典型含能材料單螺桿壓伸過(guò)程模擬分析①

李 敏，薛 平，王江寧，宋秀鐸，張 軍

(1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

含能材料是指在沒(méi)有外界物質(zhì)參與下即可持續(xù)反應(yīng)，并在短時(shí)間內(nèi)快速釋放出巨大能量的一類物質(zhì)[1]。含能材料一般包括發(fā)射藥、推進(jìn)劑和混合炸藥等[2]。含能材料的研發(fā)與成型加工技術(shù)進(jìn)步是能源及武器創(chuàng)新發(fā)展的重要推動(dòng)力量之一，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)與國(guó)防力量的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。含能材料的加工方式一直是各國(guó)研究的熱點(diǎn)[4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，含能材料的成型工藝通常有捏合法、壓延法、澆注法、溶劑法、螺壓成型等，其中最常見(jiàn)、使用最廣的是螺旋壓伸成型工藝。螺壓成型是將物料通過(guò)螺桿進(jìn)行壓縮然后成型的工藝，這種方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良及質(zhì)量一致性好等優(yōu)點(diǎn)，在目前的工業(yè)制造中占有十分重要的地位[5]。用于連續(xù)加工含能材料的螺壓機(jī)需要具備各種類型的安全特性，因此有別于民用工業(yè)常用的擠出機(jī)[6]。含能材料的熱感度、剪切敏感度等都較高，在受到強(qiáng)烈的撞擊、摩擦、電火花、沖擊及過(guò)高的溫度及壓力作用下，易發(fā)生燃燒甚至爆炸[7-8]。在螺壓工藝中，物料在機(jī)筒內(nèi)同時(shí)存在著剪切、混合與塑化作用。因此，必須重視含能材料螺壓過(guò)程的安全性。

本文擬使用單螺桿擠出專用軟件Virtual Extrusion Laboratory (VEL)軟件，對(duì)典型含能材料的壓伸工藝過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)使用POLYFLOW軟件對(duì)均化段進(jìn)一步分析，得到各特征場(chǎng)量的分布情況，進(jìn)而研究分析其變化規(guī)律，從而達(dá)到指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)備及安全加工工藝設(shè)計(jì)的目的，使壓伸過(guò)程更加地高效、安全。

1 建立典型含能材料的材料數(shù)據(jù)

本文研究所使用的物料為雙基推進(jìn)劑，是一種典型的含能材料，其流變行為比較復(fù)雜，開(kāi)始呈現(xiàn)賓漢姆型，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)極限剪切應(yīng)力時(shí)開(kāi)始流動(dòng)，然后呈現(xiàn)假塑性流動(dòng)[9]。

根據(jù)物料的屬性參數(shù)，在VEL軟件的材料庫(kù)模塊中建立物料的材料數(shù)據(jù)，其流程如圖1所示。

圖1 材料數(shù)據(jù)建立過(guò)程

物料相關(guān)參數(shù)由合作單位提供，分析流變數(shù)據(jù)可知，物料的粘度隨剪切速率的增大而減小，符合假塑性流體特征，可用冪律模型來(lái)描述。同時(shí)考慮溫度對(duì)粘度變化的影響，采用Arrhenius粘溫方程進(jìn)行修正。綜合得到與剪切速率和溫度相關(guān)的本構(gòu)方程：

(1)

使用VEL軟件對(duì)5組不同溫度下的流變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如圖2所示粘度曲線，擬合所得方程與所用流變數(shù)據(jù)的擬合度達(dá)到98%。得到方程參數(shù)：m=5.86×106，n=0.15，b=0.025 6，并取參考溫度T0=90 ℃。隨后完成其余物料參數(shù)的設(shè)置，包括密度、比熱容、熱導(dǎo)率、熔融焓、物料與螺桿及機(jī)筒的摩擦系數(shù)等。

圖2 流變參數(shù)及擬合結(jié)果

2 構(gòu)建物理模型及設(shè)置工藝條件

本研究所采用的模型中，機(jī)筒采用內(nèi)壁開(kāi)設(shè)全程直溝槽的結(jié)構(gòu)，而螺桿則采用雙頭螺棱結(jié)構(gòu)。

加工過(guò)程的主要工藝條件如下：加熱方式采用螺桿芯部加熱，保持溫度為75 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為5 r/min，機(jī)頭背壓設(shè)定為20 MPa。

