3D打印技術(shù)在鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

姜曼　張亞新　徐華　董鴻飛　劉仍貴　李萬敏

摘 要：為解決野戰(zhàn)部隊(duì)彈殼回收時(shí)的計(jì)數(shù)問題，采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一種鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器。通過理論計(jì)算和3D打印核心部件實(shí)驗(yàn)，確定了鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的卡彈槽傾角為31.3°，卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min。采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)件數(shù)量少，大幅度降低了重量和功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈殼計(jì)數(shù)效率為87.4個(gè)/分，計(jì)數(shù)精度為99.8%，滿足軍隊(duì)提出的計(jì)數(shù)效率和計(jì)數(shù)精度要求。該研究不僅為軍隊(duì)提供一種實(shí)用的彈殼計(jì)數(shù)工具，也為其他相近的機(jī)械設(shè)備采用3D技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和樣機(jī)制造提供了參考借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；彈殼回收；鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：TB16；U462.1；N94? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）02-0024-04

引言

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末金屬或塑料等材料通過逐層粘合來構(gòu)造物體[1]。3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、藝術(shù)品加工、汽車制造、航空航天以及海軍艦艇等[2-8]。近年來，因3D打印技術(shù)出色的時(shí)效性，將其作為裝備研發(fā)和維修保障領(lǐng)域的技術(shù)手段，能快速提升裝備和研發(fā)維修保障能力，使各國不斷加大3D打印技術(shù)在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

子彈在戰(zhàn)時(shí)是保家衛(wèi)國的利器，在非戰(zhàn)時(shí)是提升軍事訓(xùn)練水平的重要物資[9，10]。一般的子彈由彈丸、彈殼、發(fā)射藥和火帽四部分組成。彈丸用來依靠快速飛行侵徹目標(biāo)，發(fā)射藥是通過燃燒賦予彈丸較高初速，火帽用來擊發(fā)，彈殼用來連接彈丸和保護(hù)發(fā)射藥及密閉火藥氣體。彈丸發(fā)射后，彈殼被槍械的拋殼機(jī)構(gòu)拋出。在日常訓(xùn)練中，彈殼需要全部回收，因此需要高效的彈殼計(jì)數(shù)裝置。為解決彈殼計(jì)數(shù)問題，采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

3D打印鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器由卡彈機(jī)構(gòu)、容托機(jī)構(gòu)、滑槽、電機(jī)以及計(jì)數(shù)裝置組成。使用過程中，將彈殼放入容托機(jī)構(gòu)中，卡彈機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌在容托機(jī)構(gòu)內(nèi)部，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下與容托機(jī)構(gòu)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。彈殼在卡彈機(jī)構(gòu)和容托機(jī)構(gòu)共同作用下，卡入彈殼卡槽中，并隨卡彈機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)至排出口位置，在離心力與重力的作用下，脫離彈殼卡槽并掉落在滑槽中。滑槽底部中間位置安裝傳感器，彈殼在滑槽中滑動(dòng)中經(jīng)過傳感器，實(shí)現(xiàn)彈殼計(jì)數(shù)。

1.2 數(shù)字建模

3D打印的設(shè)計(jì)過程：先通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印[11]。鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的核心部件卡彈機(jī)構(gòu)、容托機(jī)構(gòu)以及滑槽三部分由3D打印技術(shù)完成，其三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

1.3 切片處理

將核心部件模型存儲(chǔ)為STL文件，并通過切片軟件將核心部件模型進(jìn)行切片處理，制作成3D打印機(jī)能夠識(shí)別的文件格式，如圖2所示。

2 卡彈機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

3D打印核心部件的鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器在工作時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，卡彈率高，排彈率低；當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)，排彈率高，卡彈率低。計(jì)數(shù)率與卡彈率和排彈率成正比；排彈率與轉(zhuǎn)速和卡彈槽數(shù)目成正比，因此卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速是決定計(jì)數(shù)率的重要因素。當(dāng)彈殼以團(tuán)聚體的形式經(jīng)過光學(xué)計(jì)數(shù)器時(shí)，無法形成光柵，造成計(jì)數(shù)減少的現(xiàn)象[12-15]。為防止彈殼以團(tuán)聚體形式進(jìn)入滑槽，根據(jù)傳感器的分辨率，彈殼掉落間隙不小于0.1秒。轉(zhuǎn)速與卡槽數(shù)目滿足下式：

