条形滴水形状药柱压药模具设计

马增祥，张均法，惠　智，周　帅，张丛博

(山东特种工业集团有限公司 军品研究所，山东 淄博 255201)



条形滴水形状药柱压药模具设计

马增祥，张均法，惠智，周帅，张丛博

(山东特种工业集团有限公司 军品研究所，山东 淄博 255201)

摘要：条形滴水形状药柱压药模具设计应重点解决压制方式、模套强度以及不规则形状药柱形状胀大等若干问题。由于条形滴水形状药柱几何形状的复杂性，使用解析法无法确定其设计参数。首先讨论了合理的压制方式，然后使用有限元方法进行了模套强度分析，提出了组合镶嵌模形式，最后应用三维软件计算了药柱的胀大量，完成了条形滴水形状药柱模具设计。

关键词：滴水形状药柱；压制方式；模具设计

条形滴水形状药柱要求密度一致性好。压装滴水形状药柱模具设计应重点解决压制方式、模套强度以及不规则形状药柱形状胀大等若干问题。由于条形滴水形状药柱几何形状的复杂性，使用解析法无法确定其设计参数。本文首先讨论合理的压制方案，然后应用有限元方法进行模套强度分析，提出组合镶嵌模形式，最后应用三维软件计算药柱的胀大量，确定模套、上冲和下冲尺寸参数，完成条形滴水形状药柱模具设计。

1压制方式

利用压装法[1]，使用松散密度为0.66 g/cm3的炸药，施加120 MPa比压，压装条形滴水形状药柱，使其装药密度达到1.76 g/cm3。条形滴水形状药柱全长为265 mm，且一端带起爆圆柱孔φ12 mm，深度为8 mm，药柱端面为滴水形状。条形滴水形状药柱几何模型如图1所示，其上、下端面几何形状如图2所示。

图1　条形滴水形状药柱几何模型

图2　条形滴水形状药柱上、下端面几何形状

将条形滴水形状药柱横躺着压制，压制成的药柱密度高且分布均匀。横躺着压制虽原理可行，且其药柱端面高度仅为36.2 mm；但该压制方案会使药柱细长，为满足模套强度，模套尺寸会变得很大。此药柱形状复杂，上冲与下冲都存在尖角，压制工艺安全方面存在隐患，为此采用长度方向压制，将条形滴水形状药柱分为4段，使用2个药柱端面形状冲头，其中一个为平冲头，另一个为带圆形凸台的冲头，以完成条形滴水形状药柱形状的组合。在模具整体结构上、下冲预留10 mm，实现2次压药(类双向压制)，以提高药柱的密度一致性。

2模套结构的确定

在条形滴水形状药柱压药模具设计之前，应确定模具中的关键零件(模套)的几何结构，以满足其在压药过程中的强度及刚度要求。

2.1模套几何模型

为了优化条形滴水形状模套尺寸，并确定其结构形式，应建立条形滴水形状药柱模套的几何模型(见图3)，为有限元分析做好准备。初步设计模套几何形状时，应考虑压制过程模套的受力状态。

图3　初步设计模套的几何模型

2.2有限元分析模型

2.2.1载荷区域的确定

条形滴水形状药柱模套在装药压制到位后，所受载荷最大，为方便施加载荷，建立3D对称模型时，应确定施加载荷区域。模套内表面加载荷区域为药柱成型所占据的模腔内部空间。

2.2.2边界条件

1)载荷。炸药的流散性是决定条形滴水形状药柱模套内壁所受的侧压力Pc大小的重要因素，Pc可由下式进行计算：

Pc=0.538P

式中，P是炸药的压药比压，单位为MPa。

已知炸药的压药比压P为120 MPa，可以计算出条形滴水形状药柱模套内壁所受的侧压力Pc为66 MPa。

2)约束。使用惯性释放。

3)材料属性。模套材料属性选择优质合金工具钢，材料弹性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.27。

上述模拟条件，符合实际压装情况。

条形滴水形状药柱模套零件上端的倒圆角以及下端的倒角对模套的强度及刚度影响较小，在建模过程中可以忽略。模套中的脱模锥度为1∶666，该值对模套的强度、刚度及模型计算精度影响虽较小，但是由于其建模简单，所以在建模过程中应予以考虑。有限元分析模型如图4所示。

图4　模套有限元分析模型

2.3分析结果评价准则

模套材料为合金工具钢Cr12MoV，经淬火、回火后，洛氏硬度≥53～58 HRC[2]，抗拉强度Rm≈1 845 MPa，属脆性材料。模套破坏是以拉伸应力为主应力毁坏形式，因此，可以应用第一强度理论对模套进行强度校核。对于非圆形的模套，安全系数n可取4～5[3]。在有限元分析中，主要计算模套最大主值应力max_stress_prin≤410 MPa。

