CN107415121B - 用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法及成型模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，所述隔舱式隔离装置包括金属隔舱本体、上部绝热层及底部绝热层，以及非对称布置在所述金属隔舱本体中心部位轮辐之间的发火孔。隔舱装置采用先预成型底部非金属绝热层，然后再将预成型体与金属隔舱本体加预混料整体成型上部绝热层和轮辐之间的绝热层的成型方案，解决了带复杂金属嵌件隔舱装置的双面模压成型的难题；隔舱装置中的金属嵌入件结构复杂，整体模压前除底部内螺纹后续加工外，其它要素全部加工到位，解决了模压后再大量机械加工的难题；将成型模具分为预成型模压模具和整体模压模具两套，在保证模压成型尺寸和质量的基础上，大大降低了模具设计难度和加工难度。

Description

用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法及成型模具
技术领域
本发明涉及脉冲固体火箭发动机隔离装置隔舱的加工成型技术领域，具体地指一种用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法及成型模具。
背景技术
脉冲发动机是利用隔离装置将固体火箭发动机的燃烧室分成若干部分，进行多次关机和启动，合理分布推力及各脉冲间隔时间，实行导弹飞行弹道的最优控制和发动机能量的最优管理，全面提高战术导弹的性能。以双脉冲发动机为例，与传统的单推力或单室双推力发动机相比具有四大优点：双射程攻击能力；射程更远、杀伤区域更大；机动性更强、精度更高；不可逃逸区域更大。即在同等条件下，采用双脉冲固体发动机作为动力系统的导弹，其末速度可提高20％，射程可增大约20％～30％，空域可扩大1.5～2倍。
脉冲发动机隔离装置的典型结构有两种：隔舱式和隔层式。隔舱式隔离装置是通过级间隔舱将燃烧室分隔成多个独立的燃烧室舱体，隔舱既要隔热又要承力，根据隔舱的结构形式可分为非金属易脆式隔舱、喷射棒式隔舱和金属膜片式隔舱。隔层式隔离装置在结构上采用隔层把各脉冲药柱沿轴向或径向隔离，各脉冲药柱分别点火。隔层主要采用轻质、易脆限燃层材料，其阻燃和隔热的作用，不需要承力。
脉冲发动机采用隔舱式隔离装置，其主要由复杂空间结构轮辐式金属隔舱本体的支撑部分和金属本体上的绝热结构两部分组成，其成型工艺方案和制造质量对脉冲发动机发挥最优能量管理和弹道分布等功能起着非常重要和关键性作用。
金属隔舱本体为轮辐式结构，空间结构和型面较为复杂，同时金属隔舱本体双面及轮辐(非对称发火孔)之间均有绝热结构，如何保证绝热层双面成型及内部质量，是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是要针对传统加工方法的不足，提供一种能保证隔舱装置模压后少余量加工、少变形的用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法及成型模具。
为实现上述目的，本发明所设计的用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，所述隔舱式隔离装置包括金属隔舱本体、上部绝热层及底部绝热层，以及非对称布置在所述金属隔舱本体中心部位轮辐之间的发火孔；所述成型方法包括如下步骤：
1)确定金属隔舱本体坯件结构，确定金属隔舱本体坯件在模压成型前的加工要素及模压成型后的加工要素，并机械加工金属隔舱本体坯件；
确定金属隔舱本体坯件的内螺纹孔模压成型后加工，确定上部绝热层的内孔加工余量a、上部绝热层的上端面加工余量b及上部绝热层的外圆面加工余量c，以及确定下部绝热层的下端面加工余量d；且确定发火孔中的绝热结构按照实心模压；
2)预先模压底部绝热层的预成型体；
将预混料填入预成型模压模具中，将预成型模压模具装在平板硫化机上进行模压成型预成型体；
3)整体模压成型；
将步骤2)中的预成型体和步骤1)中的金属隔舱本体坯件依次放入整体模压模具中并加预混料整体模压成型；
