3D打印塑性變形慣性控制開關性能分析

徐澍民，李偉杰，劉向磊，陳荷娟

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094；2.中國電子科技集團公司第十三研究所， 石家莊 050051)

引信使用的各種慣性控制開關，主要作用是狀態控制?？梢宰鳛楸ｋU與解除保險、發電或供電、發火等控制的關鍵部件。通常設計為常開型，勤務處理階段、發射時開關輸出信號線為斷開狀態，在內彈道、外彈道或終點彈道，彈丸加速或減速飛行產生的各種慣性力，可以使開關的動電極閉合，從而接通各種電路。一般地，引信控制開關都是代加工。隨著各種先進制造技術的發展，有精密機械加工技術和MEMS制造技術，特別是MEMS制造工藝受到引信領域的關注和應用。

目前研制的MEMS慣性控制開關，較多的屬于準靜態開關，由質量塊敏感加速度閾值，去驅動電極產生位移，閉合電極。在引信及其他領域已經廣泛開展了各種MEMS控制開關的研制，如Jung-Min H等[1]設計了一種低g值的慣性接電開關方案，曹云[2]設計了一種環形萬向慣性開關。Zhao等[3]提出一種采用體硅加工工藝研制的MEMS加速度開關。

MEMS制造可以實現納米級到毫米級微結構加工，工藝要求較高，如UV-LIGA技術，雖然具有很好的化學穩定性和力學性能，可以適合加工結構復雜、深寬比大的微結構，但是，去膠困難，電鑄過程中可能會降低層間結合強度，影響開關結構強度。MEMS慣性控制開關研制中存在的電接觸失效、運動阻尼和黏著力影響、抗沖擊能力和機械強度低、封裝和測試難等問題，是影響控制開關性能的關鍵，若要批量生產MEMS慣性控制開關，目前還沒有很好的辦法來解決這些問題。由于MEMS制造技術存在材料選擇、零件維度和尺寸等方面的局限性，難以應用于復雜微小零件的制造。另一方面，國內MEMS制造開關類產品工藝還不成熟。

增材制造技術的出現，結構復雜產品的制作和產品一體化設計成為可能，不僅提高了生產效率，還提高了產品的強度和穩定性，這一特點也使產品在創新方面具有顯著作用。3D打印技術在國內得到了快速發展，如北京航空航天大學采用FDM技術制備了大型鈦合金主承力結構件[4]。華中科技大學開發了完全擁有自主知識產權的SLM設備[5]；清華大學的關于3D打印技術的研究主要集中在EBM(電子束選區熔化)技術上，并且研究開發出相關的設備[6]。另外，3D打印技術在武器上的應用有航空發動機零部件的制造、火箭發動機點火裝置的制造、微型無人機的制造等[7]。3D打印技術制備的零部件能夠滿足航空航天裝備的使用要求，因此可以推斷，武器系統中復雜的零部件完全可以采用3D打印技術進行制作[8]。結合引信零部件制造特點開展基于3D打印增材制造技術的微型控制開關，將是先進制造技術應用的探索性研究，是微型控制開關制造的新途徑，具有重要的應用意義。為此，本文進行了基于3D打印的塑性變形慣性控制開關的相關研究。

1 塑性閉鎖式慣性控制開關及受力

圖1將動電極設計為球形(慣性球)、開關外殼(圖中未顯示)為固定電極[9-10]。這是一種塑性閉鎖式慣性控制開關結構，間隔90°的4個彈性支撐固定于絕緣底座，初始狀態慣性球與彈性支撐是無預壓力接觸。當彈丸以加速a沿x軸正方向飛行，則慣性球受到反方向的后坐慣性力FS作用擠壓彈性支撐，于是，彈性支撐向外彎曲變形直到與開關外殼接觸、開關閉合，隨著FS增大，4個彈性支撐將達到或超過其屈服極限而發生塑性變形，此后開關處于永久閉合狀態。理想情況下，因4個彈性支撐對稱分布，所以，慣性球將始終沿x軸運動。但是，實際結構有尺寸公差，慣性球與彈性支撐間有摩擦、磨損現象，配用旋轉彈的引信活動零件還將受到離心慣性力作用，等等。這些因素將使慣性球運動方向偏離x軸，慣性球在彈丸旋轉過程受離心力影響易發生轉動，導致與彈性支撐間部分磨損。于是，將圖1的結構改為圖2所示，用柱形塊代替慣性球，設計柱形塊上端面為非球面、下端部為半球形，圖2(b)上端面中間是長方條凸起結構，起防旋轉的限位作用。柱形塊塑性閉鎖控制開關受力分析圖如圖3所示，動電極和塑性電極分別等效圖2(a)的柱形塊和彈性支撐，固定電極等效開關外殼。

