馬增祥，張均法，惠　智，周　帥，張叢博

(山東特種工業(yè)集團有限公司 軍品研究所，山東 淄博 255201)

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條形滴水形狀藥柱壓藥模具設計

馬增祥，張均法，惠智，周帥，張叢博

(山東特種工業(yè)集團有限公司 軍品研究所，山東 淄博 255201)

摘要：條形滴水形狀藥柱壓藥模具設計應重點解決壓制方式、模套強度以及不規(guī)則形狀藥柱形狀脹大等若干問題。由于條形滴水形狀藥柱幾何形狀的復雜性，使用解析法無法確定其設計參數(shù)。首先討論了合理的壓制方式，然后使用有限元方法進行了模套強度分析，提出了組合鑲嵌模形式，最后應用三維軟件計算了藥柱的脹大量，完成了條形滴水形狀藥柱模具設計。

關鍵詞：滴水形狀藥柱；壓制方式；模具設計

條形滴水形狀藥柱要求密度一致性好。壓裝滴水形狀藥柱模具設計應重點解決壓制方式、模套強度以及不規(guī)則形狀藥柱形狀脹大等若干問題。由于條形滴水形狀藥柱幾何形狀的復雜性，使用解析法無法確定其設計參數(shù)。本文首先討論合理的壓制方案，然后應用有限元方法進行模套強度分析，提出組合鑲嵌模形式，最后應用三維軟件計算藥柱的脹大量，確定模套、上沖和下沖尺寸參數(shù)，完成條形滴水形狀藥柱模具設計。

1壓制方式

利用壓裝法[1]，使用松散密度為0.66 g/cm3的炸藥，施加120 MPa比壓，壓裝條形滴水形狀藥柱，使其裝藥密度達到1.76 g/cm3。條形滴水形狀藥柱全長為265 mm，且一端帶起爆圓柱孔φ12 mm，深度為8 mm，藥柱端面為滴水形狀。條形滴水形狀藥柱幾何模型如圖1所示，其上、下端面幾何形狀如圖2所示。

圖1　條形滴水形狀藥柱幾何模型

圖2　條形滴水形狀藥柱上、下端面幾何形狀

將條形滴水形狀藥柱橫躺著壓制，壓制成的藥柱密度高且分布均勻。橫躺著壓制雖原理可行，且其藥柱端面高度僅為36.2 mm；但該壓制方案會使藥柱細長，為滿足模套強度，模套尺寸會變得很大。此藥柱形狀復雜，上沖與下沖都存在尖角，壓制工藝安全方面存在隱患，為此采用長度方向壓制，將條形滴水形狀藥柱分為4段，使用2個藥柱端面形狀沖頭，其中一個為平?jīng)_頭，另一個為帶圓形凸臺的沖頭，以完成條形滴水形狀藥柱形狀的組合。在模具整體結(jié)構(gòu)上、下沖預留10 mm，實現(xiàn)2次壓藥(類雙向壓制)，以提高藥柱的密度一致性。

2模套結(jié)構(gòu)的確定

在條形滴水形狀藥柱壓藥模具設計之前，應確定模具中的關鍵零件(模套)的幾何結(jié)構(gòu)，以滿足其在壓藥過程中的強度及剛度要求。

2.1模套幾何模型

為了優(yōu)化條形滴水形狀模套尺寸，并確定其結(jié)構(gòu)形式，應建立條形滴水形狀藥柱模套的幾何模型(見圖3)，為有限元分析做好準備。初步設計模套幾何形狀時，應考慮壓制過程模套的受力狀態(tài)。

圖3　初步設計模套的幾何模型

2.2有限元分析模型

2.2.1載荷區(qū)域的確定

條形滴水形狀藥柱模套在裝藥壓制到位后，所受載荷最大，為方便施加載荷，建立3D對稱模型時，應確定施加載荷區(qū)域。模套內(nèi)表面加載荷區(qū)域為藥柱成型所占據(jù)的模腔內(nèi)部空間。

2.2.2邊界條件

1)載荷。炸藥的流散性是決定條形滴水形狀藥柱模套內(nèi)壁所受的側(cè)壓力Pc大小的重要因素，Pc可由下式進行計算：

Pc=0.538P

式中，P是炸藥的壓藥比壓，單位為MPa。

已知炸藥的壓藥比壓P為120 MPa，可以計算出條形滴水形狀藥柱模套內(nèi)壁所受的側(cè)壓力Pc為66 MPa。

2)約束。使用慣性釋放。

3)材料屬性。模套材料屬性選擇優(yōu)質(zhì)合金工具鋼，材料彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.27。

上述模擬條件，符合實際壓裝情況。

條形滴水形狀藥柱模套零件上端的倒圓角以及下端的倒角對模套的強度及剛度影響較小，在建模過程中可以忽略。模套中的脫模錐度為1∶666，該值對模套的強度、剛度及模型計算精度影響雖較小，但是由于其建模簡單，所以在建模過程中應予以考慮。有限元分析模型如圖4所示。

圖4　模套有限元分析模型

2.3分析結(jié)果評價準則

模套材料為合金工具鋼Cr12MoV，經(jīng)淬火、回火后，洛氏硬度≥53～58 HRC[2]，抗拉強度Rm≈1 845 MPa，屬脆性材料。模套破壞是以拉伸應力為主應力毀壞形式，因此，可以應用第一強度理論對模套進行強度校核。對于非圓形的模套，安全系數(shù)n可取4～5[3]。在有限元分析中，主要計算模套最大主值應力max_stress_prin≤410 MPa。

