CN108675907B - 一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺，通过在药柱成型模具上端设计的漏斗,并且调制过量30％药浆浇注在漏斗中，调整漏斗内装药高度，将含石蜡燃料药柱在固化时的收缩量控制在漏斗中。通过分段快速冷却的方法，将含石蜡燃料药浆浇注于模具中，将装有药浆的模具放置于低温的酒精容器中快速冷却，使上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙；放置前在芯模表面粘贴一层硫酸纸并喷涂脱模剂，将芯模与药浆隔离，保证含石蜡燃料药柱几何形状完整性。通过更换模具芯模制备不同内孔几何形状的含石蜡燃料药柱；通过更换陶瓷管实现成型模具的多次重复使用，操作方便可靠，且缩短实验准备周期，同时降低实验成本。

Description

一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺
技术领域
本发明涉及固液混合火箭发动机推进剂技术，具体地说，涉及一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺。
背景技术
固液混合发动机以固体燃料和液体氧化剂作为推进剂，并且燃料和氧化剂分开储存，因此具有使用安全性较高、推力可调节及多次启动、燃气无毒优点，是一种极具发展与应用潜力的航天发动机。从美国杂志Journal of Propulsion&Power 2002年第18卷第3期621页至630页Karabeyoglu M A和Cantwell B J.所发表的文章题目为Combustion ofLiquefying Hybrid Propellants的第二部分Stability of Liquid Films中可知，上世纪末斯坦福大学Arif团队发明了含石蜡燃料，在高速燃气气流动力作用下，石蜡燃面熔化层失稳，以小液滴的形式被高速燃气气流夹带至燃气中心区域，因此其燃面退移速率比传统燃料高3～4倍，例如端羟基聚丁二烯；且价格更为低廉，为固液混合发动机技术发展注入了新的活力。
2003年在美国佛罗里达州奥兰多举办的美国航空航天学会及美国工程教育学会推进联合大会中Piscitelli F,Saccone G和Gianvito A在Manufacturing Processes ofParaffin Grains as Fuel for Hybrid Rocket Engine中公开了一种含石蜡燃料药柱及其制作方法。该含石蜡燃料药柱及其制作方法是将熔融石蜡充满到一根兼作隔热层的酚醛管子中，两头用高温环氧树脂将ATJ石墨绝热材料粘上，再用涂覆特氟隆的聚乙烯端盖封住。然后使管子以1500rpm的速度绕轴旋转，数小时后石蜡固化收缩，离心力使得药柱中心出现光滑的中心孔。大发动机需要其它的浇注方法，很大的发动机要将石蜡以盘状叠放进去。该方法只能制备燃面为圆孔的含石蜡燃料药柱，无法制备特殊燃面药型；无法稳定和精确保证药柱内孔的几何尺寸；由于离心力作用，该方法无法制备含添加剂的药柱；因无法除去药柱中的气泡而不能保证药柱结构完整性；药柱制备装置复杂，操作可控性低，而且制备效率低。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺，该成型模具及成型工艺可制备不同配方含石蜡燃料药柱，并且保证药柱尺寸达到设计要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:含石蜡燃料药柱的成型模具包括漏斗、陶瓷管、芯模、螺纹杆、底座、蝶形螺母、密封圈，所述芯模与底座配合螺纹连接，芯模底端螺纹的退刀槽处装有密封圈，以防止在浇注和固化过程中药浆渗漏；所述陶瓷管固定安装在芯模的底座凹槽内，且以凹槽内边缘为基准调节陶瓷管的位置，陶瓷管与底座凹槽壁面贴合，芯模与陶瓷管同轴线，陶瓷管与底座之间通过密封圈密封；漏斗位于陶瓷管顶端部，多根螺纹杆分别穿过漏斗法兰盘与底座法兰盘上螺孔，并通过蝶形螺母拧紧，漏斗、陶瓷管和底座连接并固定为一体，且底座、芯模、陶瓷管和漏斗同轴安装；其成型工艺包括以下步骤:
