СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЬЕВЫХ ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОДВИЖНАЯ УПРАВЛЯЕМАЯ ЛИТЬЕВАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MAKING MOULDED EXPLOSIVE CHARGES AND MOVING CONTROLLED MOLDING HEAD FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к технологии изготовления зарядов взрывчатых веществ (ВВ), заливаемых в корпус, и может быть использовано для повышения качества формируемого заряда и полной автоматизации процесса его изготовления.
Известен способ заполнения корпуса литьевым составом ВВ с использованием кусковой и послойной заливки [Взрывчатые вещества, том 2. Основные свойства, технология изготовления и переработки / Под редакцией Л.В. Фомичевой, Саров, 2007, с. 400-408]. Недостатком указанного способа является снижение качества заряда (монолитности) из-за образования усадочных раковин, а также высокая трудоемкость процесса.
Известен способ изготовления литьевых зарядов ВВ, включающий послойную заливку расплава в корпус, при котором после заливки последнего слоя расплава в верхней части заряда устанавливают обогреваемую крышку, в которую подают теплоноситель с температурой, обеспечивающей поддержание всей поверхности верхнего слоя заряда в жидком состоянии до остывания основной массы заряда [Патент РФ №2482102, опубл. 20.05.2013, бюл. №14]. Предполагается, что без использования обогреваемой крышки в результате неравномерности процесса объемной усадки происходит отрыв основной массы заряда от верхней корки и образование под ней раковин.
Недостатком способа является то, что необходимость в обогреваемой крышке может возникнуть в случае большой толщины, порядка 100 мм, заливаемого в корпус слоя расплава ВВ, когда может образоваться корка. При малой же толщине заливаемого слоя ВВ, без образования корки, необходимость в обогреваемой крышке будет отпадать, тем более, что длительность подачи теплоносителя в крышку для поддержания верхнего слоя заряда в жидком состоянии составляет 4-5 часов, что существенно снижает производительность изготовления заряда.
Наиболее близким аналогом - прототипом является способ послойной заливки, по которому расплав ВВ заливается в форму (корпус) малыми порциями (слоями) и только после затвердевания предыдущей порции [Даниленко В.В. Взрыв. Физика. Техника. Технология. - М.: Энергоатомиздат, 2010, с. 492]. Отмечается, что процесс идет медленно, но зато заметно повышается плотность и однородность заряда.
Недостатком способа прототипа является то, что в нем отсутствуют количественные, в том числе предельные значения величин малых порций заливаемых слоев, условий затвердевания (охлаждения), не описаны качество сформированного заряда и средства для осуществления способа. Управление процессом, по-видимому, ведется в ручном режиме.
В предлагаемом изобретении решается задача повышения эффективности способа изготовления литьевого заряда ВВ путем устранения указанных недостатков.
Задача решается тем, что в способе изготовления литьевого заряда ВВ, включающем заливку расплавленного ВВ в корпус тонкими слоями последовательно, один за другим, после затвердевания предыдущего слоя, согласно изобретению, процесс затвердевания каждого слоя расплава ВВ осуществляют из состояния глубокого переохлаждения вещества, формирование заряда ВВ производят непрерывно при помощи подвижной, управляемой, охлаждаемой литьевой головки с начального расстояния 0.7-0.9 мм от дна корпуса, перемещение которой в горизонтальной и вертикальной плоскостях задают исходя из геометрии заряда и формируют его тонкими горизонтальными слоями, равными 0.2-0.8 мм согласно математической модели заряда, заложенной в программное обеспечение компьютера, управляющим всем процессом таким образом, что по мере окончания формирования каждого слоя осуществляют движение головки или платформы, на которой расположен корпус, в вертикальном направлении по высоте, на величину, равную толщине слоя, вплоть до окончания формирования всего заряда.
Слой толщиной менее 0.2 мм нецелесообразен ввиду снижения производительности процесса, а также возникновения больших гидродинамических сопротивлений при течении расплавов ВВ по столь малым каналам. При слоях более 0.8 мм трудно осуществить высокоскоростное объемное переохлаждение расплава ВВ, движущегося по каналу.
Для осуществления предлагаемого способа используется новое техническое устройство, не имеющее аналогов в практике литьевой технологии изготовления заряда ВВ - подвижная управляемая литьевая головка, согласно изобретению, выполнена в виде двух блоков цилиндрической формы одинакового наружного диаметра 6-10 мм: блока подачи нагретого расплава ВВ и блока охлаждения расплава ВВ, при этом первый блок состоит из корпуса 1 (фигура) с каналом подачи расплава 2, причем диаметр канала подачи расплава на входе составляет 2-4 мм, на выходе 0.2-0.8 мм при длине канала 5-15 мм, блок охлаждения выполнен в виде трубки 3 диаметром 0.2-0.8 мм при длине 3-10 мм и с рубашкой для подачи хладагента 4, причем корпус блока подачи расплава прикреплен к блоку охлаждения соединительным узлом 5, при этом корпус блока подачи расплава с помощью выносной жесткой штанги 6 соединен с управляющим механизмом стандартного 3D принтера 7 с возможностью передвижения и управления литьевой головкой непосредственно в области формирования слоев внутри корпуса заряда.
