CN109382947A - 一种硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法，首先采用工装预成型所需的绝热层，即形状结构厚度等满足设计要求，但绝热层未硫化；然后将预成型好的绝热层套粘贴在燃烧室壳体内，用具有高膨胀系数的硅橡胶材料成型的工装，作为加压介质，在绝热层硫化所需的温度条件下进行加压硫化。本发明能够提高绝热层密实度，保证绝热层高精度型面及厚度，并降低生产成本。

Description

一种硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法
技术领域
本发明涉及一种绝热层的粘接成型方法。
背景技术
绝热层是固体火箭发动机内防热结构的重要部分，起着防止发动机燃烧室壳体内温度达到危及自身结构完整性的作用，承担着抵抗高温、高燃气流及颗粒物冲蚀的责任。常见的绝热层粘接成型方法一般主要有贴片硫化粘接法和预成型/硫化粘接法，而在绝热层硫化过程中较常见的加压方式是采用气囊加压和真空热压罐加压，其中气囊加压适用于绝热层型面尺寸精度要求不高的发动机，如药柱贴壁浇注式发动机，具体操作是将绝热层通过开放式炼胶机按照需要的厚度出片并裁成相应的尺寸，在粘接面部位刷胶后贴于发动机燃烧室壳体内壁，装入气囊和工装，于气囊内充气(空气或氮气)加压，在烘箱内加热硫化成型。采用气囊加压法时因气囊材料受限，使得其高温使用有效期较短，使用次数较少，在批量生产时，工装成本较高。对于绝热层型面尺寸精度较高的药柱自由装填式发动机，一般采用预成型结合热压罐加压法成型，但是对于设备的要求较高，且设备昂贵。
硅橡胶软模材料是热膨胀法中常用的加压材料，具有高模量、高膨胀系数等物理特性，在实际使用中，以硅橡胶软模作为加压介质，放置于被加压材料的内侧或外侧，被加压材料的另一侧为刚性(金属)成型工装，经过加热升温，硅橡胶软模材料受热膨胀，产生了可用于成型产品所需的压力。该方法在复合材料玻璃钢领域、塑料成型领域较常见，而用于固体火箭发动机绝热壳体的成型报道较少，相对玻璃钢材料，存在的主要问题是绝热壳体在升温硫化过程中，软模膨胀速度较慢，软模膨胀压力不可控，在未到达设计值时绝热层开始硫化，会导致绝热层密实度较低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法，能够提高绝热层密实度，保证绝热层高精度型面及厚度，并降低生产成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)采用哈呋模具预成型绝热层，温度为80±5℃，时间为1～1.5h，然后冷却至室温，脱模；
(2)对燃烧室壳体喷砂，然后用乙酸乙酯冲洗2～3遍，晾置15～30min；
(3)在燃烧室壳体内壁均匀刷涂底涂剂，晾置15～30min；
(4)用乙酸乙酯擦拭预成型绝热层的粘接面，晾置15～30min；
(5)在燃烧室壳体内型面及预成型绝热层外型面均匀刷涂胶粘剂，晾置15～30min；
(6)将预成型绝热层贴入燃烧室壳体内型面，在预成型绝热层内装入硅橡胶软模；
(7)进行绝热层的硫化成型，温度工艺如下：由常温经1h升温至100±10℃，保温2～3h，然后经1h升温至160±5℃，保温2～3h。
对加装了绝热层的燃烧室壳体进行检验，包括绝热层厚度和绝热层与壳体的粘接界面超声波探伤，要求探伤波形不大于6。
所述的硅橡胶软模是在空心铝轴外附着软模材料，软模的外形与预成型绝热层的内型面一致；软模的厚度根据公式p＝κ×αv(t-t0)计算，其中，表示硅橡胶软模在密闭腔体中的热膨胀压力，κ表示硅橡胶软模弹性模量，αv表示硅橡胶软模体膨胀系数，t表示绝热层硫化点温度，t0表示硫化成形工艺的起始温度；硅橡胶软模升温后的体积VR＝V0R[1+αv(t-t0)]，V0R表示硅橡胶软模初始体积，ΔV表示硅橡胶软模的体积压缩量；对于圆柱形软模材料，R-r＝h，l为硅橡胶软模的轴向长度，h为硅橡胶软模的壁厚，R为硅橡胶软模的外径，r为空心铝轴的外径。