圖1 慣性球塑性閉鎖控制開關結構示意圖

圖2 柱形塊塑性閉鎖控制開關結構示意圖

圖3 柱形塊塑性閉鎖控制開關受力分析示意圖

目前國內3D打印使用的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵粉、鋁粉和鋁合金等，引信用控制開關材料必須滿足高強度要求，故選擇強度高、機械性能較好的鈦合金和鋁合金。鈦合金材料密度ρ=4 500 kg/m3、彈性模量E=1.1×1011Pa、屈服強度σs=1×109Pa。鋁合金材料密度ρ=2 800 kg/m3、彈性模量E=7.1×1010Pa、屈服強度σs=4.22×108Pa。將塑性電極簡化為懸臂梁，則受擠壓力P作用。根據材料力學理論，得到P的表達式為

(1)

式中：w為塑性電極寬度；t為塑性電極厚度；yj為塑性電極與固定電極的距離。

假設沿著切線方向的摩擦力f，柱狀塊受塑性電極反作用力、摩擦力分別為P′、f′，因后坐慣性力為FS，則每個塑性電極的分力為FS/4，由力的平衡得

(2)

式中，μ為柱狀塊與塑性電極接觸面間的摩擦因數;α為塑性電極在發生彎曲變形時的轉角。

由式(1)、式(2)可得塑性電極開始發生塑性變形時的后坐慣性力為FS計算式為

(3)

對于引信用閉鎖式控制開關，首先要考核滿足引信安全性要求。考慮在勤務處理階段和發射環境下的開關動作響應。以82 mm無后坐力炮破甲彈為例，將測試得到的彈丸加速度曲線數字化輸入計算機以備仿真使用，采集露裸引信體跌落鋼板時的加速度曲線。兩種加速度最大峰值都接近，但持續時間有明顯的差別，前者約7 ms，后者為300 μs。分別以這兩種加速度曲線為輸入，通過數值求解圖3所示的柱形塊塑性閉鎖控制開關動力學方程，得出不同系統振動頻率下的動電極(柱形塊)位移響應曲線，見圖4。可以看出，約在 1 000 Hz時，二者位移相同，接近3 mm；低于1 000 Hz發射環境產生的位移大于跌落情況；高于1 000 Hz，反之。由此可見，如果用直線位移識別法設計，低頻時容易區分兩種過載環境，這是通常引信中采取的一種有效設計方法。但是，直線位移識別法需要動電極與鎖頭之間留有足夠的間隙，如果開關尺度較小(幾mm或更小)，傳統的加工和一般的精密機械加工很難，所以，這種方法不適用。從工藝方面，利用材料塑性變形實現穩定閉合的慣性控制開關，比MEMS慣性控制開關容易加工。為此，采用3D打印制造方法加工，設計了3D打印塑性變形慣性控制開關(見圖5)，結合開關應用環境和打印制作工藝，大致確定關鍵部件尺寸，見表1。

圖4 跌落和發射環境下動電極位移-頻率曲線

圖5 3D打印塑性變形慣性控制開關二維示意圖

表1 關鍵部件尺寸

2 3D打印開關關鍵參數分析

由于引信中慣性控制開關往往是串聯于電路，其接觸電阻直接影響電路正常工作，因此選取塑性電極與外套筒的接觸面積作為考察指標。塑性電極的寬度和厚度影響其抗彎強度、柱狀塊頭部部直徑影響力作用點。因此選取了柱狀塊頭部部直徑D1、塑性電極的寬度w和厚度t這3個參數作為影響考察指標的因素。經仿真分析，柱狀塊直徑對開關閉合性能的影響很大。柱狀塊頭部直徑過小，不足以將電極完全“撐開”，如圖6所示，因接觸應力很小塑性電極頂端不能與固定電極(外殼)接觸。柱狀塊頭部直徑過大，頭部到達底端時會擠壓塑性電極根部，經過塑性強化的塑性電極端部會發生翹曲，使得整個電極接觸過程中時斷斷續續的分、離，從而引起抖動，造成開關閉合過程的不穩定，抖動時兩電極接觸面積的變化見圖7所示，接觸面積時有時無，很不穩定。

圖6 塑性電極無接觸變形云圖

根據多次仿真分析，選擇柱狀塊頭部直徑D1=5 mm、塑性電極寬度w=3 mm、塑性電極厚度t=1 mm時，考察指標即接觸面積最大。電極穩定接觸仿真云圖和電極穩定接觸曲線如圖8、圖9所示，塑性電極能夠較好的發生塑性變形，塑性電極與固定電極(外殼)幾乎貼合在一起，且接觸過程無抖動現象。

圖7 電極抖動接觸面積變化曲線

圖8 電極穩定接觸仿真云圖

圖9 電極穩定接觸曲線

結果：柱狀塊直徑是最主要的影響因素。相同寬厚比的塑性電極，柱狀塊直徑越大，接觸面積越大；但在寬厚比較大的情況下，容易造成塑性電極翹曲變形、抖動，影響開關的穩定性。因此，柱狀塊直徑不宜過大。

