3D打印技术在鼠笼式弹壳计数器设计中的应用

姜曼　张亚新　徐华　董鸿飞　刘仍贵　李万敏

摘 要：为解决野战部队弹壳回收时的计数问题，采用3D打印技术设计了一种鼠笼式弹壳计数器。通过理论计算和3D打印核心部件实验，确定了鼠笼式弹壳计数器的卡弹槽倾角为31.3°，卡弹机构的转速为10r/min。采用3D打印技术设计的鼠笼式弹壳计数器结构简单、构件数量少，大幅度降低了重量和功耗。实验结果表明，弹壳计数效率为87.4个/分，计数精度为99.8%，满足军队提出的计数效率和计数精度要求。该研究不仅为军队提供一种实用的弹壳计数工具，也为其他相近的机械设备采用3D技术进行设计和样机制造提供了参考借鉴。

关键词：3D打印技术；弹壳回收；鼠笼式弹壳计数器

中图分类号：TB16；U462.1；N94  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）02-0024-04

引言

3D打印技术是一种快速成型技术，是以数字模型为基础，运用粉末金属或塑料等材料通过逐层粘合来构造物体[1]。3D打印技术广泛应用于医学领域、艺术品加工、汽车制造、航空航天以及海军舰艇等[2-8]。近年来，因3D打印技术出色的时效性，将其作为装备研发和维修保障领域的技术手段，能快速提升装备和研发维修保障能力，使各国不断加大3D打印技术在军工领域的应用。

子弹在战时是保家卫国的利器，在非战时是提升军事训练水平的重要物资[9，10]。一般的子弹由弹丸、弹壳、发射药和火帽四部分组成。弹丸用来依靠快速飞行侵彻目标，发射药是通过燃烧赋予弹丸较高初速，火帽用来击发，弹壳用来连接弹丸和保护发射药及密闭火药气体。弹丸发射后，弹壳被枪械的抛壳机构抛出。在日常训练中，弹壳需要全部回收，因此需要高效的弹壳计数装置。为解决弹壳计数问题，采用3D打印技术设计了鼠笼式弹壳计数器。

1 整体设计

1.1 工作原理

3D打印鼠笼式弹壳计数器由卡弹机构、容托机构、滑槽、电机以及计数装置组成。使用过程中，将弹壳放入容托机构中，卡弹机构内嵌在容托机构内部，在电机的驱动下与容托机构发生相对运动。弹壳在卡弹机构和容托机构共同作用下，卡入弹壳卡槽中，并随卡弹机构向上运动至排出口位置，在离心力与重力的作用下，脱离弹壳卡槽并掉落在滑槽中。滑槽底部中间位置安装传感器，弹壳在滑槽中滑动中经过传感器，实现弹壳计数。

1.2 数字建模

3D打印的设计过程：先通过计算机辅助设计建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印[11]。鼠笼式弹壳计数器的核心部件卡弹机构、容托机构以及滑槽三部分由3D打印技术完成，其三维设计模型如图1所示。

1.3 切片处理

将核心部件模型存储为STL文件，并通过切片软件将核心部件模型进行切片处理，制作成3D打印机能够识别的文件格式，如图2所示。

2 卡弹机构转速设计

3D打印核心部件的鼠笼式弹壳计数器在工作时，当转速低时，卡弹率高，排弹率低；当转速高时，排弹率高，卡弹率低。计数率与卡弹率和排弹率成正比；排弹率与转速和卡弹槽数目成正比，因此卡弹机构的转速是决定计数率的重要因素。当弹壳以团聚体的形式经过光学计数器时，无法形成光栅，造成计数减少的现象[12-15]。为防止弹壳以团聚体形式进入滑槽，根据传感器的分辨率，弹壳掉落间隙不小于0.1秒。转速与卡槽数目满足下式：

式中，n鼠笼卡弹机构的转速r/min；

k卡弹槽数目个/r。

卡弹槽数目越多，相同转速下排弹率越高，由于打印材料的力学性能，选取不同卡槽数目进行测试，在满足功能以及安全余量的基础上，在直径为270mm的鼠笼卡弹机构上设置的最大卡槽数目为30个。由式（1）计算可知，在卡槽数目一周选为30个时，鼠笼卡弹机构的转速n≤20r/min。分别选用5r/min、8r/min、10r/min、12r/min、15r/min和六组转速进行卡弹率试验。

实验中每种转速测试50组，每组以掉落100个子弹壳记录时间。卡弹率计算公式如式（2）所示

式中，ηk：卡弹率（%），

ti：第i次掉落100枚弹壳所需要的时间（s），

n：电机转速（r/min）。

卡弹机构的转速与卡弹率试验结果如表1所示。

由实验结果可知，卡弹率随卡弹机构的转速的增加而减小，卡弹机构转动越快，弹壳跳动越剧烈，越不容易卡入卡槽中。在不考虑其他因素的条件下，理论排弹率如公式（3）所示：

Qp＝３０nηk  （3）

式中，Qp：排弹率（个/min），

ηk：卡弹率（%），

ti：第i次掉落100枚弹壳所需要的时间（s），

n：电机转速（r/min）。

经计算，不同转速下，理论排弹率如表2所示。

由表2可知，理论排弹率在卡弹机构的转速为10r/min出现最大值，因此转速设置为10r/min。

3 卡弹槽倾角设计

卡弹槽倾角是卡弹槽推弹面与过此面外边及圆柱形卡弹机构柱线组成平面的夹角；容托机构倾角是容托机构前侧上平面与支撑水平面之间的夹角；排弹角是弹壳从卡弹槽滑出切线方向与支撑水平面之间的夹角，如图3所示。