本发明的有益效果是：成型的绝热壳体绝热层厚度及型面结构满足发动机设计要求，工艺技术应用成熟。在制作硅橡胶软模工装时采用了空心铝芯轴，一方面可降低软模工装的成型成本，另一方面可提高软模的升温速率(铝的热导率高于钢铁，一般的燃烧室壳体采用钢铁材料)，避免了因受热不同步，绝热层在硫化点时软模未膨胀到位，导致绝热层密实度较差；同时设计了绝热壳体硫化温度曲线台阶，使得软模受热膨胀均匀，与绝热层各部位接触压力相一致。
硅橡胶软模工装的制造成本比一般的气囊制造成本降低至少2倍，可重复高温使用次数至少在30次(气囊的高温使用次数3次)，采用硅橡胶软模加压技术，在烘箱内可同时进行多件产品的硫化，大幅度提高生产效率。另外，硅橡胶软模加压不需要充气，节省了气源成本。
附图说明
图1是某型号绝热壳体示意图；
图2是绝热层粘接工艺流程图；
图3是硅橡胶软模成型工装示意图；
图4是绝热壳体粘接装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明针对绝热层型面精度要求较高的自由装填药柱绝热壳体，如图1所示结构，其成型方案如下：首先采用工装预成型所需的绝热层，即形状结构厚度等满足设计要求，但绝热层未硫化；然后将预成型好的绝热层套粘贴在燃烧室壳体内，用具有高膨胀系数的硅橡胶材料成型的工装，作为加压介质，在绝热层硫化所需的温度条件下进行加压硫化；成型工艺路线如图2所示，本发明所针对的绝热层为三元乙丙橡胶绝热层。该方案的关键点在于绝热壳体硫化工艺和硅橡胶软模加压工装的设计。
具体工艺流程如下：
(1)采用哈呋模具预成型绝热层，温度80℃±5℃，时间1h～1.5h，冷却至室温后脱模。
(2)燃烧室壳体喷砂，然后用乙酸乙酯冲洗2遍～3遍，晾置15min～30min。
(3)在燃烧室壳体内壁均匀刷涂底涂剂，晾置15min～30min。
(4)用干净棉布蘸乙酸乙酯擦拭预成型绝热层套粘接面，晾置15min～30min。
(5)在燃烧室壳体内型面及预成型套外型面均匀刷涂胶粘剂，晾置15min～30min。
(6)将预成型套贴入燃烧室壳体内，装入硅橡胶软模和成型堵头。
(7)烘箱内硫化成型。绝热壳体硫化温度工艺如下(绝热层厚度5mm)：常温经1h升温至100℃±10℃，保温2h～3h，然后经1h升温至160℃±5℃，保温2h～3h。若厚度增加，则硫化阶段的保温时间也应相应调整10min～30min/1mm。
(8)绝热壳体检验，包括绝热层厚度、绝热层与壳体的粘接界面超声波探伤，一般要求波形不大于6。
硅橡胶软模的设计包括形状、厚度以及与被加压材料之间的间隙。在软模材料内部加一空心铝轴，不仅能降低材料成本，还能提高软模的升温速率。在设计中，软模的形状结构一般与被加压材料的型面一致；软模的厚度与硅橡胶受热体积压缩量有关，一般由软模工装与被加压材料之间的间隙进行反推计算。可根据以下公式计算并优化。
p＝κ×αv(t-t0) (1)
其中：
p：硅橡胶软模在密闭腔体中的热膨胀压力，MPa；
κ：硅橡胶软模弹性模量，MPa；
αv：硅橡胶软模体膨胀系数，K-1×10-6；
t：绝热层硫化点温度；
t0：起始温度。
VR＝V0R[1+αv(t-t0)] (2)
其中：
VR：硅橡胶软模升温后的体积；
V0R：硅橡胶软模初始体积。
其中：
P：硅橡胶软模对绝热层的压力；
ΔV：硅橡胶软模的体积压缩量。
对于圆柱形软模材料：
R-r＝h (5)
其中：
h:硅橡胶软模的壁厚；
R:硅橡胶软模圆柱的半径；
r:硅橡胶软模工装内金属筒的直径；采用金属筒作为内部嵌件，是为了降低软模的材料成本。
