铜柱的制备与研究现状

铜柱的制备与研究现状

0塑性测压静态校准步枪压是各种步枪系统最重要的战术指标之一。这是评估包括武器、武器、自动武器、弹药、信仰、射击等药物的使用和安全性能的必要参数。这是对其科学研究、设计、生产和产品的极其重要的参数。目前膛压测量方法可以分为两种:一是电测法;二是塑性测压法。塑性变形测压法具有使用方便,只需一个塑性测压器件(测压器、塑性敏感元件);操作简单,放入式测压器可不破坏被试武器;数据稳定可靠且经济等诸多优点,因此,目前仍是我国乃至世界各国膛压测量的主要手段。敏感元件铜柱是塑性测压的核心,其静态校准是使用标准力机获得力值(压力值)与铜柱变形量(或压后高)的关系。在塑性测压静态校准的量值传递中,通常使用Φ8mm×13mm规格的标准铜柱作为标准物质,用于校验工作级力机的力值和工作状态。标准铜柱使用简单方便,稳定性好,在铜柱实际生产中广泛应用,必不可少。然而,现行的塑性测压静态校准几十年来一直沿用陈旧的校准设备和上世纪60年代的老标准,塑性测压静态校准长期未向国家力值基准溯源,标准铜柱不能定量复现和传递静态校准的力值。为了解决静态校准形成合法计量保障的技术问题,本文对标准铜柱进行系统研究,为制备高质量的标准铜柱及研究溯源和量传方法提供参考。1标准铜柱的开发1.1铜线的制备标准铜柱的原材料—铜线采用的材料是高纯电解铜,经过热挤压、棒材的均匀化处理、冷加工变形与静态再结晶等复杂工艺,将原始棒料经多次反复的拉拔变形,以消除材料的不均匀性、均匀细化晶粒,获得所需直径的铜线,标准铜柱直径为8mm,切割成1.5m长度。铜线材料纯度越高,铜柱变形的一致性越好,但须制作的标准铜柱坚强性处于指标中间值,经过多批次的试制和检测分析,优选的铜线原材料成分为铜含量≥99.99%、S含量<0.001%、P含量<0.001%、Pb含量<0.0005%、含氧量≤0.001%,拉伸强度Rm在360～380N/mm2范围内。1.2标准铜柱制备1.2.1晶粒组织的加工铜柱的制备工艺流程通常包括以下工序:铜线切割、粗加工、修料、检验、退火、精加工、酸洗、静态检验等。其中退火工序是铜柱制备的关键工序,对铜柱的坚强性和变形一致性影响较大,退火的目的也是为了细化晶粒组织,消除铜线反复拉拨和铜柱机械加工过程中产生的内应力。铜的再结晶特性是非扩散性的生核再结晶过程,随着退火温度增加首先在变形晶粒边界生成再结晶核心,又称为开始再结晶,随后为部分再结晶——基本再结晶——完全再结晶——集聚长大再结晶等五个阶段,经研究,确定标准铜柱最佳的静态再结晶退火温度是(400±20)℃,此时材料的韧性最佳,其晶粒度检测结果为0.015mm。1.2.2两端面平行倾斜法最大高度包括尺寸检测和外观质量检验。切割加工的铜柱尺寸应符合《测压铜柱规范》WJ72-2006的规定;铜柱两端面与柱体相互垂直,若两端面平行倾斜时端面对柱体轴线的垂直度公差不大于0.04mm,若两端面非平行倾斜时最大高度铜柱在(13.00±0.01)mm、铜锥在(13.00±0.02)mm(锥顶直径为(0.30±0.05)mm;椎体角度为(65°±20‘))范围内,最小高度允许比最小极限高度小0.02mm。铜柱表面无裂纹、气泡、氧化皮和毛刺;铜柱表面粗糙度Ra≤1.6μm。1.2.3环形铜柱的变形首先对Φ8mm×13mm铜柱的坚强性进行考核,柱形铜柱在19.61kN负荷力下的压后高应在9.65～9.85mm,锥形铜柱13.73kN负荷力下的压后高为7.75～8.10mm,10粒铜柱的变形一致性好;其次对铜柱在13.73～39.23kN、锥形铜柱在0.2～19.61kN范围内选多点进行加载试验,其变形一致性、坚强性和表面强度均满足要求,从多批次中精选出铜柱个体变形一致性最优批次的铜柱作为标准铜柱。1.3标准试验和结果分析1.3.1试验前力机性能的研究校准试验采用精度达0.1%新研制的游码式高精度力机,首先对其检定合格,实现塑性测压静态校准向国家力值基准的溯源,其次,研究其工作参数,以与现有力机的工作状态保持一致,避免出现系统偏差,其加载速率:0.3mm/s;平衡系数:±0.02mm,铜柱每次压缩保压时间为30s,千分尺准确度为±0.001mm,试验前铜柱和压力机持续保温不少于8h,室温控制在(20±1)℃;校准试验时,室温需控制在(20±0.5)℃内;相对湿度维持在65%～75%内。1.3.2u3000试验随机抽取60粒柱形铜柱,每天取10粒,在下列六个负荷值下由低至高的顺序进行连续压缩加载试验,负荷力分别为14.71,19.61,24.52,29.42,34.32,39.23kN;随机抽取60粒锥形铜柱,每天取10粒,在下列五个负荷值下由低至高的顺序进行连续压缩试验,负荷力分别为0.29,0.98,4.90,9.81,14.71kN,每种铜柱共计试验6天,记录每天每个铜柱在各负荷下的压后高度,并统计每负荷每天及六天的平均压后高或变形量及试验标准偏差。