郭 健，周文伟，郭晨光

(1.山西北方晋东化工有限公司，山西 阳泉 045000；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

火工品是一种特殊能源，具有能量质量比高、作用时间短、起爆及输出能量可控、体积小及长期贮存性好的特点[1-2]。它是在接收发火指令后，以较小能量激发其内装药产生燃烧或爆炸，以燃烧火焰、爆炸冲击波和高压燃气实现点火、起爆和做功等预定功能的一次性适应的元器件、装置和系统的总称[3]。火工品抛射药盒作为武器系统的敏感元件遍布武器各个部位，广泛应用于各类武器系统，其安全性、可靠性直接影响武器系统的安全性和可靠性。

1 产品结构及作用机理

某型抛射药盒配用于某型火箭炮战斗部，当子母弹飞行一段时间、电子时间引信作用后，点火药盒内置的药剂点燃火焰雷管，进一步点燃抛射药盒，抛射药盒的能量将子弹推出战斗部。抛射药盒由上盒体、下盒体、药剂组成，上、下盒体由硝基软片模压成型(见图1)。

图1 抛射药盒结构示意图、实物图

2 问题概述

2.1 问题来源

检验人员抽检1 000件已成型的抛射药盒(由于装配配合原因，上、下盒体同时成型得出)，得出如图2所示的检验结果，检验人员对358件不合格品进行了分类汇总(见图3)。

图2 药盒成型合格率抽检结果

图3 药盒不合格类型及其分布

由图2可知，药盒成型废品率高达35.8%，通过对不合格品观察，根据其不合格类型，将其分为尺寸超差与外观缺陷两大类，其中尺寸超差主要为药盒高度超差，外观缺陷包括气孔凸点、褶皱、破裂、光泽度差等。由图3可知，气孔凸点和尺寸超差为药盒废品率的主要因素。

由于药盒成型合格率与效率均较低，项目组对整个药盒成型过程进行分析，发现在成型过程中，A处易出现褶皱，B处易出现凸点，C处易出现破裂(见图4)。

图4 模具成型图

2.2 药盒成型方法

现行的药盒成型过程如下：将装有硝基片的药盒模具在90 ℃沸水中软化约10 min，取出模具，迅速置于压力机下，缓慢降下压力机手柄施压，手柄到位后，取下模具置于冷水中冷却5 min，从模具中取出成型的药盒。

3 影响模压成型的工艺参数

根据药盒成型过程中的发现，项目组提出影响药盒成型的工艺参数主要有预热时间、成型温度、成型压力、保压定型、冷却水温和冷却时间。

3.1 预热时间

预热时间为模具在热水浴中未施压所放置的时间。

3.2 成型温度

成型温度是指压机施压时硝基软片所处的温度，在测试时可以将成型温度视为模具型腔表面的温度。成型温度的高低对产品质量有很大的影响[4-5]。

1)温度过低要延长成型时间，使生产周期加长，在一定程度上还会造成硝基软片成型不完全，表面光泽度差(具体表现为表面泛白)，水分及挥发物蒸汽作用下易膨胀变形，力学性能差，并且药盒会粘在模具上，脱模困难。

2)成型温度过高，会使硝基软片中的有机物分解，同时制品外盒因受到模具表面的高温而很快先固化，造成内层固化时产生的水分和低分子物的排出很困难，从而使制品中产生很大的内应力，导致在开模时制品发生膨胀、裂纹、崩断等。此外，由于温度过高，可能引起硝基软片色料变质，使制品表面暗淡，出现花斑泛白，但在顾全药盒制品其他性能的前提下，适当提高成型温度，对缩短模压周期、提高药盒成型效率及质量均有好处。

3.3 成型压力

成型压力是压力机为使硝基片充满型腔对药盒成型时所加的压力，成型压力的作用促使硝基软片形变以充满整个型腔，使软片变成模具形状；使模具紧密闭合从而使制品具有固定尺寸、形状，并防止制品变形，通常硝基软片内分子的流动性越小，固化速度越快；压缩率越大，则所要施加的压力越大，但是并不是压力越大越好，如压力过大，制品内孔出现破口的机率会大大增加。

