劉 晶 謝中元 王瓊林 王 勇 陳 松 許燦啟

①西安近代化學研究所（陜西西安，710065）②氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室（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性，而且具有能量高、燒蝕率低、炮口煙焰較少等特點，已廣泛應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過程進行了仿真計算，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)射藥壓伸模具內物料的流動情況進行了仿真計算，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)射藥成型模具的設計方法。但是，傳統(tǒng)擠壓工藝的最大弊端是單鍋式生產，無法實現生產的連續(xù)化。

常用的連續(xù)式螺壓工藝中，由于內部流道呈螺旋狀，發(fā)射藥在機頭內的流場分布復雜，物料在壓伸過程中的壓力和剪切速率不斷波動[6]，影響發(fā)射藥產品的表面質量，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)螺壓壓伸工藝質量的一致性和安全性等問題，實現三基發(fā)射藥的連續(xù)成型，學者們在發(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的壓力和溫度進行計算，并對物料在螺桿段內的安全性進行了初步分析；劉林林等[8]使用Polyflow軟件仿真分析了螺桿轉速對變燃速發(fā)射藥物料體積流率波動的影響。

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

文章中，結合單螺桿壓伸與成型模具的流道特點，通過ANSYS仿真軟件計算了單螺桿螺壓機成型模具的收縮角、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，分析了不同模具結構參數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；并通過實驗驗證，得出了用于多孔三基發(fā)射藥螺壓壓伸模具的設計方法，為三基發(fā)射藥的連續(xù)化壓伸成型工藝提供參考。

1 計算模型

1.1 數學模型

在模擬流場時，考慮到三基發(fā)射藥的特性及螺桿結構的幾何特性，為方便求解，特做如下假設: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，即流動過程與時間無關；3)流動為不可壓縮流動；4)流動為層流，雷諾數較??；5)機筒與螺桿邊界無滑移。

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

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

1.2 三基發(fā)射藥物料參數測試

1.2.1 實驗原材料

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 實驗儀器

捏合機，南通福斯特機械制造有限公司；ARESG2型旋轉流變儀，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，并加入占原材料質量20.5%的醇酮溶劑。捏合機轉速15 r/min，溫度30℃左右，捏合時間120 min。

1.2.4 本構方程參數測試

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系Fig.1 Shear rate viscosity-curves of three-based gun propellant

經過與Cross-Carreau模型本構方程進行擬合，得到三基發(fā)射藥的流變學參數，如表2所示。

表2 三基發(fā)射藥流變學參數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，利用連續(xù)比熱法測定三基發(fā)射藥25～40℃時的比熱容。

表3 三基發(fā)射藥不同溫度時的比熱容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，輸送段和壓縮段內物料不充滿；當機頭出口的截面縮小或阻力增大時，塑化段基本為物料充滿狀態(tài)[9]。為保證仿真的準確性，只針對塑化段及機頭充滿段建模(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°范圍內選取。

為了優(yōu)化三基發(fā)射藥生產工藝的壓伸形式，便于切藥、晾藥等后續(xù)工序的設備安裝，建立垂直于出料方向壓伸的機頭模型[10]，研究出料方向對物料成型過程的影響，如圖2(b)所示。

在單螺桿螺壓機對三基發(fā)射藥進行壓伸時，由于螺壓工藝的流道特點，物料呈螺旋流動，在經過模具的整流后仍存在小范圍的徑向流動[11]，造成物料擠出模具后有扭曲情況發(fā)生，影響產品質量。為了最大程度避免物料的徑向流動，在模具與單螺桿交接處增加多孔板并建立模型，研究模具結構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 網格劃分

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

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

1.3.3 邊界條件

設定螺桿轉速為15 r/min。入口邊界為質量流量邊界，質量流量為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，熱傳導系數0.24 W/(m˙K)[12]，機筒溫度30℃，進口物料溫度40℃。

2 仿真計算結果及分析

2.1 收縮角對物料流動的影響

2.1.1 對擠出速度的影響

計算結果如圖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，單螺桿擠出機的產量越大；但由于出料速度快，造成物料擠出過程應力快速聚集，在擠出后又快速釋放，藥條容易產生擠出脹大現象。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，容易出現藥條表面質量下降的情況。

圖4 不同收縮角時三基發(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 對模具內物料溫度分布的影響

計算流道內溫度場分布，并沿流道中心點做軸向切面，分析模具內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，在模具拐點越容易出現熱點，且最高溫度越高。這是由于模具收縮角越大，流道內壓力變化越快，物料由于壓力作用產生的熱量不能及時傳導出去，造成熱點聚集，帶來危險。

圖5 不同收縮角時三基發(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)射藥安全風險越大，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)生絕熱壓縮的風險。

圖6 不同收縮角時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

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

計算不同收縮角時模針單位面積內受到的平均擠壓力和平均摩擦力。

式中:Ns為樣本總數；pi為模針表面第i個樣本靠近模針一側的壓力；Fni為模針表面第i個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。

