郭 健，周文偉，郭晨光

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；2.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

火工品是一種特殊能源，具有能量質(zhì)量比高、作用時間短、起爆及輸出能量可控、體積小及長期貯存性好的特點[1-2]。它是在接收發(fā)火指令后，以較小能量激發(fā)其內(nèi)裝藥產(chǎn)生燃燒或爆炸，以燃燒火焰、爆炸沖擊波和高壓燃氣實現(xiàn)點火、起爆和做功等預(yù)定功能的一次性適應(yīng)的元器件、裝置和系統(tǒng)的總稱[3]?；鸸て窉伾渌幒凶鳛槲淦飨到y(tǒng)的敏感元件遍布武器各個部位，廣泛應(yīng)用于各類武器系統(tǒng)，其安全性、可靠性直接影響武器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用機理

某型拋射藥盒配用于某型火箭炮戰(zhàn)斗部，當(dāng)子母彈飛行一段時間、電子時間引信作用后，點火藥盒內(nèi)置的藥劑點燃火焰雷管，進一步點燃拋射藥盒，拋射藥盒的能量將子彈推出戰(zhàn)斗部。拋射藥盒由上盒體、下盒體、藥劑組成，上、下盒體由硝基軟片模壓成型(見圖1)。

圖1 拋射藥盒結(jié)構(gòu)示意圖、實物圖

2 問題概述

2.1 問題來源

檢驗人員抽檢1 000件已成型的拋射藥盒(由于裝配配合原因，上、下盒體同時成型得出)，得出如圖2所示的檢驗結(jié)果，檢驗人員對358件不合格品進行了分類匯總(見圖3)。

圖2 藥盒成型合格率抽檢結(jié)果

圖3 藥盒不合格類型及其分布

由圖2可知，藥盒成型廢品率高達35.8%，通過對不合格品觀察，根據(jù)其不合格類型，將其分為尺寸超差與外觀缺陷兩大類，其中尺寸超差主要為藥盒高度超差，外觀缺陷包括氣孔凸點、褶皺、破裂、光澤度差等。由圖3可知，氣孔凸點和尺寸超差為藥盒廢品率的主要因素。

由于藥盒成型合格率與效率均較低，項目組對整個藥盒成型過程進行分析，發(fā)現(xiàn)在成型過程中，A處易出現(xiàn)褶皺，B處易出現(xiàn)凸點，C處易出現(xiàn)破裂(見圖4)。

圖4 模具成型圖

2.2 藥盒成型方法

現(xiàn)行的藥盒成型過程如下：將裝有硝基片的藥盒模具在90 ℃沸水中軟化約10 min，取出模具，迅速置于壓力機下，緩慢降下壓力機手柄施壓，手柄到位后，取下模具置于冷水中冷卻5 min，從模具中取出成型的藥盒。

3 影響模壓成型的工藝參數(shù)

根據(jù)藥盒成型過程中的發(fā)現(xiàn)，項目組提出影響藥盒成型的工藝參數(shù)主要有預(yù)熱時間、成型溫度、成型壓力、保壓定型、冷卻水溫和冷卻時間。

3.1 預(yù)熱時間

預(yù)熱時間為模具在熱水浴中未施壓所放置的時間。

3.2 成型溫度

成型溫度是指壓機施壓時硝基軟片所處的溫度，在測試時可以將成型溫度視為模具型腔表面的溫度。成型溫度的高低對產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響[4-5]。

1)溫度過低要延長成型時間，使生產(chǎn)周期加長，在一定程度上還會造成硝基軟片成型不完全，表面光澤度差(具體表現(xiàn)為表面泛白)，水分及揮發(fā)物蒸汽作用下易膨脹變形，力學(xué)性能差，并且藥盒會粘在模具上，脫模困難。

2)成型溫度過高，會使硝基軟片中的有機物分解，同時制品外盒因受到模具表面的高溫而很快先固化，造成內(nèi)層固化時產(chǎn)生的水分和低分子物的排出很困難，從而使制品中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在開模時制品發(fā)生膨脹、裂紋、崩斷等。此外，由于溫度過高，可能引起硝基軟片色料變質(zhì)，使制品表面暗淡，出現(xiàn)花斑泛白，但在顧全藥盒制品其他性能的前提下，適當(dāng)提高成型溫度，對縮短模壓周期、提高藥盒成型效率及質(zhì)量均有好處。

3.3 成型壓力

成型壓力是壓力機為使硝基片充滿型腔對藥盒成型時所加的壓力，成型壓力的作用促使硝基軟片形變以充滿整個型腔，使軟片變成模具形狀；使模具緊密閉合從而使制品具有固定尺寸、形狀，并防止制品變形，通常硝基軟片內(nèi)分子的流動性越小，固化速度越快；壓縮率越大，則所要施加的壓力越大，但是并不是壓力越大越好，如壓力過大，制品內(nèi)孔出現(xiàn)破口的機率會大大增加。

模壓壓力可用下式計算：

式中，Pm是單位面積模壓壓力，單位為MPa；G1是凸模的質(zhì)量，單位為kg；PL是壓機施加的壓力，單位為MPa；D是主壓柱活塞的直徑，單位為m；A是制品在受壓方向的投影面積，單位為m2。

