3D打印塑性变形惯性控制开关性能分析

徐澍民，李伟杰，刘向磊，陈荷娟

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094；2.中国电子科技集团公司第十三研究所， 石家庄 050051)

引信使用的各种惯性控制开关，主要作用是状态控制。可以作为保险与解除保险、发电或供电、发火等控制的关键部件。通常设计为常开型，勤务处理阶段、发射时开关输出信号线为断开状态，在内弹道、外弹道或终点弹道，弹丸加速或减速飞行产生的各种惯性力，可以使开关的动电极闭合，从而接通各种电路。一般地，引信控制开关都是代加工。随着各种先进制造技术的发展，有精密机械加工技术和MEMS制造技术，特别是MEMS制造工艺受到引信领域的关注和应用。

目前研制的MEMS惯性控制开关，较多的属于准静态开关，由质量块敏感加速度阈值，去驱动电极产生位移，闭合电极。在引信及其他领域已经广泛开展了各种MEMS控制开关的研制，如Jung-Min H等[1]设计了一种低g值的惯性接电开关方案，曹云[2]设计了一种环形万向惯性开关。Zhao等[3]提出一种采用体硅加工工艺研制的MEMS加速度开关。

MEMS制造可以实现纳米级到毫米级微结构加工，工艺要求较高，如UV-LIGA技术，虽然具有很好的化学稳定性和力学性能，可以适合加工结构复杂、深宽比大的微结构，但是，去胶困难，电铸过程中可能会降低层间结合强度，影响开关结构强度。MEMS惯性控制开关研制中存在的电接触失效、运动阻尼和黏着力影响、抗冲击能力和机械强度低、封装和测试难等问题，是影响控制开关性能的关键，若要批量生产MEMS惯性控制开关，目前还没有很好的办法来解决这些问题。由于MEMS制造技术存在材料选择、零件维度和尺寸等方面的局限性，难以应用于复杂微小零件的制造。另一方面，国内MEMS制造开关类产品工艺还不成熟。

增材制造技术的出现，结构复杂产品的制作和产品一体化设计成为可能，不仅提高了生产效率，还提高了产品的强度和稳定性，这一特点也使产品在创新方面具有显著作用。3D打印技术在国内得到了快速发展，如北京航空航天大学采用FDM技术制备了大型钛合金主承力结构件[4]。华中科技大学开发了完全拥有自主知识产权的SLM设备[5]；清华大学的关于3D打印技术的研究主要集中在EBM(电子束选区熔化)技术上，并且研究开发出相关的设备[6]。另外，3D打印技术在武器上的应用有航空发动机零部件的制造、火箭发动机点火装置的制造、微型无人机的制造等[7]。3D打印技术制备的零部件能够满足航空航天装备的使用要求，因此可以推断，武器系统中复杂的零部件完全可以采用3D打印技术进行制作[8]。结合引信零部件制造特点开展基于3D打印增材制造技术的微型控制开关，将是先进制造技术应用的探索性研究，是微型控制开关制造的新途径，具有重要的应用意义。为此，本文进行了基于3D打印的塑性变形惯性控制开关的相关研究。

1 塑性闭锁式惯性控制开关及受力

图1将动电极设计为球形(惯性球)、开关外壳(图中未显示)为固定电极[9-10]。这是一种塑性闭锁式惯性控制开关结构，间隔90°的4个弹性支撑固定于绝缘底座，初始状态惯性球与弹性支撑是无预压力接触。当弹丸以加速a沿x轴正方向飞行，则惯性球受到反方向的后坐惯性力FS作用挤压弹性支撑，于是，弹性支撑向外弯曲变形直到与开关外壳接触、开关闭合，随着FS增大，4个弹性支撑将达到或超过其屈服极限而发生塑性变形，此后开关处于永久闭合状态。理想情况下，因4个弹性支撑对称分布，所以，惯性球将始终沿x轴运动。但是，实际结构有尺寸公差，惯性球与弹性支撑间有摩擦、磨损现象，配用旋转弹的引信活动零件还将受到离心惯性力作用，等等。这些因素将使惯性球运动方向偏离x轴，惯性球在弹丸旋转过程受离心力影响易发生转动，导致与弹性支撑间部分磨损。于是，将图1的结构改为图2所示，用柱形块代替惯性球，设计柱形块上端面为非球面、下端部为半球形，图2(b)上端面中间是长方条凸起结构，起防旋转的限位作用。柱形块塑性闭锁控制开关受力分析图如图3所示，动电极和塑性电极分别等效图2(a)的柱形块和弹性支撑，固定电极等效开关外壳。

