Study on Isostatic Pressing Method for Metal and Non-metal Mixed Powders Oriented to Energetic Materials

ZHANG Ke, HAN Mengwei, GE Zaizheng, WANG Guangyu, WU Feng, LIU Aijun, ZHENG Changjun

JPRMG ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 115-121.

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JPRMG ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 115-121. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.01.016

Study on Isostatic Pressing Method for Metal and Non-metal Mixed Powders Oriented to Energetic Materials

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Abstract

The quality of explosive charge is a key factor affecting the performance of artillery weapons, and the explosive charge is often a mixture of powders. To improve the quality of cylinders made by a mixture of metal and non-metal powders, the mechanical behavior of the cylinders was described using continuum plasticity theory, the Shima-Oyane model and the Ogden model were employed as the material constitutive models for the cylinders and the rubber sleeve, respectively. And a simulation model for the isostatic pressing of cylinders was developed utilizing the nonlinear finite element software MSC.Marc. Based on the simulation model, the forming mechanism of cylinders was explored, and a comparative study was conducted on the influence of isostatic pressing process parameters on the forming quality of the cylinders. The results indicated that the simulation model could effectively reflect the forming characteristics of the cylinders. The maximum pressure and it’s holding time of isostatic pressing were the key factors that influenced the quality of the cylinders. When the pressure was set at 240 MPa and the holding time exceeded 400 s, the overall relative density of the cylinders reached above 97%, with the density distribution difference was below 0.5%. The results of the isostatic pressing experiment verified the accuracy of the simulation analysis results. The cylinders with approximate length-to-diameter ratios of 5∶1 achieved a higher process standard and satisfied the process requirements.

Key words

isostatic pressing of explosive charge / finite element analysis / mixed powders / charge density

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ZHANG Ke, HAN Mengwei, GE Zaizheng, et al. Study on Isostatic Pressing Method for Metal and Non-metal Mixed Powders Oriented to Energetic Materials[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2025, 45(1): 115-121 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.01.016

0 引言

随着现代军事技术的不断发展,以炸药为基础的各类现代武器越发要求更强的毁伤性能和更高的射击精度,这对内部装填弹药的装药品质提出了更高要求,例如在火炮武器中,发射药的成形品质直接影响武器的作战性能[1]以及稳定性[2]。在压装具有大长径比的柱形发射药时,传统的钢模压药工艺由于冲压行程长,由模具摩擦带来的不利影响更为显著。相比之下,等静压工艺能使模套内装填的粉坯受力更均衡、压制行程更短,且粉坯与模套之间无明显相对运动,在成形过程中基本无需克服与模具之间的摩擦阻力[3],从而提高发射药的成形品质。
目前,等静压成形工艺在金属[4]和陶瓷粉末[5]方面应用较多,而对于金属与非金属混合粉末,例如火药粉末[6],工艺的复杂性及安全性导致生产效率低、成本高,在国内仍只用于高端和特殊领域中。等静压成形过程中的最大压强和最大压强保压时间等工艺参数均会影响成形密度及密度分布,对于火药这类混合粉末的影响则更甚。在大长径比粉末柱体的压制过程中还需避免柱体产生裂纹、断裂等缺陷。另外由等静压工艺得到的产品外形和尺寸难以准确把控,还需进行机加工整形。对于炸药这类含能材料更要准确把握加工余量等加工参数,若柱体尺寸与设计尺寸差距过大,不仅会增加生产成本,还会阻碍后续的切削工序,甚至引发安全问题。因此,有必要对等静压工艺压制混合粉末柱体开展研究,精准预测粉坯成形结果并探究工艺参数的影响规律是具有重要工程意义的。
随着有限元技术的发展,诸多学者建立了粉末压制过程的仿真模型[7-10],并用于工艺参数的优化研究,有效减少了研发周期及成本。文中将同样借助有限元技术对大长径比粉末柱体的等静压成形过程进行研究。针对炸药这类混合粉末等静压成形工艺的仿真模拟,已有学者开展了相关研究,例如陈朗等[11]建立了药柱的等静压热力耦合模型,将处于保压阶段的药柱视为致密态,分析了药柱在保压阶段的温升情况;贾宪振等[12]对比了等静压和普通压装工艺下药柱内部的压力和温度变化趋势,结果表明炸药等静压工艺的安全性更高。目前,粉末成形仿真研究主要集中于金属粉末,对于炸药粉末也只重点研究了保压阶段,将粉坯视为致密体,从而忽视了粉坯致密化的过程。与常规弹塑性材料不同,粉末坯体具有多孔体特性,在压制过程中体积会发生收缩,这就要求在有限元分析时,材料的屈服模型需考虑静水应力的影响。因其中的复杂性,目前关于混合粉末等静压成形过程的仿真研究相对较少。
文中旨在分析混合粉末柱体(以下简称“柱体”)的等静压成形过程,总结成形规律,以期为工程应用提供建议。为此,首先基于Shima等[13]提出的屈服模型,建立柱体的等静压仿真模型,对粉坯的致密化过程及应力分布情况进行分析;在此基础上,进一步探讨等静压工艺参数对柱体成形品质的影响;最后进行等静压实验,验证仿真分析结论的准确性。

