CN109703055A - 一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管成型方法，利用纤维预浸渍料制作预制板，利用辅助铺设工装将制作好纤维预制板包裹到异形模芯上，借助外部压力，采取特定工艺固化，取出带模芯的抗冲刷绝热管坯料，整形至所要求的尺寸，脱模获得抗冲刷绝热管制品。本发明的方法具有操作简便，可实施性强，工艺稳定，重现性较好，突破传统的气囊内撑加压、模压及丝束缠绕工艺的瓶颈，更适合用于固体火箭发动机抗冲刷绝热管的批量生产。在中小型固体火箭发动机内抗冲刷层制作制造领域具有较好的应用前景。

Description

一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法

技术领域

本发明涉及一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，属于绝热管制造领域。

背景技术

目前，制造抗冲刷绝热管的方法主要有气囊内撑加压、模压成型及湿法丝束缠绕成型等工艺。气囊内撑加压因其柔性加压特性，无法满足绝热管孔尺寸的精度；模压成型工艺具有技术成熟稳定，应用范围广等优点，但操作工序繁杂，生产效率较低，针对一类长径比较大、尺寸精度要求高且带有异形孔结构的抗冲刷绝热管，对模压设备精度要求极高，成本较高、效率低。对于湿法丝束缠绕成型工艺，纤维的各项异型过于明显，其强度不稳定且收缩难以控制，并且缠绕设备较复杂，专用性较强，对于预研的小批量生产采用该工艺浪费较大。

现代作战环境对固体火箭战术导弹的机动性能要求越来越高，导致抗冲刷绝热管的结构呈现为复杂化趋势，传统的气囊内撑加压工艺、模压成型和湿法丝束缠绕成型均难以满足发展的需要。因此，亟需研制出一种稳定可靠，可实施性强的成型工艺，以满足高性能导弹武器批量化生产的需要。

发明内容

本发明技术针对首次采用纤维预制板模芯包裹技术，通过特定固化工艺控制克服抗冲刷绝热管本身固化收缩带来的尺寸偏差，提升内型面尺寸高精度；采用外部加压获得坯料的方式提高生产效率，采用精车及湿法精磨工艺，获得高精度外型面尺寸，最终获得高尺寸精度的抗冲刷绝热管制品。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，包括模芯和辅助工装；所述模芯的外型面与绝热管的内型面形状匹配；预制板设置在所述模芯与辅助工装之间；所述辅助工装与所述模芯的轴线平行，所述辅助工装在电机驱动下，带动模芯旋转，将预制板压紧至模芯表面。

优选的，所述模芯的截面为花瓣形，沿周向均匀连续设置多个弧形凸起，所述辅助工装的外表面具有弧形凹槽，弧形凹槽与弧形凸起的弧度一致，弧形凹槽的弧线长度为弧形凸起弧线长度的一半，在旋转的过程中，相邻两个弧形凹槽的交界处压在所述模芯的弧形凸起的顶部或相邻两个弧形凸起的交界处。

优选的，所述模芯的截面为圆柱，所述辅助工装的截面为圆柱。

优选的，所述模芯的截面为圆锥，所述辅助工装与所述模芯形状相同；所述模芯的大端与所述辅助工装的小端相对，所述模芯的小端与所述辅助工装的大端相对。

优选的，所述模芯内部沿轴向设置三角形的通孔，用于减重和定位。

优选的，模芯与辅助工装之间设置弹簧，使二者之间的作用力在设定范围内。

提供一种利用所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置进行绝热管的成型方法，包括如下步骤：

(1)将短切碳纤维/酚醛树脂预混料通过模具制作成预制板，预制板宽度与要求的绝热管管长相同；

(2)将预制板通过辅助工装逐层的包裹在模芯上，并逐层通过辅助工装压紧；预制板的包裹叠加厚度大于要求的绝热管厚度；

(3)进行外部加压至一定压力，然后保持该压力进行硫化处理；

(4)卸除外部加压，获得带芯模的抗冲刷绝热管坯料；

(5)去除绝热管坯料的余量；

(6)脱去模芯形成绝热管。

优选的，所述的预浸渍料为：短纤维/树脂预混料、短纤维/长纤维/树脂预混料或树脂预浸渍纤维布。

优选的，所述的预浸渍料为：3K短切碳纤维硼酚醛树脂预混料。

优选的，步骤(1)中所述的预浸渍料制作预制板的方法为：层压法及模具预制法，通过预制获得与模芯形状吻合的预制板。

优选的，所述的模芯为金属或砂芯材质。

优选的，所述的外部加压方式包括哈弗模具加压或编织带缠绕加压。

优选的，预制板的包裹叠加厚度为要求的绝热管厚度的1.2～1.5倍。

优选的，所述的硫化处理的条件为：硫化温度140-180℃，硫化时间5-120min，常压或者5～10MPa，保持压力降温至室温，降温速率3～5℃/h。

优选的，去除绝热管坯料的余量的方法为：采用机床切削法至一定余量后，用湿法精磨的方式获得目标尺寸，尺寸偏差在±0.03mm之内。

优选的，脱去模芯方式采用设置工艺台阶脱模或压机顶出脱模。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)生产效率高。可根据生产需求提前策划生产，依靠模芯成型，操作简便，易于实现批量生产。

