料的膛線。
3.加工彈膛按鍃膛、粗鉸彈膛一.二錐體、半精鉸一至四錐體、精鉸各錐體步驟進行，最後用齒前角是負角的壓光鉸刀拋光；或者也採用精鍛方法。
4.內膛鍍鉻完成身管內部結構加工後，在包括線膛和彈膛的內膛表面，採用高硬度、高緻密度工藝分數次進行，可以達到維氏硬度1000，是一般工業鍍硬鉻的一倍。能夠使內膛具有高耐磨損、高耐溫、高耐腐蝕的性能和精確尺寸，進一步提高身管壽命。雖然硬鉻鍍層本身強度高，厚度畢竟有限，一旦相對較軟的膛線發生形變，硬鉻鍍層將逐漸崩解剝脫，失去對內膛的保護作用。

發明內容
為了解決現有背景技術中，不能加工出硬度特別高於基質材料的膛線這一問題。
1.設計了「自堅式高強度複合膛線」方案，「GB/T1299-1985」合金工具鋼中*GrW2Si系列耐衝擊合金鋼、熱作模具鋼，「GB/T9943-1988」中以W6Mo5Gr4V2為代表的高速工具鋼，或類似美國「440、154系列不鏽鋼、1095工具鋼」，通常具有良好的高溫狀態硬度和耐磨性，並有相當的高溫韌性，設計應用這一類材料製造膛線；2.為這個方案設計了不同於以往的「鑲嵌加工」工藝方法，將不同於身管材料的多條膛線碾擠加壓鑲嵌融合進入身管基質中，使之結合成為一體；3.為這個工藝方法設計了「專用導程陽模」。
此項技術方案適用於加工武器各種類型的等齊圓柱形線膛身管。
總結既往的認識積累，並且針對相關題目對專利文獻進行查詢，未見與本發明之技術方案相似者。
發明與背景技術比較所具有的積極效果這項技術也相當於「內孔擠壓強化工藝」的一種變相應用，可以獲得一種具有需要結構的高強度陽膛線、並且內膛十分光滑的身管；堅硬的陽膛線不變形不移位，維持完整狀態；並且可以保障硬鉻鍍層的附著，也就保護了陰膛線的鍍層。從根本上解決身管壽命問題。
高耐溫、高強度的長壽命膛線身管，利於為每件武器提高射速和持續時間、增加火力密度，(尤其對於火炮)。也提供了這樣一個基礎增加發射能量、提高膛壓、使射彈初速提高，獲得更好的外彈道性能和終點效應。
光滑的內膛阻力小，在發射相同的彈藥時，利於提高射彈初速和射程，外彈道平直。對於槍彈可以增大危險界和侵徹力；對於直射火炮可以提高反裝甲能力和打擊運動目標的精確度。
身管一致性好，因此同一武器系統的戰技性能統一，利於提高集團兵力的火力密度。
隨著膛線強度提高，使開發適用彈種和改變彈帶材料成為可能除穿甲燃爆、曳光等特種彈外，普通彈可以應用簡單的衝壓工藝生產低碳鋼實芯彈；可能研發新的槍彈彈型，取得更好的彈道性能以及終點效應；可以應用軟鐵製造炮彈彈帶，或者彈帶與彈體共同成型。利於大幅度降低材料成本和加工成本；避免佔用和消耗有色金屬，對於節約國家資源和環境保護都具有積極意義。可能研發新的膛線結構，譬如膛線承壓面和其相對支撐面都是簡單的坡面，這個支撐面是由身管基質材料形成，成為一種三角形或梯形膛線結構，線膛截面便成為多角形，有可能提高射擊時的閉氣效果和降低膛內彈道阻力。
因為射彈和新品種彈帶與身管均屬於相似性質的鋼鐵材料，能夠避免膛內的電化學腐蝕，利於減輕身管損耗提高壽命、減輕武器日常保養的工作強度。
這個技術方案利於修復和升級現役老舊武器只要身管沒有膨脹，將其加工成光膛後，更換鑲嵌了陽膛線就可以製造為新武器。武器口徑是兩側陽膛線的最大相對直徑，加工改造的難度不大，加工而成的身管仍然可以和現裝備彈藥配合使用。
所以實現本技術方案最終可以取得提高我國軍力、節約國家資源、降低國防開支的效果。
具體實施方法本項技術方案，應該在加工線膛之前初步加工彈膛。
具有規定結構的高強度硬質合金膛線可以按設計批量熱軋生產。
怎樣將高強度膛線嵌入光膛身管、使兩種材料互相熔融結合設計專用高頻電爐，用感應加熱的方法使光膛身管紅熱軟化；將所需要數目的膛線置入光膛中。顯然，在光膛基質材料被加熱軟化溫度下，本技術方案擬採用的膛線材料仍能保持應有的硬度；將膛線穿入「專用導程陽模」的導向槽中，用拉杆或頂杆帶動陽模進動，令膛線被強力碾擠加壓嵌入身管基質中。因為陽模的陰陽線本身就具有規定的纏度特徵，光膛身管、陽模可以或者不必按導程進行旋轉。鑲嵌膛線後，提高感應爐溫度和保持時間，使膛線與基質的金屬材料互相滲透融合，隨之即可進行下一步的調質熱處理過程。(這部分加工全過程中的加熱軟化和熱處理程度易於控制，也便於實現自控)。