1 等静压成形仿真模型

1.1 等静压成形原理及建模

等静压工艺是基于帕斯卡原理,利用高压液体或气体介质压制装有粉坯的模具,从而使粉坯被压缩成高致密态坯体的一种特种加工工艺,其基本流程包括:加压、保压和卸载。因装有柱形粉坯的橡胶模具在高压液体中的受力状态和整体形状均具有轴对称性,为了提高仿真效率,同时保证仿真模型的形状特点与实际相符,文中将等静压模型进行简化,建立如图1所示的四分之一模型,并采用六面体实体单元进行网格划分。
Fig.1 Finite element mesh model of cylinder and rubber sleeve

图1 柱体及橡胶包套的网格模型

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粉末压制成形过程伴随着体积压缩、摩擦和加工硬化等一系列复杂现象,是材料、几何及边界条件非线性并存的高度非线性问题[14]。同时,由于粉体是非连续的,屈服强度、杨氏模量和泊松比等材料属性均随粉体致密化而逐渐变化,因此准确的材料模型是粉末压制过程数值模拟的关键。

1.2 材料模型与边界条件

1.2.1 粉末材料模型

由于大长径比柱体的整体密度分布和尺寸变化是研究重点,因此采用连续介质力学法来分析柱体整体的致密化过程,将粉末假设为连续、可压缩的弹塑性体。考虑到Shima-Oyane模型[13]的参数容易获取且应用广泛,在金属、陶瓷和非金属混合粉末的仿真模拟中均有应用,并取得了较为准确的仿真结果,文中同样采用Shima-Oyane模型作为屈服准则。相比于一般致密态的弹塑性材料,粉末材料在受压时会发生塑性变形并伴随体积收缩,因此Shima-Oyane模型在Mises屈服准则的基础上增加了静水应力 σm的影响,屈服函数为:
g= 1f'3J2+σmf'212- σ¯0
(1)
式中: f为相对密度的函数,表示静水应力 σm对粉体材料屈服发生的影响程度; f'同样也是相对密度的函数,代表宏观层面施加到粉体的表观应力和施加到基体的实际有效应力的比率。材料基体受到的有效应力可写为:
σeq= 1f'3J2+σmf212
(2)
在Shima-Oyane模型的实际应用中,f(ρ)和f'(ρ)都是相对密度 ρ的函数,需根据所使用的粉末材料进行相关实验来修正。 f(ρ) f'(ρ)可以写成如下形式:
f'(ρ)=(q1+q2ρq3)q4f(ρ)=(b1+b2ρb3)b4
(3)
式中: q1, q2, q3, q4, b1, b2, b3 b4为待定参数,对于金属粉末,可以通过对烧结固化后的试样进行力学实验来获得[9]。文中的研究对象为奥克托金炸药,实验中采用的代用料粉末的主要成分为铝粉和硫酸铵混合粉末,无法烧结固化从而难以通过力学实验准确获取参数,故在曹兴等[8]给出的JO-9159炸药粉末相关参数的基础上,结合等静压实验数据进行修正,得到的参数见表1
Table 1 Revised parameters of Shima-Oyane model

