三基發(fā)射藥單螺桿壓伸模具流場仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?

劉 晶 謝中元 王瓊林 王 勇 陳 松 許燦啟

①西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710065）②氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西西安，710065）

引言

多孔三基發(fā)射藥不僅具有良好的燃面增強(qiáng)性，而且具有能量高、燒蝕率低、炮口煙焰較少等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大口徑火炮武器中[1]。目前，多孔三基發(fā)射藥的成型多利用溶劑或半溶劑法通過擠壓壓伸制得[2]。張丹丹等[3]對7孔硝基胍發(fā)射藥在擠壓成型過程中的流動(dòng)過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，討論了物料特性、物料入口體積流量等對發(fā)射藥成型效果產(chǎn)生的影響；季丹丹等[4]使用ANSYS軟件對19孔發(fā)射藥壓伸模具內(nèi)物料的流動(dòng)情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了19孔發(fā)射藥壓伸模具的優(yōu)化方法；陳富華等[5]應(yīng)用Workbench軟件的流體與固體耦合模塊模擬了發(fā)射藥物料在模腔內(nèi)的擠壓過程及針架的變形，分析了收縮角、成型段長度對擠出成型壓力和模具針架系統(tǒng)變形的影響，提出了多孔發(fā)射藥成型模具的設(shè)計(jì)方法。但是，傳統(tǒng)擠壓工藝的最大弊端是單鍋式生產(chǎn)，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化。

常用的連續(xù)式螺壓工藝中，由于內(nèi)部流道呈螺旋狀，發(fā)射藥在機(jī)頭內(nèi)的流場分布復(fù)雜，物料在壓伸過程中的壓力和剪切速率不斷波動(dòng)[6]，影響發(fā)射藥產(chǎn)品的表面質(zhì)量，造成偏孔或弧厚不一及模針斷裂脫落等安全問題。

為解決多孔三基發(fā)射藥連續(xù)螺壓壓伸工藝質(zhì)量的一致性和安全性等問題，實(shí)現(xiàn)三基發(fā)射藥的連續(xù)成型，學(xué)者們在發(fā)射藥單螺桿成型工藝條件方面開展研究。Zhou等[7]使用Polyflow軟件對發(fā)射藥單螺桿擠出過程中物料在螺桿段內(nèi)的壓力和溫度進(jìn)行計(jì)算，并對物料在螺桿段內(nèi)的安全性進(jìn)行了初步分析；劉林林等[8]使用Polyflow軟件仿真分析了螺桿轉(zhuǎn)速對變?nèi)妓侔l(fā)射藥物料體積流率波動(dòng)的影響。

經(jīng)深入分析得知，使用螺壓工藝對多孔三基發(fā)射藥進(jìn)行壓伸成型的瓶頸是壓伸過程中模具內(nèi)壓力較高、溶劑不能及時(shí)揮發(fā)、且物料受熱不均，容易發(fā)生溶劑閃爆，進(jìn)而引燃物料；同時(shí)，螺壓工藝的流道特點(diǎn)造成物料流動(dòng)方向呈螺旋方向，模針受力不均導(dǎo)致模針脫落，進(jìn)而發(fā)生閉孔。但目前相關(guān)的研究報(bào)道較少。

文章中，結(jié)合單螺桿壓伸與成型模具的流道特點(diǎn)，通過ANSYS仿真軟件計(jì)算了單螺桿螺壓機(jī)成型模具的收縮角、出料方向和是否含有多孔板對三基發(fā)射藥壓伸成型過程的影響，分析了不同模具結(jié)構(gòu)參數(shù)下物料在模具中的溫度、模具壁面壓力、模針表面受力以及物料出料速度的分布規(guī)律；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了用于多孔三基發(fā)射藥螺壓壓伸模具的設(shè)計(jì)方法，為三基發(fā)射藥的連續(xù)化壓伸成型工藝提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

