炮彈制造過程中的機(jī)械加工工藝

一、引言

炮彈作為一種重要的彈藥，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和軍事防御中起著關(guān)鍵作用。其制造工藝涉及多個(gè)復(fù)雜的環(huán)節(jié)，其中機(jī)械加工工藝尤為重要。機(jī)械加工能夠確保炮彈的尺寸精度、形狀精度以及表面質(zhì)量等各項(xiàng)性能指標(biāo)符合嚴(yán)格的要求，從而保障炮彈在發(fā)射和飛行過程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性與可靠性。本文將深入探討炮彈制造過程中的機(jī)械加工工藝，包括毛坯制造、車削加工、銑削加工、鉆孔與鏜孔加工、磨削加工以及熱處理與表面處理等環(huán)節(jié)，詳細(xì)闡述各工藝的具體操作、適用范圍、精度控制方法以及對(duì)炮彈性能的影響。

內(nèi)裝干擾機(jī)的通信干擾彈

二、炮彈制造概述

炮彈通常由彈丸、藥筒、發(fā)射藥、引信等部分組成。彈丸是直接對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生殺傷或破壞作用的部分，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響炮彈的威力和精度。藥筒則用于容納發(fā)射藥，并在發(fā)射時(shí)提供一定的氣密性和支撐力。發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)。引信負(fù)責(zé)控制炮彈的起爆時(shí)機(jī)，使其在合適的位置爆炸，以達(dá)到最佳的殺傷效果。

炮彈制造具有以下特點(diǎn)：首先，對(duì)精度要求極高，無論是彈丸的外形尺寸、藥筒的內(nèi)徑與壁厚，還是各部件之間的配合精度，都必須控制在極小的公差范圍內(nèi)，以確保炮彈的飛行穩(wěn)定性和射擊精度。其次，炮彈在發(fā)射時(shí)要承受巨大的壓力和高溫，因此對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性和耐熱性等性能有嚴(yán)格要求，通常選用高強(qiáng)度合金鋼等特殊材料。再者，炮彈制造涉及大量的批量生產(chǎn)，為了滿足軍事需求，需要高效的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制體系，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

三、毛坯制造工藝

（一）鑄造工藝

鑄造是炮彈毛坯制造的常用方法之一。對(duì)于一些形狀復(fù)雜、內(nèi)部有空心結(jié)構(gòu)或特殊形狀要求的炮彈部件，如某些彈丸的頭部或藥筒的底部，鑄造工藝具有獨(dú)特的優(yōu)勢。鑄造能夠一次性成型出接近最終形狀的毛坯，減少了后續(xù)加工的工作量。常用的鑄造方法包括砂型鑄造、熔模鑄造等。

砂型鑄造是最基本的鑄造方法，它以砂為造型材料，將熔化的金屬液澆入鑄型型腔中，冷卻凝固后獲得鑄件。砂型鑄造的優(yōu)點(diǎn)是成本低、工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，可以生產(chǎn)各種形狀和尺寸的鑄件。然而，其鑄件的精度相對(duì)較低，表面粗糙度較大，需要進(jìn)行較多的后續(xù)機(jī)械加工來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在炮彈鑄造中，砂型鑄造常用于制造一些對(duì)精度要求不是特別高的大型藥筒毛坯或彈丸毛坯的粗加工。

熔模鑄造則是一種精密鑄造方法，它利用蠟?zāi)Ｖ谱鞒雠c鑄件形狀相同的模型，然后在蠟?zāi)１砻嫱扛捕鄬幽突鸩牧?，形成型殼。將蠟?zāi)Ｈ刍鞒龊?，得到中空的型殼，再將金屬液澆入型殼中，冷卻凝固后獲得高精度的鑄件。熔模鑄造的優(yōu)點(diǎn)是鑄件精度高、表面質(zhì)量好，可以制造出形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的炮彈部件，如某些高精度引信外殼或小型彈丸的特殊形狀部分。但熔模鑄造的工藝復(fù)雜，成本較高，生產(chǎn)周期較長，適用于對(duì)精度和質(zhì)量要求極高的少量或小批量炮彈部件的制造。