表1 修正后的Shima-Oyane模型参数

q1 q2 q3 q4 b1 b2 b3 b4
0 1 1 9.5 18 -18 1 -0.3
相比致密态的弹塑性材料,粉末柱体在压制过程中会同时发生变形和体积收缩,因此其泊松比与弹性模量均会随着柱体的致密化而不断改变。对于泊松比模型,采用任学平[15]提出的“概率密度模型”,其表达式为:
μ=0.5 e-12.5(1-ρ)2
(4)
式中 μ为柱体在当前相对密度 ρ状态下的泊松比。对于弹性模量模型,Fleck等[16]将弹性模量假设为相对密度的线性函数,具体表达式为:
E=E0ρ
(5)
式中 E0表示粉体为致密态时的弹性模量。

1.2.2 橡胶材料本构模型

在等静压成形过程中,柱体体积通常会收缩约40%~60%,因此适用于等静压工艺的橡胶包套应具有良好的延展性及化学稳定性。经过筛选,文中选用硅橡胶作为包套材料。为了模拟包套的大应变问题,采用Ogden模型作为包套材料的本构模型[17-18]。Ogden应变能函数为:
W=n=1Nμnαn(λ1αn+λ2αn+λ3αn-3)+n=1Nμnβn(1-Jβn)
(6)
式中:μn,αnβn是材料的本构参数;J为体积率;N为模型阶数。对于不可压缩材料,体积率J为1,上式最后一项消失。模型中的阶数N通常取2或3,为了获得更精确的仿真结果,采用3阶Ogden模型,经过查询相关手册得到的具体参数见表2
Table 2 Parameters of the Ogden model

表2 Ogden模型参数

Parameter Value
α1 0.242 751 70
α2 5.982 329 45
α3 -7.169 788 95
μ1 0.456 011 27
μ2 0.004 567 31
μ3 0.000 251 41

1.3 边界条件

依据等静压工艺原理,在装有柱体的橡胶模具表面施加垂直载荷,并设置载荷跟随,约束载荷方向始终垂直于模具外表面,与等静压工艺实际工况保持一致。对于简化后的四分之一模型,根据对称情况约束两个截面上单元节点的自由度。柱体与橡胶模具间的摩擦设置为双线性库仑摩擦模型。王德广等[19]的研究指出,粉末与模具之间的摩擦系数只会随粉末致密度的增加在小范围内下降,并且在等静压成形过程中,橡胶包套与柱体之间基本不存在相对位移。基于这些因素,文中不将柱体与橡胶模具之间的摩擦作为考虑因素,假设摩擦系数为定值0.3。

2 柱体等静压成形规律分析

为了探究大长径比柱体的等静压成形规律,建立长径比约为5∶1的柱体等静压仿真模型,具体尺寸(ϕ×h)为:74 mm×380 mm。之后借助仿真模型对柱体的位移变化、成形密度及应力分布情况进行分析,以揭示其成形机理。设定的仿真参数为:升压速率2 MPa/s、最大压强200 MPa、最大压强保压时间180 s。