2.1 在VEL軟件中構(gòu)建物理模型

在軟件的單螺桿擠出模塊中構(gòu)建參數(shù)化物理模型。具體操作：在擠出機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)置界面窗口完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，包括料斗尺寸、螺桿各區(qū)段結(jié)構(gòu)和溝槽機(jī)筒結(jié)構(gòu)。設(shè)置的整機(jī)示意圖如圖3所示。

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，下面部分為整個(gè)設(shè)備的示意圖，上面部分對(duì)應(yīng)為固體輸送段和均化段的螺槽結(jié)構(gòu)示意圖。主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 螺桿及機(jī)筒溝槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 用于POLYFLOW軟件的三維建模與網(wǎng)格劃分

采用Solidworks軟件，對(duì)均化段螺桿及流體區(qū)域進(jìn)行三維實(shí)體建模。由于流道較為復(fù)雜且螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中流體區(qū)域在不斷變化，這里把流體區(qū)域內(nèi)壁簡(jiǎn)化為中空?qǐng)A柱，計(jì)算時(shí)利用網(wǎng)格重疊技術(shù)，保證結(jié)果收斂的同時(shí)提高計(jì)算效率。然后，將模型分別導(dǎo)入到Workbench自帶的Mesh工具中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。其中，螺桿網(wǎng)格48萬(wàn)，流體網(wǎng)格96萬(wàn)。

(Screw grid (b)Fluid grid

邊界條件設(shè)置如表2所示，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，現(xiàn)進(jìn)行必要假設(shè)：均化段物料不可壓縮，壁面無(wú)滑移，流動(dòng)充分發(fā)展，忽略慣性力和重力。

表2 POLYFLOW中所設(shè)邊界條件

3 模擬結(jié)果分析與討論

經(jīng)過(guò)上述參數(shù)設(shè)置及模擬計(jì)算可得到物料壓伸過(guò)程的數(shù)值求解結(jié)果。下述結(jié)果包括沿?cái)D出方向的二維結(jié)果及圖5(a)中X=150 mm處的豎直平面plane 1上的結(jié)果。下述plane 1平面的結(jié)果曲線中，橫坐標(biāo)代表沿螺槽深度方向的位置，如圖5(b)所示，0代表螺槽底部，1處為機(jī)筒內(nèi)表面。

(Location of plane 1

3.1 固體床曲線分析

所得固體床曲線為典型曲線，固體床寬度始終減小。如圖6所示，縱坐標(biāo)代表相對(duì)固體量，1代表完全為固體，0代表完全為流體。固體輸送段(X=0～ 69 mm)縱坐標(biāo)一直為1，物料狀態(tài)未發(fā)生改變，只是在末端形成了密實(shí)的固體塞；進(jìn)入壓縮段后(X=69～87 mm)，曲線下降，相對(duì)固體量減小，顆?；ハ嗾辰Y(jié)形成固體床，在摩擦與剪切作用下，物料開(kāi)始塑化。減少的固體床為塑化物料的流動(dòng)提供了更多的空間，而已塑化的部分流動(dòng)性大，隨著物料向前推移，塑化區(qū)逐漸加寬，固體床變窄，直至進(jìn)入均化段(X=87～165 mm)縱坐標(biāo)減小至0，固體床完全消失。整條曲線比較平滑，說(shuō)明塑化過(guò)程和流動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定。

圖6 固體床曲線

3.2 速度分析

螺壓工藝中擠出產(chǎn)量與物料速度密切相關(guān)，速度越大，則產(chǎn)量也越大，但過(guò)大的速度則意味著大的剪切速率及剪切熱，會(huì)有爆燃的危險(xiǎn)。因此，速度是壓伸過(guò)程中必須注意的參數(shù)之一[10]。

圖7(a)為plane 1平面上沿?cái)D出方向的速度分布曲線?？梢?jiàn)，沿?cái)D出方向的最大速度為1.85 mm/s，發(fā)生在流道的中間位置，而在螺棱頂部存在著反向的速度，即物料產(chǎn)生回流，這對(duì)于物料的混合塑化是十分有利的。圖7(b)為POLYFLOW計(jì)算的均化段沿?cái)D出方向的XZ平面速度云圖，最大值為1.75 mm/s，數(shù)值上與前述結(jié)果相近。

