陳富華，胡小秋，劉志濤

(南京理工大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院；b. 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前多孔發(fā)射藥的成型都是通過溶劑法制得[1]。由于現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)的不完善造成了發(fā)射藥制品存在諸多的問題，尤其是發(fā)射藥成品的孔距和致密度不均勻，影響著發(fā)射藥能量的釋放規(guī)律[2]。而模具的設(shè)計仍是采用“設(shè)計—試驗—修改再設(shè)計—再試驗”的模式，造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。為了提高發(fā)射藥的質(zhì)量，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)就變得尤為重要。目前關(guān)于發(fā)射藥成型工藝的研究更多的是針對擠壓發(fā)射藥粘彈性和擠壓壓力的分析[3-6]，而對于黏彈性材料成型模具的設(shè)計研究卻很少。為節(jié)約模具設(shè)計周期和減少制作成本，提高發(fā)射藥的生產(chǎn)效率，可采用仿真法進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化[7]。

影響擠壓藥質(zhì)量的因素主要有擠壓藥的物理、化學(xué)參數(shù)和擠壓模具參數(shù),而模具參數(shù)以收縮角和成型段長度最為重要。為了合理評價發(fā)射藥的成型質(zhì)量特別是擠壓成品的孔距和致密度，選用了2個評價的指標(biāo)：1) 擠壓過程中的成型壓力，應(yīng)使成型壓力在臨界壓力下較大且均勻性好，以保證成品的致密性；2) 模具針架的變形，要使針架的變形最小，以保證孔距的均勻。為簡化仿真過程，將指標(biāo)1列為約束條件，指標(biāo)2為目標(biāo)函數(shù)。

1 擠壓成型過程的仿真模型

1.1 擠壓藥及模具的幾何模型

運(yùn)用Creo軟件建立的多孔擠壓藥擠壓模具的三維模型如圖1所示，多孔模腔的二維尺寸如圖2所示。

圖1 模具幾何模型

圖2 多孔模腔二維圖

圖2中，D1為收縮段入口處直徑；L1為收縮段長度；L2為成型段長度；α為收縮角。

1.2 擠壓藥及模具的網(wǎng)格模型

對擠壓藥幾何模型和模具幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，分別如圖3和圖4所示。

圖3 多孔擠壓發(fā)射藥模具網(wǎng)格模型

圖4 模具內(nèi)擠壓藥的網(wǎng)格模型

1.3 擠出過程的基本假設(shè)

基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律的連續(xù)性方程、運(yùn)動方程和能量方程構(gòu)成了解決擠壓藥流動問題的基本控制方程,加上反映擠壓藥流體自身特性的本構(gòu)方程,從理論上可以對其求解。但由于擠壓藥模具流道結(jié)構(gòu)的幾何非線性和高聚合物的材料非線性,很難直接從上述方程組中求解。為此,必須對問題作適當(dāng)?shù)墓こ毯喕?考慮到擠壓藥擠出過程的具體工藝條件和材料自身特性,作出如下假設(shè)[5-6]:

1) 擠壓藥藥料為不可壓縮的高黏性非牛頓流體；2) 在藥模中發(fā)射藥藥料為等溫流動的冪率非牛頓流體；3) 由于雷諾數(shù)較小，發(fā)射藥為穩(wěn)態(tài)層流流動且藥料充滿在整個模具中；4) 擠壓藥在流道壁上為無滑移流動；5) 由于慣性力、重力相對于黏性力很小，故忽略不計。

在這些假設(shè)條件下,得到擠壓藥在模具流道中流動的控制方程和本構(gòu)方程[7]。

1.4 發(fā)射藥性能參數(shù)及模具的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

擠壓藥溶劑比為0.2和溫度為25℃時，剪切黏度為2 000 Pa·s，密度為1 500kg/m3，最優(yōu)成型段長度和收縮角見表1。

表1 多孔發(fā)射藥單變量最優(yōu)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 基于全因素法的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合與擠壓試驗

應(yīng)用控制單因素僅得到單變量最優(yōu)參數(shù)并未得到最優(yōu)的模具參數(shù)，因此有必要選出單變量最優(yōu)參數(shù)，采用全因素分析法進(jìn)一步優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 單因素變量最優(yōu)參數(shù)組合

選取成型段和收縮角的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行全因素組合見表2。

表2 單變量最優(yōu)參數(shù)組合

2.2 仿真分析及最優(yōu)參數(shù)的確定

1) 模腔內(nèi)擠壓藥壓力的分布

通過分析在不同參數(shù)組合的條件下模具中擠壓藥的壓力分布情況，得到圖5和圖6。圖5所示為擠壓藥的壓力分布云圖，圖6所示為以模具出口中心處為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿Z軸向的擠壓藥從入口到出口的壓力分布曲線圖。

由圖5和圖6可知從入口到出口壓強(qiáng)呈下降的趨勢，在入口處壓強(qiáng)趨于平緩，收縮段時壓力下降的趨勢在增大，成型段壓強(qiáng)減小趨勢近似不變；可以看出成型段的變化對入口壓力的影響較大。

圖5 擠壓藥在模具中的壓力云圖

圖6 不同條件下擠壓藥在模具中的壓力分布圖

2) 針架系統(tǒng)的變形分析

經(jīng)仿真分析得到模具針架系統(tǒng)的最大變形柱狀圖如圖7。

由圖7可知，成型段長度對針架系統(tǒng)變形的影響十分明顯；隨著收縮角度的增加針架系統(tǒng)最大變形量在減小。

成型段長度對擠壓壓力和針架系統(tǒng)變形的影響十分明顯。均衡壓力和變形選擇最優(yōu)的參數(shù)組合為成型段長度35mm，收縮角度55°。此組合下得到的針架系統(tǒng)的變形量最小且壓力分布適宜。

3 擠壓試驗

采用最優(yōu)參數(shù)組合加工新的模具。應(yīng)用新模具擠壓出的發(fā)射藥如圖8所示，圖8(a)是原模具擠出的成型擠壓藥，圖8(b)是最優(yōu)參數(shù)模具擠出的擠壓藥。擠壓藥出了模具出口后會發(fā)生由內(nèi)向外的膨脹，可以抵消一部分因針架收縮變形導(dǎo)致的藥孔內(nèi)聚。因此成型藥的藥孔內(nèi)聚變形會小于出口時的變形。

圖8 擠壓成型藥

4 結(jié)語

1) 建立了多孔擠壓發(fā)射藥模具的三維幾何模型、擠壓藥在模腔內(nèi)成型過程的數(shù)學(xué)模型和物理模型，通過ANSYS Workbench軟件中流固耦合模塊進(jìn)行擬合，獲得模擬所需要的Pawer-law模型參數(shù)。

2) 利用全因素參數(shù)優(yōu)化選出最優(yōu)參數(shù)組合為：成型段長度35 mm,收縮角55°。

3) 應(yīng)用最優(yōu)參數(shù)組合制作模具，進(jìn)行擠壓藥的試驗,得到的擠壓藥孔分布更加均勻，密實性也得到一定的提高。

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