2.1 柱体密度及位移变化情况

在等静压工艺仿真中,柱体的位移变化情况如图2所示。为了保证仿真迭代计算的收敛性,额外约束了柱体中心点纵向的平移自由度,因此将中心点视为原点来分析柱体的位移情况。图2(a)为柱体的整体位移情况,从结果中能明显看出,其整体呈现向中心点收缩的趋势,成形后尺寸(ϕ×h)为:63.54 mm×325.61 mm,最大相对位移在柱体上下两端,约为30 mm。柱体在不同位置处的径向收缩情况如图2(b)所示。在柱体顶部区域,粉末的径向收缩受到橡胶塞的影响,收缩量较小,为2.30 mm。随着向柱体主体部分靠近,橡胶塞的影响逐渐减弱直至消失,柱体径向位移保持平缓,约为5.28 mm。
Fig.2 Displacement condition of the cylinder

图2 柱体位移情况

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柱体相对密度分布结果如图3所示。柱体主体部分密度分布均匀,密度值达到理论最大密度(theoretical maximum density,TMD)的94.85%。柱体顶部区域的密度变化情况与径向位移情况对应,受到橡胶塞与包套形状的制约,顶部存在约50 mm长的密度分布区。在图4中展示了柱体不同径向位置处的密度变化情况(R为柱体半径),在上端的密度分布区部分,柱体中心轴线处的密度要略小于外围密度,随着向中间主体部分靠近,内外的密度差逐渐减小,大约在50 mm之后,只存在微小的密度分布差。柱体中心轴线上最大相对密度差为1.06%。
Fig.3 Relative density distribution results of the cylinder

图3 柱体相对密度分布结果

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Fig.4 Relative density variation at different radial positions of the cylinder

图4 柱体不同径向位置处的密度变化情况

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2.2 柱体应力分布情况

Mises等效应力反映的是柱体内部偏斜应力的分布情况,对应柱体形状的畸变。从图5(a)中的应力分布结果可看出,柱体主体部分只存在微小的Mises应力,这意味着在等静压过程中柱体主体部分的体积发生均匀收缩,柱体出现裂纹和发生断裂的可能性较低。Shima-Oyane模型中基体所受到的有效应力是在Mises等效应力基础上额外考虑了静水应力,故该应力直接影响柱体的密度分布结果。借助MSC.Marc软件的用户子程序,依据式(2)计算出基体有效应力并进行后处理可得到图5(b)。从图中可以看出,在等静压的保压阶段,柱体主体部分应力分布均匀,基本不受橡胶模具的影响,在柱体顶端,橡胶塞阻碍了压力传递,使这部分应力值偏低。
Fig.5 Stress distribution in the cylinder

图5 柱体应力分布情况

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3 等静压工艺参数对成形质量的影响

柱体整体密度及密度的均匀性是决定武器综合性能的主要因素[20],故在压药工艺中往往对其提出很高的要求。大长径比柱体具有更长的柱身,因而难以确保整体密度与密度分布差达到标准。对柱体等静压成形机理的探究结果显示,柱体在成形过程中主体部分保持为规则圆柱形且密度均匀,但柱体整体的密度及密度分布差尚未达到工艺标准。为了进一步探究柱体致密化规律,寻找能使柱体成形品质达到要求的等静压工艺参数,下面利用建立的等静压仿真模型分析工艺参数对柱体成形品质的影响,以期为工程应用提供建议。

3.1 最大压强与压制时间的影响

等静压工艺中达到不同最大压强所需的加压时间也不同,并且柱体致密度在等静压初始阶段的增长速率最为显著,若将压强与压制时间进行独立分析,加压时间的不同会给结果造成不小的影响。因此将等静压最大压强与压制时间(升压阶段和保压阶段总时间)综合起来考虑,分析在不同最大压强条件下柱体的致密化规律。以长径比约为5∶1的柱体为例,压强范围为220~280 MPa。
仿真结果如图6所示,等静压最大压强直接影响柱体最终的成形密度。在不同最大压强下,柱体的致密化程度会随保压时间的增加而逐渐变缓。初步来看,较低的压强、足够的压制时间也能使柱体致密度达到要求,但所需压制时间较长,影响生产效率,而更高的压强也意味着更高的风险,在实际应用中,可根据工艺要求,选择合适的最大压强和压制时间的组合。
Fig.6 Density variation at the center of the cylinder