4)机械加工形成所需产品；
将经过步骤3)整体模压成型的产品机械加工上部绝热层内孔、上部绝热层上端面及上部绝热层外圆面的加工余量；并机械加工发火孔处的绝热结构内孔；最后机械加工底部绝热层下端面加工余量及内螺纹孔。
进一步地，所述步骤1)中，确定上部绝热层的上部弧面及底部绝热层的上部弧面采用净尺寸成型；且加工余量a、加工余量b、加工余量c及加工余量d均为2～3mm。
进一步地，所述步骤2)中，模压成型预成型体工艺参数过程为：预成型模压模具预热至60～80℃并保温使预成型模压模具温度场均匀，然后加预混料并反复压实后在70～90℃下保温30～40min。
进一步地，所述步骤2)中，预成型体的厚度尺寸比整体模压时型腔厚度大4～6mm，预成型体的直径尺寸比整体模压时型腔直径小 2～3mm。
进一步地，所述步骤3)中金属隔舱本体坯件与预成型体的接触面喷砂处理；然后将预成型体装配至整体模压模具的下模腔中，并放置金属隔舱本体；装配到位后再加料，加料时捣实发火孔处的预混料；最后合模整体模压成型。
进一步地，所述步骤3)中，整体模压成型的工艺参数过程为：整体模压模具升温至85～95℃预热并加预混料，升温至100～105℃并加压，然后升温至130～140℃并保温，再升温至170～180℃并保温，最后冷却至室温出模。
进一步地，所述步骤4)中，所有机械加工时均不使用冷却液，且所有机械加工后的加工面均均匀涂覆防潮胶，所述防潮胶采用的是由环氧树脂和聚氨酯树脂调和的防潮胶。
进一步地，所述步骤2)中的预混料和所述步骤3)中的预混料均为由高硅氧玻璃纤维纱和酚醛树脂制作成的丝状预混料。
一种成型上述所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型模具，所述成型模具包括预成型模压模具和整体模压模具；
所述预成型模压模具包括预成型上模、预成型下模及位于预成型下模型腔内的预成型顶出器，以及开设在预成型下模底部且正对应于预成型顶出器下表面的预成型顶丝孔；
所述整体模压模具包括整体上模部分及整体下模部分，所述整体上模部分与所述整体下模部分通过导柱和导套定位连接；
所述整体上模部分由外至内依次包括整体上模板、整体上模及整体上模芯，以及安装在整体上模上的上模电热管、安装在整体上模上的中套和安装在整体上模上的压环；
所述整体下模部分由外至内依次包括整体下模板、整体下模及整体下模本体，以及安装在整体下模上的下模电热管、安装在整体下模本体上的下模本体电热管及安装在整体下模本体内的整体模压顶出器。
进一步地，所述预成型上模与所述预成型下模之间采用锥面配合，所述预成型顶出器上端面设置有凹槽；所述整体模压模具外表面、上部及下部均设置有隔热板。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、隔舱装置采用先预成型底部非金属绝热层(即预成型体)，然后再将预成型体与金属隔舱本体加预混料整体成型上部绝热层和轮辐之间的绝热层(即发火孔)的成型方案，解决了带复杂金属嵌件隔舱装置的双面模压成型的难题；
2、隔舱装置中的金属嵌入件(即金属隔舱本体)结构复杂，整体模压前除底部内螺纹后续加工外，其它要素全部加工到位，解决了模压后再大量机械加工的难题(因非金属加工不能加冷却液)；
3、隔舱装置中的五处发火孔绝热结构成型为实心结构，后续采用数控加工的方法加工，简化了模具结构(若五处发火孔若直接模压成型，模具定位和分离结构很难实现)；
4、采用合适的预成型工艺参数，既保证预成型体尺寸，同时保证后续上部所加预混料与底部预成型体及轮辐之间的绝热结构进一步交联固化，满足其结构内部质量；
5、将模具分为预成型模压模具和整体模压模具两套，在保证模压成型尺寸和质量的基础上，大大降低了模具设计难度和加工难度。
附图说明
图1为本发明用于脉冲发动机隔舱式隔离装置零件结构示意图；
图2为图1的剖视示意图；
图3为图1的俯视示意图；
图4为本实施例中金属隔舱本体坯件结构示意图；
图5为本实施例中预成型模压模具工装示意图；
图6为本实施例中预成型体结构示意图；
图7为本实施例中整体模压模具工装示意图。
图中各部件标号如下：