模压压力可用下式计算：

式中，Pm是单位面积模压压力，单位为MPa；G1是凸模的质量，单位为kg；PL是压机施加的压力，单位为MPa；D是主压柱活塞的直径，单位为m；A是制品在受压方向的投影面积，单位为m2。

3.4 保压定型

在模具中的硝基软片需要在一定的压力和温度下保持一定的时间才能充分固化，成为性能良好的制品，固化时间与硝基软片类型、制品形状和厚度、模具构造、模压规格(压力、温度和软片是否排气)、软片是否进行预压、预热等因素有关[6-7]。

固化时间过短，制品物理和化学性能差，外观无光泽，易变形和翘曲，适当增加固化时间，一般可使制品收缩率降低，耐热性略有提高。但固化时间过分延长会降低制品的性能，延长生产周期，降低生产效率，多消耗能量，因此，生产中在不影响性能的前提下应尽量缩短固化时间[8-10]。

3.5 冷却水温

温度过低，药盒变形严重；温度过高，冷却不充分。

3.6 冷却时间

冷却时间过短，易造成定型不完全；冷却时间过长，易造成操作人员拔模困难。通过试验证明，在冷却水中二次施压可使表面更平整。

4 模压工艺参数的确定

在硝基软片生产商提供的原材料基本工艺参数的基础上，根据药盒的产品特点，选定6种工艺参数的大致范围(见表1)，从试验中找出合适的工艺参数。

表1 基本的成型工艺参数

从表1可知，至少有上千种工艺参数组合，如果要全部试验以确定其中合适的工艺参数会耗费大量的时间和人力物力。本文在试验的基础上选择典型的工艺参数，采用常规试验与正交试验结合的方式，经过25次试验，每次试验成型50个，找寻各因素间的内在规律，得到最优的工艺参数(见表2)。

表2 正交试验成型工艺参数

正交试验每次试验合格率如图5所示。

由图5可知，当成型压力为400 N时，尺寸合格率在90%以上；尺寸合格率与成型压力有关；外观合格率与固化时间、冷却水温、冷却时间关系密切，分析尺寸合格率与外观性能合格率的极差可以得出主次因素排序。

a)尺寸合格率变化

b)外观尺寸合格率变化图5 正交试验每次试验合格率

对试验数据进行分析可得尺寸合格率影响因素排序：成型压力>预热时间>冷却水温>预热时间>成型温度>固化时间；外观合格率影响因素排序：冷却水温>固化时间>冷却时间>成型温度>预热时间>成型压力。

项目组通过上述正交试验，确定图4中A处出现褶皱是由于模盖与凹模契合不严导致，B处是由于排气孔排气出现凸点，C处出现破裂是由于成型压力过大导致。确定盒体成型过程工艺参数方案如下：1)在100 ℃沸水中先对料片进行预热约1 min；2)成型压力确定为400 N；3)当模具中料片成型到位后，在沸水中固化4～6 s；4)将模具放置于<20 ℃的冷却水中，冷却5～10 s。经试生产1 000件药盒，尺寸合格率为100%，外观合格率仅为88.6%。继续分析可得出外观不合格分布类型如图6所示。

图6 外观不合格分布类型

5 改进设计

针对外观合格率低的情况，项目组提出2点改进措施：1)改善成型工序流程(见图7)；2)修改模具盖模与内模尺寸，在图4中B处增加铝垫片(见图8)，改变药盒成型模具的排气方式，进而消除药盒端面有凸点的问题。

图7 药盒成型工序流程

图8 垫片

平整度差是外观不合格的主要原因，技术组继续对图7药盒成型工序流程进行分析，提出改进冷却工序方案如下：在热水中保压固化后，将模具放于冷却水中并增加旋转和施压2～4 s工序。通过试验可知，此方案大大改善了药盒的表面平整度，可得出药盒成型过程中成型压力变化情况如图9所示。

图9 成型过程中成型压力变化情况

6 结语

项目组通过试验找到盒体成型最优方案，确定了生产过程中对成型质量起关键作用的主要参数，对成型温度、成型压力、预热时间、保压固化、冷却水温、冷却时间等因素进行了有效调节，适当提高成型温度和预热时间可以缩短制品的成型时间，提高制品的力学性能。盒体成型良品率由原来的64.2%提高到了95.8%。