式中，n鼠籠卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速r/min；

k卡彈槽數(shù)目個(gè)/r。

卡彈槽數(shù)目越多，相同轉(zhuǎn)速下排彈率越高，由于打印材料的力學(xué)性能，選取不同卡槽數(shù)目進(jìn)行測(cè)試，在滿足功能以及安全余量的基礎(chǔ)上，在直徑為270mm的鼠籠卡彈機(jī)構(gòu)上設(shè)置的最大卡槽數(shù)目為30個(gè)。由式（1）計(jì)算可知，在卡槽數(shù)目一周選為30個(gè)時(shí)，鼠籠卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速n≤20r/min。分別選用5r/min、8r/min、10r/min、12r/min、15r/min和六組轉(zhuǎn)速進(jìn)行卡彈率試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中每種轉(zhuǎn)速測(cè)試50組，每組以掉落100個(gè)子彈殼記錄時(shí)間?？◤椔视?jì)算公式如式（2）所示

式中，ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時(shí)間（s），

n：電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與卡彈率試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，卡彈率隨卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速的增加而減小，卡彈機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，彈殼跳動(dòng)越劇烈，越不容易卡入卡槽中。在不考慮其他因素的條件下，理論排彈率如公式（3）所示：

Qp＝３０nηk? （3）

式中，Qp：排彈率（個(gè)/min），

ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時(shí)間（s），

n：電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

經(jīng)計(jì)算，不同轉(zhuǎn)速下，理論排彈率如表2所示。

由表2可知，理論排彈率在卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min出現(xiàn)最大值，因此轉(zhuǎn)速設(shè)置為10r/min。

3 卡彈槽傾角設(shè)計(jì)

卡彈槽傾角是卡彈槽推彈面與過此面外邊及圓柱形卡彈機(jī)構(gòu)柱線組成平面的夾角；容托機(jī)構(gòu)傾角是容托機(jī)構(gòu)前側(cè)上平面與支撐水平面之間的夾角；排彈角是彈殼從卡彈槽滑出切線方向與支撐水平面之間的夾角，如圖3所示。

3.1 排彈角試驗(yàn)

最小排彈角是彈殼滑出卡彈槽所需要的最小傾斜角度。目前，尚無文獻(xiàn)報(bào)道3D打印PLA材料與彈殼的滑動(dòng)摩擦角，需要通過試驗(yàn)測(cè)得彈殼與打印材料的滑動(dòng)摩擦角。3D打印PLA材料成型的平面因角度和結(jié)構(gòu)的不同，其表面粗糙度差異較大，我校實(shí)驗(yàn)室使用的打印機(jī)為低端打印機(jī)，粗糙度最大的打印平面是圓盤形底部平面。以打印粗糙度最大的平面為測(cè)試平面，測(cè)試彈殼的滑動(dòng)摩擦角和滾動(dòng)摩擦角，如圖4所示。

通過試驗(yàn)測(cè)得，彈殼軸線方向與下滑方向垂直時(shí)，彈殼以滾動(dòng)的方式向勢(shì)能低的方向運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)摩擦角為21.3°；彈殼軸線方向與下滑方向垂直時(shí)，彈殼以滑動(dòng)的形式向勢(shì)能低的方向運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦角為42.7°。在鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器中，彈殼以滾動(dòng)形式脫離卡彈槽，同時(shí)考慮到彈殼滑出后速度過大會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)精度產(chǎn)生不利影響，因此選擇21.3°為排彈角。

3.2 容托機(jī)構(gòu)傾角設(shè)計(jì)

容托機(jī)構(gòu)傾角通過試驗(yàn)獲得，通過增加支撐座墊塊調(diào)整高度差的方式改變?nèi)萃袡C(jī)構(gòu)傾角。旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為10r/min，分別以3°、5°、8°、10°、12°、15°六種傾斜角度，測(cè)試異形掉落率，異形掉落率根據(jù)公式（4）所示：

