工艺提升品质——轻武器特种加工工艺展现

刊登于2008年第1期《轻兵器》杂志
□文/鲁贤高       图/谢　华


数控加工车间

    目前我国轻武器科研与生产中，新型号、新项目的不断增加，各种战术技术 指标的不断提高，以及各种新型材料的广泛应用，都对工厂的加工工艺和设备 提出了更高的要求。216厂在国内率先成功地将一系列有特色的工艺技术运用在 轻武器制造中，如枪管精锻技术、枪管激光表面改性技术、铝合金硬质阳极氧化 染色技术、温冷挤压技术、QPQ表面改性技术等。其中枪管内膛表面激光强化技 术具有世界先进水平。


枪管精锻技术

枪管是枪械的核心部件，枪管的好坏直接影响到枪械的性能和寿命。枪管精锻技术是目前世界各军事强国在轻武器领域普遍采用的加工方式。216厂于1970年代在国内率先运用精锻技术使枪管线膛一次成形，经过三十多年的技术积累，现已具有丰富的精锻经验，可以从事大、中、小口径枪管和小口径炮管的线膛精锻加工。

枪管精锻的过程是通过精锻机来完成的。精锻机是一种径向锻造机，是在坯料周围对称分布几个锤头，对坯料沿径向进行高频率同步锻打，坯料边旋转边作轴向送进，使坯料径向断面尺寸减小，轴向延伸。坯料在轴向送进的同时，锤头按程序前进或后退，使坯料外形平整或具有一定锥度。精锻机不但能锻造膛线，而且能一次把线膛和弹膛同时锻出。在锻造枪管时，只需在坯料内孔中插入外形与相应线膛和弹膛尺寸吻合的的芯棒，并定位在锤头部位，经径向旋转冷挤压，从而锻出带线膛﹑弹膛的枪管。另外，精锻机在锻造内膛的同时能在枪管外圆上锻出多个锥体，使其外形达到基本不再加工。

　　精锻机锻出的枪管内膛尺寸精度高，一致性好，阴、阳线直径公差在0.03mm范围内，远远高于其传统加工精度的0.05～0.10mm范围。

　　枪管精锻技术的应用使枪管的合格率达99％以上，降低了生产成本，节约了原材料。更重要的是，精锻机通过高频率同步锻打，提高了材料的塑性变形，使金属结构更加致密，从而提高了枪管的强度﹑寿命，减少了寿命期内初速的下降率，对提高全枪性能起到了关键的作用。

　　目前，在国内枪械生产行业中，216厂是惟一成功应用枪管精锻技术的厂家。工厂采用枪管精锻技术的产品有CQ 5.56mm自动步枪枪管、95式5.8mm班用机枪枪管、9mm警用转轮手枪枪管、89式12.7mm重机枪枪管、02式14.5mm高射机枪枪管,以及在研项目的所有枪管。

　　216厂具有可精锻25mm口径以下枪、炮管的能力，并实现了线膛芯棒、锤头的自行设计和制造,在国内居于领先水平。

由精锻机锻出的枪管内膛尺寸精度高，一致性好


枪管激光表面改性技术

    QJG02式14.5mm单管高射机枪是我国“八五”重点型号项目，在试制过程中，枪管采用常规工艺制造，一直存在使用性能达不到要求的致命缺陷。经过一系列试验，最终选择了激光表面改性工艺。

　　激光表面改性是通过高能激光束以105℃～106℃／s加热速度作用在枪管膛线表面，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，以105℃／s冷却速度实现冷却淬火，在枪管径向形成螺旋形的、致密的、微观凸凹不平的强化带。这种结构使枪管内膛表面具有很高的硬度、耐磨性和回火稳定性。