图1 惯性球塑性闭锁控制开关结构示意图

图2 柱形块塑性闭锁控制开关结构示意图

图3 柱形块塑性闭锁控制开关受力分析示意图

目前国内3D打印使用的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢、铁粉、铝粉和铝合金等，引信用控制开关材料必须满足高强度要求，故选择强度高、机械性能较好的钛合金和铝合金。钛合金材料密度ρ=4 500 kg/m3、弹性模量E=1.1×1011Pa、屈服强度σs=1×109Pa。铝合金材料密度ρ=2 800 kg/m3、弹性模量E=7.1×1010Pa、屈服强度σs=4.22×108Pa。将塑性电极简化为悬臂梁，则受挤压力P作用。根据材料力学理论，得到P的表达式为

(1)

式中：w为塑性电极宽度；t为塑性电极厚度；yj为塑性电极与固定电极的距离。

假设沿着切线方向的摩擦力f，柱状块受塑性电极反作用力、摩擦力分别为P′、f′，因后坐惯性力为FS，则每个塑性电极的分力为FS/4，由力的平衡得

(2)

式中，μ为柱状块与塑性电极接触面间的摩擦因数;α为塑性电极在发生弯曲变形时的转角。

由式(1)、式(2)可得塑性电极开始发生塑性变形时的后坐惯性力为FS计算式为

(3)

对于引信用闭锁式控制开关，首先要考核满足引信安全性要求。考虑在勤务处理阶段和发射环境下的开关动作响应。以82 mm无后坐力炮破甲弹为例，将测试得到的弹丸加速度曲线数字化输入计算机以备仿真使用，采集露裸引信体跌落钢板时的加速度曲线。两种加速度最大峰值都接近，但持续时间有明显的差别，前者约7 ms，后者为300 μs。分别以这两种加速度曲线为输入，通过数值求解图3所示的柱形块塑性闭锁控制开关动力学方程，得出不同系统振动频率下的动电极(柱形块)位移响应曲线，见图4。可以看出，约在 1 000 Hz时，二者位移相同，接近3 mm；低于1 000 Hz发射环境产生的位移大于跌落情况；高于1 000 Hz，反之。由此可见，如果用直线位移识别法设计，低频时容易区分两种过载环境，这是通常引信中采取的一种有效设计方法。但是，直线位移识别法需要动电极与锁头之间留有足够的间隙，如果开关尺度较小(几mm或更小)，传统的加工和一般的精密机械加工很难，所以，这种方法不适用。从工艺方面，利用材料塑性变形实现稳定闭合的惯性控制开关，比MEMS惯性控制开关容易加工。为此，采用3D打印制造方法加工，设计了3D打印塑性变形惯性控制开关(见图5)，结合开关应用环境和打印制作工艺，大致确定关键部件尺寸，见表1。

图4 跌落和发射环境下动电极位移-频率曲线

图5 3D打印塑性变形惯性控制开关二维示意图

表1 关键部件尺寸

2 3D打印开关关键参数分析

由于引信中惯性控制开关往往是串联于电路，其接触电阻直接影响电路正常工作，因此选取塑性电极与外套筒的接触面积作为考察指标。塑性电极的宽度和厚度影响其抗弯强度、柱状块头部部直径影响力作用点。因此选取了柱状块头部部直径D1、塑性电极的宽度w和厚度t这3个参数作为影响考察指标的因素。经仿真分析，柱状块直径对开关闭合性能的影响很大。柱状块头部直径过小，不足以将电极完全“撑开”，如图6所示，因接触应力很小塑性电极顶端不能与固定电极(外壳)接触。柱状块头部直径过大，头部到达底端时会挤压塑性电极根部，经过塑性强化的塑性电极端部会发生翘曲，使得整个电极接触过程中时断断续续的分、离，从而引起抖动，造成开关闭合过程的不稳定，抖动时两电极接触面积的变化见图7所示，接触面积时有时无，很不稳定。

图6 塑性电极无接触变形云图

根据多次仿真分析，选择柱状块头部直径D1=5 mm、塑性电极宽度w=3 mm、塑性电极厚度t=1 mm时，考察指标即接触面积最大。电极稳定接触仿真云图和电极稳定接触曲线如图8、图9所示，塑性电极能够较好的发生塑性变形，塑性电极与固定电极(外壳)几乎贴合在一起，且接触过程无抖动现象。

