模具裝配參數(shù)對管狀推進(jìn)劑成型質(zhì)量的影響?

鄭再芳 馬飛龍 陳 淼 張 博 李 冰 謝 波

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

螺旋壓伸工藝是固體推進(jìn)劑成型的主要工藝之一。 螺壓推進(jìn)劑因制造工藝簡單、性能優(yōu)良和質(zhì)量一致性好等優(yōu)點(diǎn)，在武器系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位[1]。 小尺寸管狀改性雙基推進(jìn)劑裝藥在壓伸成型時(shí)，由于藥型尺寸特性，易出現(xiàn)弧厚差大的問題；另一方面，由于改性雙基推進(jìn)劑中固體含能材料的加入，物料流動(dòng)性變差，壓伸時(shí)存在出料難、出料負(fù)荷高的問題，易導(dǎo)致壓伸失敗，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故。 為保證壓伸順利進(jìn)行及推進(jìn)劑尺寸、性能滿足要求，推進(jìn)劑裝藥成型時(shí)，在關(guān)注物料溫度、物料流動(dòng)性、加料時(shí)間等參數(shù)的同時(shí)，模具裝配因素的影響也不容忽視。

許多研究人員用離散元法、基于單螺桿擠出模型法、離心力作用法等方法對固體物料的螺桿輸送模型、螺壓過程進(jìn)行數(shù)值分析，對不同條件下螺壓過程中各參數(shù)的變化進(jìn)行了研究，為固體物料單螺桿擠壓成型的流動(dòng)特性、安全性能研究等提供了依據(jù)[2-5]。 殷書盼[6]采用 Polyflow 軟件模擬研究了螺壓工藝過程中不同螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿內(nèi)壁溫度等工藝參數(shù)條件下物料流變參數(shù)的變化情況，為工藝過程控制與安全性分析提供了參考依據(jù)。 韓民園等[7]研究了螺距、螺桿頭錐度、螺桿直徑等螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對改性雙基推進(jìn)劑代用料安全加工、設(shè)備承載負(fù)荷、生產(chǎn)能力和物料可加工性的工藝影響。 盧栓倉等[8]從剪切流動(dòng)、絕熱壓縮和過熱分解等方面對推進(jìn)劑單螺桿壓伸成型工藝過程的安全性進(jìn)行了研究。 秦能等[9]研究了吸收工藝、物料混同工藝對改性雙基推進(jìn)劑物料的燃速及固體含量的影響。 但從模具裝配工藝角度對推進(jìn)劑成型尺寸的控制技術(shù)及安全性能的研究幾乎沒有。

本文中，以某管狀改性雙基推進(jìn)劑裝藥(下稱裝藥)為研究對象，采用不同的進(jìn)藥嘴收縮角、模具壓縮比、模針與銅套匹配方式進(jìn)行裝配，分析其對裝藥成型過程中裝藥弧厚差、出料負(fù)荷、燃速等的影響。 為小尺寸管狀裝藥及同配方系列裝藥的安全成型及尺寸控制工藝技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 材料與儀器

硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)，四川北方硝化棉股份有限公司；2 號中定劑，重慶長風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司；奧克托今(HMX)，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司。

裝藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：NC + NG 為 60% ～65%；2 號中定劑為2% ～3%；HMX 為22% ～24%；其他為8% ～16%。

靜態(tài)恒壓燃速儀，西安航天遠(yuǎn)征流體控制有限公司。

1.2 模具選配試驗(yàn)

進(jìn)藥嘴是模具與螺壓機(jī)的連接裝置，物料從螺壓機(jī)經(jīng)過進(jìn)藥嘴初步收縮，再從進(jìn)藥嘴進(jìn)入模具，經(jīng)擴(kuò)張段、收縮段，最終進(jìn)入銅套成型。 進(jìn)藥嘴示意圖見圖 1，α為進(jìn)藥嘴收縮角。 選用 90°、75°、60° 3 種不同的進(jìn)藥嘴收縮角進(jìn)行壓伸試驗(yàn)，檢測壓伸負(fù)荷及裝藥燃速。

模具壓縮比，即面積壓縮比，是指螺壓機(jī)壓伸模具錐體最大有效面積與成型體銅套有效截面積之比。 根據(jù)選用的裝藥配方系列的常見藥型，采用32、12、6 共3 種壓縮比進(jìn)行壓伸成型，分析同一配方下不同壓縮比對壓伸出料負(fù)荷及裝藥燃速的影響。 其中，壓縮比為32 和12 時(shí)，選用進(jìn)藥嘴收縮角為 90°、75°、60°。 壓縮比為 6 時(shí)，裝藥成型時(shí)出藥面積很大，在正常壓伸的情況下，應(yīng)盡可能選擇收縮角大的進(jìn)藥嘴進(jìn)行壓伸，有利于產(chǎn)品的成型。 裝藥在該壓縮比下壓伸時(shí)負(fù)荷較低，收縮角為75°和60°的進(jìn)藥嘴在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用意義不大。 因此，壓縮比為6 時(shí)，只選用收縮角為90°的方案與其他壓縮比方案進(jìn)行數(shù)據(jù)對比研究，為同配方體系裝藥成型提供一定的參考依據(jù)。