3.1 排弹角试验

最小排弹角是弹壳滑出卡弹槽所需要的最小倾斜角度。目前，尚无文献报道3D打印PLA材料与弹壳的滑动摩擦角，需要通过试验测得弹壳与打印材料的滑动摩擦角。3D打印PLA材料成型的平面因角度和结构的不同，其表面粗糙度差异较大，我校实验室使用的打印机为低端打印机，粗糙度最大的打印平面是圆盘形底部平面。以打印粗糙度最大的平面为测试平面，測试弹壳的滑动摩擦角和滚动摩擦角，如图4所示。

通过试验测得，弹壳轴线方向与下滑方向垂直时，弹壳以滚动的方式向势能低的方向运动，滚动摩擦角为21.3°；弹壳轴线方向与下滑方向垂直时，弹壳以滑动的形式向势能低的方向运动，滑动摩擦角为42.7°。在鼠笼式弹壳计数器中，弹壳以滚动形式脱离卡弹槽，同时考虑到弹壳滑出后速度过大会对计数精度产生不利影响，因此选择21.3°为排弹角。

3.2 容托机构倾角设计

容托机构倾角通过试验获得，通过增加支撑座垫块调整高度差的方式改变容托机构倾角。旋转电机转速为转速为10r/min，分别以3°、5°、8°、10°、12°、15°六种倾斜角度，测试异形掉落率，异形掉落率根据公式（4）所示：

式中，ηc：异形掉落率（%）。

λi：第i组试验中未通过传感器计数个数。

试验对每种容托机构倾斜角度测试50组，每组100枚弹壳，由试验结果可知，在容托机构倾角不足10°时，因弹壳未沿卡弹槽方向卡入卡弹槽中，呈异形卡入状态，其在排弹口掉落轨迹复杂，容易造成计数误差。当容托机构倾角大于10°时，异形卡入卡弹槽的弹壳在重力作用下，掉落在容托机构内部，不影响计数器工作，考虑到容托机构中，弹壳的回落及弹壳容量等因素，选择容托机构倾角大于10°。

3.3 卡弹槽倾角设计

为扩大容托机构的载弹量，需加大对卡弹机构的包裹角度，但限于容托机构以及三叶花键的的安装和调试，容托机构最大包裹范围为180度，即容托机构前侧上平面为过圆柱形卡弹机构柱心的直径面。因此，卡弹槽倾角与排弹角和容托机构倾角的关系如式（5）所示：

αk=αp+αd  （5）

式中，αk：卡弹槽倾角，

αp：排弹角，

αd：容托机构倾角。

由式（6）计算得卡弹槽倾角为31.3°。

4 整机试验及整机参数对比

4.1 整机试验

3D打印整机装配完成后，如图5所示，分别对计数效率和计数精度个进行500组测试，每组测试200枚弹壳。

试验结果表明，3D打印鼠笼式弹壳计数器的计数效率为87.4个/分，计数精度为99.8%。

4.2 性能参数

3D打印鼠笼式弹壳计数器的性能参数与军队提出的鼠笼式弹壳计数器设计要求如表3所示。

鼠笼式弹壳计数器的核心部件卡弹机构、容托机构以及滑槽均采用3D打印技术，结构更加紧凑，体积比最大的设计要求减小了85.15%；制作材料选择质轻耐磨的PLA材质，外壳使用亚克力板，使整体重量减轻92.8%；轻质材料配合填料加工的高加工精度使额外损耗大幅减小，采用的电机功率是最大设计要求值的12.5%，大幅度提高工作续航能力。

5 结论

3D打印技术大大地缩短了鼠笼式弹壳计数器的设计以及样机的制作时间，并通过理论计算和样机核心部件试验，确定了3D打印鼠笼式弹壳计数器的卡弹槽倾角为31.3°以及卡弹机构的转速为10r/min。采用3D打印技术设计的鼠笼式弹壳计数器结构简单、构件数量少，大幅度的降低重量和功耗。通过整机试验表明，3D打印弹壳计数效率为87.4个/分，计数精度为99.8%，满足了军队提出的计数效率和计数精度要求。

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收稿日期：2022-09-17

通讯作者：张亚新（1981-），男，内蒙古赤峰市人，硕士，副教授。研究方向：现代机械设计理论及方法。

基金项目：赤峰市科研课题项目（SZR074）；赤峰学院服务地方重点项目（cfxyfd201806）