图7 电极抖动接触面积变化曲线

图8 电极稳定接触仿真云图

图9 电极稳定接触曲线

结果：柱状块直径是最主要的影响因素。相同宽厚比的塑性电极，柱状块直径越大，接触面积越大；但在宽厚比较大的情况下，容易造成塑性电极翘曲变形、抖动，影响开关的稳定性。因此，柱状块直径不宜过大。

3 开关性能分析

3.1 开关电性能分析

根据前面分析得到的惯性控制开关尺寸，加工出开关样件如图10所示。

图10 开关打印样件

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，它反映了物质对电流阻碍作用的属性。3D打印件的致密性、强度、孔状结构等特性存在不均匀，会导致材料电阻率变化。首先测量电极电阻，然后计算出电阻率。对打印的12组电极取6组进行测量，得到平均电阻R=0.744 6 Ω，计算得到其电阻率ρ=0.248 Ω·mm。对整个接电开关接电部分进行电阻计算。根据接电部分的结构特点，需将其分为外套筒、塑性电极、底座等横截面积的3部分，对3部分的结构电阻分别进行计算，之后根据其连接特点再计算总结构电阻的大小。3部分电阻的连接电路如图11所示。

图11 塑性变形惯性接电开关等效电阻计算电路图

图中，R1代表底座电阻，R2、R3、R4、R5分别代表4个电极的电阻，R6代表外套筒电阻。结合所打印开关的结构尺寸和电阻率，每一部分的理论计算结果：R1=0.17 Ω，R2=R3=R4=R5=0.66 Ω，R6=0.013 Ω。所以塑性变形惯性接电开关的总电阻R总=0.35 Ω，此为导通电阻值。GJB 9141—2017《机械式加速度过载开关通用规范》要求，在常温(25 ℃)下机械式加速度过载开关的绝缘电阻500 MΩ、导通电阻初始值不大于5 Ω，在进行环境试验后其接触电阻不大于100 mΩ。对比标准要求，3D打印塑性变形惯性控制开关导通电阻值未大于5 Ω，故满足要求。

3.2 塑性电极变形测试

测试系统及其框图如图12所示，冲击载荷由模态力锤产生，硬件前端选用德国m+p国际公司的 VibPilot数据采集系统，用直射式位移测量传感器测量被测点表面位移x。

因样件数量有限，考虑到主要是观察塑性电极的受载变形，所以，试验中动电极用等质量(5 g)的钢球代替柱状块。钢球与塑性电极的接触没有改变，仍为球面与内柱面间接触，但因钢球更光滑使得两者之间的摩擦因数改变了，由于试验冲击响应很快，暂且忽略摩擦力的影响。

图12 塑性电极变形测试系统框图及其实物示意图

进行了铝合金、钛合金二种材料的塑性电极冲击加载试验。加载信号近似半正弦载荷，其幅值和脉宽等参数及测试结果见表2、表3，初始到断裂的塑性电极几个变形状态见图13，图14是测试获得位移与按冲量定理估算的位移值对比。

表2 铝合金塑性电极加载信号参数和变形位移值

表3 钛合金塑性电极加载信号参数和变形位移值

从图13、图14看出，2种材料的塑性电极变形趋势与理论估算基本一致；铝合金塑性电极在第7次冲击(冲量为152.35 N·ms)时发生了断裂，见图13最右边结构状态，位移发生 “跳变”(见图15(a))；钛合金塑性电极在第8次冲击(冲量为317.45 N·ms)时开关仍处于弹性变形范围内，位移未发生跳变，说明塑性电极端部未达到屈服应力，仍在弹性变形阶段。

图13 铝合金开关变形过程示意图

图14 塑性电极冲量-位移曲线

图15 载荷-变形测试曲线

用某弹丸膛压最大(1.3 ms的加速度13 000g)时的冲击力657 N进行验证，铝合金塑性电极的位移曲线见图16所示，此时电极发生了塑性变形，说明在最大膛压时开关将塑性闭合。

图16 模拟膛压曲线的变形曲线

4 结论

3D打印塑性变形惯性控制开关的结构关键参数仿真结果表明，最优组合顺序为：柱状块头部直径、塑性电极宽度、塑性电极厚度，其尺寸分别取5、3、1 mm时，导通电阻值小于5 Ω，塑性电极与固定电极(外壳)接触面积最大、接触过程无抖动；冲击模拟试验结果表明：铝合金3D打印塑性变形惯性控制开关的抗冲击能力明显低于钛合金材料的3D打印塑性变形惯性控制开关。这种金属材料的3D打印惯性控制开关设计的探索、结构关键参数的最佳组合方案和电极工作性能实验分析结果，为今后高性能引信技术研究、引信复杂零件制造和产品的智能制造提供新途径和参考。