　　激光表面改性后的枪管内膛表面硬化区的晶粒变得非常细小，这种细小晶粒相应地增大了晶界面积，使晶界上的应力集中相对减小，对裂纹的扩展起阻碍作用，同时也使裂纹扩展方向不断变化，从而使材料的疲劳寿命得到提高。这种细晶粒不仅提高了金属材料的强度和耐磨性，而且还改善了韧性，使阳线受弹头挤压时不易变形；强化后的枪管内膛表面呈凸凹不平的微观结构，提高了镀铬层的结合力，保证了镀铬层完整，从而提高了镀铬层的使用寿命，延长了枪管的使用寿命。

　　该技术虽已达到世界先进水平，但还仅仅局限于在QJG02式14.5mm单管高射机枪上的应用，在其他枪械上的应用仍需资金和技术的支持。


精锻机待加工枪管坯料


精锻机锤头


枪管激光表面改性专用机床，目前这一加工技术达到世界水平



铝合金硬质阳极氧化染色技术

      目前，铝合金材料以其质量轻、价格适中以及与钢材接近的性能，在枪械的非运动件，如机匣、导轨、枪托等大型零部件上应用广泛，对枪械的减重起到了很大作用。

　　众所周知，铝合金材料的表面硬度较低，直接作为枪械的零部件，显然不能达到设计要求，必须对其表面进行硬质氧化处理。氧化膜必须要有一定的硬度及厚度，以达到耐磨、抗腐蚀的效果。同时氧化膜必须具有较高的韧性，以保证使用过程中不掉膜。另外，氧化膜还需呈纯正的黑色，与枪上其他钢件（钢件一般采用黑色磷化处理）和塑料件颜色相匹配。216厂通过对铝合金材料硬质阳极氧化工艺进行摸索和工艺参数优化，基本达到上述要求。

　　1980年代，216厂率先在轻武器上大量使用铝合金材料，并采用硬质阳极氧化技术对铝合金零件进行表面处理。该厂开发的CQ 5.56mm自动步枪共采用十多个铝合金零件，全部进行了硬质阳极氧化处理。但由于当时的硬质阳极氧化工艺还不够成熟，氧化膜的颜色几乎不能达到黑色。

　　为了解决氧化层颜色问题，科研部门进行了“喷漆改色”、“常温全色硬质阳极氧化”及“酸性黑ATT染料有机染色”工艺试验。“酸性黑ATT染料有机染色”工艺在89式12.7mm重机枪和95式5.8mm班用机枪的铝合金零件上得到应用。但这种工艺在前期应用中，也发生一些问题。酸性黑ATT染料属有机染料，在紫外光线照射下，存在从黑色到灰色的渐变过程，氧化膜中的染料越多，变色越慢。这种染料存在的另一个致命弱点是即遇酸、遇碱易变色。因该染料在氧化膜中的吸附属于物理吸附，化学环境改变时，易产生解析，比如95式班用机枪的机匣体采用铝合金材料，在机匣装配过程中，其钢件有修锉时，须进行黑色磷化处理，而装配好的机匣无法拆开，只有将整个机匣放入黑色磷化槽中，此时，铝合金材料吸附在氧化膜中的染料被解析出来，轻者影响到零件的耐晒性，重者直接折现出氧化膜的底色，使颜色偏红。

　　针对硬质阳极氧化有机染色出现的问题，经过大量试验及多年的工艺摸索，总结出以下几方面的技术措施加以解决。

　　从前期工艺安排、染料的选用、硬质阳极氧化全自动电源等方面加以改进，确保硬质阳极氧化染色质量；正确选用碱蚀、硬质阳极氧化、染色、封闭工艺参数，确保染色后的零件颜色为纯黑色；控制好生产线用水水质，特别是硬质阳极氧化清洗用水水质、封闭工序用水水质；选择优质的染料和封闭盐封闭，最大限度地保证零件的耐晒性；在封闭盐封闭后，再加一道有机复合封闭。