(Velocity curve of plane 1

3.3 溫度分析

系統(tǒng)的全程平均溫度Tb和最大溫度Tmax如圖8(a)所示，平均溫度最高達(dá)到108 ℃，最高溫度最大為126 ℃，溫度的變化主要發(fā)生在壓縮段。在固體輸送段溫度基本維持保溫溫度不變，隨著物料逐漸被壓實(shí)，在固體輸送段末端物料受擠壓和摩擦作用溫度略有上升；進(jìn)入壓縮段后，物料塑化過(guò)程伴有強(qiáng)烈的剪切和摩擦作用，系統(tǒng)的溫度迅速升高；隨著塑化的進(jìn)行，溫度升高使得物料流動(dòng)性增強(qiáng)，在均化段中物料溫度逐漸趨于平穩(wěn)。另外，由于螺桿芯部加熱溫度及機(jī)筒溫度均不高，剪切作用對(duì)溫度的影響明顯。

圖8(b)所示為平面plane 1上的溫度分布曲線圖。由圖中曲線可知，最大溫度出現(xiàn)在螺槽底部至機(jī)筒內(nèi)壁的中部位置，并向機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿根部逐漸減小，此時(shí)螺桿和機(jī)筒均起到冷卻的作用，這也是均化段物料溫度變化很小的原因。

圖8(c)中POLYFLOW的結(jié)果也印證了上述溫度的分布規(guī)律，并且從軸向上看，溫度最大值出現(xiàn)在螺棱背面處。

(Average temperature and maximum temperature curves

3.4 壓力分析

圖9為全程壓力曲線及XZ平面的壓力分布。如9(a)所示，最大壓力約為23 MPa。在固體輸送段壓力較?。贿M(jìn)入壓縮段后，由于物料軟化使得黏性阻力增大且螺槽逐漸變淺，壓力不斷增大，并在壓縮段末端達(dá)到峰值；隨著塑化過(guò)程的進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)溫度升高，物料流動(dòng)性增強(qiáng)，所受阻力減小，部分壓力被消耗轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因而系統(tǒng)壓力有所降低，隨后壓力變化趨于平穩(wěn)。而圖9(b)顯示，靠近螺棱處的壓力比較大，壓力最大值出現(xiàn)在螺棱推進(jìn)面上方，其最大值達(dá)28 MPa，這與VEL的結(jié)果較為吻合。

(Global pressure curve

3.5 剪切應(yīng)力及剪切速率分析

圖10 為剪切模擬結(jié)果。機(jī)筒內(nèi)壁附近的剪切應(yīng)力及平均剪切速率的分布如圖10(a)所示。

(Shear stress and shear rate curves

由圖10可知，在壓縮段隨著流體的流入，剪切應(yīng)力及剪切速率迅速增大，在均化段則緩慢增加，至出口附近剪切應(yīng)力最大，達(dá)到5.77 MPa。剪切應(yīng)力及剪切速率的變化情況也印證了：壓縮段溫度升高的主要是由剪切生熱所引起。如圖10(b)為plane 1面上的剪切速率曲線，最大值發(fā)生在螺棱頂部附近，而圖10(c)的POLYFLOW的結(jié)果也顯示了均化段中剪切速率的在XZ平面的分布情況，剪切速率的最大值的位置和數(shù)值基本符合前述結(jié)果。

4 工藝參數(shù)對(duì)壓伸過(guò)程的影響

為探究不同工藝對(duì)壓伸過(guò)程的影響，分析了不同螺桿溫度及不同轉(zhuǎn)速下的各場(chǎng)量沿?cái)D出方向的變化情況。

4.1 背壓對(duì)壓伸過(guò)程的影響

實(shí)際加工過(guò)程中，經(jīng)螺壓機(jī)塑化后的藥料，流入模具后制成穩(wěn)定制品。模具內(nèi)存在著較大的阻力，因而模擬時(shí)需在螺桿出口處設(shè)置一定的背壓作為出口條件。分別設(shè)置背壓為15、17.5、20、22.5、25 MPa，以探究背壓對(duì)于模擬結(jié)果的影響。

全程壓力變化如圖11所示，背壓對(duì)壓力的影響主要在均化段，離出口越遠(yuǎn)差異越小，對(duì)壓力的峰值影響不大。出口處平均溫度及機(jī)筒處的最大剪切應(yīng)力變化如圖12所示，二者均變化不大。整體而言，背壓值的設(shè)定只對(duì)均化段壓力有一定影響，因而設(shè)置時(shí)可根據(jù)實(shí)際加工中的測(cè)試壓力或者經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置。