步骤1.将含石蜡燃料放置在成型模具内；放置前在芯模表面粘贴一层厚度为0.01mm的硫酸纸，并喷涂厚度为0.05μm的SEA183脱模剂，将芯模与药浆隔离，脱模时药柱连同硫酸纸从芯模上脱下；
步骤2.在药柱成型过程中，将含石蜡燃料收缩段控制在漏斗中，根据58#半精炼石蜡固化收缩率为17％，调制过量30％药浆，多余13％药浆在陶瓷管上端的漏斗中收缩，以确保每种配方含石蜡燃料药柱在陶瓷管段始终满足设计尺寸；
步骤3.在含石蜡药浆中添加2％纳米碳粉增加药柱黑度、减缓沿径向传热以保证药形结构；
步骤4.通过分段快速冷却的方法，将含石蜡燃料药浆浇注于模具中，然后将装有药浆的模具放置于-20℃的酒精容器中快速冷却，酒精液面与模具的中间位置平齐，使得下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的缝隙；使药浆下半段冷却至石蜡凝固点58℃，然后再将其放入可程式恒温真空干燥箱固化除去气泡，对于纯石蜡燃料固化温度为60℃，对于添加粘合剂体系的含石蜡燃料其固化温度为80℃；
步骤5.待药柱固化后取出，拆除模具法兰盘上的螺杆，使用线切割方式沿陶瓷管与漏斗间的细缝切入，将漏斗段药柱及漏斗去除，同时将芯模与底座分离，使用脱模机将芯模与药柱分离。
有益效果
本发明提出的一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺，采用自由装填方式装药，通过成型模具，采用真空浇注法，按照一定的成型工艺制备不同配方含石蜡燃料药柱，并且保证药柱尺寸达到设计要求。
本发明含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺，通过分段冷却的方法，使石蜡自动填补因凝固产生的收缩孔内，从而解决因石蜡凝固收缩造成药柱结构不完整的缺陷。通过在药柱成型模具上端设计的漏斗,并且调制过量30％药浆浇注在漏斗中，将含石蜡燃料药柱在固化时的收缩量控制在漏斗中，可解决药柱因固化过程收缩而造成几何尺寸不符合设计要求的问题。通过调整漏斗中装药高度，解决不同配方含石蜡燃料的收缩问题，该成型模具适用于不同配方的含石蜡燃料药柱浇注成型过程。通过更换芯模形状即可制备不同内孔几何形状的含石蜡燃料药柱。通过在芯模上粘附硫酸纸，真空浇注和真空固化除去气泡，方便脱模且保证含石蜡燃料药柱几何形状完整性。通过更换陶瓷管即可实现该成型模具的多次重复使用，操作方便可靠，且缩短实验准备周期，同时降低实验成本。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺作进一步详细说明。
图1为本发明的含石蜡燃料药柱的成型模具示意图。
1.漏斗 2.陶瓷管 3.芯模 4.螺杆 5.底座 6.蝶形螺母 7.密封圈
具体实施方式
本实施例是一种含石蜡燃料药柱的成型模具及成型工艺。
参阅图1,本实施例中，含石蜡燃料药柱的成型模具由漏斗1、底座5、芯模3、陶瓷管2和螺杆4、蝶形螺母6组成，芯模3底端有外螺纹与底座5对应的内螺纹配合连接，在芯模3底端外螺纹的退刀槽处安装有密封圈，用于防止在浇注和固化过程中药浆的渗漏。将陶瓷管2放置在已安装的芯模3的底座5凹槽内，并且以底座5凹槽内边缘为基准调整陶瓷管2的位置，使陶瓷管2与底座5凹槽壁面贴合，以使芯模3与陶瓷管2同轴线安装，陶瓷管2与底座5之间通过密封圈7密封。漏斗1放置在陶瓷管2顶端，以漏斗1下端外边缘为基准与陶瓷管2对齐，并通过密封圈7密封。同时绕漏斗1轴线旋转漏斗，使漏斗法兰盘上的螺孔与底座法兰盘上螺孔对齐，将螺杆4分别穿入上下螺孔中并通过蝶形螺母6拧紧，将漏斗1、陶瓷管2和底座5连接为一体，且底座5、芯模3、陶瓷管2和漏斗1同轴安装。
本实施例中，含石蜡燃料是以石蜡和有机高分子粘合剂为原料，在固化过程中与模具粘接严重、脱模困难。为防止含石蜡燃料药柱成型后芯模脱出困难，避免在脱模过程中损伤药柱内孔的几何形状及药柱的完整性，在芯模表面粘贴一层厚度为0.01mm硫酸纸，在硫酸纸表面喷涂厚度为0.05μm的SEA183脱模剂。由于硫酸纸质地坚实密致，渗透抵抗力强，纸张厚度为0.01mm，对于整个药柱所占质量小且可燃烧，对药柱点火、燃烧及内弹道性能无影响。