3.4 保壓定型

在模具中的硝基軟片需要在一定的壓力和溫度下保持一定的時間才能充分固化，成為性能良好的制品，固化時間與硝基軟片類型、制品形狀和厚度、模具構(gòu)造、模壓規(guī)格(壓力、溫度和軟片是否排氣)、軟片是否進行預(yù)壓、預(yù)熱等因素有關(guān)[6-7]。

固化時間過短，制品物理和化學(xué)性能差，外觀無光澤，易變形和翹曲，適當(dāng)增加固化時間，一般可使制品收縮率降低，耐熱性略有提高。但固化時間過分延長會降低制品的性能，延長生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率，多消耗能量，因此，生產(chǎn)中在不影響性能的前提下應(yīng)盡量縮短固化時間[8-10]。

3.5 冷卻水溫

溫度過低，藥盒變形嚴(yán)重；溫度過高，冷卻不充分。

3.6 冷卻時間

冷卻時間過短，易造成定型不完全；冷卻時間過長，易造成操作人員拔模困難。通過試驗證明，在冷卻水中二次施壓可使表面更平整。

4 模壓工藝參數(shù)的確定

在硝基軟片生產(chǎn)商提供的原材料基本工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)藥盒的產(chǎn)品特點，選定6種工藝參數(shù)的大致范圍(見表1)，從試驗中找出合適的工藝參數(shù)。

表1 基本的成型工藝參數(shù)

從表1可知，至少有上千種工藝參數(shù)組合，如果要全部試驗以確定其中合適的工藝參數(shù)會耗費大量的時間和人力物力。本文在試驗的基礎(chǔ)上選擇典型的工藝參數(shù)，采用常規(guī)試驗與正交試驗結(jié)合的方式，經(jīng)過25次試驗，每次試驗成型50個，找尋各因素間的內(nèi)在規(guī)律，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)(見表2)。

表2 正交試驗成型工藝參數(shù)

正交試驗每次試驗合格率如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)成型壓力為400 N時，尺寸合格率在90%以上；尺寸合格率與成型壓力有關(guān)；外觀合格率與固化時間、冷卻水溫、冷卻時間關(guān)系密切，分析尺寸合格率與外觀性能合格率的極差可以得出主次因素排序。

a)尺寸合格率變化

b)外觀尺寸合格率變化圖5 正交試驗每次試驗合格率

對試驗數(shù)據(jù)進行分析可得尺寸合格率影響因素排序：成型壓力>預(yù)熱時間>冷卻水溫>預(yù)熱時間>成型溫度>固化時間；外觀合格率影響因素排序：冷卻水溫>固化時間>冷卻時間>成型溫度>預(yù)熱時間>成型壓力。

項目組通過上述正交試驗，確定圖4中A處出現(xiàn)褶皺是由于模蓋與凹模契合不嚴(yán)導(dǎo)致，B處是由于排氣孔排氣出現(xiàn)凸點，C處出現(xiàn)破裂是由于成型壓力過大導(dǎo)致。確定盒體成型過程工藝參數(shù)方案如下：1)在100 ℃沸水中先對料片進行預(yù)熱約1 min；2)成型壓力確定為400 N；3)當(dāng)模具中料片成型到位后，在沸水中固化4～6 s；4)將模具放置于<20 ℃的冷卻水中，冷卻5～10 s。經(jīng)試生產(chǎn)1 000件藥盒，尺寸合格率為100%，外觀合格率僅為88.6%。繼續(xù)分析可得出外觀不合格分布類型如圖6所示。

圖6 外觀不合格分布類型

5 改進設(shè)計

針對外觀合格率低的情況，項目組提出2點改進措施：1)改善成型工序流程(見圖7)；2)修改模具蓋模與內(nèi)模尺寸，在圖4中B處增加鋁墊片(見圖8)，改變藥盒成型模具的排氣方式，進而消除藥盒端面有凸點的問題。

圖7 藥盒成型工序流程

圖8 墊片

平整度差是外觀不合格的主要原因，技術(shù)組繼續(xù)對圖7藥盒成型工序流程進行分析，提出改進冷卻工序方案如下：在熱水中保壓固化后，將模具放于冷卻水中并增加旋轉(zhuǎn)和施壓2～4 s工序。通過試驗可知，此方案大大改善了藥盒的表面平整度，可得出藥盒成型過程中成型壓力變化情況如圖9所示。

圖9 成型過程中成型壓力變化情況

6 結(jié)語

項目組通過試驗找到盒體成型最優(yōu)方案，確定了生產(chǎn)過程中對成型質(zhì)量起關(guān)鍵作用的主要參數(shù)，對成型溫度、成型壓力、預(yù)熱時間、保壓固化、冷卻水溫、冷卻時間等因素進行了有效調(diào)節(jié)，適當(dāng)提高成型溫度和預(yù)熱時間可以縮短制品的成型時間，提高制品的力學(xué)性能。盒體成型良品率由原來的64.2%提高到了95.8%。