陳永奎， 張鵬軍， 牛俊財

(1. 中國船舶重工集團公司 第七一三研究所， 河南 鄭州 450015； 2. 中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051)

0 引 言

彈鼓作為高射速火炮自動裝填系統(tǒng)的供彈具， 是一個很重要的單元裝置， 以攜彈量大、 裝彈方便、 可靠性好、 火力持續(xù)性強等優(yōu)點而倍受青睞[1]. 由于彈鼓結(jié)構(gòu)較為復雜， 因此部分零件采用鋁合金鑄件. ZL20lA合金作為一種傳統(tǒng)的高強韌鑄造鋁合金， 具有非常好的強度、 塑性及韌性[2]， 因此被用來制作某彈鼓的出彈圓盤. 由于該合金為A1-Cu-Mn系合金， 結(jié)晶溫度范圍寬， 以粥狀方式凝固， 鑄造性能差， 流動性差， 收縮性大， 在結(jié)晶時易產(chǎn)生縮松、 裂紋和偏析等鑄造缺陷[3]， 使得由該材料制作的出彈圓盤在使用過程中可能出現(xiàn)裂紋， 從而引起供彈故障.

針對某出彈圓盤上靠近彈底位置的鉚釘孔在使用過程中出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象， 本文采用數(shù)值模擬方法、 材料微觀分析法以及力學性能測試法[4]篩選了影響出彈圓盤質(zhì)量的因素， 確定了出彈圓盤鉚釘孔處裂紋產(chǎn)生的原因， 確定了出彈圓盤鉚釘孔裂紋缺陷形成的原因， 并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化工藝方案， 為生產(chǎn)工藝的制定提供參考.

1 出彈圓盤裂紋缺陷特征描述

某出彈圓盤體鑄件材料為ZL201A， 最大輪廓尺寸為Φ912 mm×90 mm， 結(jié)構(gòu)如圖 l 所示. 鑄件最大壁厚為46 mm， 最小壁厚為13 mm， 鑄件重量為96 kg.

圖 1 出彈圓盤實物圖Fig.1 The physical map of ammunition supply disk

在完成射擊后對供彈系統(tǒng)裝彈時發(fā)現(xiàn)裝彈阻力比以前增大， 檢查發(fā)現(xiàn)出彈圓盤上靠近彈底位置的鉚釘孔出現(xiàn)裂紋， 如圖 2 所示. 進一步檢查出彈圓盤體裂紋， 發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象： ① 出現(xiàn)裂紋的鉚釘孔鉚接位置有明顯的敲擊痕跡， 該痕跡由鉗工鉚接鉚釘?shù)倪^程中墩粗頭打滑引起， 沖痕數(shù)量為2個， 其中底部位置的1個沖痕深度約1 mm. ② 裂紋發(fā)生在出彈圓盤體鉚釘孔處， 從進彈口邊緣至支撐筋通過鉚釘孔中心， 上下貫穿， 呈“Z”字狀， 總長約30 mm. ③ 將出彈圓盤體裂紋處剖開后， 斷口未見鑄造缺陷和氧化腐蝕痕跡， 進一步說明裂紋出現(xiàn)在熱處理和表面陽極氧化之后， 即產(chǎn)生在鉚接操作或裝備調(diào)試使用過程中.

圖 2 出彈圓盤鉚釘孔裂紋 Fig.2 The crack of rivet hole of ammunition supply disk

經(jīng)過上述檢查和分析， 初步判斷裂紋不是在后期使用中受力產(chǎn)生， 而是在鉚接過程中由沖頭敲擊或過鉚產(chǎn)生. 射擊試驗后， 裂紋得到一定程度的擴展.

2 裂紋缺陷成因分析

在建立出彈圓盤裂紋故障樹后， 針對裂紋問題開展了分析工作， 并將出現(xiàn)裂紋故障的出彈圓盤交由第三方進行檢測， 對故障產(chǎn)生原因從設(shè)計、 鑄件質(zhì)量、 鉚接工藝等方面進行更深入和更大范圍的排查和定位. 分析排除了出彈圓盤設(shè)計缺陷， 認為出現(xiàn)裂紋故障的原因主要是鑄件質(zhì)量不過關(guān)與鉚接工藝不合理.