图6 柱体中心处密度变化情况

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3.2 不同压强条件下药柱密度分布差的变化情况

根据上文对柱体等静压成形机理的研究可知,柱体的密度分布差主要归因于顶部存在一段低密度区。为了进一步缩小柱体顶部与主体部分的密度分布差,以减少对柱体顶部的切削量甚至避免切削工序,接下来分析压强和压制时间对柱体密度分布差的影响。两处区域的密度差计算式为:
δ= ρA-ρBρB×100%
(7)
式中: ρA为柱体顶端处密度; ρB为柱体中心点处密度。 δ随压制时间的变化情况如图7所示。
Fig.7 Variation of density distribution difference in the cylinder as a function of pressing time

图7 柱体的密度分布差随压制时间的变化情况

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图7可以看出,开始压制后,柱体出现密度分布,之后密度分布差会随着压制时间的增长而不断减小,并且在高压强的条件下,柱体密度分布差的下降速度会更快。最大压强为240 MPa,压制时间在500 s以上时,柱体整体密度分布差能减小到0.5%以下。结合上述柱体中心区域成形密度的结果,在实际加工中,可综合考虑柱体所需达到的密度值以及要求的密度分布差,以此确定等静压工艺参数,减少原料的浪费。

4 混合粉末的等静压实验

为了验证仿真分析结果的可行性,依据前文分析结论设定等静压实验参数。采用LDJ200/600-400冷等静压机;粉末材料为奥克托金炸药的代用料,具体成分包括:40%铝粉、55.5%硫酸铵和4.5%顺丁橡胶和微晶蜡;使用的橡胶包套材质为硅橡胶。实验内容为长径比约为5∶1的柱体,初始密度约为TMD的60%,尺寸与仿真模型一致。
图8(a)展示了长径比约5∶1柱体等静压前后的外形变化及橡胶包套的状态。由图8(a)图8(b)可见,等静压成形后,柱体整体形状规则,表面无可见裂纹。之后对柱体进行尺寸测量并等间隔取样进行密度检测,取样方案如图8(c)所示,柱体分为3段,每段取3个样块。测量结果为:柱体的平均致密度为TMD的97.41%,密度分布差为3.65‰,均满足工艺要求。表3给出了实验结果与仿真结果的对比情况,对于柱体尺寸,柱体高度的相对误差较大,为2.63%;对于平均致密度,相对误差仅为0.35%。
Fig.8 Results of isostatic pressure experiment and sampling scheme for inspection

图8 等静压实验结果及检测取样方案

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Table 3 Co of experimental and simulation results

表3 实验结果与仿真结果对比

Result Diameter/mm Height/mm Average relative
density of TMD/%
Simulation 63.0 322.9 97.217
Experiment 62.43 331.6 97.41
Relative error 0.91 2.63 0.20

5 结论

金属与非金属混合粉末柱体为多孔体结构,采用Shima-Oyane屈服模型描述其力学行为,在此基础上建立了大长径比柱体等静压成形的有限元仿真模型;而后利用该仿真模型分析了柱体等静压成形过程中的成形机理,以及等静压工艺参数对成形结果的影响规律;最后进行等静压实验验证仿真分析结论的可行性。得到的结论如下。
1)柱体在等静压成形过程中展现出良好的收缩性,主体部分能保持规则的圆柱形且密度均匀,只存在微小的密度分布差。但在柱体顶端,橡胶模具影响压力传递,使这部分受力较小,因而存在一段低密度分布区。
2)等静压工艺中的最大压强和压制时间是影响柱体成形密度及密度分布差的关键参数。仿真结果表明,更高的压强和更长的压制时间能够有效提高柱体的成形密度并降低密度分布差。在实际生产中,可根据既定的工艺标准,综合考虑压强和压制时间的设定,缩小柱体顶端和主体部分间的密度差,以减少切削量,甚至避免切削工序,从而降低生产成本,提高效率。
通过等静压实验,验证了工艺参数仿真分析结论的可行性,长径比约5∶1柱体的整体密度及密度分布差均达到了较高的工艺标准。另外,通过仿真结果与实验结果的对比可知,仿真模型在预测柱体成形密度和尺寸方面具有很高的准确度。因此,文中所建立的柱体等静压成形仿真方法可以为实际生产中预测柱体成形后的尺寸和致密度提供参考,有助于合理规划加工余量,从而降低后续切削工序中由切削热等因素带来的安全风险。