隔舱式隔离装置10、上部绝热层11、金属隔舱本体12、底部绝热层13、发火孔14、金属隔舱本体坯件15、预成型体16；
预成型模压模具20、预成型上模21、预成型下模22、预成型顶出器23、预成型顶丝孔24、凹槽25；
整体模压模具30、整体上模板31、整体上模32、整体上模芯33、中套34、压环35、整体下模本体36、整体下模板37、整体下模38、整体模压顶出器39；
隔热板40、上模电热管41、下模本体电热管42、下模电热管43、导柱44、导套45。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
结合图1、图2及图3所示，针对外形尺寸直径约为250mm、高度约为170mm的用于脉冲发动机隔舱式隔离装置10，其包括金属隔舱本体12、上部绝热层11及底部绝热层13，以及非对称布置在金属隔舱本体12中心部位轮辐之间的五个发火孔14。
本实施例中的用于脉冲发动机隔舱式隔离装置，由于其上下两面均有绝热层，无法一次加预混料保证两面的绝热层同时成型，传统的一次成型方案会导致底部无法加预混料以及金属嵌入件无法正确定位，因此本发明成型方法而设计的成型模压模具分为两套，分别为底部绝热层预成型模压模具和隔舱装置整体模压模具。
因此，本发明的成型方法包括如下步骤：
1)确定金属隔舱本体坯件结构，即确定金属隔舱本体坯件在模压成型前的加工要素及模压成型后的加工要素，并机械加工金属隔舱本体坯件15；
确定金属隔舱本体坯件的M230×2内螺纹孔模压成型后加工外，其它要素均在模压前全部加工到位；并确定上部绝热层的内孔加工余量a、上部绝热层的上端面加工余量b及上部绝热层的外圆面加工余量c，以及确定下部绝热层的下端面加工余量d，这些加工余量均供模压后机械加工保证装配公差要求；且确定发火孔中的绝热结构按照实心模压，后续采用数控加工保证该处的发火孔要素且绝热结构内孔；
另外，确定上部绝热层的上部弧面及底部绝热层的上部弧面采用净尺寸成型，不留余量直接净尺寸成型可以保证表观致密度从而增加抗高温烧蚀能力；且加工余量a、加工余量b、加工余量c及加工余量d均为2～3mm，能有效消除直接模压成型时整体成型模具和预成型模具定位导致的产品偏差，后续采用机械加工方法保证装配公差要求，如图4所示；
2)预先模压底部绝热层的预成型体；
将由高硅氧玻璃纤维纱和酚醛树脂制作成的丝状预混料填入预成型模压模具(图5)中，将预成型模压模具装在平板硫化机上进行 (低温)模压成型预成型体16，如图6所示；
模压成型预成型体工艺参数过程为：预成型模压模具预热至 60～80℃(优选为70℃)并保温使预成型模压模具温度场均匀，然后加预混料并反复压实后在70～90℃(优选85℃)下保温30～40min；
且确保预成型体的厚度尺寸比整体模压时型腔厚度大4～6mm，预成型体的直径尺寸比整体模压时型腔直径小2～3mm；预成型体厚度尺寸较产品自身尺寸厚是为了保证整体模压时预成型体再次交联固化前充满模具型腔并保证产品的密实性，预成型体直径尺寸较产品自身尺寸小是为了证便于整体模压时预成型体能顺利装入模具型腔中；
3)整体模压成型；
将步骤2)中的预成型体16与步骤1)中的金属隔舱本体坯件15接触面进行喷砂处理，增加二者的连接强度；然后将预成型体装配至整体模压模具的下模腔中，并放置金属隔舱本体使之金属隔舱本体位于预成型体上方；装配到位后再加由高硅氧玻璃纤维纱和酚醛树脂制作成的丝状预混料，加预混料时捣实发火孔处的预混料，防止出现疏松等缺陷；最后合模整体模压成型；
整体模压成型的工艺参数过程为：整体模压模具升温至85～95℃ (优选为90℃)预热并加预混料，升温至100～105℃(优选为102℃) 并加压，然后升温至130～140℃(优选为135℃)并保温，再升温至 170～180℃(优选为175℃)并保温，最后冷却至室温出模；
步骤2)中预成型体的模压工艺参数与步骤3)中最终整体模压成型的参数为不一样，主要是为了保证其在低温下预固化成型为需要的尺寸，但其内部组织未完全固化，在后续最终整体模压高温条件下再次交联固化并与隔舱装置上部绝热层及五处发火孔处的绝热结构形成整体(不产生界面而融为一体)；