（二）鍛造工藝

鍛造工藝在炮彈毛坯制造中也占有重要地位，特別是對(duì)于一些承受高應(yīng)力、需要高強(qiáng)度和良好韌性的炮彈部件，如彈丸的主體部分。鍛造是通過對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和性能的毛坯。

鍛造工藝可以改善金屬的組織結(jié)構(gòu)，使金屬內(nèi)部的晶粒細(xì)化、組織致密，從而提高材料的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能。常用的鍛造方法包括自由鍛和模鍛。自由鍛是將金屬坯料放在上下砧鐵之間，通過人工或機(jī)械施加沖擊力或壓力，使坯料逐步變形。自由鍛的靈活性大，可以鍛造各種形狀和尺寸的毛坯，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，精度相對(duì)較低，主要用于單件或小批量生產(chǎn)的大型炮彈毛坯或形狀簡單的毛坯制造。模鍛則是將金屬坯料放在模具型腔中，通過壓力機(jī)施加壓力，使坯料在模具的限制下變形，獲得與模具型腔形狀相同的毛坯。模鍛的生產(chǎn)效率高，精度高，表面質(zhì)量好，可以鍛造出形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的炮彈部件，如彈丸的頭部和藥筒的筒體部分。但模鍛需要專門的模具，成本較高，適用于大批量生產(chǎn)。

在鍛造炮彈毛坯時(shí)，需要根據(jù)炮彈部件的形狀、尺寸、性能要求以及生產(chǎn)批量等因素選擇合適的鍛造方法和工藝參數(shù)。同時(shí)，為了保證鍛造質(zhì)量，還需要對(duì)鍛造溫度、鍛造速度、變形程度等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。例如，鍛造溫度過高會(huì)導(dǎo)致金屬晶粒粗大，降低材料性能；鍛造溫度過低則會(huì)使金屬變形困難，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

▲上世紀(jì)，雜志上刊登的線圈炮概念圖（圖源：Hacked Gadgets）

四、機(jī)械加工工藝

（一）車削加工

車削加工是炮彈制造中應(yīng)用最廣泛的加工工藝之一，主要用于加工炮彈的回轉(zhuǎn)體表面，如彈丸的外圓、藥筒的筒體等。車削加工通過車床的主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，刀具沿工件軸向或徑向移動(dòng)，切除工件上多余的金屬材料，從而獲得所需的形狀和尺寸。

在車削彈丸外圓時(shí)，通常采用高精度的數(shù)控車床，以保證彈丸外圓的尺寸精度和形狀精度。車削工藝可以根據(jù)彈丸的設(shè)計(jì)要求，加工出不同直徑和長度的外圓表面。例如，對(duì)于一些具有特殊外形要求的彈丸，如棗核彈丸，車削加工可以通過控制刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，精確地加工出其曲線外形。車削加工的精度主要取決于車床的精度、刀具的質(zhì)量以及加工工藝參數(shù)的選擇。為了提高車削精度，可以采用高速切削、精密刀具、優(yōu)化切削參數(shù)等方法。同時(shí)，在車削過程中，還需要對(duì)工件進(jìn)行有效的夾緊和定位，以防止工件在加工過程中發(fā)生位移或振動(dòng)，影響加工精度。

對(duì)于藥筒筒體的車削加工，除了保證外圓尺寸精度和形狀精度外，還需要嚴(yán)格控制藥筒的內(nèi)徑和壁厚。藥筒內(nèi)徑的精度直接影響其與彈丸的配合精度，而壁厚的均勻性則關(guān)系到藥筒在發(fā)射時(shí)的強(qiáng)度和可靠性。在車削藥筒筒體時(shí)，通常采用內(nèi)孔車刀和外圓車刀配合使用，先加工外圓，再加工內(nèi)孔，以保證內(nèi)外圓的同軸度。同時(shí)，為了提高加工效率和精度，還可以采用多刀切削、自動(dòng)上下料等先進(jìn)的車削工藝技術(shù)。

美國XM982 神劍制導(dǎo)炮彈

（二）銑削加工

銑削加工主要用于加工炮彈部件的平面、溝槽、齒形等非回轉(zhuǎn)體表面。在炮彈制造中，銑削加工常用于彈丸的尾翼加工、藥筒的底部形狀加工以及引信部件的外形加工等。