計算時，每個網格為一個取樣樣本。計算結果如圖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 收縮角對模針所受擠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 出料方向對物料流動的影響

2.2.1 物料速度的影響

計算收縮角為30°、出料方向為水平和豎直時三基發(fā)射藥在模具內的流動情況。模具出口的物料速度云圖和模具內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渦流形，在靠近模針的位置尤為明顯；同時，豎直出料口的物料速度呈現不規(guī)則性，容易出現藥條彎曲的情況，影響內孔弧厚均勻度等藥條質量指標。這是由于三基發(fā)射藥的黏度較大，物料在流動時整流較困難，豎直擠出的流道特點造成物料在模具內強制改變流動方向，物料流動受阻，形成渦流。這與超高分子量聚合物擠出的特點相一致[13]。

圖8 不同出料方向時三基發(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

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

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

2.2.3 對模具內物料最高溫度的影響

計算不同出料方向時模具內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，但豎直擠出時物料溫度變化并不明顯；這是因為收縮角越大，模具內整體的壓力越高，但模具內流道方向的改變彌補了收縮角對于模具內壓力梯度變化的影響。壓力梯度變化越小，熱點越不容易產生。

圖10 不同出料方向時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

分別計算水平出料和豎直出料時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。豎直擠出時模針所受的摩擦力及擠壓力遠大于水平擠出時摩擦力和擠壓力，這與物料在模具內的流動情況有關。根據2.2.1中物料在豎直擠出模具中的速度矢量分布來看，物料出現渦流后，徑向流動較多，對模針的沖擊和摩擦也就越大。

圖11 出料方向對模針所受擠壓力和摩擦力的影響Fig.11 Effect of extrusion direction on pressure and friction on die pin

2.3 多孔板對物料流動的影響

2.3.1 對物料速度的影響

計算收縮角為30°并增加多孔板時三基發(fā)射藥在模具出口的速度云圖和模具內的速度矢量分布，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入壓縮段后仍呈現螺旋運動的狀態(tài)；安裝多孔板后，物料在壓縮段基本呈現軸向運動狀態(tài)。同時，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，在經過多孔板的強制取向后，分子鏈被均勻地排列進入壓縮段，這樣就避免了螺壓機結構造成的物料螺旋運動，消除了物料大部分的徑向流動，同時也減少了物料擠出時速度的徑向差異。

2.3.2 對模針表面受力的影響

分別計算安裝多孔板及未安裝多孔板時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所受擠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 實驗驗證

根據仿真計算的結果，采用臥式捏合機進行三基發(fā)射藥物料捏合，利用單螺桿螺壓機對三基發(fā)射藥進行壓伸，并設計收縮角分別為30°、45°和60°的水平擠出型、豎直擠出型20.5H/7模具，對仿真模型進行驗證。

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，機頭結構如圖15所示。

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

3.1 實驗參數

設定臥式捏合機轉速為15 r/min，捏合時間為120 min后將物料加入單螺桿，單螺桿轉速15 r/min，加料速度10 kg/h，機筒溫度30℃，進口物料溫度40℃。

3.2 工藝參數實驗驗證

在機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，將實際測量值與仿真計算結果作對比，如圖16所示。

圖16 仿真計算值與實際值對比曲線Fig.16 Comparison curves of simulation data with experimental data

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

由于實驗中溫度傳感器的安裝位置靠近模具內壁面，因此，仿真計算取緊貼在模具內壁面的物料溫度與實際測量值進行對比，所得數據較接近。

3.3 物料流場實驗驗證

對比收縮角為30°時水平出料、豎直出料及安裝多孔板后水平出料3種情況的產品切面形狀與仿真計算結果。

結合2.2.1中仿真計算物料在模具出口的流場速度發(fā)現，由于機頭流道發(fā)生彎曲，豎直出料的藥條出料速度不均勻(圖8)。這與實際中豎直擠出的藥條切面圖相一致，中心孔的位置出現了偏移，同時藥條發(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 不同模具生產的壓伸藥條的實際切面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，兩種模具生產的藥條的外表面均較光滑，但水平擠出藥條的外表面出現一定程度的扭轉，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中的計算結果相一致。安裝多孔板后，流道內的螺旋流動被消除，使藥條的出料速度基本沿軸向方向，藥條的成型質量有所提高。

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 結論

1)仿真計算結果表明，模具收縮角越大，擠壓成型過程所需要的擠壓力越大，物料在模具內的最高溫度也越高，且越容易形成熱點；同時，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、模具內物料溫度及模針表面受力均遠大于水平擠出中的相應參數；且物料的流場較復雜，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，降低模針在擠出過程中的受力。

4)模具壁面壓力、模具內物料溫度等參數的實驗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，且成型質量更好。