2.1 基于Ansys的出彈圓盤體鉚接仿真分析

外導引與出彈圓盤體的連接采用鉚接方式， 鉚釘孔徑大小為6.2 mm， 鉚釘直徑為6 mm， 現(xiàn)操作方式為手工鉚接， 即人工用錘子敲擊沖頭， 沖頭將鉚釘頭部敦粗以此來完成鉚接. 出現(xiàn)的問題是錘子在敲擊沖頭進行鉚接的過程中， 沖頭會在錘擊時滑移到出彈圓盤體鉚釘孔附近位置， 從而造成對出彈圓盤體的錘擊. 本分析目的是計算出彈圓盤體受到?jīng)_頭錘擊時的應(yīng)力情況.

截取出彈圓盤體及外導引處的局部模型進行分析計算， 取直徑6.3 mm鉚釘進行仿真， 鉚釘孔徑為6.2 mm. 出彈圓盤體材料為ZL201A， 通常以斷裂的形式失效， 因此采用第一強度理論(最大拉應(yīng)力理論)和第二強度理論(最大伸長線應(yīng)變理論)進行校核[5]. 鉚釘頭部三個圓面為固定約束， 出彈圓盤體左支撐肋下平面為固定約束， 外導引的下平面為固定約束. 出彈圓盤體和外導引之間接觸面采用不分離接觸(可相對滑動， 但不分開)， 鉚釘與出彈圓盤體及外導引之間均為無摩擦接觸[6]， 模型如圖 3 所示.

圖 3 邊界約束 Fig.3 The boundary constraint

錘子由立方體模擬， 沖頭由直徑為5 mm的圓柱體模擬. 為簡化計算， 忽略錘子和沖頭的接觸， 將錘子和沖頭看作一個整體， 重800 g， 以8 m/s 的速度撞擊出彈圓盤體.

錘子為剛性材料， 出彈圓盤體采用鋁合金線性材料模擬， 在Ansys Workbench中采用瞬態(tài)分析模塊， 賦予錘子合適的速度撞擊出彈圓盤體模擬錘擊過程， 圖 4 所示為不同時刻出彈圓盤體強度分析結(jié)果.

圖 4 出彈圓盤體應(yīng)力云圖Fig.4 The stress cloud map of ammunition supply disk

由圖 4 的鉚接錘擊分析結(jié)果可知， 出彈圓盤體撞擊點處的應(yīng)力特別大， 達到4 286.3 MPa， 超出了鋁合金材料的強度極限. 由于出彈圓盤體采用的鋁合金材料為非線性材料， 故當應(yīng)力超過材料屈服點時發(fā)生塑性變形[7]， 與實際情況一樣， 在出彈圓盤體上留下明顯的凹坑.

在出現(xiàn)裂紋的出彈圓盤體上， 鉚釘孔位置旁邊均有不同程度的沖頭砸痕， 應(yīng)為人工鉚接時沖子打滑砸在出彈圓盤體上留下的痕跡. 從仿真分析結(jié)果可以看出， 在沒有鉚接的情況下， 出彈圓盤體的鉚接接口處已經(jīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中狀況， 并且有明顯的拉應(yīng)力出現(xiàn)， 而錘擊過程更是加重了這個情況.

2.2 出彈圓盤體力學性能分析

按照GB/T9438規(guī)定， 在圓盤體上選取試樣， 分別進行拉伸、 沖擊性能檢測， 取樣位置如圖 5 所示. 出彈圓盤力學性能實測結(jié)果見表 1.

圖 5 出彈圓盤取樣示意圖Fig.5 The sampling schematic of ammunition supply disk

編號拉伸性能Rp0．2/MPaRm0．2/MPaA/%Z/%1#1781962．04．02#1952131．53．0

對于ZL201A鑄件， 按GB/T9438標準II類鑄件規(guī)定， 在本體取樣的抗拉強度和延伸率平均值分別不低于規(guī)定值的75%(292.5 MPa)和50%(4%)， 但最低值應(yīng)分別不低于65%(253.5MPa)和40%(3.2%)[8].

表 1 結(jié)果表明， 出彈圓盤體的拉伸性能較差， 抗拉強度和延伸率均不符合國標和技術(shù)要求. 因此， 出彈圓盤體力學性能不滿足要求， 延伸率和沖擊韌性較差， 使鑄件呈脆性特征， 是造成脆性斷裂的內(nèi)因.