　　通过以上措施，基本可以达到铝合金零件下磷化槽不变色，500小时光老化试验无明显变色，满足了部队使用要求。


表面处理车间，包括黑色磷化、电泳镀漆、硬质阳极氧化和镀铬等生产线


工人正在对CQ自动步枪弹匣进行阳极氧化处理


温冷挤压成形技术

      挤压加工是把金属坯料放入模具内轴向加压，利用金属的塑性变形，达到成形的目的。一般坯料不升温的称为冷挤压，升温的称为温挤压。近年来，挤压加工在216厂军民品生产中，正逐渐得到应用，如QJG02式14.5mm枪管弹膛镶套采用冷挤压成形，M4缓冲簧管采用温挤压成形；民品中的传动轴以及射钉器也应用了温冷挤压成形技术。

　　温冷挤压成形技术具有如下优点：解决了复杂零件加工尺寸难以保证的问题，如CQ-A 5.56mm卡宾枪缓冲簧管，由于形状复杂，采用一般加工方式难以保证其尺寸；大量节约了原材料，如14.5mm枪管弹膛镶套零件采用挤压成形技术后，只需原机加制造原材料的40％。


立式高频感应淬火



QPQ表面改性技术

     “QPQ”是英文Queech-Polish-Queech首字母的缩写，原意为淬火-抛光-淬火。

　　该技术是在盐浴中将（硫）氮、碳等原子渗入工件表层，再经过氧化，赋予工件良好的耐磨、减摩、抗咬死、抗疲劳和耐腐蚀等性能。熔盐本身是热载体和（硫）氮、碳原子源，它与工件表面充分接触，可使被处理件具有良好而稳定的强化效果。经QPQ技术处理后的工件表面具有富氧氮化层，不仅耐磨性，耐蚀性大幅提高，而且具有美丽的黑色外观。

　　目前，216厂已成功将QPQ表面改性技术用于9mm警用转轮手枪上，使该枪具有良好的耐蚀性能，提高了该枪的外观质量。

　　先进的加工工艺对提高轻武器的品质有着举足轻重的作用。216厂作为我国轻武器重要的科研生产基地之一，在技术和工艺上具有独特的优势，其生产的产品以“过得硬”的品质而享誉国内轻武器业界及军警部门，同时也力争在国际市场打出一片天地。


挤压加工在216厂的军民品生产中正在得到越来越多的应用刊登于2008年第1期《轻兵器》杂志
□文/鲁贤高       图/谢　华


数控加工车间

    目前我国轻武器科研与生产中，新型号、新项目的不断增加，各种战术技术 指标的不断提高，以及各种新型材料的广泛应用，都对工厂的加工工艺和设备 提出了更高的要求。216厂在国内率先成功地将一系列有特色的工艺技术运用在 轻武器制造中，如枪管精锻技术、枪管激光表面改性技术、铝合金硬质阳极氧化 染色技术、温冷挤压技术、QPQ表面改性技术等。其中枪管内膛表面激光强化技 术具有世界先进水平。


枪管精锻技术

枪管是枪械的核心部件，枪管的好坏直接影响到枪械的性能和寿命。枪管精锻技术是目前世界各军事强国在轻武器领域普遍采用的加工方式。216厂于1970年代在国内率先运用精锻技术使枪管线膛一次成形，经过三十多年的技术积累，现已具有丰富的精锻经验，可以从事大、中、小口径枪管和小口径炮管的线膛精锻加工。

枪管精锻的过程是通过精锻机来完成的。精锻机是一种径向锻造机，是在坯料周围对称分布几个锤头，对坯料沿径向进行高频率同步锻打，坯料边旋转边作轴向送进，使坯料径向断面尺寸减小，轴向延伸。坯料在轴向送进的同时，锤头按程序前进或后退，使坯料外形平整或具有一定锥度。精锻机不但能锻造膛线，而且能一次把线膛和弹膛同时锻出。在锻造枪管时，只需在坯料内孔中插入外形与相应线膛和弹膛尺寸吻合的的芯棒，并定位在锤头部位，经径向旋转冷挤压，从而锻出带线膛﹑弹膛的枪管。另外，精锻机在锻造内膛的同时能在枪管外圆上锻出多个锥体，使其外形达到基本不再加工。

