CN109094058B - 轻质复合材料弹托及其制造方法 - Google Patents

轻质复合材料弹托及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质复合材料弹托及其制造方法，该弹托包括由n块加强筋与n+1块泡沫板交替粘结并加工制成的弹托夹心结构，以及铺覆在弹托夹心结构表面的蒙皮。该方法包括如下步骤：1)设置蒙皮厚度及加强筋、泡沫板的厚度与数量；2)采用纤维材料A铺层制作加强筋；3)用胶粘剂将泡沫板与加强筋交替粘接在一起，加热固化成型得到夹心结构坯料板；4)机加成所需结构尺寸的弹托夹心结构；5)采用纤维材料B铺层制作蒙皮，将涂有定型剂的纤维材料B逐层铺覆在涂有胶粘剂的弹托夹心结构表面得到弹托预成型体；6)采用树脂传递模塑工艺进行产品成型，得到弹托产品。本发明减重效果显著，在相同使用工况下，弹药的速度更高，威力更大。

Description

轻质复合材料弹托及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种弹托，特别是指一种轻质复合材料弹托及其制造方法。
背景技术
炮弹发射时，弹托的作用主要是承受火药气体压力，赋予弹药一定初速飞行，出膛后弹托在火药燃气的后效作用和迎面气流的共同作用下与弹药分离。弹托在弹药上是消极质量，为获得更高的初速飞行，提高炮弹威力，要求弹托的质量尽可能小。
传统的弹托采用铝合金材料，消极质量大。新材料和新技术的高速发展，为弹药的发展和性能的完善提供了技术上的可能。为减小弹托质量，逐渐开发出了复合材料弹托。复合材料具有密度小，强度高，摩擦系数小，成型工艺便捷，性能范围宽等优点，所以复合材料已成为弹托材料发展的主流趋势。
先进武器系统的发展，要求在保证弹托发射强度的前提下，最大限度减轻其质量，复合材料虽然具有比金属材料密度低的优点，但仍然具有一定的质量，因此，如何进一步降低复合材料弹托的消极质量显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消极质量低且可保证弹托发射强度的轻质复合材料弹托及其制造方法。
为实现上述目的，本发明所设计的轻质复合材料弹托，包括由n块加强筋与n+1块泡沫板交替粘结并加工制成的弹托夹心结构，以及铺覆在弹托夹心结构表面的蒙皮，n为不小于3的整数，所述加强筋由多层碳纤维预浸料或多层玻璃纤维预浸料构成，所述蒙皮由多层碳纤维布或多层玻璃纤维布构成。
优选地，所述加强筋由多层碳纤维预浸料构成，所述蒙皮由多层碳纤维布构成。碳纤维具有强度高、密度低、比性能高、耐高温、可加工性佳等优势，适合作为无绝缘要求情况下的弹托材料。碳纤维纱或碳纤维布浸润树脂得到碳纤维预浸料，用来铺层制作加强筋具有操作简单，工艺性能优良的特点。碳纤维布不含树脂，与碳纤维预浸料相比，具有柔软、变形性好的特点，弹托蒙皮的形状较为复杂，更适合采用碳纤维布进行铺覆。
优选地，所述加强筋、蒙皮的各层布之间按照纤维长度方向0°/90°的顺序交替铺层，铺至所需厚度。
优选地，所述加强筋的单块厚度为蒙皮厚度的1～3倍，所述泡沫板的总厚度为加强筋的总厚度的2～5倍。该比例能够保证弹托具有较佳的强度和较低的密度。
本发明同时提供了前述轻质复合材料弹托的制造方法，包括如下步骤：
1)根据弹托产品的质量、外形尺寸及工况要求，设置弹托的蒙皮厚度、加强筋厚度与数量，以及泡沫板的厚度与数量；
2)采用纤维材料A铺层制作加强筋，根据加强筋厚度及单层纤维材料A的厚度计算铺层层数，然后按照纤维长度方向0°/90°的顺序交替铺层，铺至所需层数；
3)用胶粘剂将泡沫板与加强筋交替粘接在一起，直至其分别达到步骤1)中设置的数量，然后加热固化成型得到夹心结构坯料板；
4)将夹心结构坯料板机加成所需结构尺寸的弹托夹心结构(即弹托去掉表面蒙皮后的结构)；