在模擬流場時(shí)，考慮到三基發(fā)射藥的特性及螺桿結(jié)構(gòu)的幾何特性，為方便求解，特做如下假設(shè):1)由于流體為高黏度流體，忽略慣性力作用；2)流體為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，即流動(dòng)過程與時(shí)間無關(guān)；3)流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)；4)流動(dòng)為層流，雷諾數(shù)較??；5)機(jī)筒與螺桿邊界無滑移。

基于以上假設(shè)，物料流動(dòng)的控制方程采用常規(guī)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。三基發(fā)射藥的穩(wěn)態(tài)黏度符合假塑性流體的流動(dòng)規(guī)律，表觀黏度與剪切速率的關(guān)系滿足Cross-Carreau模型，方程式為

式中:λ為Cross-Carreau模型的時(shí)間常數(shù)，s；η0為零剪切黏度，Pa˙s；n為非牛頓指數(shù)；?γ為剪切速率，s-1。

1.2 三基發(fā)射藥物料參數(shù)測試

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

物料為硝基胍三基發(fā)射藥，主要組分包括硝基胍(NQ)、硝基纖維素(NC)和硝化甘油(NG)。配方如表1所示。

表1 三基發(fā)射藥配方Tab.1 Formula of three-based gun propellant

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

捏合機(jī)，南通福斯特機(jī)械制造有限公司；ARESG2型旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA公司；C80型微熱量熱儀，法國Setaram公司。

1.2.3 物料制備

將原材料加入臥式捏合機(jī)，并加入占原材料質(zhì)量20.5%的醇酮溶劑。捏合機(jī)轉(zhuǎn)速15 r/min，溫度30℃左右，捏合時(shí)間120 min。

1.2.4 本構(gòu)方程參數(shù)測試

分別在25、30、35℃和40℃下測試物料黏度隨剪切速率的變化情況(圖1)。

圖1 三基發(fā)射藥黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.1 Shear rate viscosity-curves of three-based gun propellant

經(jīng)過與Cross-Carreau模型本構(gòu)方程進(jìn)行擬合，得到三基發(fā)射藥的流變學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 三基發(fā)射藥流變學(xué)參數(shù)Tab.2 Rheological parameters of three-based gun propellant

1.2.5 物料熱物理性能測試

表3為升溫速率為0.15 K/min時(shí)，利用連續(xù)比熱法測定三基發(fā)射藥25～40℃時(shí)的比熱容。

表3 三基發(fā)射藥不同溫度時(shí)的比熱容Tab.3 Specific heat capacity of three-based gun propellant at different temperatures

1.3 工況及邊界條件

1.3.1 工況

單螺桿螺壓擠出過程通常分為輸送段、壓縮段、塑化段。其中，輸送段和壓縮段內(nèi)物料不充滿；當(dāng)機(jī)頭出口的截面縮小或阻力增大時(shí)，塑化段基本為物料充滿狀態(tài)[9]。為保證仿真的準(zhǔn)確性，只針對塑化段及機(jī)頭充滿段建模(圖2)。其中，螺桿直徑為65 mm，采用三基發(fā)射藥常用的7孔模具。

收縮角為模具過渡所形成的錐角[10]。為研究模具收縮角對成型過程的影響，建立不同的收縮角模型，如圖2(a)所示。由于三基發(fā)射藥為高黏度物料，收縮角常規(guī)在30°～60°范圍內(nèi)選取。

為了優(yōu)化三基發(fā)射藥生產(chǎn)工藝的壓伸形式，便于切藥、晾藥等后續(xù)工序的設(shè)備安裝，建立垂直于出料方向壓伸的機(jī)頭模型[10]，研究出料方向?qū)ξ锪铣尚瓦^程的影響，如圖2(b)所示。