2.3 出彈圓盤體材料微觀分析

采用LeciaDMI500M金相顯微鏡對出彈圓盤體材料的微觀組織進行觀察， 發(fā)現(xiàn)基體疏松缺陷較多， 并且沿晶界分布， 弱化了基體的強度， 是產(chǎn)生延晶裂紋的原因. 基體和斷口疏松情況見圖 6.

采用透射電鏡對出彈圓盤體材料的金相組織分析， 發(fā)現(xiàn)晶界有大塊狀T相化合物， 如圖 7 所示.θ相(Al2Cu)和T相(Al12CuMn2)是ZL201A固容處理后的正常產(chǎn)物， 可起強化作用[9]. 但若T相較多且以大顆粒分布在晶界上， 將弱化晶界結(jié)合力， 對機械性能產(chǎn)生嚴重影響， 使脆性大大增加， 易使鑄件在沖擊力或振動情況下產(chǎn)生沿晶斷裂， 是材料機械性能降低、 產(chǎn)生沿晶開裂的主要原因.

圖 7 晶界塊狀T相圖Fig.7 The block T phase diagram of grain boundary

通過上述對鑄件、 鉚接質(zhì)量檢查和原因分析的結(jié)果來看， 出彈圓盤鉚釘部位出現(xiàn)裂紋與鑄件本身缺陷和鉚接質(zhì)量有關(guān)， 其中鑄件質(zhì)量是內(nèi)因， 鉚接質(zhì)量是外因.

從鑄件質(zhì)量來看， 力學性能的抗拉強度、 延伸率不能滿足標準規(guī)定要求. 原因主要是內(nèi)部質(zhì)量有疏松缺陷， 且缺陷延晶界分布. 同時， 晶界有較大的塊狀T相化合物存在， 不但降低了鑄件本體的力學性能， 而且脆性增大， 使出彈圓盤承受沖擊和振動的能力降低[10]， 故鑄件質(zhì)量是本次出彈圓盤鉚接孔處出現(xiàn)開裂的內(nèi)因. 鉚接過程中的錘擊沖擊可造成很大的應(yīng)力， 使材料基體受到損傷， 產(chǎn)生微裂紋， 在射擊過程中受沖擊振動的影響， 裂紋逐漸擴展形成宏觀裂紋.

3 工藝優(yōu)化及效果

由上述分析結(jié)果可知， 解決裂紋現(xiàn)象可以從兩個方面改進： 一方面通過提高鑄件自身內(nèi)部質(zhì)量使出彈圓盤抗沖擊振動的能力提高， 另一方面改進鉚接方式使其避免在鉚接過程中承受沖擊.

3.1 鑄造工藝優(yōu)化

在出彈圓盤體前期的鑄造工藝中， 由于冒口的位置和高度選擇不合適， 鑄件凝固過程中補縮不及時， 加之原冷鐵激冷效果差， 鑄件凝固時間長， 導致鑄件本體在冒口附近的鉚釘位置晶粒粗大， 有疏松缺陷且缺陷延晶界分布， 晶界上T相晶粒過大， 使鑄件本身的抗拉強度、 延伸率不能滿足標準規(guī)定要求. 改進后， 增加出彈圓盤體零件澆注的冒口高度及冒口根部尺寸， 提高補縮的壓力， 延長補縮時間和擴大補縮面積， 改善疏松缺陷； 改變澆注時的冷鐵材料和結(jié)構(gòu)， 使其在澆鑄過程中加快冷卻速度， 細化晶粒， 避免晶界上T相晶粒過大， 提高鑄件本身的力學性能， 降低脆性[11]. 同時， 改進鑄件本身工藝， 調(diào)整冒口位置， 避開鉚接區(qū)域， 避免了由于鉚接部位冒口根部熱量集中而引起的冒口區(qū)域晶粒粗大和機械性能偏低等問題.

固溶時間由7 h增加到9 h， 時效時間由6 h增加到9 h. 出彈圓盤體鑄件毛坯厚薄不均， 固溶和時效時間短， 微量合金元素不能完全融入到基體中， 導致其力學性能較低， 增加固溶和時效時間后， 固溶和時效更充分， 力學性能得到了較大提高.