5)采用纤维材料B铺层制作蒙皮，根据蒙皮厚度及单层纤维材料B的厚度计算铺层层数，裁剪至所需形状和层数，再在裁剪好的纤维材料B的表面涂刷定型剂，并在弹托夹心结构表面涂刷胶粘剂，最后将涂有定型剂的纤维材料B逐层铺覆在弹托夹心结构表面得到弹托预成型体；
6)将弹托预成型体装入模具中，采用树脂传递模塑工艺(简称RTM)进行产品成型，得到弹托产品；
所述纤维材料A为碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料，所述纤维材料B为碳纤维布或玻璃纤维布；
优选地，所述步骤3)中，夹心结构坯料板的加热固化制度采用纤维预浸料的加热固化制度，具体为：先在70～90℃下固化1～4h，再在110～130℃下固化1～4h。
优选地，所述步骤6)中，树脂传递模塑工艺包括如下步骤：将弹托预成型体装入成型模具中，对模具抽真空，然后将配制好的树脂在0.1MPa～0.5MPa的压力下注入模具中，最后按照树脂的固化制度进行固化，固化完成后脱模得到复合材料弹托产品。进一步地，当采用环氧树脂时固化制度为：在80～100℃下固化1～4h，再在120～140℃下固化1～6h；当采用双马树脂时固化制度为：依次在140～160℃、170～190℃和190～210℃下固化2～6h。
优选地，所述步骤1)中，泡沫板数量＝加强筋数量+1，泡沫板厚度＝(弹托产品厚度-蒙皮厚度×2-加强筋厚度×加强筋数量)/泡沫板数量。
优选地，所述步骤2)中，加强筋的铺层层数＝加强筋厚度/单层纤维材料A的厚度，若未除尽，则铺层层数＝相除后得到的整数+1。
优选地，所述步骤3)、步骤5)中，胶粘剂采用环氧树脂类胶粘剂；所述步骤5)中，定型剂采用环氧树脂类定型剂；所述步骤6)中，树脂传递模塑成型工艺采用的树脂为环氧树脂、双马树脂。
优选地，所述纤维材料A采用碳纤维预浸料，所述纤维材料B采用碳纤维布，所述泡沫板采用聚甲基丙烯酰亚胺或聚氨酯材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)采用泡沫板+纤维加强筋+纤维蒙皮的结构，承力主要由纤维加强筋承担，在保证了结构刚度满足使用要求的前提下，减重效果显著，相较于传统的铝合金材料弹托，重量减轻了70％～80％，相较于碳/酚醛、碳/环氧模压的复合材料弹托，重量减轻了40％～60％。在相同的使用工况下，使得弹药的速度更高，威力更大。并且弹托的质量越轻，出炮口分离后对己方人员的伤害也越小。
2)采用泡沫板与加强筋粘接固化后机加的方式制作成整体的弹托夹心结构，蒙皮采用RTM成型，该方法模具结构简单，成本低，外形尺寸一致性好，具有较高的工艺可行性，实用性强。
附图说明
图1为本发明所设计的轻质复合材料弹托的弹托立体结构示意图，该弹托产品为两片式对称结构，图中仅画出了单片弹托。
图2为图1中单片弹托沿横向剖开的断面结构示意图。
其中：加强筋1、泡沫板2、蒙皮3、弹托产品4
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。
实施例1
本实施例要求制备弹体口径为66mm的轻质复合材料弹托，其工况及要求见下表1：
表1实施例1工况及要求
Figure BDA0001728354060000041
Figure BDA0001728354060000051
该轻质复合材料弹托的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据弹托产品的外形结构尺寸及工况要求，通过Abaqus分析软件，建立复合材料弹托的有限元模型，通过动态显示算法计算弹托在发射时的强度，根据计算结果确定加强筋数量5根，厚度5mm，蒙皮厚度2mm，进而得出PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫板数量6块，厚度12mm。