銑削加工通過銑床的主軸帶動(dòng)銑刀旋轉(zhuǎn)，工件在工作臺(tái)上作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，銑刀與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切除工件上多余的金屬材料。根據(jù)銑刀的形狀和運(yùn)動(dòng)方式不同，銑削加工可分為端銑、周銑、立銑、臥銑等多種方式。例如，在加工彈丸尾翼時(shí)，通常采用立銑刀進(jìn)行端銑，將彈丸毛坯裝夾在分度頭上，通過分度頭的旋轉(zhuǎn)和工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，精確地加工出尾翼的形狀和尺寸。銑削加工的精度主要取決于銑床的精度、銑刀的幾何參數(shù)、切削參數(shù)以及工件的裝夾方式等。為了提高銑削精度，可以采用高精度的數(shù)控銑床、硬質(zhì)合金銑刀、優(yōu)化切削參數(shù)以及合理的裝夾定位方法等。同時(shí)，在銑削過程中，還需要對(duì)銑削力、銑削熱等因素進(jìn)行有效控制，以防止工件產(chǎn)生變形或表面燒傷等缺陷。

（三）鉆孔與鏜孔加工

鉆孔與鏜孔加工是炮彈制造中用于加工內(nèi)孔的重要工藝。鉆孔主要用于在炮彈部件上加工出初始的孔，如藥筒底部的傳火孔、彈丸內(nèi)部的裝藥孔等。鉆孔通常采用麻花鉆在鉆床上進(jìn)行，鉆孔時(shí)，鉆頭繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿軸向進(jìn)給，切除孔內(nèi)的金屬材料。鉆孔的精度相對(duì)較低，表面粗糙度較大，主要用于加工精度要求不高的粗孔。在鉆孔過程中，需要合理選擇鉆頭的材質(zhì)、幾何參數(shù)和切削參數(shù)，以提高鉆孔效率和質(zhì)量，同時(shí)要注意排屑和冷卻，防止鉆頭過熱和折斷。

鏜孔加工則是用于對(duì)已鉆孔或鑄造、鍛造出的孔進(jìn)行精加工，以提高孔的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。在炮彈制造中，對(duì)于藥筒的內(nèi)徑、彈丸內(nèi)部的深孔等精度要求較高的內(nèi)孔，通常需要進(jìn)行鏜孔加工。鏜孔加工可以在鏜床上或車床上進(jìn)行，通過鏜刀的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，對(duì)孔壁進(jìn)行切削加工。為了提高鏜孔精度，可以采用高精度的鏜床、微調(diào)鏜刀、浮動(dòng)鏜刀等先進(jìn)的鏜孔工具，同時(shí)要嚴(yán)格控制切削參數(shù)和鏜刀的磨損情況，確?？椎某叽缫恢滦院托螤罹?。例如，在加工藥筒內(nèi)徑時(shí)，采用浮動(dòng)鏜刀可以有效地補(bǔ)償鏜刀的安裝誤差和機(jī)床主軸的徑向跳動(dòng)，提高藥筒內(nèi)徑的加工精度和表面質(zhì)量。

（四）磨削加工

磨削加工是炮彈制造中用于提高零件表面質(zhì)量和精度的最后一道精加工工序。磨削加工主要用于加工炮彈部件的外圓、內(nèi)孔、平面等表面，如彈丸外圓的超精加工、藥筒內(nèi)孔的鏡面磨削等。

磨削加工通過磨床的砂輪高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件表面進(jìn)行微量切削，去除工件表面的微小余量，從而獲得極高的表面光潔度和尺寸精度。磨削加工的精度可以達(dá)到微米級(jí)甚至更高，表面粗糙度可以達(dá)到 Ra0.1 微米以下。在磨削彈丸外圓時(shí)，通常采用無心外圓磨床或高精度的萬能外圓磨床，通過控制砂輪的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和磨削深度等參數(shù)，精確地加工出彈丸外圓的最終尺寸和表面質(zhì)量。對(duì)于藥筒內(nèi)孔的磨削，則采用內(nèi)圓磨床，使用特制的內(nèi)圓砂輪進(jìn)行加工。在磨削過程中，需要合理選擇砂輪的材質(zhì)、粒度、硬度等參數(shù)，同時(shí)要注意磨削液的使用，以降低磨削溫度，減少工件表面燒傷和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。此外，為了保證磨削精度的穩(wěn)定性，還需要對(duì)磨床進(jìn)行定期的精度檢測和調(diào)整，確保砂輪與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。