燃速測試采用靜態(tài)恒壓燃速儀。 按GJB770B—2005 方法706.1 燃速-靶線法[10]測試20 ℃的燃速。

1.3 模針與銅套匹配試驗(yàn)

管狀推進(jìn)劑裝藥在模具裝配時(shí)，模針與銅套裝配端面的剖面示意圖見圖2。如圖2(a)所示，穿過銅套圓心的截面與模針相交，會(huì)有兩個(gè)間隙，由于機(jī)械加工及裝配誤差，這兩個(gè)間隙隨截面的變化而變化，存在一定差值。 為便于直觀理解，將兩個(gè)間隙以d2、d1表示(d2≥d1)，d1為位于靠近截面箭頭方向一側(cè)的間隙。 這兩個(gè)間隙的差值，稱之為間隙差，以△d表示。 當(dāng)截面同時(shí)穿過銅套和模針的圓心時(shí)，間隙差達(dá)到最大，即為最大間隙差△dmax。 此時(shí)，截面稱為最大間隙差截面，與之對應(yīng)的間隙為最大間隙d2max和最小間隙d1min。 本文中，裝藥在裝配時(shí)最大間隙差△dmax為0.5 mm。

如圖2(b)所示，以穿過銅套圓心的水平截面為基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)水平截面與最大間隙差截面的夾角β大小進(jìn)行壓伸試驗(yàn)。 模針與銅套位置匹配夾角β在 0° ～40°之間時(shí)，每增加 10°進(jìn)行 1 次試驗(yàn)；β在40° ～90°之間時(shí)，每增加 5°進(jìn)行 1 次試驗(yàn)。 壓伸成型后，檢測得到弧厚差，并對比不同模針與銅套匹配位置下的弧厚差變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 模具選配對裝藥成型的影響

2.1.1 對出料負(fù)荷的影響

不同模具選配裝藥壓伸出料負(fù)荷見表1。

由表1 可見，壓縮比一定時(shí)，隨著進(jìn)藥嘴收縮角的減小，出料負(fù)荷呈下降趨勢，壓縮比大的模具壓伸出料負(fù)荷下降幅度較壓縮比小的下降幅度大。 壓縮比為32、收縮角為90°時(shí)，出現(xiàn)壓伸負(fù)荷過大、剪力環(huán)自動(dòng)斷裂、壓伸失敗的情況；收縮角減小后，出料負(fù)荷明顯降低，且剪力環(huán)斷裂的情況得到解決；收縮角由90°減小至75°時(shí)，平均出料負(fù)荷降低1.6 A；減小至60°時(shí)，平均出料負(fù)荷降低2.3 A；收縮角由75°降低為60°時(shí)，平均出料負(fù)荷降低0.7 A。 進(jìn)藥嘴收縮角減小后，物料從螺壓機(jī)經(jīng)過進(jìn)藥嘴時(shí)前進(jìn)阻力減小，有利于物料進(jìn)入模具擴(kuò)張段，螺壓機(jī)機(jī)頭壓力減小，從而使出料負(fù)荷降低。 但出料負(fù)荷下降幅度隨著壓縮比的減小逐漸變小。 當(dāng)壓縮比為12 時(shí)，進(jìn)藥嘴收縮角減小，負(fù)荷下降幅度均小于1.0 A，平均出料負(fù)荷降低幅度小于0.5 A。 進(jìn)一步說明壓縮比減小后，進(jìn)藥嘴收縮角變化對出料負(fù)荷的影響程度變小。

進(jìn)藥嘴收縮角一定時(shí)，壓縮比減小，出料負(fù)荷呈下降趨勢。 由表1 可見，當(dāng)進(jìn)藥嘴收縮角為90°時(shí)，壓縮比由32 減小為12，平均出料負(fù)荷降低2.7 A；壓縮比由12 減小為6 時(shí)，出料負(fù)荷變化不大。 當(dāng)收縮角為75°和60°時(shí)，同樣是壓縮比由32 減小為12，但出料負(fù)荷的降低幅度逐漸減小。 在相同尺寸的前后錐模具下壓伸，壓縮比越大，成型銅套的有效截面積越小，即出藥面積越小，單位時(shí)間內(nèi)物料出料量越小。 同樣的進(jìn)料量，出料量越小，螺壓機(jī)機(jī)頭壓力越大，出料負(fù)荷越高。 因此，同樣的進(jìn)藥嘴收縮角度下，壓縮比減小時(shí)，出料負(fù)荷降低。 實(shí)際生產(chǎn)過程中，裝藥成型壓縮比一般是固定的，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)藥嘴收縮角以改善出料負(fù)荷高的問題。

