125mm自紧身管及其工装设计(3)

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1.2 机械自紧方法概述

目前自紧身管的材料强度已经达到0.1 1097MPa -1245MPa 以上，自紧用的高压设备压力达到 1372MPa 左右，并且出现了冲头挤扩法和爆炸自紧等新工艺，都为大量采用自紧身管提供了条件。而目前身管自紧的方法有三种：冲头挤扩自紧、爆炸自紧和液压自紧。

挤扩法(机械自紧)是用一个大于身管毛坯内径的冲头强力通过内膛，迫使内膛扩大产生预定的塑性变形从而达到自紧的目的。冲头前部有一定的锥度，以利挤入炮膛。炮膛产生塑性变形的大小由冲头对自紧前内膛的过盈量来控制。冲头的运动可以是用压力机直接推动或拉动冲头的芯杆，也可以是用高压液体直接推动冲头运动，冲头前进时与筒壁紧密贴合能可靠地紧塞液体[8]。

冲头挤扩自紧是一种在美国和英国广泛采用的自紧方法，机械自紧利用了冲头挤扩时接触斜面的机械效率，所需要的驱动冲头的载荷较小，避免了超高压密封的困难和对高压增压设备的需求。

相比于液压自紧，由于机械自紧问题的复杂性，由于静态载荷不均匀，厚壁圆管内的自紧载荷不是液压自紧时的均匀静压，而是一个沿轴向分布不均匀的移动接触载荷。对应的力学问题是一个空间轴对称的移动接触的弹塑性问题，这对理论求解很有不足，至今缺乏完整系统的设计理论解法，常常利用数值方法进行应力分析和强度计算[9]。

1.3 国内外研究概况

2 自紧理论与自紧方案设计

早在 1906 年，首先时法国的火炮设计工程师 Malaval 把自紧原理应用到身管设计中，以便于提高强度。五十年代后，由于火炮机动性和威力的提高，使各种身管的自紧技术也得到发展。例如，为了适用于高强度身管的自紧，六十年代初，美国研究出了挤扩自紧（又称机械自紧），另外随着火炮威力的大大提高，身管的疲劳寿命也日渐突出，例如美国在研制 175 毫米的自行加农炮时，采用了单筒身管，其疲劳寿命只有 400 多发，不能满足其设计的寿命要求；改用自紧身管进行设计后，虽然身管材料的屈服极限σs 由原来的（1120~1260）Mpa 降低到（980~1120）Mpa，但疲劳寿命却增加到 2500 多发。例如当时西德的豹—2 坦克，采用液压自紧身管，它所能承受的最大膛压为 710Mpa。近年来，我国对自紧工艺，自紧理论以及设计方法也开展了广泛的试验和研究。

2.1 自紧方案种类

目前应用于身管自紧的方法有三种：液压自紧、冲头挤扩自紧和爆炸自紧。前两种方法已广泛应用于生产实践，后一种方法只在小口径火炮中用强装药的方法完成，如瑞典双管 35。下面对三种自紧方法作简要介绍。

2.1.1 液压自紧法

液压自紧是身管自紧最常用的方法，它是利用高压液体直接将压力作用在身管的内表面上，引起管壁内的塑性变形，产生对自紧有利的残余应力分布，从而提高身管的强度和增加疲劳寿命。

液压自紧时主要的设备有：超高压泵（工作压力达 1400 Mpa），芯棒，高压密封装置，测量仪器（主要是应变仪和数采），压力传感器等。自紧时采用芯棒，主要是为了安装密封装置，减小液体容量和承受轴向力的作用。

身管毛坯为均匀圆筒形或是外径仅有不大的锥度。自紧时，在其内膛用液体施加高压，并监测身管外径尺寸变化，以控制毛坯产生预定的塑性变形量。其工艺装置如图 2.1 所示，液压自紧密封结构中的核心零件是芯轴，它不仅要承受自紧过程中高压液体产生的压力和轴向力，还是其他各种密封件的基础构件。芯轴选材特别重要.美国选用含镍 18%的马氏体钢, 德国用 X38CrMoV51 热加模具钢，我国用 PCrNiMoVA 炮钢，屈服极限要求σs≥1000MPa，具有良好的韧性。