Литьевая головка представляет собой устройство, позволяющее формировать слои заряда с необходимыми размерами в заданном температурном режиме. Блок подачи является частью линии подачи литьевой смеси и температура в ней равна исходной температуре расплавленной смеси. Поддержание и регулирование необходимой температуры в линии и блоке подачи расплава происходит из одного источника (электронагрев), а температура в части блока охлаждения поддерживается и регулируется при помощи отдельной линии подачи хладагента. В случае значительного поднутрения (соотношении внутреннего диаметра к диаметру заливочного отверстия) корпуса используется крепление головки на штангах по принципу дельта-робота (применение дельта-3D принтера). При необходимости несколько головок могут быть объединены в общую систему для увеличения скорости создания каждого слоя за счет обработки большей площади в единицу времени. Управление головкой в зоне формирования слоев осуществляется по алгоритму стандартных 3D принтеров.
Литьевая головка, корпус, линии подачи литьевого состава, нагрева и охлаждения, а также управляющего механизма объединены в единую систему и управляются процессором 3D принтера при помощи соответствующего программного обеспечения. Процессор системы управляет перемещением головки, матрицы-корпуса, регулирует температуру подаваемого материала. Модель заряда в 3D формате построена с использованием CAD программ или введена в компьютер с оригинала при помощи объемного сканнера. После сканирования модели, ее изображение должно быть обработано с помощью одной из известных программ, например, COPYCAD в системе Power Solution фирмы DELCAM.
Установка формирования заряда компонуется из серийно выпускаемого оборудования для производства различных изделий методом 3D печати, например, таких фирм как Stratasys Inc., 3D Systems, EOS, Z-Corporation, Helisys и др.
Скорость перемещения головки в горизонтальной плоскости регулируется таким образом, чтобы не происходило затвердевание смеси непосредственно на срезе сопла, и по мере наращивания очередного слоя, предыдущий слой находился в затвердевшем состоянии.
Под термином «состав», «смесь» подразумевается вещество, содержащее жидкую фазу (расплав) и наполнитель в твердом, преимущественно кристаллическом состоянии, либо только жидкую фазу расплавленного вещества. В случае наличия твердой фазы, содержание ее в составе не превышает 80%.
В зависимости от выбранных температурных режимов достигаются необходимые качественные и количественные показатели сформированного заряда, а именно - плотность, пористость, структура.
Как показали исследования, оптимальным является вариант, в котором температура литьевого состава в зоне подачи расплава незначительно превышает температуру его затвердевания, например, не более чем на 1-1.5°C, а температура матрицы (корпуса заряда) отличается от температуры окружающей среды, например, не более чем на 20°C. При этом литьевой состав на выходе из головки находится в состоянии глубокого переохлаждения, достигаемого попаданием состава с исходной температурой в зону высокоскоростного объемного охлаждения литьевой головки, имеющей температуру, например, от +20° до 0°C. В этом случае формируется заряд с аморфной структурой затвердевшей жидкой части состава. Фазовый переход происходит моментально без усадки и с отсутствием пористости. Время фазового перехода - доли секунды. В этом случае формируется высококачественный заряд в корпусе, с высокой плотностью и отсутствием дефектов структуры, что позволяет применять его в широком круге изделий [Взрывчатые вещества, том 2. Основные свойства, технология изготовления и переработки / Под редакцией Л.В. Фомичевой, Саров, 2007, с. 400-408].
В качестве примера, можно рассмотреть процесс формирования заряда из литьевых составов на основе 100% тротила (ТНТ) и ТГ-40, состава состоящего из тротила и гексогена в соотношении: тротил - 40% (жидкая фаза) и гексоген - 60% (твердая фаза).
Сечение каждого слоя представляет собой площадь окружности переменного диаметра, изменяющегося по мере увеличения количества слоев. Головка движется по линиям, представляющим хорды окружности каждого слоя, и последовательно перекрывающим все сечение каждого слоя, либо по концентрическим окружностям в пределах каждого слоя, начиная от окружности большего диаметра, при этом скорость движения головки уменьшается по мере уменьшения радиуса окружности или длины хорды, по которым движется головка в пределах каждого слоя. Алгоритм движения головки задается в программном обеспечении и учитывается автоматически исходя из формы матрицы и свойств литьевой смеси.
Основные данные по формированию заряда из указанных составов приведены в таблице.
Важным моментом является то, что структура заряда и его характеристики совершенно одинаковы в любой его части.
Использование способа изготовления литьевого заряда взрывчатого вещества согласно изобретению, помимо высокого качества получаемого заряда - однородной структуры, высокой плотности, отсутствия пористости, позволяет полностью автоматизировать и повысить производительность процесса его получения.