在單螺桿螺壓機(jī)對三基發(fā)射藥進(jìn)行壓伸時(shí)，由于螺壓工藝的流道特點(diǎn)，物料呈螺旋流動(dòng)，在經(jīng)過模具的整流后仍存在小范圍的徑向流動(dòng)[11]，造成物料擠出模具后有扭曲情況發(fā)生，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了最大程度避免物料的徑向流動(dòng)，在模具與單螺桿交接處增加多孔板并建立模型，研究模具結(jié)構(gòu)對物料成型過程的影響，如圖2(c)所示。

圖2 單螺桿螺壓模具的三維模型Fig.2 3D models of single screw extrusion mold

1.3.2 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS軟件Mesh中的四面體網(wǎng)格對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。其中，豎直擠出模型的網(wǎng)格數(shù)量為427 795，水平擠出模型的網(wǎng)格數(shù)量為558 431。

圖3 三維流道的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of 3D flow models

1.3.3 邊界條件

設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為15 r/min。入口邊界為質(zhì)量流量邊界，質(zhì)量流量為10 kg/h；出口邊界為壓力邊界，出口壓力為1.013×105Pa。物料密度1 300 kg/m3，熱傳導(dǎo)系數(shù)0.24 W/(m˙K)[12]，機(jī)筒溫度30℃，進(jìn)口物料溫度40℃。

2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 收縮角對物料流動(dòng)的影響

2.1.1 對擠出速度的影響

計(jì)算結(jié)果如圖4所示，出料速度呈角對稱分布。收縮角為30°、45°和60°時(shí)物料的出料速度分別為4.21、4.52 cm/s和6.86 cm/s。物料擠出速度隨收縮角的增加而增加，出料速度越快，單螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量越大；但由于出料速度快，造成物料擠出過程應(yīng)力快速聚集，在擠出后又快速釋放，藥條容易產(chǎn)生擠出脹大現(xiàn)象。且從圖4中可以看出，收縮角越大，藥條中心出料速度與周圍出料速度差異越大，容易出現(xiàn)藥條表面質(zhì)量下降的情況。

圖4 不同收縮角時(shí)三基發(fā)射藥壓伸的出料速度分布Fig.4 Extrusion velocity distribution of three-based gun propellant at different mold shrinkage angles

2.1.2 對模具內(nèi)物料溫度分布的影響

計(jì)算流道內(nèi)溫度場分布，并沿流道中心點(diǎn)做軸向切面，分析模具內(nèi)物料溫度場沿出料方向的變化，溫度場分布云圖見圖5。由圖5可知，收縮角越大，溫度變化越劇烈，在模具拐點(diǎn)越容易出現(xiàn)熱點(diǎn)，且最高溫度越高。這是由于模具收縮角越大，流道內(nèi)壓力變化越快，物料由于壓力作用產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，造成熱點(diǎn)聚集，帶來危險(xiǎn)。

圖5 不同收縮角時(shí)三基發(fā)射藥壓伸的溫度分布Fig.5 Extrusion temperature distribution of three-based gun propellant at different mold shrinkage angles

2.1.3 對模具壁面壓力的影響

如圖6所示，模具壁面壓力與收縮角基本呈線性關(guān)系，壓力隨收縮角的增大而增加。這是由于較大的收縮角下，物料體積急劇縮小，物料需要更大的壓力使之快速團(tuán)聚；而較小的收縮角，流道的容積變化較慢，物料的收縮是緩慢的過程。壁面壓力越大，對于含溶劑的三基發(fā)射藥安全風(fēng)險(xiǎn)越大，這是由于物料在急劇收縮后來不及排出的溶劑揮發(fā)組分被裹入物料中，會有發(fā)生絕熱壓縮的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 不同收縮角時(shí)模具壁面壓力的變化Fig.6 Variation of mold wall pressure of three-based gun propellant at different mold shrinkage angles