3 開關性能分析

3.1 開關電性能分析

根據前面分析得到的慣性控制開關尺寸，加工出開關樣件如圖10所示。

圖10 開關打印樣件

電阻率是用來表示各種物質電阻特性的物理量，它反映了物質對電流阻礙作用的屬性。3D打印件的致密性、強度、孔狀結構等特性存在不均勻，會導致材料電阻率變化。首先測量電極電阻，然后計算出電阻率。對打印的12組電極取6組進行測量，得到平均電阻R=0.744 6 Ω，計算得到其電阻率ρ=0.248 Ω·mm。對整個接電開關接電部分進行電阻計算。根據接電部分的結構特點，需將其分為外套筒、塑性電極、底座等橫截面積的3部分，對3部分的結構電阻分別進行計算，之后根據其連接特點再計算總結構電阻的大小。3部分電阻的連接電路如圖11所示。

圖11 塑性變形慣性接電開關等效電阻計算電路圖

圖中，R1代表底座電阻，R2、R3、R4、R5分別代表4個電極的電阻，R6代表外套筒電阻。結合所打印開關的結構尺寸和電阻率，每一部分的理論計算結果：R1=0.17 Ω，R2=R3=R4=R5=0.66 Ω，R6=0.013 Ω。所以塑性變形慣性接電開關的總電阻R總=0.35 Ω，此為導通電阻值。GJB 9141—2017《機械式加速度過載開關通用規范》要求，在常溫(25 ℃)下機械式加速度過載開關的絕緣電阻500 MΩ、導通電阻初始值不大于5 Ω，在進行環境試驗后其接觸電阻不大于100 mΩ。對比標準要求，3D打印塑性變形慣性控制開關導通電阻值未大于5 Ω，故滿足要求。

3.2 塑性電極變形測試

測試系統及其框圖如圖12所示，沖擊載荷由模態力錘產生，硬件前端選用德國m+p國際公司的 VibPilot數據采集系統，用直射式位移測量傳感器測量被測點表面位移x。

因樣件數量有限，考慮到主要是觀察塑性電極的受載變形，所以，試驗中動電極用等質量(5 g)的鋼球代替柱狀塊。鋼球與塑性電極的接觸沒有改變，仍為球面與內柱面間接觸，但因鋼球更光滑使得兩者之間的摩擦因數改變了，由于試驗沖擊響應很快，暫且忽略摩擦力的影響。

圖12 塑性電極變形測試系統框圖及其實物示意圖

進行了鋁合金、鈦合金二種材料的塑性電極沖擊加載試驗。加載信號近似半正弦載荷，其幅值和脈寬等參數及測試結果見表2、表3，初始到斷裂的塑性電極幾個變形狀態見圖13，圖14是測試獲得位移與按沖量定理估算的位移值對比。

表2 鋁合金塑性電極加載信號參數和變形位移值

表3 鈦合金塑性電極加載信號參數和變形位移值

從圖13、圖14看出，2種材料的塑性電極變形趨勢與理論估算基本一致；鋁合金塑性電極在第7次沖擊(沖量為152.35 N·ms)時發生了斷裂，見圖13最右邊結構狀態，位移發生 “跳變”(見圖15(a))；鈦合金塑性電極在第8次沖擊(沖量為317.45 N·ms)時開關仍處于彈性變形范圍內，位移未發生跳變，說明塑性電極端部未達到屈服應力，仍在彈性變形階段。

圖13 鋁合金開關變形過程示意圖

圖14 塑性電極沖量-位移曲線

圖15 載荷-變形測試曲線

用某彈丸膛壓最大(1.3 ms的加速度13 000g)時的沖擊力657 N進行驗證，鋁合金塑性電極的位移曲線見圖16所示，此時電極發生了塑性變形，說明在最大膛壓時開關將塑性閉合。

圖16 模擬膛壓曲線的變形曲線

4 結論

3D打印塑性變形慣性控制開關的結構關鍵參數仿真結果表明，最優組合順序為：柱狀塊頭部直徑、塑性電極寬度、塑性電極厚度，其尺寸分別取5、3、1 mm時，導通電阻值小于5 Ω，塑性電極與固定電極(外殼)接觸面積最大、接觸過程無抖動；沖擊模擬試驗結果表明：鋁合金3D打印塑性變形慣性控制開關的抗沖擊能力明顯低于鈦合金材料的3D打印塑性變形慣性控制開關。這種金屬材料的3D打印慣性控制開關設計的探索、結構關鍵參數的最佳組合方案和電極工作性能實驗分析結果，為今后高性能引信技術研究、引信復雜零件制造和產品的智能制造提供新途徑和參考。