在药柱成型过程中，石蜡凝固时会发生收缩，影响固化成型后药柱的尺寸和结构，且不同配方含石蜡燃料收缩量存在较大差异，为保证含石蜡燃料药柱成型模具的适用性，将收缩段控制在漏斗中。根据58#半精炼石蜡固化收缩率为17％，调制过量30％药浆，多余13％药浆在陶瓷管上端的漏斗中收缩，以使每种配方含石蜡燃料药柱在陶瓷管段满足设计尺寸。
纯石蜡燃料黑度较小，热量沿药柱径向传递快，易导致药柱坍塌，在石蜡药浆中添加2％纳米碳粉增加药柱黑度、减缓沿径向传热以保证药形结构。但纯石蜡药浆黏度较小且相变潜热较大，在药柱凝固过程中易导致碳粉沉降，因此需快速冷却使得石蜡凝固。石蜡在凝固时收缩严重易产生空隙，需分段进行冷却，将含石蜡燃料药浆浇注于模具中，然后将装有药浆的模具放置于-20℃的酒精容器中快速冷却，酒精液面与模具的中间位置平齐，使得下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，同时可解决因冷却时间长导致碳粉分布不均的问题。
对于含石蜡燃料药柱成型时，当药浆浇入模具且流平后，采取分段冷却，先使药浆下半段冷却至石蜡凝固点58℃，然后再将其放入可程式恒温真空干燥箱固化，对于纯石蜡燃料其固化温度为60℃，对于添加粘合剂体系的含石蜡燃料其固化温度为80℃。待药柱固化完毕后，拆除模具法兰盘上的螺杆，使用线切割方式沿陶瓷管与漏斗间的细缝切入，将漏斗段药柱及漏斗去除，同时将芯模与底座分离，使用脱模机将芯模与药柱分离。
在含石蜡燃料制备时，先将石蜡加热至100℃熔化为液态，然后向其中加入无水硫酸镁除去石蜡中的水分，以防止燃料制备过程中因石蜡含水而影响固化效果，其石蜡与无水硫酸镁比例为20:1，加入无水硫酸镁用玻璃棒充分搅拌后在100℃环境中静置90min，使得石蜡和硫酸镁分层，将上层石蜡清液分离出来以用作含石蜡燃料制备的原料。
在药柱浇注的芯模表面粘贴一层厚度为0.01mm硫酸纸，然后在硫酸纸上喷涂厚度为0.05μm的SEA183脱模剂，并将芯模与底座螺纹连接，确保芯模与底座垂直同轴线，将两个密封圈分别放置在漏斗和底座的密封槽中，将陶瓷管固定在漏斗和底座之间，漏斗、芯模、陶瓷管及底座同轴线安装，然后通过螺杆和蝶形螺母配合固定。
对于纯石蜡燃料药柱制备时，取已除水石蜡于干净烧杯中，并且放置在加热温度为100℃的加热器中，待石蜡完全熔化后停止加热，取纳米碳粉加入已熔化的石蜡中并充分搅拌，其中石蜡与碳粉的质量比例为50:1。
待混合的石蜡、碳粉的溶液温度降至80℃时，将其倾倒入装配好的模具中直至液面距离漏斗顶部40mm；除去药浆中的空气，将其在80℃、-0.095MPa环境中抽真空5min。然后将模具放置于深度为浇注模具高度的50％、温度-20℃的酒精容器中快速冷却，下端石蜡遇冷凝固,而上层石蜡仍以液态形式存在，使得上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，同时减缓碳粉发生沉降，在30min后将模具放置于深度为浇注模具高度的120％、温度-20℃的酒精容器中冷却。待石蜡完全凝固后，拆卸模具，脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管接触缝隙切割开，即得到纯石蜡燃料药柱。
对于添加有粘合剂的含石蜡燃料药柱制备时，首先将石蜡加热至100℃熔化为液态，然后向其中加入无水硫酸镁除去石蜡中的水分，避免在燃料制备过程中因石蜡含水而影响固化效果，石蜡与无水硫酸镁比例为20:1，加入无水硫酸镁用玻璃棒充分搅拌后,在100℃环境中静置90min，使得石蜡与和硫酸镁分层，将上层石蜡清液分离出来以用作含石蜡燃料制备的原料。
在药柱浇注的芯模表面粘贴一层厚度为0.01mm硫酸纸，在硫酸纸表面喷涂厚度为0.05μm的SEA183脱模剂，并将芯模与底座螺纹连接，芯模与底座垂直同轴安装，将两个密封圈分别放置在漏斗和底座的密封槽中，陶瓷管装在漏斗和底座之间，漏斗、芯模、陶瓷管与底座同轴，通过螺杆和蝶形螺母配合固定。