步骤2：采用0.3mm厚碳纤维预浸料，铺层层数＝5/0.3＝16.66≈17，按照纤维方向0°/90°交叉铺层，得到加强筋，共铺5块加强筋。
步骤3：采用15mm厚PMI泡沫板2块，12mm厚PMI泡沫板4块，按照泡沫板、加强筋交替的顺序进行粘接，为保证后续机加余量，15mm厚PMI泡沫板粘在最外层，粘接完成后将其放入烘箱中，按照80℃/2h→120℃/2h(在80℃下固化2h，再在120℃下固化2h)的固化制度进行固化，得到夹心结构坯料板。所述粘接用胶粘剂为环氧树脂类胶粘剂。
步骤4：按照弹托去掉蒙皮后的结构尺寸状态对完成固化的夹心结构坯料板进行机加，制得弹托夹心结构。
步骤5：采用0.2mm厚3K碳纤维平纹布，铺层层数＝2/0.2＝10，裁剪10块大小合适的碳纤维布，涂刷上定型剂，然后在弹托夹心结构表面涂刷胶粘剂，将碳纤维布逐层铺覆在弹托夹心结构表面，共铺10层，制得预成型体。所述定型剂为环氧树脂类定型剂，胶粘剂为环氧树脂类胶粘剂。
步骤6：将预成型体装入RTM成型模具中，然后对模具抽真空，将配制好的环氧树脂在0.3MPa～0.5MPa的压力下注入模具中，最后按照90℃/2h→130℃/4h(在90℃下固化2h，再在130℃下固化4h)的固化制度进行固化，固化完成后脱模得到复合材料弹托产品。
上述工艺得到的弹托通过承载试验考核，同时其单片结构重量920g，满足指标要求。
实施例2
本实施例要求制备弹体口径为73mm的轻质复合材料弹托，其工况及要求见下表1：
表1实施例1工况及要求
序号 项目 单位 指标
1 弹体口径 mm 73
2 弹体重量 Kg 8.46
3 弹托重量(单片) Kg ≤1.5
4 工作时承受最大加速度 / 2.5万g
该轻质复合材料弹托的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据弹托外形结构尺寸及工况要求，通过Abaqus分析软件，建立复合材料弹托的有限元模型，通过动态显示算法计算弹托在发射时的强度，根据计算结果确定加强筋数量9根，厚度4mm，蒙皮厚度3mm，进而得出PMI泡沫板数量10块，厚度8mm。
步骤2：采用0.3mm厚碳纤维预浸料，铺层层数＝4/0.3＝13.33≈14，按照纤维方向0°/90°交叉铺层，得到加强筋，共铺9块。
步骤3：采用10mm厚PMI泡沫板2块，8mm厚PMI泡沫板8块，按照泡沫板、加强筋交替的顺序进行粘接，为保证后续机加余量，10mm厚PMI泡沫板粘在最外层，粘接完成后将其放入烘箱中，按照80℃/2h→120℃/2h(在80℃下固化2h，再在120℃下固化2h)的固化制度进行固化，得到夹心结构坯料板。所述粘接用胶粘剂为环氧树脂类胶粘剂。
步骤4：按照弹托去掉蒙皮后的结构尺寸状态对完成固化的夹心结构坯料板进行机加，制得弹托夹心结构。
步骤5：采用0.5mm厚12K碳纤维平纹布，铺层层数＝3/0.5＝6，裁剪6块大小合适的碳纤维布，涂刷上定型剂，然后在弹托夹心结构表面涂刷胶粘剂，将碳纤维布逐层铺覆在弹托夹心结构表面，共铺6层，制得预成型体。所述定型剂为环氧树脂类定型剂，胶粘剂为环氧树脂类胶粘剂。
步骤6：将预成型体装入RTM成型模具中，然后对模具抽真空，将配制好的双马树脂在120℃条件下按照0.2MPa～0.5MPa的压力注入模具中，最后按照150℃/4h→180℃/4h→200℃/4h(依次在150℃、180℃和200℃下固化4h)的固化制度进行固化，固化完成后脱模得到复合材料弹托产品。
上述工艺得到的弹托通过承载试验考核，同时其单片结构重量1250g，满足指标要求。
实施例3
如图1～2所示，本实施例公开了由实施例1所制备的轻质复合材料弹托的具体结构，包括由5块加强筋1与6块泡沫板2交替粘结并加工制成的弹托夹心结构，以及铺覆在弹托夹心结构表面的蒙皮3，具体材料、尺寸及加工工艺详见实施例1，此不赘述。