2.1.4 對模針表面受力的影響

物料在壓伸時(shí)受到螺桿的推力作用呈螺旋狀流動(dòng)，雖在模具內(nèi)經(jīng)過壓縮段、成型段的整流，但仍存在小部分的徑向流動(dòng)[11]。這種徑向流動(dòng)則會在模具成型段內(nèi)形成擾流，對模針造成摩擦和擠壓，進(jìn)而引起模針變形或斷裂，使產(chǎn)品質(zhì)量變差或帶來安全問題。

計(jì)算不同收縮角時(shí)模針單位面積內(nèi)受到的平均擠壓力和平均摩擦力。

式中:Ns為樣本總數(shù)；pi為模針表面第i個(gè)樣本靠近模針一側(cè)的壓力；Fni為模針表面第i個(gè)樣本物料給模針表面施加的摩擦力；A為模針外表面總面積。

計(jì)算時(shí)，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)取樣樣本。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。模針受到的摩擦力及擠壓力隨模具收縮角的增大而逐漸增大。模具收縮得越快，由于模具對物料的整流作用尚未完全發(fā)揮，物料的徑向流動(dòng)越多，造成物料對模針的擠壓越劇烈，模針越容易發(fā)生斷裂或變形。

圖7 收縮角對模針?biāo)軘D壓力和摩擦力的影響Fig.7 Effect of mold shrinkage angles on pressure and friction on die pin

2.2 出料方向?qū)ξ锪狭鲃?dòng)的影響

2.2.1 物料速度的影響

計(jì)算收縮角為30°、出料方向?yàn)樗胶拓Q直時(shí)三基發(fā)射藥在模具內(nèi)的流動(dòng)情況。模具出口的物料速度云圖和模具內(nèi)的速度矢量分布如圖8所示。從圖8中可以看出:水平出料速度矢量較均勻；豎直出料的速度矢量呈現(xiàn)渦流形，在靠近模針的位置尤為明顯；同時(shí)，豎直出料口的物料速度呈現(xiàn)不規(guī)則性，容易出現(xiàn)藥條彎曲的情況，影響內(nèi)孔弧厚均勻度等藥條質(zhì)量指標(biāo)。這是由于三基發(fā)射藥的黏度較大，物料在流動(dòng)時(shí)整流較困難，豎直擠出的流道特點(diǎn)造成物料在模具內(nèi)強(qiáng)制改變流動(dòng)方向，物料流動(dòng)受阻，形成渦流。這與超高分子量聚合物擠出的特點(diǎn)相一致[13]。

圖8 不同出料方向時(shí)三基發(fā)射藥的物料速度分布Fig.8 Velocity distribution of three-based gun propellant in different extrusion directions

2.2.2 對模具壁面壓力的影響

分別計(jì)算不同收縮角時(shí)水平出料和豎直出料情況下模具內(nèi)的最大壓力，結(jié)果如圖9所示。壁面壓力與收縮角呈線性關(guān)系，但豎直出料時(shí)壁面壓力明顯高于水平擠出時(shí)，這同樣是由于豎直出料模具的流道特點(diǎn)所致。物料的流動(dòng)方向由水平改為豎直，物料受到堵塞后改變流動(dòng)方向，造成流動(dòng)不暢，模具內(nèi)壓力升高。

圖9 不同出料方向時(shí)模具壁面壓力的變化Fig.9 Variation of mold wall pressure in different extrusion directions

2.2.3 對模具內(nèi)物料最高溫度的影響

計(jì)算不同出料方向時(shí)模具內(nèi)物料的最高溫度隨模具收縮角的變化，如圖10所示。物料最高溫度隨收縮角的增大而增加，但豎直擠出時(shí)物料溫度變化并不明顯；這是因?yàn)槭湛s角越大，模具內(nèi)整體的壓力越高，但模具內(nèi)流道方向的改變彌補(bǔ)了收縮角對于模具內(nèi)壓力梯度變化的影響。壓力梯度變化越小，熱點(diǎn)越不容易產(chǎn)生。