按照设计配方要求，取除水后的58#半精炼石蜡和端羟基聚丁二烯粘合剂体系放入可程式恒温加热搅拌釜内，加热温度为150℃，待石蜡完全熔化且与端羟基聚丁二烯粘合剂体系混合均匀后,添加质量分数2％纳米碳粉继续充分搅拌5min，至碳粉与石蜡、粘合剂体系充分混合后停止加热，待药浆温度降为85℃时在真空浇注缸中浇注。真空浇注过程中，药浆依靠大气与真空罐之间压差经流花板形成小药条，在掉落入模具过程时，小药条中的气泡被除去，当药浆液面距离漏斗上边缘35mm时停止浇注，待药浆在模具中流平后，将模具放置于深度为浇注模具高度的50％、温度-10℃的酒精容器中快速冷却，下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，使得上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，10min后将模具移至环境温度为80℃的真空恒温干燥箱中固化。经48小时固化完成后拆卸模具，脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管间隙切割，即得到添加有粘合剂体系的含石蜡燃料药柱。
实例一
称量600g 58#半精炼石蜡放入洗涤干净且烘干的烧杯中，将烧杯置于恒温加热器并且设置温度为100℃，待石蜡全部熔化之后，称量30g无水硫酸镁加入已熔化的石蜡中,使用玻璃棒充分搅拌，然后将恒温加热器温度设置为80℃，将烧杯静置其中使石蜡与硫酸镁分层，将上层澄清石蜡分离出来即完成石蜡除水作业。
取441g除水后石蜡放置于干净烧杯中，并放置在加热温度为100℃的加热器中，待石蜡完全熔化后停止加热，取9g纳米碳粉加入已熔化的石蜡中且充分搅拌。
选用长度为150mm、内径为70mm、外径为85mm的陶瓷管以及配套底座和长为170mm、直径为40mm的圆柱形芯模，将浇注模具按要求装配，并在芯模上均匀涂抹一层凡士林。待混合均匀的石蜡、碳粉的溶液温度降至80℃时，将其倒入装配后的模具中直至液面距离漏斗顶部40mm，除去药浆中的空气，并在80℃、-0.095MPa环境中抽真空5min。然后将模具放置于深度为100mm、温度-20℃的酒精中快速冷却，下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，同时减缓碳粉发生沉降30min后将模具放置于深度为180mm、温度-20℃的酒精容器中冷却。待石蜡完全凝固后拆卸模具，脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管接触缝隙切割开，即得到内孔型纯石蜡燃料药柱。
实例二
选用长度为200mm、内径为75mm、外径为85mm的陶瓷管以及配套底座和长度为220mm的车轮形芯模；模具装配时在芯模上粘贴一层厚度为0.01mm硫酸纸，并在硫酸纸表面喷涂厚度为0.05μm的SEA-183脱模剂，然后将模具放入真空浇注缸内随浇注缸一同保温至70℃。
取624g除水后的58#半精炼石蜡和160g端羟基聚丁二烯粘合剂体系放入可程式恒温加热搅拌釜内，加热温度为150℃，待石蜡完全熔化且与端羟基聚丁二烯粘合剂体系混合均匀后,添加16g纳米碳粉继续充分搅拌，直至碳粉与石蜡、粘合剂体系充分混合后停止加热，待药浆温度降为约85℃时在真空浇注缸中浇注。
真空浇注过程中，药浆依靠大气与真空罐之间压差经流花板形成小药条，在掉落入模具过程时，小药条中的气泡被除去，当药浆液面距离漏斗上边缘35mm时停止浇注，待药浆在模具中流平后，将模具放置于深度为100mm、温度-10℃的酒精容器中快速冷却，下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，10min后将模具移至环境温度为80℃的真空恒温干燥箱中固化。经48小时固化后拆卸模具，脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管间隙切割，即得到20％HTPB粘合剂体系的车轮形内孔含石蜡燃料药柱。
实例三
选用长度为180mm、内径为75mm、外径为85mm的陶瓷管以及配套底座和长度为200mm的星形芯模，模具装配后，在芯模上粘贴一层厚度为0.01mm的硫酸纸，在硫酸纸表面喷涂厚度为0.05μm的SEA-183脱模剂，将模具放入真空浇注缸内随浇注缸一同保温至70℃。