校准结果及统计数据处理结果见表1。1.3.3标准铜柱的校准结果1)铜柱变形量的一致性标准铜柱用于力机校验是一次性使用,需从抽取的小样品量反映整个批次的特性,因此需考核铜柱个体的变形波动情况。本批标准铜柱校准试验的各铜柱个体的变形量与当日平均值的偏差小于±0.03mm,日平均变形量与6天平均值的偏差小于±0.02mm,表1中h1,S1到h6,s6分别表示第1天到第6天的平均压后高及合并标准偏差,可反映铜柱的统计变形量及个体随机波动,定量表征了标准铜柱变形的一致性。分别表示6天的平均压后高及统计标准偏差,可进一步反映各力点铜柱统计平均变形量及随机波动,提高了校准结果的可靠性。校准结果可看出各力点下的s1到s6的值均小于0.015mm,且连续6天的合并标准偏差s小于0.014mm,说明标准铜柱的个体随机波动小、一致性好。2)量值传递参数研究由于铜柱在其负荷力测量范围内呈现显著的非线性,现有标准仅规定铜柱变形量的极限值,在量值传递时是无法定量校准力机的力值,因此需引入变形量-力值的灵敏度系数k,以所有样本统计变形量的平均值Δh为约定真值,对平均变形量及对应的负荷值用最小二乘法进行变形量—力值的非线性回归,柱形、锥形铜柱的曲线见图1,并得到下列方程:柱形铜柱锥形铜柱式中:;柱形、锥形方程式的相关系数分别为0.99999,0.99998。对方程求导数,计算各负荷值下的变形量-力值的灵敏度系数k,见表1,作为标准铜柱的校准结果,与特定力值下的压后高对应,作为力机校验用的标准值。3)标准铜柱校准结果的不确定度分析在标准铜柱负荷力测量范围内,对其进行校准试验,建立了特定负荷力与压后高(或变形量)的对照表及灵敏度系数,该对照表不确定度的主要来源有:标准力机引入的不确定度分量u1;铜柱变形量引入的不确定度分量u2,包括了测高用千分尺u2a、铜柱高度测量u2b、环境温度u2c和铜柱个体变形一致性u2d,,注意在计算u2时,需将铜柱变形量引入的不确定度分量从长度单位转换为力值单位。因引入不确定度分量u1,u2的因素互不相关,则。分析计算结果见表1,在系列特征力值下,柱形标准铜柱校准结果的相对扩展不确定度在39.23kN负荷下最大,为0.20%;锥形标准铜柱校准结果的相对扩展不确定度在0.98kN下最大,为0.9%,锥形和柱形标准铜柱各特征力点校准结果的相对扩展不确定度均小于1%,满足塑性测压静态校准的量值传递需求。2u2004校准条件测压校准用工作级力机精度一般应达1%,应按JJF734检定合格。在实际使用过程中,由于塑性测压静态校准对力机的特殊要求,如加载过程的速率、保压时间、毡台平行度、不同原理力机的综合性能等会导致铜柱压偏、变形量不一致等,为了统一膛压测试的量值,还需使用标准铜柱对其进行校验,一般工作级力机需3个月校准一次,或有疑问时可随时校准。新力机校准前应试验确定加载平均速率等试验条件,其他工作级力机加载速率、保压时间应与1.3.1中标准铜柱校准条件一致。校准试验首先用少量铜柱在其负荷力测量范围里,进行加载试验,调整力机的毡台等工作状态,使铜柱加载后的上下端面光滑平行,对每粒铜柱压缩后沿圆周均匀多点测高,检测铜柱上下面的平行度,其最大高度差应小于0.003mm,表明无明显偏斜。其次,使用Φ8mm×13mm标准铜柱和铜锥、各负荷力F下的平均压后高h、灵敏度系数k等校准结果的标准值(最佳估计值),对被检力机的工作状态和力值进行校准试验,并与标准值进行比对。试验过程为随机抽取10粒标准铜柱和10粒标准铜锥,试验进行1天,对每粒铜柱按照14.71,19.61,24.52,29.42,34.32,39.23kN负荷力,由低至高的顺序作连续压缩试验;对铜锥按照0.29,0.98,4.90,9.81,14.71kN负荷力,由低至高的顺序作连续压缩试验;以中心点三次测量高度的平均值记录单次校准结果,计算10粒的平均压后高及偏差,其平均压后高与标准值的偏差一般应小于±0.05mm,10粒的极差一般应小于0.07mm,10粒铜柱中有1粒偏差较大时,可补试1粒;并计算被校力机的测力误差,给出定量的校准结果。计算数学公式为式中:下标i代表系列力值点;hi为校验试验的压后高度;是标准铜柱的标准压后高度;kFi为灵敏度系数;F0i为标准力值。按照公式可计算出被校力机测量的力值Fi及力机的误差ΔFi。对多台工作级力机进行试验,达到了静态校准量值传递的目的。3量值溯源技术1)研制的标准铜柱在0.98～39.23kN范围内,各特征负荷下变