热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

2019-09-11 17:34:23     来源:董志修,钱晓亮 锻造与冲压

炮弹弹体及零部件的材料大多为合金钢,根据产品性能要求,炮弹弹体及零部件的热处理大部分采用调质处理,调质处理(淬火+高温回火)原理是将零件置于淬火加热炉内加热到临界点(Ac3或Ac1)以上30~50℃,保温一定时间后获得均匀的奥氏体组织,零件从淬火加热炉中出炉后,快速浸入淬火冷却液中冷却,淬火冷却速度必须大于临界淬火冷却速度,以获得全部淬火马氏体组织,然后零件进入回火加热炉进行高温回火加热,保温一定时间后获得均匀的回火索氏体组织。


传统的炮弹弹体及零部件的调质热处理方式为井式炉或箱式炉淬火加热,淬火加热出炉后进入淬火冷却槽进行淬火冷却并抽检淬火硬度,井式炉或箱式炉回火加热,检验回火硬度和力学性能试验。热处理设备采用井式炉或箱式炉,生产采用人工操作,生产效率低、能耗高、工人劳动强度大、操作现场油烟浓度高,生产过程中受人为因素影响及设备影响因素大,导致炮弹弹体及零部件质量较差,性能达不到产品规定要求,需要反复热处理。


随着现代化科技的发展以及国家对节能环保方面等的要求,军工制造领域对炮弹弹体及零部件热处理提出更高的要求,传统的炮弹弹体及零部件热处理方式已无法满足自动化生产、节能环保及炮弹高性能要求,已成为制约炮弹弹体及零部件热处理生产的关键问题。随着科技发展,热处理设备向着自动化生产方向发展,热处理自动化生产线具有工人劳动强度低、生产效率高、能耗低、零件性能一致性好等优点。


热处理自动化生产线的选用


连续自动化热处理生产线(调质处理)主要结构由上下料系统、淬火加热炉、淬火冷却及清洗系统、回火加热炉、驱动系统、炉温控制系统等组成。连续自动化热处理生产线驱动系统主要分为步进式、链条式、推杆式、网带式等形式。

热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

步进式连续自动化热处理生产线结构示意图如图1所示。驱动系统需采用大量的液压装置,由于液压驱动装置中的部分结构需要穿过炉底,受炉内高温高热影响,需大量的冷却装置对受热部位进行冷却,导致结构形式复杂、设计及制造困难、高温时运行不稳定;零件进炉、出炉及进入淬火冷却液仍需要其他驱动形式配合,造成驱动系统运行不流畅;另外驱动装置中顶升步进轨道的部分需要穿过炉底结构,炉底不能完全密封,导致散热量加大,能耗增加。

热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

链条式连续自动化热处理生产线结构示意图如图2所示。需使用悬挂式的热处理工装,由于炮弹弹体及零部件的型号种类繁多、结构形状各异,使大部分零件的热处理挂具工装设计制造困难或根本无法设计制造,并且悬挂式的热处理工装存在零件脱落危险,造成热处理设备损坏和零件热处理质量不合格,影响热处理连续生产。由于淬火加热炉和回火加热炉内温度高,驱动链条无法布置在炉膛内,只能将驱动链条布置在炉体上侧,驱动链条与工装的连接杆需穿过上侧炉体,导致上侧炉体无法密封,能耗损失较大。

热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

推杆式连续自动化热处理生产线结构示意图如图3所示。驱动装置结构形式相对简单,运行稳定,炉体密封好,且热处理工装的设计制造简单,工装通用性强,解决了零件从工装脱落的危险。


网带式连续自动化热处理生产线,采用网带驱动,其驱动结构决定了不适合炮弹弹体的热处理生产,此处不再进行介绍分析。


淬火冷却装置的设计


热处理淬火(淬火加热和淬火冷却)原理是弹体加热到临界点(Ac3或Ac1)以上30~50℃获得奥氏体组织,将零件从淬火加热炉快速转移至淬火冷却介质中进行淬火冷却,零件淬火冷却速度必须大于临界淬火冷却速度,以得到全部淬火马氏体组织。


炮弹弹体及零部件的结构形式多样,弹体主要结构形式有中空式、空腔式、中间底式等;零部件的结构形式有圆柱形、饼形、锥形、阶梯形、长条形、片形、管形等。由于零部件的尺寸较弹体小,淬火冷却质量容易保证,淬火冷却装置的设计主要考虑弹体的结构形式。

热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

弹体中空式结构形式如图4所示,简单,上下贯通,淬火加热后进入淬火冷却液时,淬火冷却液能迅速充满弹体内侧,淬火冷却速度快,弹体内外表面冷却均匀,可以获得均匀的淬火马氏体组织,经后续回火后即可满足产品性能要求。


弹体空腔式结构形式如图5所示,口部小、体长的中空瓶体结构,淬火加热后进入淬火冷却液时,因内腔空气压力导致淬火液无法完全充满弹体内腔,弹体内腔会形成无油区,使其内底和内壁冷却速度小于临界淬火冷却速度,得到珠光体、贝氏体等非马氏体组织,而弹体外壁和外底冷却速度快,得到淬火马氏体组织,导致弹体内外组织不一致,回火后弹体内外部性能不均匀,达不到产品规定性能要求,需要反复热处理,以满足弹体整体性能要求。为使弹体内底和内壁冷却速度大于临界淬火冷却速度,得到淬火马氏体组织,设计专用的内喷装置如图6所示,对弹体内腔进行内喷淬火冷却,弹体进入淬火冷却液时,内喷装置的喷嘴同时经弹体口部进入弹体内腔如图7所示,实现弹体内外部同时淬火冷却,获得均匀的马氏体组织,经回火后满足产品性能要求。

热处理自动化生产线在炮弹领域应用前景分析

弹体中间底式结构形式如图8所示,为两头中空、中间带底的结构,弹体头部与空腔式结构形式相同,淬火冷却时同样需要进行内喷淬火冷却;弹体尾部开口较大,当弹体进入淬火冷却液时,淬火冷却液可充满尾部空腔,对尾部空腔内表面进行淬火冷却。淬火冷却结束后,淬火冷却液无法从弹体尾部空腔自动排出,需设计专门的抽排系统,将弹体尾部空腔内的淬火冷却液抽排至淬火冷却槽内,避免造成冷却液浪费及污染环境。


典型零件的热处理


某种中间底式弹体(材料50SiMnVB)和某种零部件接螺(材料42CrMo)经推杆式连续自动化热处理生产线调质处理情况如下:


工艺流程:淬火加热→淬火冷却→清洗剂清洗→抽检淬火硬度→回火加热→回火冷却→检验回火硬度→力学性能检验。


⑴淬火冷却后各抽取6件弹体和接螺进行淬火硬度检验,淬火硬度结果见表1。


⑵回火后各对100件弹体和接螺进行回火硬度检验,并抽取硬度值最大和最小各1件进行力学性能检验,力学性能满足产品性能要求。


⑶对弹体和接螺各1件进行金相试验分析,弹体金相照片如图9所示,接螺金相照片如图10所示。


结论


经过理论分析和生产实践,推杆式连续自动化热处理生产线能实现炮弹弹体及零部件连续自动化热处理生产,大大提高生产效率,提高热处理性能一致性,降低工人劳动强度,降低能耗,在炮弹弹体及零部件热处理生产中有很好的应用前景。


作者简介:董志修,工程师,主要从事新产品零部件的热处理试制工作及热处理生产中的工艺技术工作,主持完成的有高压气瓶热处理生产线的工艺调试及批量生产工作;拥有2项热处理方面的专利。


——来源:《锻造与冲压》2019年第15期


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