取385g除水后的58#半精炼石蜡和175g端羟基聚丁二烯粘合剂体系放入可程式恒温加热搅拌釜内，加热温度为150℃，待石蜡完全熔化且与端羟基聚丁二烯粘合剂体系混合均匀后添加140g纳米铝粉继续搅拌，直至铝粉与石蜡、粘合剂体系充分混合后停止加热，待药浆温度降为85℃时在真空浇注缸中浇注。
当药浆液面距漏斗上边缘40mm时停止浇注，待药浆在模具中流平后，将模具放置于深度为100mm、温度为-10℃的酒精容器中快速冷却，下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的空隙，10min后将模具移至环境温度为80℃的真空恒温干燥箱中固化。经48小时固化后拆卸模具，脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管间隙切割，即得到加有20％铝粉的星形内孔含石蜡燃料药柱。
实例四
称量500g90#半精炼石蜡放入洗涤干净且烘干的烧杯中，将烧杯置于恒温加热器中并设置温度为150℃，待石蜡全部熔化后，称量45g无水硫酸镁加入已熔化的石蜡中并使用玻璃棒充分搅拌；然后,将恒温加热器温度设置为110℃，将烧杯静置其中使石蜡与硫酸镁分层，将上层澄清石蜡分离出即完成石蜡除水工作。
选用长度为180mm、内径为75mm、外径为85mm的陶瓷管以及配套底座和长度为200mm的星形芯模，将模具装配后，在芯模上粘贴一层厚度为0.01mm的硫酸纸，在硫酸纸表面喷涂厚度为0.05μm的SEA-183脱模剂，然后将模具放入真空浇注缸内随浇注缸一同保温至90℃。取320g除水后的石蜡和160g端羟基聚丁二烯粘合剂体系放入可程式恒温加热搅拌釜内，设置加热温度为150℃，待石蜡完全熔化且与端羟基聚丁二烯粘合剂体系混合均匀后，加入320g纳米铝粉继续充分搅拌，直至铝粉与石蜡、粘合剂体系充分混合后停止加热，药浆温度降为100℃时在真空浇注缸中浇注，当药浆液面距离漏斗上边缘50mm时停止浇注，药浆流平后移至环境温度为80℃的真空干燥箱中。经48小时固化后，拆卸模具脱出底座与芯模，使用线切割沿漏斗与陶瓷管间隙切割，即得到40％铝粉星形内孔含石蜡燃料药柱。

Claims (1)

1.一种含石蜡燃料药柱的成型模具，其特征在于:包括漏斗、陶瓷管、芯模、螺纹杆、底座、蝶形螺母、密封圈，所述芯模与底座配合螺纹连接，芯模底端螺纹的退刀槽处装有密封圈，以防止在浇注和固化过程中药浆渗漏；所述陶瓷管固定安装在芯模的底座凹槽内，且以凹槽内边缘为基准调节陶瓷管的位置，陶瓷管与底座凹槽壁面贴合，芯模与陶瓷管同轴线，陶瓷管与底座之间通过密封圈密封；漏斗位于陶瓷管顶端部，多根螺纹杆分别穿过漏斗法兰盘与底座法兰盘上螺孔，并通过蝶形螺母拧紧，漏斗、陶瓷管和底座连接并固定为一体，且底座、芯模、陶瓷管和漏斗同轴安装；其成型工艺包括以下步骤:
步骤1.将含石蜡燃料放置在成型模具内；放置前在芯模表面粘贴一层厚度为0.01mm的硫酸纸，并喷涂厚度为0.05μm的SEA183脱模剂，将芯模与药浆隔离，脱模时药柱连同硫酸纸从芯模上脱下；
步骤2.在药柱成型过程中，将含石蜡燃料收缩段控制在漏斗中，根据58#半精炼石蜡固化收缩率为17％，调制过量30％药浆，多余13％药浆在陶瓷管上端的漏斗中收缩，以使每种配方含石蜡燃料药柱在陶瓷管段始终满足设计尺寸；
步骤3.在含石蜡药浆中添加2％纳米碳粉增加药柱黑度、减缓沿径向传热以保证药形结构；
步骤4.通过分段快速冷却的方法，将含石蜡燃料药浆浇注于模具中，然后将装有药浆的模具放置于-20℃的酒精容器中快速冷却，酒精液面与模具的中间位置平齐，使得下端石蜡遇冷凝固而上层石蜡仍以液态形式存在，上层液态石蜡自动填充下端石蜡凝固收缩的缝隙；使药浆下半段冷却至石蜡凝固点58℃，然后再将其放入可程式恒温真空干燥箱固化除去气泡，对于纯石蜡燃料固化温度为60℃，对于添加粘合剂体系的含石蜡燃料其固化温度为80℃；
步骤5.待药柱固化后取出，拆除模具法兰盘上的螺杆，使用线切割方式沿陶瓷管与漏斗间的细缝切入，将漏斗段药柱及漏斗去除，同时将芯模与底座分离，使用脱模机将芯模与药柱分离。
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