Claims (9)

1.一种轻质复合材料弹托，其特征在于：包括由n块加强筋(1)与n+1块泡沫板(2)交替粘结并加工制成的弹托夹心结构，以及铺覆在弹托夹心结构表面的蒙皮(3)，n为不小于3的整数，所述加强筋(1)由多层碳纤维预浸料或多层玻璃纤维预浸料构成，所述蒙皮(3)由多层碳纤维布构成；所述加强筋(1)的单块厚度为蒙皮(3)厚度的1～3倍，所述泡沫板(2)的总厚度为加强筋(1)的总厚度的2～5倍。
2.根据权利要求1所述的轻质复合材料弹托，其特征在于：所述加强筋(1)由多层碳纤维预浸料构成。
3.根据权利要求1所述的轻质复合材料弹托，其特征在于：所述加强筋(1)、蒙皮(3)的各层布之间按照纤维长度方向0°/90°的顺序交替铺层，铺至所需厚度。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)根据弹托产品(4)的质量、外形尺寸及工况要求，设置蒙皮(3)的厚度、加强筋(1)的厚度与数量，以及泡沫板(2)的厚度与数量；
2)采用纤维材料A铺层制作加强筋(1)，根据加强筋(1)的厚度及单层纤维材料A的厚度计算铺层层数，然后按照纤维长度方向0°/90°的顺序交替铺层，铺至所需层数；
3)用胶粘剂将泡沫板(2)与加强筋(1)交替粘接在一起，直至其分别达到步骤1)中设置的数量，然后加热固化成型得到夹心结构坯料板；
4)将夹心结构坯料板机加成所需结构尺寸的弹托夹心结构；
5)采用纤维材料B铺层制作蒙皮(3)，根据蒙皮(3)的厚度及单层纤维材料B的厚度计算铺层层数，裁剪至所需形状和层数，再在裁剪好的纤维材料B的表面涂刷定型剂，并在弹托夹心结构表面涂刷胶粘剂，最后将涂有定型剂的纤维材料B逐层铺覆在弹托夹心结构表面得到弹托预成型体；
6)将弹托预成型体装入模具中，采用树脂传递模塑工艺进行产品成型，得到弹托产品(4)；
所述纤维材料A为碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料，所述纤维材料B为碳纤维布或玻璃纤维布。
5.根据权利要求4所述的轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中，加热固化时，先在70～90℃下固化1～4h，再在110～130℃下固化1～4h。
6.根据权利要求4所述的轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：所述步骤6)中，树脂传递模塑工艺包括如下步骤：将弹托预成型体装入成型模具中，对模具抽真空，然后将配制好的树脂在0.1MPa～0.5Mpa的压力下注入模具中，最后按照树脂的固化制度进行固化，固化完成后脱模得到复合材料弹托产品。
7.根据权利要求6所述的轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：所述步骤6)中，当采用环氧树脂时固化制度为：在80～100℃下固化1～4h，再在120～140℃下固化1～6h；当采用双马树脂时固化制度为：依次在140～160℃、170～190℃和190～210℃下固化2～6h。
8.根据权利要求4所述的轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：所述步骤3)、步骤5)中，胶粘剂采用环氧树脂类胶粘剂；所述步骤5)中，定型剂采用环氧树脂类定型剂；所述步骤6)中，树脂传递模塑成型工艺采用的树脂为环氧树脂或双马树脂。
9.根据权利要求4～8中任一项所述的轻质复合材料弹托的制造方法，其特征在于：所述纤维材料A采用碳纤维预浸料，所述纤维材料B采用碳纤维布，所述泡沫板(2)采用聚甲基丙烯酰亚胺或聚氨酯材料。
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