4)机械加工形成所需产品；
将经过步骤3)整体模压成型的产品机械加工上部绝热层内孔、上部绝热层上端面及上部绝热层外圆面的加工余量(保证接口尺寸及公差)；并机械加工发火孔处的绝热结构内孔(注意观察该部位是否存在疏松缺陷及界面)；最后机械加工底部绝热层下端面加工余量及内螺纹孔；
且所有机械加工时均不使用冷却液，所有机械加工后的加工面均均匀涂覆防潮胶，防潮胶采用的是由环氧树脂和聚氨酯树脂调和的防潮胶，提高其防潮能力。
成型上述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型模具，成型模具包括预成型模压模具20和整体模压模具30；预成型模压模具20 包括预成型上模21、预成型下模22及位于预成型下模22型腔内的预成型顶出器23，以及开设在预成型下模22底部且正对应于预成型顶出器23下表面的预成型顶丝孔24；预成型上模21与预成型下模 22之间采用锥面配合结构定位，保证预成型上模21和预成型下模22合模时能找正和对中，另外，预成型顶出器23上端面设置有凹槽 25，共后续预成型体16整体模压装模时初步定为用。
本实施例的预成型模压模具不需要设计加热系统，可通过平板硫化机上下平台上的加热板对预成型模压模具加热。预成型下模通过压板连接在平板硫化机的下平台上，下模腔与下模板连接同时是模具的加料腔，保证预成型体的下部型面；预成型上模通过压板安装在硫化机上平台上，其中预成型上模型面保证预成型体的上部分结构；预成型下模底部设置预成型顶出器和顶丝孔，通过螺钉将预成型体从预成型下模型腔中顶出。
整体模压模具30包括整体上模部分及整体下模部分，整体上模部分与整体下模部分通过导柱44和导套45定位连接，保证整体上模部分和整体下模部分的定位精度，防止啃模情况的发生；
整体上模部分由外至内依次包括整体上模板31、整体上模32及整体上模芯33，以及安装在整体上模32上的上模电热管41、安装在整体上模32上的中套34和安装在整体上模32上的压环35；
整体下模部分由外至内依次包括整体下模板37、整体下模38及整体下模本体36，以及安装在整体下模38上的下模电热管43、安装在整体下模本体36上的下模本体电热管42及安装在整体下模本体36内的整体模压顶出器39；
另外，整体模压模具外表面、上部及下部均设置有隔热板，减小整体模压模具热量损失。
本实施例中整体模压模具的加热方式采用电加热，在整体模压模具中布置有均匀分布的电热管-即上模电热管41、下模本体电热管 42及下模电热管43，电热管的功率计算采用经验公式法，保证在一定的时间能将整体模压模具加热到所需要的温度并保持恒定的温度。加热功率的经验公式为：模具加热所需要的总功率 W＝0.24G(T2-T1)＝Gη。式中G为模具重量；0.24为常数；T2为所需模具的温度；T1为模具未加热前的温度；η指每单位重量的钢加热至所需温度所需的电功率。隔舱装置成型模具属于中型模具，η一般取30W/Kg，经过计算本套模具总的加热功率约为20KW。

Claims (10)

1.一种用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，所述隔舱式隔离装置(10)包括金属隔舱本体(12)、上部绝热层(11)及底部绝热层(13)，以及非对称布置在所述金属隔舱本体(12)中心部位的发火孔(14)；其特征在于：所述成型方法包括如下步骤：
1)确定金属隔舱本体坯件结构，确定金属隔舱本体坯件在模压成型前的加工要素及模压成型后的加工要素，并机械加工金属隔舱本体坯件(15)；
确定金属隔舱本体坯件的内螺纹孔模压成型后加工，确定上部绝热层的内孔加工余量a、上部绝热层的上端面加工余量b及上部绝热层的外圆面加工余量c，以及确定底部绝热层的下端面加工余量d；且确定发火孔中的绝热结构按照实心模压；
2)预先模压底部绝热层的预成型体(16)；
将预混料填入预成型模压模具中，将预成型模压模具装在平板硫化机上进行模压成型预成型体；
3)整体模压成型；
将步骤2)中的预成型体和步骤1)中的金属隔舱本体坯件依次放入整体模压模具中并加预混料整体模压成型；