圖11 壓力隨背壓的變化情況

圖12 溫度及剪切應(yīng)力隨背壓的變化情況

4.2 螺桿溫度對(duì)壓伸過(guò)程的影響

首先，保證其他條件不變，改變螺桿芯部溫度，分別為70、75、80、85、90 ℃。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

壓伸過(guò)程中平均溫度隨螺桿溫度的變化如圖13所示，在固體輸送段物料的溫度基本還處在保溫溫度，此時(shí)螺桿溫度對(duì)物料的影響很?。贿M(jìn)入壓縮段后，物料溫度隨螺桿溫度的增加而增大，且溫度變化梯度基本保持不變。從數(shù)值上看，螺桿溫度每升高1 ℃，物料平均溫度增大0.3 ℃左右。而壓力隨螺桿溫度的升高而減小，如圖14所示。螺桿溫度升高，物料的溫度也會(huì)隨之增大，流道內(nèi)物料的流動(dòng)性增強(qiáng)，所受阻力下降，因而擠壓壓力也下降。

圖13 平均溫度隨螺桿溫度的變化情況

圖14 壓力隨螺桿溫度的變化情況

物料在擠出機(jī)中受螺桿的剪切作用而被塑化，而其塑化程度可以通過(guò)物料在機(jī)筒內(nèi)所受剪切作用的大小來(lái)判斷。剪切應(yīng)力越大，則有利于物 料塑化。但過(guò)大的剪切速率不利于加工安全性。最大剪切應(yīng)力隨螺桿溫度變化的情況如圖15所示。機(jī)筒及螺桿處的最大剪切應(yīng)力都隨螺桿溫度的增大而減小，且螺桿處的剪切應(yīng)力下降得更為明顯。這主要是因?yàn)闇囟壬呤沟梦锪险扯冉档?，分子間作用力變小，從而造成流道中物料所受剪切應(yīng)力變小。另一方面，螺桿溫度的改變所造成的影響與到螺桿的距離有關(guān)，越靠近螺桿處影響越大，故螺桿附近的剪切應(yīng)力隨螺桿溫度的變化也更為明顯。

圖15 最大剪切應(yīng)力隨螺桿溫度的變化曲線

4.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)壓伸過(guò)程的影響

物料在機(jī)筒內(nèi)的剪切塑化過(guò)程是由螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)提供外力剪切、擠壓物料，因此螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)壓伸過(guò)程有著很大的影響。保證其他條件不變，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速為3、5、7、9 r/min，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。剪切速率的變化如圖16所示，剪切速率與螺桿轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，剪切速率不斷增大，這也意味著剪切熱的增加與溫度的升高。這對(duì)壓伸過(guò)程是不利的，很容易造成局部過(guò)熱而發(fā)生危險(xiǎn)。而溫度的變化如圖17所示，平均溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。

圖16 最大剪切速率隨螺桿轉(zhuǎn)速變化的情況

圖17 溫度隨螺桿轉(zhuǎn)速變化的情況

由溫度變化梯度可知，由于工作轉(zhuǎn)速低，較小的轉(zhuǎn)速增量也意味著很大的轉(zhuǎn)速增比，對(duì)物料溫度的影響非常明顯。但低的轉(zhuǎn)速則會(huì)造成物料停留時(shí)間增加，不利于加工的安全性，且低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)量小。因此出于安全考慮，轉(zhuǎn)速不宜改變，必須控制在很窄的區(qū)間內(nèi)。

5 螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)壓伸過(guò)程的影響

為探究結(jié)構(gòu)對(duì)壓伸過(guò)程的影響，分析了不同壓縮比及不同螺距的螺桿結(jié)構(gòu)下各場(chǎng)量沿?cái)D出方向的變化情況。

5.1 不同壓縮比對(duì)壓伸過(guò)程的影響

螺桿壓縮比ε是指螺桿加料段第一個(gè)螺槽的容積與均化段最后一個(gè)螺槽的容積之比，表示物料通過(guò)螺桿的全過(guò)程被壓縮的程度[11]。壓縮比對(duì)壓伸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生明顯的影響效果。過(guò)大的壓縮比，不僅會(huì)增大擠壓負(fù)荷，且不利于加工安全性；而壓縮比過(guò)小，則達(dá)不到產(chǎn)品塑化要求。