　　精锻机锻出的枪管内膛尺寸精度高，一致性好，阴、阳线直径公差在0.03mm范围内，远远高于其传统加工精度的0.05～0.10mm范围。

　　枪管精锻技术的应用使枪管的合格率达99％以上，降低了生产成本，节约了原材料。更重要的是，精锻机通过高频率同步锻打，提高了材料的塑性变形，使金属结构更加致密，从而提高了枪管的强度﹑寿命，减少了寿命期内初速的下降率，对提高全枪性能起到了关键的作用。

　　目前，在国内枪械生产行业中，216厂是惟一成功应用枪管精锻技术的厂家。工厂采用枪管精锻技术的产品有CQ 5.56mm自动步枪枪管、95式5.8mm班用机枪枪管、9mm警用转轮手枪枪管、89式12.7mm重机枪枪管、02式14.5mm高射机枪枪管,以及在研项目的所有枪管。

　　216厂具有可精锻25mm口径以下枪、炮管的能力，并实现了线膛芯棒、锤头的自行设计和制造,在国内居于领先水平。

由精锻机锻出的枪管内膛尺寸精度高，一致性好


枪管激光表面改性技术

    QJG02式14.5mm单管高射机枪是我国“八五”重点型号项目，在试制过程中，枪管采用常规工艺制造，一直存在使用性能达不到要求的致命缺陷。经过一系列试验，最终选择了激光表面改性工艺。

　　激光表面改性是通过高能激光束以105℃～106℃／s加热速度作用在枪管膛线表面，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，以105℃／s冷却速度实现冷却淬火，在枪管径向形成螺旋形的、致密的、微观凸凹不平的强化带。这种结构使枪管内膛表面具有很高的硬度、耐磨性和回火稳定性。

　　激光表面改性后的枪管内膛表面硬化区的晶粒变得非常细小，这种细小晶粒相应地增大了晶界面积，使晶界上的应力集中相对减小，对裂纹的扩展起阻碍作用，同时也使裂纹扩展方向不断变化，从而使材料的疲劳寿命得到提高。这种细晶粒不仅提高了金属材料的强度和耐磨性，而且还改善了韧性，使阳线受弹头挤压时不易变形；强化后的枪管内膛表面呈凸凹不平的微观结构，提高了镀铬层的结合力，保证了镀铬层完整，从而提高了镀铬层的使用寿命，延长了枪管的使用寿命。

　　该技术虽已达到世界先进水平，但还仅仅局限于在QJG02式14.5mm单管高射机枪上的应用，在其他枪械上的应用仍需资金和技术的支持。


精锻机待加工枪管坯料


精锻机锤头


枪管激光表面改性专用机床，目前这一加工技术达到世界水平



铝合金硬质阳极氧化染色技术

      目前，铝合金材料以其质量轻、价格适中以及与钢材接近的性能，在枪械的非运动件，如机匣、导轨、枪托等大型零部件上应用广泛，对枪械的减重起到了很大作用。

　　众所周知，铝合金材料的表面硬度较低，直接作为枪械的零部件，显然不能达到设计要求，必须对其表面进行硬质氧化处理。氧化膜必须要有一定的硬度及厚度，以达到耐磨、抗腐蚀的效果。同时氧化膜必须具有较高的韧性，以保证使用过程中不掉膜。另外，氧化膜还需呈纯正的黑色，与枪上其他钢件（钢件一般采用黑色磷化处理）和塑料件颜色相匹配。216厂通过对铝合金材料硬质阳极氧化工艺进行摸索和工艺参数优化，基本达到上述要求。

　　1980年代，216厂率先在轻武器上大量使用铝合金材料，并采用硬质阳极氧化技术对铝合金零件进行表面处理。该厂开发的CQ 5.56mm自动步枪共采用十多个铝合金零件，全部进行了硬质阳极氧化处理。但由于当时的硬质阳极氧化工艺还不够成熟，氧化膜的颜色几乎不能达到黑色。