式中，ηc：異形掉落率（%）。

λi：第i組試驗(yàn)中未通過傳感器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。

試驗(yàn)對(duì)每種容托機(jī)構(gòu)傾斜角度測(cè)試50組，每組100枚彈殼，由試驗(yàn)結(jié)果可知，在容托機(jī)構(gòu)傾角不足10°時(shí)，因彈殼未沿卡彈槽方向卡入卡彈槽中，呈異形卡入狀態(tài)，其在排彈口掉落軌跡復(fù)雜，容易造成計(jì)數(shù)誤差。當(dāng)容托機(jī)構(gòu)傾角大于10°時(shí)，異形卡入卡彈槽的彈殼在重力作用下，掉落在容托機(jī)構(gòu)內(nèi)部，不影響計(jì)數(shù)器工作，考慮到容托機(jī)構(gòu)中，彈殼的回落及彈殼容量等因素，選擇容托機(jī)構(gòu)傾角大于10°。

3.3 卡彈槽傾角設(shè)計(jì)

為擴(kuò)大容托機(jī)構(gòu)的載彈量，需加大對(duì)卡彈機(jī)構(gòu)的包裹角度，但限于容托機(jī)構(gòu)以及三葉花鍵的的安裝和調(diào)試，容托機(jī)構(gòu)最大包裹范圍為180度，即容托機(jī)構(gòu)前側(cè)上平面為過圓柱形卡彈機(jī)構(gòu)柱心的直徑面。因此，卡彈槽傾角與排彈角和容托機(jī)構(gòu)傾角的關(guān)系如式（5）所示：

αk=αp+αd? （5）

式中，αk：卡彈槽傾角，

αp：排彈角，

αd：容托機(jī)構(gòu)傾角。

由式（6）計(jì)算得卡彈槽傾角為31.3°。

4 整機(jī)試驗(yàn)及整機(jī)參數(shù)對(duì)比

4.1 整機(jī)試驗(yàn)

3D打印整機(jī)裝配完成后，如圖5所示，分別對(duì)計(jì)數(shù)效率和計(jì)數(shù)精度個(gè)進(jìn)行500組測(cè)試，每組測(cè)試200枚彈殼。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)效率為87.4個(gè)/分，計(jì)數(shù)精度為99.8%。

4.2 性能參數(shù)

3D打印鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的性能參數(shù)與軍隊(duì)提出的鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)要求如表3所示。

鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的核心部件卡彈機(jī)構(gòu)、容托機(jī)構(gòu)以及滑槽均采用3D打印技術(shù)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積比最大的設(shè)計(jì)要求減小了85.15%；制作材料選擇質(zhì)輕耐磨的PLA材質(zhì)，外殼使用亞克力板，使整體重量減輕92.8%；輕質(zhì)材料配合填料加工的高加工精度使額外損耗大幅減小，采用的電機(jī)功率是最大設(shè)計(jì)要求值的12.5%，大幅度提高工作續(xù)航能力。

5 結(jié)論

3D打印技術(shù)大大地縮短了鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)以及樣機(jī)的制作時(shí)間，并通過理論計(jì)算和樣機(jī)核心部件試驗(yàn)，確定了3D打印鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器的卡彈槽傾角為31.3°以及卡彈機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min。采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的鼠籠式彈殼計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)件數(shù)量少，大幅度的降低重量和功耗。通過整機(jī)試驗(yàn)表明，3D打印彈殼計(jì)數(shù)效率為87.4個(gè)/分，計(jì)數(shù)精度為99.8%，滿足了軍隊(duì)提出的計(jì)數(shù)效率和計(jì)數(shù)精度要求。

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收稿日期：2022-09-17

通訊作者：張亞新（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士，副教授。研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論及方法。

基金項(xiàng)目：赤峰市科研課題項(xiàng)目（SZR074）；赤峰學(xué)院服務(wù)地方重點(diǎn)項(xiàng)目（cfxyfd201806）