2.4有限元优化计算结果

对计算模型提出如下设计限制：1)max_stress_prin≤410 MPa；2)最大变形量max_disp_mag<0.02 mm。

通过优化设计，变更几何，得到模套优化结果如下。

1)模套最大主值应力。模套最大主值应力位于模套内壁小R处，最大主值应力max_stress_prin=369.755 MPa，模套主值应力分布如图5所示。

图5　模套主值应力分布

2)优化后模套尺寸情况。优化后模套尺寸如图6所示。受载荷作用的区域模套直径为200 mm。模套上端尺寸Ds=99.5 mm，模套下端尺寸Dx=133 mm。

图6　优化后模套尺寸

2.5条形滴水形状药柱的组合模套

优化后模套的最大直径为200 mm，考虑热处理工艺和模套使用时的受力，将条形滴水形状药柱模套设计成为两体(见图7)。图7中内模套与外模套为过盈配合H8/n7。过盈量给予内模套的预紧力与模套所受的侧压力的方向正好相反，能够抵消部分模套所受的侧压力，以确保模套具有足够的机械强度。

图7　条形滴水形状药柱组合模套

3模具工作尺寸的确定

与药柱几何相关的模具工作尺寸包括型腔及型腔深度尺寸、型芯及型芯高度尺寸、中心距尺寸和偏心距尺寸，这些尺寸关系着药柱成型后的制造精度。

1)型腔尺寸计算。计算公式如下：

DM=dY-dYKZ

式中，DM是型腔尺寸，单位为mm；dY是药柱外型尺寸，单位为mm；KZ是计算尺寸的综合收缩率，KZ=λ+3ε/(4dY)；ε是药柱的公差值，单位为mm；λ是药柱的胀大率。

2)型芯尺寸计算。计算公式如下：

dm=dY-dYKXX

式中，dm是型芯尺寸，单位为mm；KXX是计算尺寸的综合收缩率，KXX=λ-3ε/(4dY)。

3)型腔深度计算。计算公式如下：

LM=LY-LYKXQ

式中，LM是型腔深度，单位为mm；KXQ是计算尺寸的综合收缩率，KXQ=λ+2ε/(3dY)；LY是药柱高度，单位为mm。

4)型芯高度计算。计算公式如下：

hm=HY-HYKCD

式中，hm是型芯高度，单位为mm；HY是药柱孔深度，单位为mm；KCD是计算尺寸的综合收缩率，KCD=λ-2ε/(3dY)。

5)中心距计算。计算公式如下：

AM=AY-AYλ

式中，AM是模具的中心距，单位为mm；AY是药柱的中心距，单位为mm。

6)中心偏距计算。计算公式如下：

APM=APY-APYKPJ

式中，APM是模具的中心偏距，单位为mm；APY是药柱的中心偏距，单位为mm；KPJ是计算尺寸的综合收缩率，KPJ=λ-ε/(4APY)。

针对图2中的滴水形状截面，首先依据结构尺寸的性质进行分类，分别计算模具各计算尺寸的综合收缩率KZ、KXX、KXQ、KCD和KPJ，应用三维软件计算药柱形状在不同方向的胀大量。取条形滴水形状药柱非压制方向的胀大率λ=0.008 45，以确定模套尺寸参数；取压制方向的胀大率λ=0.05，以控制起爆圆柱孔深度(8 mm)的胀大量。

4结语

通过对条形滴水形状药柱压药模具进行设计，得出了如下结论：1)压制方式可采用横向分段压制，工装简单且使用安全；2)模套结构使用组合镶嵌模形式，强度可靠。

参考文献

[1] 陈国光，等.弹药制造工艺学[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[2] 陈熙蓉.炸药性能与装药工艺[M].北京：北京理工大学出版社，1985.

[3] 金康宁，等.材料力学[M].北京：北京大学出版社，2006.

责任编辑郑练

Design of Bar Drop Shape Column of the Powder Grain Module

MA Zengxiang, ZHANG Junfa, HUI Zhi, ZHOU Shuai, ZHANG Congbo

(Shandong Special Industrial Group Co., Ltd., Zibo 255201, China)

Abstract：The import solution of bar drop shape column of the power grain: suppression mode, die atrength and the irregular shape of powder grain and its swollen. Because of the complexity of the bar drop shape column, it can not be determined by the analytic method. Firstly, discuss the reasonable schem of the suppression mode. Secondly, the use of ansys method is introduced, then analyze the suppression mode, put forward combination of embedded mode. Finally, use three-dimensional software to calculation the swollen of powerder grain, and complete the design.

Key words:bar drop shape column of the power grain, suppression mode, module design

收稿日期：2015-08-31

作者简介：马增祥(1962-)，男，高级工程师，主要从事军品研发等方面的研究。

中图分类号：TB 21

文献标志码:A