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炮弹弹体毛坯精密热成形数值模拟仿真与试验研究

周杰  
【摘要】:项目来源于兵器工业装备集团总公司“九五”科技预研项目“炮弹弹体毛坯精密成形技术”(ZZ9615-1)。 炮弹弹体毛坯精密成形,就是用尽可能少的材料生产出符合质量要求的炮弹弹体毛坯。 本课题的研究对象为五九式130毫米远程加农杀伤爆破榴弹(简称130底排弹)的大弹体毛坯。此弹种为某厂现行大批量生产的大口径榴弹,具有代表性,目前材料利用率仅为48.5%,修弧率100%,壁厚差一般为3~4mm, (最高12mm),废品率一般为12%。为此,提高材料利用率、减少加工量和降低生产成本意义重大。以它为研究对象,拟达到的主要技术指标为:材料利用率不小于64%,修弧率不大于25%,壁厚差为2.5mm以下的不小于80%,(最大不超过4mm),良品率不小于96%。技术指标的核心是材料利用率。 为实现上述目标,提出了本项目的总体技术改造方案为:“精备料、均热、满压型、厚壁浅冲、短距多模长拔、可控内形技术”。 炮弹弹体毛坯热精密成形过程主要由压型、冲孔、引伸和收口四道工序组成。工序较多,各工序成形后的形状、变形量大小需要合理设计。若采用传统的计算方法,工作量很大,计算精度不高,难以满足精密成形分析和优化要求。综观目前已有的金属成形过程计算方法,有限元法(finite element method—FEM)是应用最广泛、最有效的数值方法。其中刚(粘)塑性有限元法是求解金属高温塑性成形问题的一种最合适的计算机数值模拟方法。 本项目的研究方法就是首先通过采用刚(粘)塑性有限元法,利用先进成熟的美国DEFORM软件,对炮弹弹体热成形初步设计工艺的全过程进行计算机数值模拟,预测可能出现的问题或缺陷;然后修改和优化工艺及模具参数,为弹体毛坯热成形工艺、工装和模具设计提供理论依据。 在此基础上加工制造工装及模具,按照1:1实弹材料直接进行工艺试验,通过在国营383工厂进行的试验验证,取得了项目研究的顺利成功,试验结果与仿真数据相吻合,并最终确定出优化的炮弹弹体毛坯热成形生产新工艺。由此证明所提出的炮弹弹体毛坯精密成形新工艺是可行的、有效的。 试验结果表明该研究实现了弹体毛坯精化。弹体毛坯的下料重量由原来的49(5kg减少到37(5kg,每发炮弹节省原材料12kg,材料利用率由目前的48.5%提高到64%;修弧率为11.28%~23.68%,小于25%;弹体毛坯壁厚差2.5mm以下的达到90%以上,最大不超过2.9mm,提高了战术密集度;并使得单发弹体可减少机加工工时达1.5小时;同时提高了毛坯质量和良品率。对大弹体毛坯生产具有十 WP=4 分显著的经济效益、技术价值和社会、军事效益。 经国家教育部组织的鉴定委员会认为,该项目研究方法先进,分析合理,资料齐全,研究成果在国内处于领先地位,达到国际同类技术水平。 论文第一章介绍了课题的来源、研究目标及国内外现状。 第二章对炮弹弹体毛坯热精密成形技术进行了简介和分析。 第三章结合金属高温成形的具体特点,详细论述了轴对称问题的刚粘塑性有限元法,建立了刚粘塑性模型,推导了基于罚函数法和Backofen 模型的刚粘塑性有限元列式,讨论了四节点四边形等参单元,并对模拟过程中出现的材料体积变化进行了分析,找到了相关影响因素及提高模拟精度的措施,进一步完善了刚粘塑性有限元理论。 第四章模拟分析了炮弹弹体毛坯精密成形过程中热压型、冲孔工序,得到了金属流动、应力应变分布、应变率分布、成形载荷及缺陷预测等结果。 第五章分析了炮弹弹体毛坯精密成形过程中热引伸工序,得到了热引伸过程相关力学信息。通过对几种模拟情况的分析比较,为最终确定弹体毛坯热引伸成形工艺和模具设计提供了如模圈内径、模圈间距、模圈入模角等合理的技术参数。 第六章建立了弹体毛坯收口工艺的刚粘塑性有限元模型,分析了在不同摩擦因子条件下弹体毛坯应力应变分布规律及可能产生的缺陷,为了获得所需的收口毛坯形状尺寸,其模具与坯料之间的剪切摩擦因子应控制在m=0.15以下。文中还介绍了国内外反向模拟技术,结合收口工艺特点,建立了收口反向模拟技术的理论和系统流程,并针对收口工艺提出了反向模拟边界条件的确定方法。 第八章详细介绍了炮弹弹体毛坯精密成形工艺试验过程,针对试验中出现的主要问题进行了分析,提出了相应对策,并将试验结果与模拟数据进行了比较分析。最后对试验结果进行了技术评估。


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