圖10 不同出料方向時(shí)物料最高溫度的變化Fig.10 Variation of the highest temperature of three-based gun propellant in different extrusion directions

2.2.4 對模針表面受力的影響

分別計(jì)算水平出料和豎直出料時(shí)模針表面受到平均摩擦力和平均擠壓力隨收縮角的變化情況，如圖11所示。豎直擠出時(shí)模針?biāo)艿哪Σ亮皵D壓力遠(yuǎn)大于水平擠出時(shí)摩擦力和擠壓力，這與物料在模具內(nèi)的流動(dòng)情況有關(guān)。根據(jù)2.2.1中物料在豎直擠出模具中的速度矢量分布來看，物料出現(xiàn)渦流后，徑向流動(dòng)較多，對模針的沖擊和摩擦也就越大。

圖11 出料方向?qū)δａ標(biāo)軘D壓力和摩擦力的影響Fig.11 Effect of extrusion direction on pressure and friction on die pin

2.3 多孔板對物料流動(dòng)的影響

2.3.1 對物料速度的影響

計(jì)算收縮角為30°并增加多孔板時(shí)三基發(fā)射藥在模具出口的速度云圖和模具內(nèi)的速度矢量分布，如圖12、圖13所示。

圖12 是否安裝多孔板情況下螺桿與模具接口處的速度矢量圖Fig.12 Velocity vector diagram at the interface between screw and mold with perforated plate installed or not

圖13 是否安裝多孔板情況下物料的出口速度分布Fig.13 Extrusion velocity distribution of three-based propellant with perforated plate installed or not

可以看出，未安裝多孔板前，物料從螺桿輸送段進(jìn)入壓縮段后仍呈現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；安裝多孔板后，物料在壓縮段基本呈現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，從模具出口的速度分布中可以看出，安裝多孔板后，物料的流速分布更均勻，徑向的差異較小。這是由于三基發(fā)射藥中纖維素分子鏈較長，在經(jīng)過多孔板的強(qiáng)制取向后，分子鏈被均勻地排列進(jìn)入壓縮段，這樣就避免了螺壓機(jī)結(jié)構(gòu)造成的物料螺旋運(yùn)動(dòng)，消除了物料大部分的徑向流動(dòng)，同時(shí)也減少了物料擠出時(shí)速度的徑向差異。

2.3.2 對模針表面受力的影響

分別計(jì)算安裝多孔板及未安裝多孔板時(shí)不同模具收縮角情況下模針表面受到平均摩擦力和平均擠壓力隨收縮角的變化，如圖14所示。

圖14 是否安裝多孔板情況下收縮角對模針?biāo)軘D壓力和摩擦力的影響Fig.14 Effect of mold shrinkage angles on pressure and friction on die pin with perforated plate installed or not

由于多孔板對于三基發(fā)射藥分子鏈的取向作用，物料的徑向流動(dòng)大部分被消除，物料對模針的徑向沖擊較??；所以，在安裝多孔板后，模針的受力大幅減小，這樣有利于三基發(fā)射藥的成型，也可以延長模具的使用壽命。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，采用臥式捏合機(jī)進(jìn)行三基發(fā)射藥物料捏合，利用單螺桿螺壓機(jī)對三基發(fā)射藥進(jìn)行壓伸，并設(shè)計(jì)收縮角分別為30°、45°和60°的水平擠出型、豎直擠出型20.5H/7模具，對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

采用的物料為1.2中的硝基胍三基發(fā)射藥配方。采用的單螺桿水平擠出和豎直擠出，機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 單螺桿擠出機(jī)及模具Fig.15 Single-screw extruder and mold

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定臥式捏合機(jī)轉(zhuǎn)速為15 r/min，捏合時(shí)間為120 min后將物料加入單螺桿，單螺桿轉(zhuǎn)速15 r/min，加料速度10 kg/h，機(jī)筒溫度30℃，進(jìn)口物料溫度40℃。