4)机械加工形成所需产品；
将经过步骤3)整体模压成型的产品机械加工上部绝热层内孔、上部绝热层上端面及上部绝热层外圆面的加工余量；并机械加工发火孔处的绝热结构内孔；最后机械加工底部绝热层下端面加工余量及内螺纹孔。
2.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤1)中，确定上部绝热层的上部弧面及底部绝热层的上部弧面采用净尺寸成型；且加工余量a、加工余量b、加工余量c及加工余量d均为2～3mm。
3.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤2)中，模压成型预成型体工艺参数过程为：预成型模压模具预热至60～80℃并保温使预成型模压模具温度场均匀，然后加预混料并反复压实后在70～90℃下保温30～40min。
4.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤2)中，预成型体的厚度尺寸比整体模压时型腔厚度大4～6mm，预成型体的直径尺寸比整体模压时型腔直径小2～3mm。
5.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤3)中金属隔舱本体坯件与预成型体的接触面喷砂处理；然后将预成型体装配至整体模压模具的下模腔中，并放置金属隔舱本体；装配到位后再加料，加料时捣实发火孔处的预混料；最后合模整体模压成型。
6.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤3)中，整体模压成型的工艺参数过程为：整体模压模具升温至85～95℃预热并加预混料，升温至100～105℃并加压，然后升温至130～140℃并保温，再升温至170～180℃并保温，最后冷却至室温出模。
7.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤4)中，所有机械加工时均不使用冷却液，且所有机械加工后的加工面均均匀涂覆防潮胶，所述防潮胶采用的是由环氧树脂和聚氨酯树脂调和的防潮胶。
8.根据权利要求1所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法，其特征在于：所述步骤2)中的预混料和所述步骤3)中的预混料均为由高硅氧玻璃纤维纱和酚醛树脂制作成的丝状预混料。
9.一种如权利要求1中所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法的成型模具，其特征在于：所述成型模具包括预成型模压模具(20)和整体模压模具(30)；
所述预成型模压模具(20)包括预成型上模(21)、预成型下模(22)及位于预成型下模(22)型腔内的预成型顶出器(23)，以及开设在预成型下模(22)底部且正对应于预成型顶出器(23)下表面的预成型顶丝孔(24)；
所述整体模压模具(30)包括整体上模部分及整体下模部分，所述整体上模部分与所述整体下模部分通过导柱(44)和导套(45)定位连接；
所述整体上模部分由外至内依次包括整体上模板(31)、整体上模(32)及整体上模芯(33)，以及安装在整体上模(32)上的上模电热管(41)、安装在整体上模(32)上的中套(34)和安装在整体上模(32)上的压环(35)；
所述整体下模部分由外至内依次包括整体下模板(37)、整体下模(38)及整体下模本体(36)，以及安装在整体下模(38)上的下模电热管(43)、安装在整体下模本体(36)上的下模本体电热管(42)及安装在整体下模本体(36)内的整体模压顶出器(39)。
10.根据权利要求9所述用于脉冲发动机隔舱式隔离装置的成型方法的成型模具，其特征在于：所述预成型上模(21)与所述预成型下模(22)之间采用锥面配合，所述预成型顶出器(23)上端面设置有凹槽(25)；所述整体模压模具(30)外表面、上部及下部均设置有隔热板(40)。
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