雙基發射藥螺桿擠壓成型多出口模具結構設計優化

潘海江,胡小秋,趙良友,劉志濤

(1.南京理工大學, 南京 210094; 2.瀘州北方化學工業有限公司, 四川 瀘州 646105)

0 引言

多孔發射藥具有良好的燃燒性能,已廣泛應用于大口徑火炮武器中[1]。螺旋壓伸工藝具有連續性好、擠出藥料質量更加密實和均勻,自動化程度高等特點,因此被廣泛應用于發射藥、推進劑等活火炸藥的生產中。

作為良好且高效的發射藥生產設備,螺桿擠壓機成為眾多學者的研究對象,因此螺桿擠壓機的結構和工藝得到不斷地改善,使設備的性能大幅提高。韓民園[2]通過正交試驗,對壓縮比、螺桿頭錐度、螺距、螺桿直徑進行優化設計,確定了理想的螺桿參數組合。劉鑒鈺[3]對秸稈預處理設備的螺桿進行分析與優化,發現鋸齒形或者雙楔形螺紋牙型可以有效改善螺桿受力情況。

目前,對螺桿擠壓機的研究主要集中在螺桿結構上,而對多出口模具的結構設計優化相對較少。生產發射藥的螺桿擠壓機多出口模具可以參照橡塑行業的多頭擠壓機進行設計,合肥匯東橡塑有限公司[4]設計了一種多頭橡塑擠壓機頭連接于擠出機的擠出腔,可根據產品內外徑更換不同型號的模具,實現多個產品同時生產。此外,雙基發射藥的螺桿擠壓成型過程伴隨著高溫高壓,所以多出口模具的設計要考慮對發射藥流動狀態的影響。

基于現有的單出口螺桿擠壓機,本研究中對螺桿擠壓機多出口模具進行設計優化,旨在提高螺桿擠壓機的生產效率,擴大螺桿擠壓機的適應性。為節約時間和成本,利用有限元仿真軟件Fluent進行數值模擬,分析出口數目、模具長度和模具收縮角對發射藥擠出的影響,并通過正交實驗得到最佳的結構參數組合,在保證產品質量的前提下,提高產量和擴大設備適應性。

1 發射藥擠壓過程流體仿真

為保證實驗的安全性,本文利用有限元仿真軟件Fluent進行仿真分析,對螺桿擠壓機多出口模具結構進行設計并優化。仿真可以觀測到發射藥在機器內部任一點的壓力、溫度、速度等參數,有利于更全面地把握發射藥的流動狀態。

1.1 幾何模型

圖1是4個出口螺桿擠壓機三維模型示意圖,機器生產發射藥的過程大致為:藥料從入口進入機器,跟隨螺桿轉動前進,在螺桿剪切和套筒加熱的作用下,其狀態也逐漸由固態轉變為熔融態,最后經過機頭段模具出口通道,按照模具內腔形狀擠出。

多出口擠壓機的出口通道按圓周均勻分布,分布圓半徑為40 mm,這樣發射藥從每個出口擠出的狀態是相同的。表1為螺桿的主要結構參數。

圖1 螺桿擠壓機模型示意圖

表1 螺桿主要結構參數

1.2 網格劃分

將建立好的螺桿擠壓機三維模型導入Fluent中,抽取出幾何流道,由于流道形狀比較復雜,所以選擇四面體網格劃分,得到如圖2的網格模型以及圖3的網格劃分結果。

圖2 流道網格劃分示意圖

圖3 網格參數圖

網格偏度會影響仿真計算結果的準確性,嚴重的會導致計算不收斂,所以有必要進行網格質量分析,結果如圖3所示。最大偏度不超過0.98,平均偏度為0.231,網格質量良好,所以仿真計算結果收斂且可靠。

1.3 材料參數

1) 藥料參數:發射藥屬于非牛頓流體中的假塑性流體,具有“高溫變稀”和“剪切變稀”的特點。表征發射藥溫度和黏度之間關系式為[5]

(1)

而剪切速率和剪切黏度之間的變化規律符合Bird-Carreau模型。結合式(1),可以推導得到發射藥黏度、溫度以及剪切速率這三者之間的關系式為

(2)

本文中設定零剪切黏度η0為8.07×105Pa·s,無窮剪切黏度η∞為4 004 Pa·s,時間常數λ為-0.25,非牛頓指數n為0.14,活化能與熱力學常數之比α為3 452,參考溫度Tα為375 K[5]。

2) 螺桿擠壓機各個部件參數如表2所示。

表2 螺桿擠壓機部件參數

1.4 邊界條件設定

為了減小計算難度,節約計算時間,需要對擠壓過程中的某些環境工況、自身參數進行簡化,做如下假設:

1) 發射藥為不可壓縮的高密度非牛頓流體,擠壓過程中密度為定值。

2) 藥料與流道壁面之間沒有壁面滑移。

3) 藥料黏度大且擠壓方向為水平,所以忽略重力和慣性力的影響。

4) 藥料流動狀態為穩態層流,擠壓時充分流動。

5) 整個擠壓過程為等溫流動,且考慮溫度對黏度的影響。

在上述假設的基礎上,設定螺桿以1.5 r/min的速度轉動,套筒保持靜止,螺桿擠壓機入口壓力為5 MPa,出口壓力為15 MPa,發射藥預加熱至323 K,套筒恒定加熱溫度為353 K。