之後校直身管、磨削線膛導引部、精加工彈膛、內膛鍍鉻，(可以研究關於滲碳氮工藝在武器膛內的應用)。可以有兩種方法鑲嵌膛線，需要進一步研究實驗哪種方法更恰當膛線直接嵌入光膛基質。這個方法工藝簡單；先在光膛中開膛線安裝槽，使膛線嵌入槽中，用陽模擠壓膛線槽旁的凸臺部分(類似於現有技術中的「陽膛線」構造，但形狀和尺度有所差異)，靠凸臺的永久形變和兩種材料的融合，將膛線堅牢地固定結合。膛線嵌入部分「腳」的形狀，對於直接嵌入方法，「腳」的截面應是以方形為主的多邊形或U形，而開槽嵌入方法的「腳」則可選用嵌入部分擴大，類似於梯形或球形，能夠增加膛線的結合牢度，那麼加工身管開槽時，應該預留包埋膛線所需要的材料分量。對於以上兩種方法，導程陽模的結構、尺度自然有所區別。彈丸彈頭殼或者炮彈彈帶通過線膛時擠壓膛線，將產生沿身管徑向方向的壓力分力、身管長軸的同軸同向分力和旋轉分力，使膛線產生變形、偏移、脫位的傾向，也同時擠壓固定膛線的基質材料，每一次射擊都相當於對膛線的一次緊定加固過程，因此將此稱之為「自堅高強度複合膛線」，所採取的加工方法為「鑲嵌加工法」。
製造專用導程陽模相似於背景技術已採用的擠壓頭，這裡稱之為導程陽模，是因為這件工具要同時起到引導膛線正確就位和擠壓鑲嵌作用。導程陽模的直徑以及陰陽線的形狀、角度、高度由武器口徑和膛線的結構、纏度和尺度決定。導程陽模由錐體部分導引膛線就位、柱體部分對膛線以及基質材料施壓鑲嵌。關鍵問題在於導程陽模的材料，要求具有比硬質合金更強的高溫硬度、抗氧化、耐磨和耐壓性能，並且不被高頻加熱，這種材料自身也要求便於加工。金屬陶瓷正是這樣一種材料，工作溫度在千度以上時仍可以保障所需要的性能要求，很容易加工成工作面非常光滑的需要形狀。在實施本項加工技術時不存在衝擊力，也就不必顧及金屬陶瓷脆性大的缺陷。如果導程陽模推桿同樣採用金屬陶瓷材料，也就不必考慮其冷卻問題；如果採用金屬材料，除了選擇高速鋼一類外，也很容易實施採用適當的冷卻劑作循環內冷的技術。
借鑑此項發明，可以擴展為其他，即需要工作部位材料強度遠高於基質材料、使用不同材料相結合達到所需的性能要求，以及在基質材料熱熔融狀態下直接或預先開安裝槽、運用碾擠加壓和進一步加熱保溫的措施，使兩者牢固結合這樣一種技術方案。
權利要求
1.本發明專利的名稱為「鑲嵌加工法自堅高強度複合膛線技術方案」。本發明含有一種不同於身管基質材料的膛線材料、進行管狀容器內表面嵌入異質材料的加工方法和實施此項加工的專用工具，應用於兵器工業製造線膛武器的工藝過程。本發明與現有技術相對照，針對其特徵提出如下權利要求
。高強度的膛線，其特徵在於相對於身管基質材料而言，膛線是高溫硬度高、耐磨性能好、高溫韌性好的其它硬質材料。該膛線是有別於身管另外生產的。
2.加工「權利要求
1」的工藝方法，其特徵在於將另外生產的具有規定結構的異質材料，通過碾擠加壓、鑲嵌加工方法使之結合進入基質材料中的工藝過程。
3.實施「權利要求
2」之工藝方法的專用工具—導程陽模，其特徵在於符合武器口徑標準、表面具有合乎膛線結構和數目、尺度、纏距之規定的螺旋型凸凹形狀，由引導膛線定位的頭錐和發揮加工力的圓柱及其過渡部分構成，用於將異質材料碾擠加壓進入基質材料中。
4.包括「權利要求
1、2、3」每項項目在內所製造的產品。
專利摘要
「鑲嵌加工法自堅高強度複合膛線技術方案」，應用於兵器工業製造武器的線膛加工。其技術特徵為膛線材料有別於武器身管，採用高溫硬度高、耐磨性能好、高溫韌性好的硬質合金，單獨軋制加工成形後鑲嵌進入身管，形成高強度的、長壽命的光滑膛線。膛線的磨損對於武器性能和壽命的影響最為重要，實施此項技術方案可以從根本上解決現有武器壽命短的問題。在這個基礎上可以增加射擊的發射能量和密度、提高武器系統的一致性，從而獲得更好的外彈道性能和終點效應；可以研發新的彈藥品種。有利於提高軍力、節約資源、降低國防開支，並且有利於環境保護。
文檔編號F41A21/18GKCN1707215SQ200510056145
公開日2005年12月14日 申請日期2005年3月22日
發明者張鳴 申請人:張鳴導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan