CN105150438B - 碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，它包括芯轴、安装在芯轴上的芯模总体、内楔形筒体、外楔形筒体、上压板、底座、螺杆、上调节板和下调节板，使用本发明的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置后，能对缠绕在芯模总体的纤维进行挤压固化，然后再进行加热和脱模，这样在缠绕和加热之间增加了一道挤压固化工序，能进一步提高碳纤维复合材料薄壁裙型件的尺寸精度，形位公差及表面光洁度。

Description

碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机壳体附属件裙体的成型，具体涉及一种碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置。

背景技术

固体火箭发动机是航天飞行器的动力装置，它是由装药燃烧室、喷管和点火装置构成。作为航天运载和导弹推进系统的重要动力装置，随着航天技术的日新月异，固体火箭发动机的发展趋势是高速度、高精度、小质量、高比冲和高推质比等。固体火箭发动机的壳体结构质量是构成发动机消极质量的最主要部分，对发动机性能影响极大，因此应选用高强轻质的壳体材料。碳纤维复合材料具有高比强度、大比模量、耐高温等性能，近年来常选用先进的复合材料制作固体火箭发动机壳体。随着碳纤维维价格降低和性能提高，碳纤维缠绕复合材料发动机壳体在新型发动机中的应用将越来越广泛。因此碳纤维缠绕壳体的应用是现阶段固体火箭发动机壳体发展的趋势及要求。

碳纤维缠绕壳体由接头、裙体和燃烧室壳体组成。其中，裙体的加工是碳纤维缠绕壳体加工过程中的重点与难点，其主要难点在于：1、裙体结构复杂，壁厚薄弱并且型面渐变；2、要求一次成型；3、尺寸精度要求高，难以保证；4、表面光洁度难以控制等。

现有的碳纤维复合材料缠绕成型工艺是在控制纤维张力和预定线型的条件下，将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律连续地缠绕到相应于制品内腔尺寸的芯模总体(该芯模总体安装在芯轴上)或内衬上。然后进行加热和脱模，获得碳纤维 复合材料薄壁裙型件。然而在上述方式中没有对缠绕后的材料进行挤压，导致最终得到的碳纤维复合材料薄壁裙型件尺寸精度不高。

另外，现有的芯模总体与芯轴为一体式结构，芯模总体为易损件，当芯模总体损坏时，芯模总体与芯轴均需要一起更换，加大了维护成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，该装置能保证碳纤维薄壁裙型件的缠绕精度、形位公差及表面光洁度。

为实现上述目的，本发明所设计的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，它包括芯轴、安装在芯轴上的芯模总体，其特征在于：它还包括内楔形筒体、外楔形筒体、上压板、底座、螺杆、上调节板和下调节板，其中，所述上压板上开设有第一轴孔，上压板的底部开设有能对上调节板顶面径向限位的台阶槽，底座上开设有与第一轴孔同轴的第二轴孔，所述底座上在第二轴孔的边缘设有能对下调节板底面径向限位的定位沉孔，所述底座的顶面设有导向台阶，内楔形筒体的底面设有与导向台阶匹配的导向槽，上调节板的底面边缘设有向下的凸起，下调节板的顶面边缘设有向上的凸缘；

所述下调节板底面设置在定位沉孔内，芯轴的底端从底座的第二轴孔穿出，下调节板的凸缘与芯模总体底面的阶梯面之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件的底面；

所述内楔形筒体通过导向槽和导向台阶与底座连接，外楔形筒体套接在内楔形筒体外表面，外楔形筒体的锥面内侧壁与内楔形筒体的锥面外侧壁贴合，外楔形筒体的底面与底座固定连接，内楔形筒体的锥面内侧壁与芯模总体的外侧壁之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件侧面；

所述上调节板顶面设置在上压板的台阶槽内，芯轴的顶端从上压板的第一轴孔穿出，上调节板的凸起与芯模总体顶面的阶梯面之 间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件的顶部；

所述上压板与底座之间固定连接。

所述芯模总体顶部和底部均设有第三轴孔，两个第三轴孔上均设有键槽，所述芯轴上设有与两个键槽匹配的键块，芯轴穿入芯模总体的两个第三轴孔，键槽与键块向配合，所述芯轴上螺纹连接有两个调节螺母，第一个调节螺母的底面与上调节板顶面贴合，第二个调节螺母的顶面与下调节板的底面贴合。

本发明的工作过程为：先将芯轴和芯模总体装配好，缠绕设备带动芯轴旋转，芯轴依靠键块带动芯模总体旋转，所述芯模总体表面结构与所制裙体产品内型面一致，缠绕时保证裙体产品内型面尺寸精度及形位公差要求，所述芯模总体上部和下部均安装调节板，所述调节板工作时与芯轴同时旋转，所述上下调节板在缠绕时依靠调节螺栓控制裙体产品法兰面的厚度及裙体产品的总高度达到技术要求，调节板在调节产品厚度及高度要求后，依靠与芯轴联接的控制螺母压紧，保证工作时调节板不产生位移损害产品精度，在碳纤维缠绕操作完成后，所述芯模总体外部安装内楔形块，所述内楔形块用于提高裙体外形面尺寸精度及表面光洁度，所述内楔形块依靠锥面与外楔形块装配，所述内、外楔形筒体装配后，其上下端面安装压板和底板并依靠螺杆拉紧，拉紧后裙体产品进行固化工序。

本发明的有益效果在于：

使用本发明的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置后，能对缠绕在芯模总体的纤维进行挤压固化，然后再进行固化加热和脱模，这样在缠绕和固化加热之间增加了一道挤压工序，能进一步提高碳纤维复合材料薄壁裙型件的尺寸精度，形位公差及表面光洁度。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明一个方向上的轴剖面图；

图3为本发明另一个方向上的轴剖面图；

图4为本发明中芯模总体的结构示意图；

图5为本发明中内楔形筒体的结构示意图；

图6为本发明中外楔形筒体的结构示意图；

图7为本发明中底座的结构示意图；

图8为本发明中芯轴的结构示意图。

其中，1—芯轴、1.1—键块、1.2—起吊孔、1.3—台阶凸起、2—芯模总体、2.1—键槽、2.2—第三轴孔、3—内楔形筒体、3.1—导向槽、3.2—垂直降阻槽、4—外楔形筒体、5—上压板、5.1—第一轴孔、5.2—台阶槽、6—底座、6.1—第二轴孔、6.2—定位沉孔、6.3—导向台阶、7—螺杆、8—上调节板、8.1—凸起、9—下调节板、9.1—凸缘、10—被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件、11—螺母、12—调节螺母。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～8所述的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，它包括芯轴1、安装在芯轴1上的芯模总体2、内楔形筒体3、外楔形筒体4、上压板5、底座6、螺杆7、上调节板8和下调节板9，其中，所述上压板5上开设有第一轴孔5.1，上压板5的底部开设有能对上调节板8顶面径向限位的台阶槽5.2，底座6上开设有与第一轴孔5.1同轴的第二轴孔6.1，所述底座6上在第二轴孔6.1的边缘设有能对下调节板9底面径向限位的定位沉孔6.2，所述底座6的顶面设有导向台阶6.3，内楔形筒体3的底面设有与导向台阶6.3匹配的导向槽3.1(导向台阶6.3和导向槽3.1用于使内楔形筒体3在底座6上更容易安装到位，并且保证底座6与内楔形筒体3同步转动)，上调节板8的底面边缘设有向下的凸起8.1，下调节板9的顶面边缘设有向上的凸缘9.1；

所述下调节板9底面设置在定位沉孔6.2内，芯轴1的底端从底 座6的第二轴孔6.1穿出，下调节板9的凸缘9.1与芯模总体2底面的阶梯面之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的底面；

所述内楔形筒体3通过导向槽3.1和导向台阶6.3与底座6连接，外楔形筒体4套接在内楔形筒体3外表面，外楔形筒体4的锥面内侧壁与内楔形筒体3的锥面外侧壁贴合，外楔形筒体4的底面与底座6固定连接，内楔形筒体3的锥面内侧壁与芯模总体2的外侧壁之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10侧面；

所述上调节板8顶面设置在上压板5的台阶槽5.2内，芯轴1的顶端从上压板5的第一轴孔5.1穿出，上调节板8的凸起8.1与芯模总体2顶面的阶梯面之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的顶部；

所述上压板5与底座6之间固定连接。本发明在上压板5与底座6固定之后分别对挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的顶部、底部和侧面进行挤压，确保被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10成型后的精度。

上述技术方案中，所述上压板5与底座6之间通过螺杆7与螺母11固定连接。

上述技术方案中，外楔形筒体4和内楔形筒体3采用锥面配合，装配过程中能实现自动定向定心。

上述技术方案中，所述外楔形筒体4的顶部与上压板5固定连接。所述外楔形筒体4法兰面有螺纹孔，用于产品固化后采用螺栓进行脱模。

上述技术方案中，所述内楔形筒体3锥面的周向均匀设有多个垂直降阻槽3.2。垂直降阻槽3.2用于内楔形筒体3锥面与外楔形筒体4锥面装配时减小接触面积，避免接触面过度配合使装置衍死。

上述技术方案中，所述芯模总体2顶部和底部均设有第三轴孔2.2，两个第三轴孔2.2上均设有键槽2.1，所述芯轴1上设有与两个键槽2.1匹配的键块1.1，芯轴1穿入芯模总体2的两个第三轴孔2.2， 键槽2.1与键块1.1像配合，所述芯轴1上螺纹连接有两个调节螺母12，第一个调节螺母12的底面与上调节板8顶面贴合，第二个调节螺母12的顶面与下调节板9的底面贴合，通过调节两个调节螺母12，可以实现上调节板8和下调节板9压紧程度的调节，方便对被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的加压程度进行控制。芯模总体2采用分体结构，包括盖板与筒体，节约材料降低成本。

上述技术方案中，所述芯模总体2底部的第三轴孔2.2小于芯模总体2顶部的第三轴孔2.2，所述芯轴1上设有与芯模总体2底部的第三轴孔2.2配合的台阶凸起1.3，芯模总体2底部的第三轴孔2.2用于顶住台阶凸起1.3实现芯轴1的定位。本发明中芯模总体2与芯轴1为上述可拆卸式结构，方便了零部件的更换，一旦芯模总体2使用后出现划伤影响缠绕效果，可以只更换芯模总体2，降低了设备的维护成本。