五、熱處理與表面處理工藝

（一）熱處理工藝

熱處理是炮彈制造中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，它能夠顯著改善炮彈材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，提高炮彈的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性等性能指標(biāo)，滿足炮彈在發(fā)射和使用過程中的各種性能要求。

常見的熱處理工藝包括淬火、回火、退火、正火等。淬火是將炮彈部件加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間后迅速冷卻的熱處理工藝。淬火可以使鋼件獲得高硬度和高強(qiáng)度，但淬火后的工件脆性較大，需要及時(shí)進(jìn)行回火處理?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮墓ぜ訜岬降陀谂R界溫度的某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間后冷卻的工藝?；鼗鹂梢韵慊饝?yīng)力，降低工件的脆性，調(diào)整工件的硬度和韌性，使其獲得良好的綜合力學(xué)性能。例如，對(duì)于彈丸的主體部分，通常先進(jìn)行淬火處理，提高其硬度和強(qiáng)度，然后進(jìn)行回火處理，使其在保持一定硬度的同時(shí)，具有足夠的韌性，以防止在發(fā)射時(shí)發(fā)生破裂。

退火是將炮彈部件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火可以消除工件的殘余應(yīng)力，改善工件的切削加工性能，細(xì)化晶粒，為后續(xù)的淬火等熱處理工藝做好組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間后在空氣中冷卻的工藝。正火可以使工件獲得比退火更高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)改善工件的切削加工性能和組織結(jié)構(gòu)。在炮彈制造中，根據(jù)不同部件的材料、形狀、尺寸和性能要求，選擇合適的熱處理工藝和工藝參數(shù)，通過精確控制加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度等參數(shù)，確保熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

（二）表面處理工藝

表面處理工藝主要用于提高炮彈部件的表面性能，如耐腐蝕性、耐磨性、潤滑性等，同時(shí)還可以起到裝飾作用。在炮彈制造中，常見的表面處理工藝包括電鍍、磷化、發(fā)藍(lán)等。

電鍍是在炮彈部件表面鍍上一層金屬或合金鍍層的表面處理工藝。例如，鍍鉻可以提高彈丸表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，常用于彈丸的外表面處理；鍍鋅可以提高藥筒的耐腐蝕性，防止藥筒在儲(chǔ)存和使用過程中生銹。電鍍工藝的關(guān)鍵是控制電鍍液的成分、溫度、電流密度等參數(shù)，以保證鍍層的質(zhì)量和厚度均勻性。磷化是將炮彈部件放入含有磷酸鹽的溶液中進(jìn)行處理，在工件表面形成一層磷化膜。磷化膜可以提高工件的耐腐蝕性和潤滑性，有利于炮彈在裝配和使用過程中的操作。發(fā)藍(lán)處理則是將工件在特定的化學(xué)溶液中加熱氧化，使工件表面形成一層藍(lán)色或黑色的氧化膜，主要起到裝飾和一定的防銹作用。在表面處理過程中，需要嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作，確保表面處理質(zhì)量符合要求，同時(shí)要注意環(huán)境保護(hù)，妥善處理表面處理過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣等污染物。

六、機(jī)械加工工藝的質(zhì)量控制與檢測

（一）質(zhì)量控制體系

炮彈制造過程中的機(jī)械加工工藝質(zhì)量控制至關(guān)重要，它直接關(guān)系到炮彈的性能和可靠性。為了確保機(jī)械加工工藝質(zhì)量，建立一套完善的質(zhì)量控制體系是必不可少的。質(zhì)量控制體系應(yīng)涵蓋從原材料檢驗(yàn)、加工過程控制到成品檢驗(yàn)的全過程。

在原材料檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，要對(duì)用于炮彈制造的金屬材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試等，確保原材料的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。例如，對(duì)合金鋼材料進(jìn)行碳、硅、錳、鉻、鎳等元素的含量檢測，以及拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊韌性等力學(xué)性能測試。在加工過程控制中，要對(duì)每一道機(jī)械加工工序進(jìn)行嚴(yán)格的工藝參數(shù)監(jiān)控，如車床的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度，銑床的銑削速度、銑削力等。通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)，并及時(shí)調(diào)整偏差，確保加工過程的穩(wěn)定性和一致性。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)加工設(shè)備的定期維護(hù)和保養(yǎng)，保證設(shè)備的精度和性能處于良好狀態(tài)。