在其他條件不變的情況下，分別選取壓縮比為1.8、2、2.2、2.4、2.6進(jìn)行模擬，得到了各項(xiàng)參數(shù)的變化情況。

如圖18為全程壓力隨壓縮比的變化情況，壓縮比對(duì)壓力的影響很大。

圖18 壓力隨壓縮比的變化情況

隨著壓縮比從1.8增加至2.6，壓力峰值也從13.6 MPa增加到25.6 MPa。螺桿處的剪切應(yīng)力最大值與剪切速率沿螺槽方向的最大值的變化如圖19所示，隨著壓縮比的增大，螺桿建壓能力增強(qiáng)，因而機(jī)筒內(nèi)壓力增大，使物料的流動(dòng)速度增大，因而剪切速率及剪切應(yīng)力也有所增加。當(dāng)壓縮比從1.62增大至2.25時(shí)，最大剪切速率從8.8 s-1提高到11.3 s-1，螺桿表面處最大剪切應(yīng)力從5.98 MPa增至6.55 MPa。

圖19 剪切應(yīng)力及剪切速率隨壓縮比的變化情況

5.2 不同螺距對(duì)壓伸過(guò)程的影響

螺距決定物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間，也影響物料的混合塑化。在其他條件不變的情況下，改變螺桿的螺距S，分別選取螺距為14、16、18、20、22 mm進(jìn)行模擬，得到了如下結(jié)果。

沿?cái)D出方向的速度vx的最大值變化情況如圖20所示。隨著螺距的增加，螺旋角增大，速度明顯增大。當(dāng)螺距從14 mm增大至18 mm時(shí)，最大擠出速度從1.76 mm/s提高到2.12 mm/s。擠出速度物料速度增大將使擠出產(chǎn)量增大，這對(duì)壓伸過(guò)程有利。同時(shí)，圖21的結(jié)果顯示，平均溫度略有增大，而壓力先增加后減小，但總體變化不大。

圖20 最大速度隨螺距的變化情況

圖21 最大壓力和平均溫度隨螺距的變化情況

綜上所述，物料速度的增大使得剪切速率增大，因而物料溫度也略有升高。而螺距變化對(duì)壓力的影響較為復(fù)雜。理論上，螺桿的螺距越大建壓能力越強(qiáng)，壓力又同時(shí)受物料流動(dòng)性的影響，部分壓力被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此，壓力的變化并無(wú)單一的增減趨勢(shì)，是綜合影響的結(jié)果。

6 結(jié)論

(1)壓伸過(guò)程中，沿?cái)D出方向的速度比較穩(wěn)定，最大速度為1.85 mm/s，出現(xiàn)在螺槽中部位置，而在螺棱頂部存在著回流，因此物料具有較好的塑化效果；整個(gè)過(guò)程物料逐漸被壓實(shí)并建立壓力，壓力峰值出現(xiàn)在壓縮段末端，約為23 MPa；溫度隨著物料的塑化過(guò)程而不斷升高，總體來(lái)說(shuō)，溫度在螺棱背側(cè)的流道中部位置取得最大值，向螺槽底部和機(jī)筒壁面溫度逐漸減小。

(2)工藝條件中，背壓主要影響均化段的壓力，而螺桿溫度和螺桿轉(zhuǎn)速是影響壓伸過(guò)程的重要因素。升高螺桿溫度后物料溫度隨之增大，物料流動(dòng)性增加，阻力下降，系統(tǒng)內(nèi)壓力下降，而剪切速率及剪切應(yīng)力略有降低，即塑化稍差。因此，可在安全范圍內(nèi)調(diào)節(jié)螺桿溫度來(lái)提高成型制品的質(zhì)量。

(3)由于壓伸過(guò)程螺桿轉(zhuǎn)速很低，較小的轉(zhuǎn)速增量也會(huì)使其增比很大。增大螺桿轉(zhuǎn)速，物料的剪切速率和溫度均明顯增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min增加至9 r/min時(shí)，溫度由98.7 ℃增至120.2 ℃，剪切速率由5.1 s-1增至24.9 s-1。由剪切作用增強(qiáng)引起的溫升非常明顯，這很容易造成過(guò)熱而產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，為保證安全性，成型過(guò)程中不宜提高螺桿轉(zhuǎn)速。

(4)壓縮比增大對(duì)建壓過(guò)程有利，且不易引起溫升。當(dāng)壓縮比從1.8增加至2.6，壓力峰值也從13.6 MPa增加到25.6 MPa，而溫度變化較小。因此可在安全壓力范圍內(nèi)適當(dāng)增大壓縮；而螺距主要對(duì)物料擠出速度有較大的影響。