2.1.2 對裝藥燃速的影響

不同模具選配壓伸的裝藥燃速見圖3，壓力指數(shù)見圖4。

由圖3、圖4 可見，同一壓縮比下，不同進(jìn)藥嘴收縮角對裝藥燃速的影響不大。 因此，進(jìn)藥嘴收縮角對裝藥最終成型的燃速性能影響較小。

同一進(jìn)藥嘴收縮角下，壓縮比由32 變?yōu)?2 時(shí)，燃速降低0.27 ～0.34 mm/s；壓縮比由12 變?yōu)? 時(shí)，燃速整體呈上升趨勢，上升幅度基本在0.20 mm/s左右，裝藥壓力指數(shù)變化不大。 分析認(rèn)為，在壓伸過程中，藥料經(jīng)螺壓機(jī)形成塑化狀態(tài)后，進(jìn)入最終成型段，在銅套、模針、成型模具尺寸等因素的共同影響下，物料在模具內(nèi)受到的壓力及成型時(shí)間的不同，燃速發(fā)生了一定的變化，但這種變化對壓力指數(shù)的影響較小。推進(jìn)劑裝藥在進(jìn)行大批壓伸前，一般會(huì)選用壓縮比為12 的模具進(jìn)行取樣配方調(diào)試，滿足要求后再選用產(chǎn)品模具進(jìn)行大批壓伸，上述數(shù)據(jù)可為該配方體系推進(jìn)劑裝藥在配方調(diào)試和大批量壓伸提供參考依據(jù)。

圖3 不同模具選配時(shí)裝藥燃速Fig.3 Burning rate of charge of different molds

圖4 不同模具選配時(shí)裝藥壓力指數(shù)Fig.4 Pressure index of charge of different molds

2.2 模針與銅套匹配方式對裝藥弧厚差的影響

在固定壓縮比為32 的情況下，選用收縮角為75°的進(jìn)藥嘴，進(jìn)行模針與銅套裝配試驗(yàn)。 通過調(diào)節(jié)模針與銅套的匹配位置，檢測得到成型后裝藥的弧厚差，見圖5。

圖5 不同匹配夾角的最大弧厚差Fig.5 Maximum arc thickness difference under different matching angles

由圖5 看出，隨著β的變化，裝藥弧厚差發(fā)生變化，模針與銅套的匹配位置對裝藥弧厚差影響明顯。裝藥成型時(shí)，由于物料出料時(shí)受重力作用，模針下方出料速度較快，一般將模針與銅套最小間隙處放置于水平軸面下方，利用物料對模針形成的推力調(diào)節(jié)模針與成型銅套的間隙，有利于減小裝藥的弧厚差。由圖 5 的結(jié)果來看，當(dāng)β在 0° ～90°之間時(shí)，隨著角度的增大，最大弧厚差基本呈減小趨勢，這種趨勢先增大、后減小、再增大。 當(dāng)β小于 70°時(shí)，由于物料出料特性，出料時(shí)物料對模針產(chǎn)生的推力作用使最大間隙差增大，最大弧厚差較大，外觀質(zhì)量變差。 當(dāng)夾角β為90°時(shí)，最大弧厚差并不是最小的；當(dāng)β為70° ～90°時(shí)，最大弧厚差在0.34 ～0.56 mm 之間，弧厚差較小。 裝藥成型后外徑為31 ～33 mm，內(nèi)徑為17 ～18 mm。 在該裝藥的實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般將最大弧厚差控制在0.60 mm 以下，以提高裝藥的外觀質(zhì)量。 因此，模針與銅套的最佳匹配位置為β在70° ～90°之間。

3 結(jié)論

1)壓縮比一定時(shí)，進(jìn)藥嘴收縮角減小，裝藥壓伸負(fù)荷呈下降趨勢。 壓縮比大時(shí)，負(fù)荷下降幅度較為明顯。 隨著壓縮比的減小，進(jìn)藥嘴收縮角對裝藥壓伸負(fù)荷影響變小。 進(jìn)藥嘴收縮角對裝藥燃速和壓力指數(shù)幾乎沒有影響。

2)進(jìn)藥嘴收縮角一定時(shí)，壓縮比由32 降低為12，出料負(fù)荷下降明顯，燃速降低；由12 降低為6后，負(fù)荷基本一致，燃速開始略微升高，壓力指數(shù)變化不大。

3)最大間隙差截面與水平截面夾角β為70° ～90°時(shí)，最大弧厚差為0.34 ～0.56 mm，裝藥外觀質(zhì)量較好，模針與銅套達(dá)到最佳匹配位置。