2.4有限元優(yōu)化計算結(jié)果

對計算模型提出如下設計限制：1)max_stress_prin≤410 MPa；2)最大變形量max_disp_mag<0.02 mm。

通過優(yōu)化設計，變更幾何，得到模套優(yōu)化結(jié)果如下。

1)模套最大主值應力。模套最大主值應力位于模套內(nèi)壁小R處，最大主值應力max_stress_prin=369.755 MPa，模套主值應力分布如圖5所示。

圖5　模套主值應力分布

2)優(yōu)化后模套尺寸情況。優(yōu)化后模套尺寸如圖6所示。受載荷作用的區(qū)域模套直徑為200 mm。模套上端尺寸Ds=99.5 mm，模套下端尺寸Dx=133 mm。

圖6　優(yōu)化后模套尺寸

2.5條形滴水形狀藥柱的組合模套

優(yōu)化后模套的最大直徑為200 mm，考慮熱處理工藝和模套使用時的受力，將條形滴水形狀藥柱模套設計成為兩體(見圖7)。圖7中內(nèi)模套與外模套為過盈配合H8/n7。過盈量給予內(nèi)模套的預緊力與模套所受的側(cè)壓力的方向正好相反，能夠抵消部分模套所受的側(cè)壓力，以確保模套具有足夠的機械強度。

圖7　條形滴水形狀藥柱組合模套

3模具工作尺寸的確定

與藥柱幾何相關的模具工作尺寸包括型腔及型腔深度尺寸、型芯及型芯高度尺寸、中心距尺寸和偏心距尺寸，這些尺寸關系著藥柱成型后的制造精度。

1)型腔尺寸計算。計算公式如下：

DM=dY-dYKZ

式中，DM是型腔尺寸，單位為mm；dY是藥柱外型尺寸，單位為mm；KZ是計算尺寸的綜合收縮率，KZ=λ+3ε/(4dY)；ε是藥柱的公差值，單位為mm；λ是藥柱的脹大率。

2)型芯尺寸計算。計算公式如下：

dm=dY-dYKXX

式中，dm是型芯尺寸，單位為mm；KXX是計算尺寸的綜合收縮率，KXX=λ-3ε/(4dY)。

3)型腔深度計算。計算公式如下：

LM=LY-LYKXQ

式中，LM是型腔深度，單位為mm；KXQ是計算尺寸的綜合收縮率，KXQ=λ+2ε/(3dY)；LY是藥柱高度，單位為mm。

4)型芯高度計算。計算公式如下：

hm=HY-HYKCD

式中，hm是型芯高度，單位為mm；HY是藥柱孔深度，單位為mm；KCD是計算尺寸的綜合收縮率，KCD=λ-2ε/(3dY)。

5)中心距計算。計算公式如下：

AM=AY-AYλ

式中，AM是模具的中心距，單位為mm；AY是藥柱的中心距，單位為mm。

6)中心偏距計算。計算公式如下：

APM=APY-APYKPJ

式中，APM是模具的中心偏距，單位為mm；APY是藥柱的中心偏距，單位為mm；KPJ是計算尺寸的綜合收縮率，KPJ=λ-ε/(4APY)。

針對圖2中的滴水形狀截面，首先依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的性質(zhì)進行分類，分別計算模具各計算尺寸的綜合收縮率KZ、KXX、KXQ、KCD和KPJ，應用三維軟件計算藥柱形狀在不同方向的脹大量。取條形滴水形狀藥柱非壓制方向的脹大率λ=0.008 45，以確定模套尺寸參數(shù)；取壓制方向的脹大率λ=0.05，以控制起爆圓柱孔深度(8 mm)的脹大量。

4結(jié)語

通過對條形滴水形狀藥柱壓藥模具進行設計，得出了如下結(jié)論：1)壓制方式可采用橫向分段壓制，工裝簡單且使用安全；2)模套結(jié)構(gòu)使用組合鑲嵌模形式，強度可靠。

參考文獻

[1] 陳國光，等.彈藥制造工藝學[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[2] 陳熙蓉.炸藥性能與裝藥工藝[M].北京：北京理工大學出版社，1985.

[3] 金康寧，等.材料力學[M].北京：北京大學出版社，2006.

責任編輯鄭練

Design of Bar Drop Shape Column of the Powder Grain Module

MA Zengxiang, ZHANG Junfa, HUI Zhi, ZHOU Shuai, ZHANG Congbo

(Shandong Special Industrial Group Co., Ltd., Zibo 255201, China)

Abstract：The import solution of bar drop shape column of the power grain: suppression mode, die atrength and the irregular shape of powder grain and its swollen. Because of the complexity of the bar drop shape column, it can not be determined by the analytic method. Firstly, discuss the reasonable schem of the suppression mode. Secondly, the use of ansys method is introduced, then analyze the suppression mode, put forward combination of embedded mode. Finally, use three-dimensional software to calculation the swollen of powerder grain, and complete the design.

Key words:bar drop shape column of the power grain, suppression mode, module design

收稿日期：2015-08-31

作者簡介：馬增祥(1962-)，男，高級工程師，主要從事軍品研發(fā)等方面的研究。

中圖分類號：TB 21

文獻標志碼:A