3.2 工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在機(jī)頭安裝溫度與壓力傳感器，測量擠出過程中模具壁面的壓力和物料溫度，將實(shí)際測量值與仿真計(jì)算結(jié)果作對比，如圖16所示。

圖16 仿真計(jì)算值與實(shí)際值對比曲線Fig.16 Comparison curves of simulation data with experimental data

從圖16可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值的變化趨勢基本相同。但仿真計(jì)算所得模具壁面壓力較實(shí)際測量值偏小。分析原因:在仿真計(jì)算時(shí)，假設(shè)模具內(nèi)表面無摩擦；而在實(shí)際試驗(yàn)中，由于模具內(nèi)加工精度有限，及長期使用造成的內(nèi)表面磨損，使模具壁面壓力較仿真計(jì)算的理論值偏大。

由于實(shí)驗(yàn)中溫度傳感器的安裝位置靠近模具內(nèi)壁面，因此，仿真計(jì)算取緊貼在模具內(nèi)壁面的物料溫度與實(shí)際測量值進(jìn)行對比，所得數(shù)據(jù)較接近。

3.3 物料流場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對比收縮角為30°時(shí)水平出料、豎直出料及安裝多孔板后水平出料3種情況的產(chǎn)品切面形狀與仿真計(jì)算結(jié)果。

結(jié)合2.2.1中仿真計(jì)算物料在模具出口的流場速度發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)頭流道發(fā)生彎曲，豎直出料的藥條出料速度不均勻(圖8)。這與實(shí)際中豎直擠出的藥條切面圖相一致，中心孔的位置出現(xiàn)了偏移，同時(shí)藥條發(fā)生了彎曲，如圖17(a)。水平擠出的藥條出料速度呈中心對稱，因此，藥條切面中心孔的位置沒有發(fā)生偏移，如圖17(b)所示。

圖17 不同模具生產(chǎn)的壓伸藥條的實(shí)際切面Fig.17 Section of three-based gun propellant produced by different molds

此外，對比水平擠出藥條和安裝多孔板后水平擠出藥條的外表面形狀發(fā)現(xiàn)，兩種模具生產(chǎn)的藥條的外表面均較光滑，但水平擠出藥條的外表面出現(xiàn)一定程度的扭轉(zhuǎn)，增加多孔板后藥條的外表面形狀較均勻，如圖18所示。這與2.3中的計(jì)算結(jié)果相一致。安裝多孔板后，流道內(nèi)的螺旋流動(dòng)被消除，使藥條的出料速度基本沿軸向方向，藥條的成型質(zhì)量有所提高。

圖18 原模具和安裝多孔板后壓伸藥條的外表面Fig.18 Outside surface of three-based gun propellant produced by the mold before or after the perforated plate is installed

4 結(jié)論

1)仿真計(jì)算結(jié)果表明，模具收縮角越大，擠壓成型過程所需要的擠壓力越大，物料在模具內(nèi)的最高溫度也越高，且越容易形成熱點(diǎn)；同時(shí)，模針外表面受到的擠壓力和摩擦力也越大，模針越容易出現(xiàn)變形和斷裂。

2)豎直擠出雖然方便后續(xù)物料的切藥、晾藥，但擠出過程中模具壁面壓力、模具內(nèi)物料溫度及模針表面受力均遠(yuǎn)大于水平擠出中的相應(yīng)參數(shù)；且物料的流場較復(fù)雜，特別是出口速度不均，容易造成擠出后藥條的彎曲。

3)增加多孔板有利于物料在擠出模具中的整流和取向，大幅減少物料的徑向流動(dòng)，降低模針在擠出過程中的受力。

4)模具壁面壓力、模具內(nèi)物料溫度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本一致；增加多孔板后的水平擠出方式使發(fā)射藥中心藥孔的分布更加均勻，且成型質(zhì)量更好。