　　为了解决氧化层颜色问题，科研部门进行了“喷漆改色”、“常温全色硬质阳极氧化”及“酸性黑ATT染料有机染色”工艺试验。“酸性黑ATT染料有机染色”工艺在89式12.7mm重机枪和95式5.8mm班用机枪的铝合金零件上得到应用。但这种工艺在前期应用中，也发生一些问题。酸性黑ATT染料属有机染料，在紫外光线照射下，存在从黑色到灰色的渐变过程，氧化膜中的染料越多，变色越慢。这种染料存在的另一个致命弱点是即遇酸、遇碱易变色。因该染料在氧化膜中的吸附属于物理吸附，化学环境改变时，易产生解析，比如95式班用机枪的机匣体采用铝合金材料，在机匣装配过程中，其钢件有修锉时，须进行黑色磷化处理，而装配好的机匣无法拆开，只有将整个机匣放入黑色磷化槽中，此时，铝合金材料吸附在氧化膜中的染料被解析出来，轻者影响到零件的耐晒性，重者直接折现出氧化膜的底色，使颜色偏红。

　　针对硬质阳极氧化有机染色出现的问题，经过大量试验及多年的工艺摸索，总结出以下几方面的技术措施加以解决。

　　从前期工艺安排、染料的选用、硬质阳极氧化全自动电源等方面加以改进，确保硬质阳极氧化染色质量；正确选用碱蚀、硬质阳极氧化、染色、封闭工艺参数，确保染色后的零件颜色为纯黑色；控制好生产线用水水质，特别是硬质阳极氧化清洗用水水质、封闭工序用水水质；选择优质的染料和封闭盐封闭，最大限度地保证零件的耐晒性；在封闭盐封闭后，再加一道有机复合封闭。

　　通过以上措施，基本可以达到铝合金零件下磷化槽不变色，500小时光老化试验无明显变色，满足了部队使用要求。


表面处理车间，包括黑色磷化、电泳镀漆、硬质阳极氧化和镀铬等生产线


工人正在对CQ自动步枪弹匣进行阳极氧化处理


温冷挤压成形技术

      挤压加工是把金属坯料放入模具内轴向加压，利用金属的塑性变形，达到成形的目的。一般坯料不升温的称为冷挤压，升温的称为温挤压。近年来，挤压加工在216厂军民品生产中，正逐渐得到应用，如QJG02式14.5mm枪管弹膛镶套采用冷挤压成形，M4缓冲簧管采用温挤压成形；民品中的传动轴以及射钉器也应用了温冷挤压成形技术。

　　温冷挤压成形技术具有如下优点：解决了复杂零件加工尺寸难以保证的问题，如CQ-A 5.56mm卡宾枪缓冲簧管，由于形状复杂，采用一般加工方式难以保证其尺寸；大量节约了原材料，如14.5mm枪管弹膛镶套零件采用挤压成形技术后，只需原机加制造原材料的40％。


立式高频感应淬火



QPQ表面改性技术

     “QPQ”是英文Queech-Polish-Queech首字母的缩写，原意为淬火-抛光-淬火。

　　该技术是在盐浴中将（硫）氮、碳等原子渗入工件表层，再经过氧化，赋予工件良好的耐磨、减摩、抗咬死、抗疲劳和耐腐蚀等性能。熔盐本身是热载体和（硫）氮、碳原子源，它与工件表面充分接触，可使被处理件具有良好而稳定的强化效果。经QPQ技术处理后的工件表面具有富氧氮化层，不仅耐磨性，耐蚀性大幅提高，而且具有美丽的黑色外观。

　　目前，216厂已成功将QPQ表面改性技术用于9mm警用转轮手枪上，使该枪具有良好的耐蚀性能，提高了该枪的外观质量。

　　先进的加工工艺对提高轻武器的品质有着举足轻重的作用。216厂作为我国轻武器重要的科研生产基地之一，在技术和工艺上具有独特的优势，其生产的产品以“过得硬”的品质而享誉国内轻武器业界及军警部门，同时也力争在国际市场打出一片天地。


挤压加工在216厂的军民品生产中正在得到越来越多的应用