3.2 鉚接工藝優(yōu)化

鉚接方式由手工鉚接改為油壓機鉚接. 通過控制油壓機鉚接的壓力和增加行程限位， 消除了手工鉚接過程中的隨機性和不可控性， 機鉚過程中鉚釘變形均勻、 整體墩粗， 保證了鉚接質(zhì)量的一致性， 避免了鉚釘上部因變形過大產(chǎn)生的應(yīng)力和下部有間隙而造成不良的受力狀態(tài)， 也避免鑄件本體因受過大的敲擊力作用而引起材質(zhì)受損.

3.3 效果驗證

改進前后樣本關(guān)鍵部位的顯微縮松情況如圖 8 所示.

圖 8 顯微縮松比較 100×Fig.8 Comparison of microscopical shrinkage 100×

由圖 8 可知， 原始樣本疏松缺陷較多， 并且沿晶界分布， 弱化了基體的強度[8]， 導致樣本在設(shè)備運行過程中出現(xiàn)裂紋， 改進后的出彈圓盤體顯微縮松情況有明顯好轉(zhuǎn). 改進前后出彈圓盤體力學性能對比如表 2 所示.

表 2 出彈圓盤改進前后拉伸性能對比結(jié)果

采用0.5 kg錘頭， 揚高0.2 m， 對準問題鉚釘孔外側(cè)進行錘擊， 對改進工藝前后生產(chǎn)的出彈圓盤體進行了錘擊對比試驗. 以舊工藝生產(chǎn)經(jīng)80次敲擊后， 鉚釘充盈完整， 產(chǎn)生裂紋， 裂紋出現(xiàn)時孔周圍基本看不到塑性變形. 新工藝生產(chǎn)的鑄件進行160次的錘擊鉚接， 鉚釘頭產(chǎn)生嚴重變形和過鉚， 出彈圓盤體鉚釘位置產(chǎn)生鼓包， 拆解鉚釘著色探傷， 未見裂紋， 如圖 9 所示.

圖 9 改進后出彈圓盤破壞性鉚接試驗Fig.9 The destructive riveting test of ammunition supply disk after improvement

手工鉚接和機械鉚接的剖面圖如圖 10 所示. 由圖 10 可以看出， 采用機鉚工藝， 在鉚釘與鉚釘孔配合的長度上， 墩粗變形過程均勻無縫隙， 剖開后鉚釘不會脫離工件， 并且鉚釘頭部變形均勻充實可滿足要求. 手工鉚接件， 剖開后， 鉚釘與工件間配合較松， 容易脫離. 新工藝生產(chǎn)的出彈圓盤材料即使在過鉚情況下產(chǎn)生鼓肚， 經(jīng)表面著色探傷也未現(xiàn)裂紋.

圖 10 改進前后鉚接線切割剖面圖Fig.10 The cutting section of riveting connection before and after improvement

將改進后的出彈圓盤體裝配到彈鼓， 進行了滿彈鼓射擊試驗考核， 累計射彈近2 000發(fā)， 射后檢查左、 右彈鼓， 發(fā)現(xiàn)出彈圓盤共四個鉚接部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋.

4 結(jié) 論

本文通過理論與實驗相結(jié)合的手段， 分析了某出彈圓盤體裂紋產(chǎn)生的主要原因， 提出了相應(yīng)的改進措施并進行了驗證， 結(jié)論如下：

1)出彈圓盤鉚釘部位出現(xiàn)裂紋與鑄件本身缺陷和鉚接質(zhì)量有關(guān). 鑄件質(zhì)量是內(nèi)因， 鉚接質(zhì)量是外因.

2)增加出彈圓盤體零件澆注的冒口高度及冒口根部尺寸， 提高補縮的壓力， 延長補縮時間和擴大補縮面積， 加快鑄件冷卻速度， 能改善疏松缺陷， 提高鑄件本身的力學性能， 降低脆性.

3)對鑄件在進行首件生產(chǎn)后應(yīng)全面檢查本體的機械性能， 鉚接盡可能采用機鉚工藝， 并加強試驗檢測工作， 確保生產(chǎn)的認知水平不斷提高， 工藝的穩(wěn)健性與可靠性及裝備不出現(xiàn)批次性質(zhì)量問題.

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