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钱胜, 陆益民, 杨咸启, 等. 橡胶材料超弹性本构模型选取及参数确定概述[J]. 橡胶科技, 2018, 16(5): 5-10.
QIAN S, LU Y M, YANG X Q, et al. Overview of selection and parameter determination for hyperelastic constitutive model of rubber material[J]. Rubber Technology, 2018, 16(5): 5-10.
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王德广, 吴玉程, 焦明华, 等. 粉末成形过程中摩擦行为研究进展[J]. 机械工程学报, 2009, 45(5): 12-19.
Abstract
粉末成形过程中的摩擦行为是一个十分复杂的问题,受粉末和模具材料性能、粉末形状大小、模具表面状况、粉末与模具间相对运动速度、润滑剂特性、粉末和模具温度等许多因素的影响。摩擦造成了制品密度低、分布不均匀、模具磨损,影响了制品的性能、尺寸精度及其应用范围。特别是复杂形状、厚度尺寸较大的粉末冶金制品,摩擦的存在极易造成制品的失效。摩擦行为的复杂性使得对其进行准确的测定和表达比较困难,加之这方面的研究不多,造成了进一步研究的困难。综述近几年国外对粉末成形过程摩擦现象的研究进展,着重介绍目前常用的两种摩擦测试和描述方法,即闭模式和剪切板式摩擦测定方法,为进一步研究粉末成形中的摩擦行为、提高制品性能提供参考。
WANG D G, WU Y C, JIAO M H, et al. Research progress of friction behavior during powder forming[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(5): 12-19.
The friction behavior is a very complicated problem during powder forming. There are many factors affecting the friction behavior, which include properties of powder and dies, morphology and size of powder, surface condition of dies, relative velocity between dies and powder, properties of lubricant, temperature of die and powder, and so on. The existence of friction causes low density, uneven density distribution, and die wear, thereby affecting the performance, dimension precision and application range of powder metallurgy products. Friction will easily cause the failure of PM parts, especially those with complex shape and large thickness and dimension. The complication of friction behavior makes it difficult to be accurately measured and expressed, and the researches on it are not many, so it is difficult to make further research. Foreign research progresses of friction behavior in powder forming process are summarized, and two common methods of measurement and expression of friction are introduced, namely instrumented dies method and shear plate method. This will offer reference for further research of friction behavior in powder forming and for improving the performance of PM parts.
[20]
王利侠, 戴致鑫, 周涛, 等. 压装工艺对CL-20基炸药性能及聚能破甲威力的影响[J]. 火炸药学报, 2016, 39(4): 56-60.
Abstract
本文采用高温加速老化的方法,通过测定RDX/AP/HTPB复合推进剂单轴拉伸力学性能、硬度、交联密度和线性燃速等参数随老化时间的变化,利用扫描电镜等实验手段,研究了RDX/AP/HTPB复合推进剂的老化。此外,还测得了这类推进剂的热失重曲线。结果表明,以RDX部分取代AP后,提高了推进剂的热稳定性。
WANG L X, DAI Z X, ZHOU T, et al. Effect of pressing molding on the property and shaped charge penetration power of CL-20 based PBX[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2016, 39(4): 56-60.
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