对于三元乙丙橡胶绝热层、丁腈橡胶绝热层等材料的绝热壳体，其硫化温度一般在150℃～160℃，成型压力一般取0.7MPa～1.0MPa。硅橡胶软模的体膨胀系数为800×10-6～900×10-6，弹性模量κ为240MPa～260MPa，软模与被加压材料的间隙在考虑装配操作性的条件下，一般取0.5mm～2.0mm，根据上述参数并结合产品的形状尺寸，可计算出硅橡胶软模的厚度。
硅橡胶软模的成型工艺路线常见的有浇注法和挤出法。
本发明的实施例中，某型号绝热壳体结构如图1所示，为了满足自由装填药柱的装配，设计要求保证绝热层(三元乙丙)内型面尺寸(厚度6.0±0.2，内径)，绝热层与壳体的粘接要求超声波探伤，波形不得大于6。按照本发明的思路，首先进行了硅橡胶软模的设计与制作，然后按照图2工艺流程进行了粘接实施。
按照三元乙丙绝热层粘接所需的成型压力1.0MPa，假设软模与绝热层的装配间隙为1mm，硫化温度160℃，按照公式(1)～(4)，可以推算得出软模的厚度为11mm。其成型工艺采用挤出成型法，工装结构如图3所示。
绝热壳体粘接成型工艺步骤如下：
(1)采用哈呋模具预成型绝热层，温度80℃，压力5MPa(400×400平板硫化机)，时间1h，冲水冷却至室温后脱模。测量厚度5.9mm～6.2mm。
(2)燃烧室壳体喷砂，然后用乙酸乙酯冲洗3遍，晾置30min。
(3)在燃烧室壳体内壁均匀刷涂CH-205底涂剂，晾置30min。
(4)用干净棉布蘸乙酸乙酯擦拭预成型绝热层套粘接面，晾置30min。
(5)在燃烧室壳体内型面及预成型套外型面均匀刷涂J-215胶粘剂，晾置15min。
(6)将预成型套贴入燃烧室壳体内，装入硅橡胶软模和成型堵头。装配如图4所示。
(7)硫化成型。绝热壳体硫化温度工艺如下：常温经1h升温至100℃，保温2h，然后经1h升温至160℃，保温2h。
(8)检验。结果见表1。厚度、尺寸及粘接面均满足要求。
表1绝热层检验结果
本发明适用于固体火箭发动机燃烧室壳体绝热层的粘接成型，也适用于具有高长径比筒状结构的橡胶件成型。

Claims (3)

1.一种硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)采用哈呋模具预成型绝热层，温度为80±5℃，时间为1～1.5h，然后冷却至室温，脱模；
(2)对燃烧室壳体喷砂，然后用乙酸乙酯冲洗2～3遍，晾置15～30min；
(3)在燃烧室壳体内壁均匀刷涂底涂剂，晾置15～30min；
(4)用乙酸乙酯擦拭预成型绝热层的粘接面，晾置15～30min；
(5)在燃烧室壳体内型面及预成型绝热层外型面均匀刷涂胶粘剂，晾置15～30min；
(6)将预成型绝热层贴入燃烧室壳体内型面，在预成型绝热层内装入硅橡胶软模；
(7)进行绝热层的硫化成型，温度工艺如下：由常温经1h升温至100±10℃，保温2～3h，然后经1h升温至160±5℃，保温2～3h。
2.根据权利要求1所述的硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法，其特征在于：对加装了绝热层的燃烧室壳体进行检验，包括绝热层厚度和绝热层与壳体的粘接界面超声波探伤，要求探伤波形不大于6。
3.根据权利要求1所述的硅橡胶软模加压绝热层粘接成型方法，其特征在于：所述的硅橡胶软模是在空心铝轴外附着软模材料，软模的外形与预成型绝热层的内型面一致；软模的厚度根据公式p＝κ×αv(t-t0)计算，其中，表示硅橡胶软模在密闭腔体中的热膨胀压力，κ表示硅橡胶软模弹性模量，αv表示硅橡胶软模体膨胀系数，t表示绝热层硫化点温度，t0表示硫化成形工艺的起始温度；硅橡胶软模升温后的体积VR＝V0R[1+αv(t-t0)]，V0R表示硅橡胶软模初始体积，ΔV表示硅橡胶软模的体积压缩量；对于圆柱形软模材料，R-r＝h，l为硅橡胶软模的轴向长度，h为硅橡胶软模的壁厚，R为硅橡胶软模的外径，r为空心铝轴的外径。
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