2 仿真結果分析

2.1 流道壓強分布

在螺桿擠壓機穩定工作的情況下,發射藥充滿整個流道,并且其流動狀態不受時間影響。從生產安全和機器零件受力的角度考慮,需要了解流道內的壓強分布。

圖4是流道YZ截面的壓強分布圖,通過觀察可以發現,流道壓強沿軸向的變化規律是先升高后降低。一方面,錐螺桿的螺槽容積是逐漸減小的,這就使得發射藥進入流道后逐漸被螺桿壓實,壓強也隨之增大,圖4顯示流道YZ截面的最大壓強為24.96 MPa;另一方面,螺桿擠壓機的出口與外界大氣相聯,而流道內壓強遠高于大氣壓,所以出口對流道有泄壓作用,受其影響流道內壓強逐漸降低。

圖4 流道軸向截面壓強分布

最大壓強差過大容易引發安全事故,過小則擠出藥的致密性的不夠。因此,最大壓強差應當控制在10～50 MPa,而整個流道的最大壓強差Δp為21.7 MPa,符合要求。

2.2 出口藥料速度分析

圖5為螺桿擠壓機出口截面的速度云圖,由于發射藥流動的黏性摩擦是小于發射藥與流道壁面之間的摩擦的,而且在經過螺桿剪切和套筒恒溫加熱后,流動到機頭處的發射藥黏性更小,因此在擠出口的通道中,中心區域發射藥的流速是高于壁面附近區域的。

由于單出口機器的出口位于機頭套筒的中心位置,出口截面同一徑向上的速度是相同的,而多出口機器的出口是按圓周分布的,使得每個出口截面的速度分布產生差異,可能導致擠出的藥柱彎曲變形。觀察圖5,出口速度沿線段1的變化比較明顯,分析速度變化趨勢得圖6所示。

圖5 出口截面速度云圖

圖6 速度沿徑向變化曲線

從圖6中不難發現出口通道靠近機頭中心的內側平均流速較低,而外側的較高,兩側的速度差會使擠出的藥柱向機頭的中心方向彎曲。按照圖5中的線段2,把出口截面分割成內外側面積相等的兩部分,求解得兩側的流量差占總流量2.96%,流量差相對較小,藥柱彎曲不明顯。

3 結構優化設計

現有的模具結構如圖7所示,其中模具收縮角θ為37°,模具長度L為60 mm,收縮長度l為28 mm,針架直徑D為46 mm,模針直徑為0.7 mm。出口數目以及模具結構對擠壓機的生產效率和發射藥流動狀態影響較大,為此本文進行了相應的分析。

圖7 模具結構

3.1 正交試驗設計

在現有結構尺寸的基礎上,設計多頭擠出的多出口模具結構,正交實驗選擇出口數目、收縮角θ以及長度L作為影響因素。每個因素取3個水平值(見表3),設計出L9(33)的正交實驗表,以最大壓強差為約束條件,提高生產效率為優化目標,研究這3個因素對最大壓強差和生產效率的影響程度,并確定最合理的結構參數組合。

表3 試驗因素及水平

按照正交試驗表,創建9組對應尺寸的螺桿擠壓機模型,以相同的邊界條件進行仿真計算,后處理計算結果獲取實驗數據,整理得到表4中的實驗結果。其中ki為各因素第i(i=1,2,…,6)個水平位上對應的指標值差最值之和除以總水平數。R為極差,極差值越大,則該因素對指標的影響程度越大。

表4 正交實驗結果

由表4可知,質量流量的極差值R1最大為0.253,對應的試驗因素是A出口數目,最小為0.065,對應的試驗因素是C收縮角θ,所以按影響程度排序為出口數目>模具長度>收縮角。流道壓強差的極差值R2最大為0.98,最小為0.29,各因素影響程度排序同上。綜上所述,最合理的結構參數組合為A3B1C3,即出口數目為5,模具長度L為40 mm,收縮角θ為37°。

3.2 出口數目對擠壓過程的影響

由3.1節可知,出口數目對質量流量和流道內壓強影響較大,利用有限元軟件進行單因素分析,分別設置1～5個出口,探究出口數目對發射藥擠出過程的影響,觀察圖8、圖9,分析其變化規律。

圖8 出口數目與質量流量關系圖

圖9 出口數目與流道壓強差關系圖

隨著出口數目增多,質量流量不斷增加,但是增加趨勢逐漸放緩。出口數目越多,發射藥從機頭擠出則更加順暢,這就使質量流量不斷增加,而出口流量受螺桿轉速,以及機頭可設出口數目的限制,不可能無限制增長,觀察圖8可知,質量流量增加的上限在10 kg/h左右。

觀察圖9可得,流道壓強差隨著出口數目增多而減少,減少趨勢也是趨向平緩。出口對流道存在泄壓作用,出口面積越大,作用越明顯,而螺桿建壓能力是決定流道最大壓強的主要因素,所以出口數目增加對流道壓強差的影響會由有減弱趨勢。

從圖8、圖9中可以讀出,優化前單出口的質量流量為8.518 kg/h,流道壓強差為25.74 MPa。由3.1節可知,優化后的質量流量為10.037 kg/h,流道壓強差為19.31 MPa,對比發現質量流量提高了17.6%,流道壓強差降低了25.0%。

4 結論

基于單出口螺桿擠壓機的結構,設計多出口螺桿擠壓模具結構,并利用有限元軟件Fluent進行流體仿真,得到以下結論:

1) 按照對質量流量以及流道壓強差影響程度,由大到小依次排序為:出口數目>模具長度>收縮角。

2) 正交實驗優化后的結構參數組合為出口數目為5,模具長度L為40 mm,收縮角θ為37°。新結構使得質量流量提高了17.6%,流道壓強差降低了25.0%。

3) 質量流量隨出口數目增加而增加,但是增加趨勢變緩,在條件允許的情況下,可增設出口數目,以提高生產效率。

4) 流道最大壓強主要取決于螺桿建壓能力,增設出口后,流道壓強差雖逐漸降低,但依舊能滿足保證成品藥致密性的要求。