鄭再芳 馬飛龍 陳 淼 張 博 李 冰 謝 波

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

螺旋壓伸工藝是固體推進劑成型的主要工藝之一。 螺壓推進劑因制造工藝簡單、性能優(yōu)良和質量一致性好等優(yōu)點，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劑裝藥在壓伸成型時，由于藥型尺寸特性，易出現(xiàn)弧厚差大的問題；另一方面，由于改性雙基推進劑中固體含能材料的加入，物料流動性變差，壓伸時存在出料難、出料負荷高的問題，易導致壓伸失敗，嚴重時引發(fā)安全事故。 為保證壓伸順利進行及推進劑尺寸、性能滿足要求，推進劑裝藥成型時，在關注物料溫度、物料流動性、加料時間等參數(shù)的同時，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)的變化進行了研究，為固體物料單螺桿擠壓成型的流動特性、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速、螺桿內壁溫度等工藝參數(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、螺桿直徑等螺桿結構參數(shù)對改性雙基推進劑代用料安全加工、設備承載負荷、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、絕熱壓縮和過熱分解等方面對推進劑單螺桿壓伸成型工藝過程的安全性進行了研究。 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劑成型尺寸的控制技術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劑裝藥(下稱裝藥)為研究對象，采用不同的進藥嘴收縮角、模具壓縮比、模針與銅套匹配方式進行裝配，分析其對裝藥成型過程中裝藥弧厚差、出料負荷、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提供參考。

1 試驗裝置

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，重慶長風化學工業(yè)有限公司；奧克托今(HMX)，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司。

裝藥配方(質量分數(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，西安航天遠征流體控制有限公司。

1.2 模具選配試驗

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

模具壓縮比，即面積壓縮比，是指螺壓機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 種壓縮比進行壓伸成型，分析同一配方下不同壓縮比對壓伸出料負荷及裝藥燃速的影響。 其中，壓縮比為32 和12 時，選用進藥嘴收縮角為 90°、75°、60°。 壓縮比為 6 時，裝藥成型時出藥面積很大，在正常壓伸的情況下，應盡可能選擇收縮角大的進藥嘴進行壓伸，有利于產(chǎn)品的成型。 裝藥在該壓縮比下壓伸時負荷較低，收縮角為75°和60°的進藥嘴在實際生產(chǎn)中應用意義不大。 因此，壓縮比為6 時，只選用收縮角為90°的方案與其他壓縮比方案進行數(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

管狀推進劑裝藥在模具裝配時，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，會有兩個間隙，由于機械加工及裝配誤差，這兩個間隙隨截面的變化而變化，存在一定差值。 為便于直觀理解，將兩個間隙以d2、d1表示(d2≥d1)，d1為位于靠近截面箭頭方向一側的間隙。 這兩個間隙的差值，稱之為間隙差，以△d表示。 當截面同時穿過銅套和模針的圓心時，間隙差達到最大，即為最大間隙差△dmax。 此時，截面稱為最大間隙差截面，與之對應的間隙為最大間隙d2max和最小間隙d1min。 本文中，裝藥在裝配時最大間隙差△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，通過調節(jié)水平截面與最大間隙差截面的夾角β大小進行壓伸試驗。 模針與銅套位置匹配夾角β在 0° ～40°之間時，每增加 10°進行 1 次試驗；β在40° ～90°之間時，每增加 5°進行 1 次試驗。 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 對出料負荷的影響

不同模具選配裝藥壓伸出料負荷見表1。

由表1 可見，壓縮比一定時，隨著進藥嘴收縮角的減小，出料負荷呈下降趨勢，壓縮比大的模具壓伸出料負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，出現(xiàn)壓伸負荷過大、剪力環(huán)自動斷裂、壓伸失敗的情況；收縮角減小后，出料負荷明顯降低，且剪力環(huán)斷裂的情況得到解決；收縮角由90°減小至75°時，平均出料負荷降低1.6 A；減小至60°時，平均出料負荷降低2.3 A；收縮角由75°降低為60°時，平均出料負荷降低0.7 A。 進藥嘴收縮角減小后，物料從螺壓機經(jīng)過進藥嘴時前進阻力減小，有利于物料進入模具擴張段，螺壓機機頭壓力減小，從而使出料負荷降低。 但出料負荷下降幅度隨著壓縮比的減小逐漸變小。 當壓縮比為12 時，進藥嘴收縮角減小，負荷下降幅度均小于1.0 A，平均出料負荷降低幅度小于0.5 A。 進一步說明壓縮比減小后，進藥嘴收縮角變化對出料負荷的影響程度變小。

進藥嘴收縮角一定時，壓縮比減小，出料負荷呈下降趨勢。 由表1 可見，當進藥嘴收縮角為90°時，壓縮比由32 減小為12，平均出料負荷降低2.7 A；壓縮比由12 減小為6 時，出料負荷變化不大。 當收縮角為75°和60°時，同樣是壓縮比由32 減小為12，但出料負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，單位時間內物料出料量越小。 同樣的進料量，出料量越小，螺壓機機頭壓力越大，出料負荷越高。 因此，同樣的進藥嘴收縮角度下，壓縮比減小時，出料負荷降低。 實際生產(chǎn)過程中，裝藥成型壓縮比一般是固定的，可以通過調節(jié)進藥嘴收縮角以改善出料負荷高的問題。

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，不同進藥嘴收縮角對裝藥燃速的影響不大。 因此，進藥嘴收縮角對裝藥最終成型的燃速性能影響較小。

同一進藥嘴收縮角下，壓縮比由32 變?yōu)?2 時，燃速降低0.27 ～0.34 mm/s；壓縮比由12 變?yōu)? 時，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。 分析認為，在壓伸過程中，藥料經(jīng)螺壓機形成塑化狀態(tài)后，進入最終成型段，在銅套、模針、成型模具尺寸等因素的共同影響下，物料在模具內受到的壓力及成型時間的不同，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。推進劑裝藥在進行大批壓伸前，一般會選用壓縮比為12 的模具進行取樣配方調試，滿足要求后再選用產(chǎn)品模具進行大批壓伸，上述數(shù)據(jù)可為該配方體系推進劑裝藥在配方調試和大批量壓伸提供參考依據(jù)。

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

圖4 不同模具選配時裝藥壓力指數(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°的進藥嘴，進行模針與銅套裝配試驗。 通過調節(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，由于物料出料時受重力作用，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 的結果來看，當β在 0° ～90°之間時，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β小于 70°時，由于物料出料特性，出料時物料對模針產(chǎn)生的推力作用使最大間隙差增大，最大弧厚差較大，外觀質量變差。 當夾角β為90°時，最大弧厚差并不是最小的；當β為70° ～90°時，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，內徑為17 ～18 mm。 在該裝藥的實際生產(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量。 因此，模針與銅套的最佳匹配位置為β在70° ～90°之間。

3 結論

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

2)進藥嘴收縮角一定時，壓縮比由32 降低為12，出料負荷下降明顯，燃速降低；由12 降低為6后，負荷基本一致，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，最大弧厚差為0.34 ～0.56 mm，裝藥外觀質量較好，模針與銅套達到最佳匹配位置。