上述技术方案中，所述芯轴1上设有起吊孔1.2。起吊孔1.2用于在缠绕时对芯轴1进行起吊。所述芯轴1采用台阶式设计，台阶高度差2mm，脱模时便于芯轴的抽取。

上述技术方案中，所述上调节板8和下调节板9均套在芯轴1上，并且上调节板8和下调节板9与芯轴1之间通过键连接，保证上调节板8和下调节板9与芯轴1同步旋转。

本发明中的芯模总体2与芯轴1装配，然后进行缠绕工序，缠绕工序完成后进行外楔形筒体4和内楔形筒体3的安装，并安装上调节板8和下调节板9，然后采用螺杆7和螺母11将上压板5与底座6压紧，这样上压板5与底座6通过上调节板8和下调节板9对被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的顶面和底面进行挤压固定，同时，外楔形筒体4通过内楔形筒体3对被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10侧面进行挤压固定，被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件10的顶部、底部和侧面被压紧固定后，采用芯轴1的起吊孔1.2起吊，进炉固化，固化后进行脱模。用上述装置对该碳纤维复合材料裙型件加工后，产品精度较高，完全满足产品设计精度要求，壁 厚偏差不大于±0.06mm；端面平面度不大于0.04mm；内孔、外型面的同轴度不大于0.15mm；内孔尺寸控制在φ327.4±0.1mm；法兰面厚度控制在5±0.05mm，总高度控制在130±0.3mm；内外表面粗糙度均为Ra1.6，技术效果明显。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，它包括芯轴(1)、安装在芯轴(1)上的芯模总体(2)，其特征在于：它还包括内楔形筒体(3)、外楔形筒体(4)、上压板(5)、底座(6)、螺杆(7)、上调节板(8)和下调节板(9)，其中，所述上压板(5)上开设有第一轴孔(5.1)，上压板(5)的底部开设有能对上调节板(8)顶面径向限位的台阶槽(5.2)，底座(6)上开设有与第一轴孔(5.1)同轴的第二轴孔(6.1)，所述底座(6)上在第二轴孔(6.1)的边缘设有能对下调节板(9)底面径向限位的定位沉孔(6.2)，所述底座(6)的顶面设有导向台阶(6.3)，内楔形筒体(3)的底面设有与导向台阶(6.3)匹配的导向槽(3.1)，上调节板(8)的底面边缘设有向下的凸起(8.1)，下调节板(9)的顶面边缘设有向上的凸缘(9.1)；

所述下调节板(9)底面设置在定位沉孔(6.2)内，芯轴(1)的底端从底座(6)的第二轴孔(6.1)穿出，下调节板(9)的凸缘(9.1)与芯模总体(2)底面的阶梯面之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件(10)的底面；

所述内楔形筒体(3)通过导向槽(3.1)和导向台阶(6.3)与底座(6)连接，外楔形筒体(4)套接在内楔形筒体(3)外表面，外楔形筒体(4)的锥面内侧壁与内楔形筒体(3)的锥面外侧壁贴合，外楔形筒体(4)的底面与底座(6)固定连接，内楔形筒体(3)的锥面内侧壁与芯模总体(2)的外侧壁之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件(10)侧面；

所述上调节板(8)顶面设置在上压板(5)的台阶槽(5.2)内，芯轴(1)的顶端从上压板(5)的第一轴孔(5.1)穿出，上调节板(8)的凸起(8.1)与芯模总体(2)顶面的阶梯面之间用于挤压被加工碳纤维复合材料薄壁裙型件(10)的顶部；

所述上压板(5)与底座(6)之间固定连接；

所述内楔形筒体(3)锥面的周向均匀设有多个垂直降阻槽(3.2)；

所述芯模总体(2)顶部和底部均设有第三轴孔(2.2)，两个第三轴孔(2.2)上均设有键槽(2.1)，所述芯轴(1)上设有与两个键槽(2.1)匹配的键块(1.1)，芯轴(1)穿入芯模总体(2)的两个第三轴孔(2.2)，键槽(2.1)与键块(1.1)相配合，所述芯轴(1)上螺纹连接有两个调节螺母(12)，第一个调节螺母(12)的底面与上调节板(8)顶面贴合，第二个调节螺母(12)的顶面与下调节板(9)的底面贴合；

所述芯轴(1)采用台阶式设计；

所述芯模总体(2)底部的第三轴孔(2.2)小于芯模总体(2)顶部的第三轴孔(2.2)，所述芯轴(1)上设有与芯模总体(2)底部的第三轴孔(2.2)配合的台阶凸起(1.3)，芯模总体(2)底部的第三轴孔(2.2)用于顶住台阶凸起(1.3)实现芯轴(1)的定位。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，其特征在于：所述上压板(5)与底座(6)之间通过螺杆(7)与螺母(11)固定连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，其特征在于：所述外楔形筒体(4)的顶部与上压板(5)固定连接。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，其特征在于：所述芯轴(1)上设有起吊孔(1.2)。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料薄壁裙型件的缠绕固化装置，其特征在于：所述上调节板(8)和下调节板(9)均套在芯轴(1)上，并且上调节板(8)和下调节板(9)与芯轴(1)之间通过键连接。