成品檢驗(yàn)是質(zhì)量控制的最后一道防線，要對(duì)加工完成的炮彈部件進(jìn)行全面的精度檢測、性能測試和外觀檢查。例如，采用三坐標(biāo)測量儀對(duì)彈丸的尺寸精度和形狀精度進(jìn)行精確測量，利用無損檢測技術(shù)對(duì)炮彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探傷檢測，檢查藥筒的氣密性等性能指標(biāo)，以及對(duì)炮彈的外觀進(jìn)行目視檢查，確保表面無劃傷、裂紋、銹蝕等缺陷。

美國陸軍的M982“神劍”155mm炮彈

（二）檢測技術(shù)與設(shè)備

在炮彈制造的機(jī)械加工工藝質(zhì)量控制中，采用了多種先進(jìn)的檢測技術(shù)和設(shè)備。

三坐標(biāo)測量儀是一種高精度的測量設(shè)備，它可以通過測量工件上多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，精確計(jì)算出工件的尺寸、形狀、位置等幾何參數(shù)。在炮彈制造中，三坐標(biāo)測量儀廣泛用于彈丸、藥筒等部件的尺寸精度和形狀精度檢測，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測出加工誤差，并為質(zhì)量控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。無損檢測技術(shù)也是炮彈質(zhì)量檢測的重要手段之一，包括超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測等。超聲波檢測可以用于檢測炮彈內(nèi)部的缺陷，如裂紋、氣孔等；射線檢測則可以對(duì)炮彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行透視成像，直觀地觀察內(nèi)部缺陷情況；磁粉檢測主要用于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷。這些無損檢測技術(shù)能夠在不破壞工件的前提下，有效地檢測出炮彈部件的內(nèi)部和表面缺陷，保證炮彈的質(zhì)量和安全性。

此外，還有一些專用的檢測設(shè)備用于炮彈特定性能的檢測。例如，用于檢測藥筒壁厚均勻性的壁厚測量儀，通過發(fā)射超聲波或采用激光測量等方式，精確測量藥筒不同部位的壁厚；用于檢測彈丸重心位置的重心測量儀，通過測量彈丸在不同姿態(tài)下的重力分布，計(jì)算出彈丸的重心位置，確保彈丸在飛行過程中的穩(wěn)定性。

三種“神劍”炮彈

七、結(jié)論

炮彈制造過程中的機(jī)械加工工藝是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的系統(tǒng)工程，涵蓋了毛坯制造、車削加工、銑削加工、鉆孔與鏜孔加工、磨削加工、熱處理與表面處理以及質(zhì)量控制與檢測等多個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)炮彈的最終性能有著重要的影響，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致炮彈性能下降甚至失效。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，炮彈制造的機(jī)械加工工藝也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高精度加工設(shè)備、先進(jìn)的加工工藝技術(shù)以及智能化的質(zhì)量控制與檢測手段的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高炮彈制造的質(zhì)量和效率，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)高性能炮彈的需求。同時(shí)，在炮彈制造過程中，還需要嚴(yán)格遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，加強(qiáng)質(zhì)量控制與管理，確保每一發(fā)炮彈都具有可靠的性能和質(zhì)量，為國家的國防安全提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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**作者簡介：**封崇崇，男，江蘇沛縣人，大學(xué)學(xué)歷，高級(jí)工程師。國家注冊(cè)質(zhì)量管理體系（QMS）審核員、國家注冊(cè)環(huán)境管理體系（EMS）審核員、國家注冊(cè)職業(yè)健康安全管理體系（OHSMS）審核員、國家注冊(cè)服務(wù)認(rèn)證審查員、國家注冊(cè)溫室氣體核查員?，F(xiàn)為財(cái)政部政府采購評(píng)審專家、山東省科技專家（山東省科技廳）、山東省工業(yè)和信息化廳專家、山東省政府采購評(píng)標(biāo)專家、科普中國專家、科學(xué)辟謠專家、科創(chuàng)中國專家、泰山科普名家。