基于超声辅助的pbx炸药模压成型技术

吕晓龙¹，吕珂臻²，丁晓敏²，冯立羊²，李晨亮³

（1.哈尔滨工程大学智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；

2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621000；

3.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

摘  要：超声辅助模压成型用于提高塑料黏结炸药（PBX)压坏的致密度与均匀性，其核心在于实现超声振源与模具固有频率匹配。研究基于Hertz-Mindlin接触模型开展离散元模拟，分析不同超声振幅与加载方式下颗粒的破碎、重排与压缩行为，并据振动仿真优化模具结构及换能器参数。采用代用材料开展模压实验验证超声加载可减少颗粒间隙、提升压坏致密度，同时发现外部压力会抑制模具振幅，使辅助效果随压力增加而减弱。研究结果表明，功率超声具有显著致密化作用，需提升换能器刚度以改善高压条件下的振动衰减。

关键词：超声辅助；模压成型；PBX炸药；频率匹配；应力叠加作用

塑料黏结炸药（PBX）是一种由高能炸药晶体与黏结剂、降感剂组成的复合材料，常采用模压成型工艺制备。然而，传统模压过程中压力传递不均，导致压坏密度分布不均和整体致密度不足，尤其在大尺寸部件中问题更为突出。为提升PBX压坏的致密度与均匀性，本文研究超声辅助模压成型技术，通过在模具中引人超声振动实现应力叠加，促进颗粒重排与孔隙填充，从而提高成型质量与生产效率。

1 超声辅助模压成型技术

1.1 超声辅助模压成型基本原理

超声辅助是使用超声换能器作为超声振子，采用螺纹连接的方式加装到冲头、底座的尾端以及模套的外壁，输出功率超声作用到模具上使模具产生振动。所压制的PBX部件的直径决定模具的设计尺寸，根据模具的尺寸不同，选用不同类型的超声换能器，其模具结构见图1。对于尺寸较小的模具，功率超声驱动的负载也较小，可采用压电陶瓷换能器加变幅杆通过螺纹连接的方式安装到模具。

压电陶瓷换能器具有较高的电效率（最高可达95%）、工作频率范围宽、发热量低和体积小等优点，在小容量的功率超声领域应用广泛。要制作的PBX压坏直径为60mm，达到要求的最大压强300MPa时压力约为833.6kN(85tf），选用金属部分材料为钛合金的P8压电陶瓷换能器，采用半波长振动模式，最大输出功率为3kW，可产生最大12μm振幅。为使振动在模具内更好地传递，工作频率选在20kHz附近，属于常用陶瓷振子频率中较低的，从而提升换能器的功率上限。

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