(2)产品尺寸控制精度高。纤维预制板模芯包裹技术，通过特殊固化工艺控制克服抗冲刷绝热管本身固化收缩带来的尺寸偏差，提升内型面尺寸高精度；采用外部加压获得坯料的方式提高生产效率，采用精车及湿法精磨工艺，获得高精度外型面尺寸，产品质量一致性好,消除了气囊内撑加压工艺中绝热管内型面尺寸波动范围较大的缺点，也避免了纤维湿法丝束缠绕成型工艺带来的各向异性及尺寸不稳定性等缺点。

(3)应用范围广。不仅能满足均匀厚度绝热层成型，而且能满足变厚度、形状不规则等结构复杂的抗冲刷绝热管的成型需要。

(4)可替代目前广泛采用的气囊内撑加压、模压成型及纤维湿法丝束缠绕成型工艺，提升生产效率，提高产品尺寸控制精度，达到产品快速制造的能力。同时对于模压成型及缠绕成型工艺难以实现的复杂结构及不宜采用模压的结构都可以用本发明的方法进行成型，弥补了现有技术的局限性。

附图说明

图1是本发明中绝热套成型时所用到的模芯(以花瓣形孔为例)。

图2是利用模芯包裹的辅助铺设工装。其中1.模芯(以花瓣形孔为例)，2.预浸渍纤维布包裹铺设辅助工装，3.模芯及辅助工装旋转方向，4.预制板。

图3是组合结构上脱出的绝热管。

具体实施方式

本发明提供一种抗冲刷绝热管快速成型工艺方法，通过借鉴民用纤维绝热管生产技术，结合固体火箭发动机内抗冲刷层结构特点，找到一种固体火箭发动机内抗冲刷层快速成型技术。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用纤维预浸渍料制作预制板，利用辅助铺设工装将制作好纤维预制板包裹到异形模芯上，借助外部压力，采取特定工艺固化，取出带模芯的抗冲刷绝热管坯料，整形至所要求的尺寸，脱模获得抗冲刷绝热管制品。所述的预浸渍料为短纤维/树脂预混料、短纤维/长纤维/树脂预混料，树脂预浸渍纤维布等。所述的预浸渍料制作预制板的方法为：层压法及模具预制法，通过预制获得与模芯形状吻合的预制板。

所述异形模芯包括锥形模芯、多边形模芯及花瓣形模芯等。所述的模芯为具有特定外形结构和尺寸的金属或砂芯材质。所述的模芯内部为空心或实心结构，外形面和异形孔抗冲刷绝热管内形面尺寸相同。所述的辅助铺设工装，是针对模芯形状设计的专用工装，包括锥形模芯辅助铺设工装、多边形模芯辅助铺设工装及花瓣形模芯辅助铺设工装。

所述的外部加压方式包括哈弗模具加压、编织带缠绕加压。所述哈弗模具为金属材质，需经过热处理；所述的编织带是能承受高温并具有较高强度的纤维编织物。所述的预制板的包裹叠加厚度在实际所需厚度的1.2～1.5倍的范围内。所述的抗冲刷绝热管固化条件为：固化温度140-180℃，固化时间5-120min，常压或者5～10MPa，保压降温至室温，降温速率3～5℃/h。固化后可尽量减小或消除毛坯管的收缩，消除残余应力。所述的抗冲刷绝热管外径整形方法为采用机床切削法至0.3～0.5mm余量后，用湿法精磨的方式获得目标尺寸，尺寸偏差在±0.03之内。所述的抗冲刷绝热管脱模方式包括手工脱模、压机顶出脱模等方式。最终获得的抗冲刷绝热管外观平整、光滑，尺寸精确高，厚度均匀，操作简便，效率高。

实施例1：某小尺寸花瓣形内孔碳纤维抗冲刷绝热管

按照下步骤制作抗冲刷绝热管：

步骤一：将某2mm短切碳纤维/酚醛树脂预预混料通过模具制作成2mm长的预制板，宽度与要求的管长相同；

步骤二：将预制板通过辅助工装(见图3)一层一层的包裹在花瓣模芯上，坯料厚度为实物厚度的1.2倍。通过电机驱动预浸渍纤维布包裹铺设辅助工装2，带动模芯1旋转，并压紧至模芯1的表面，模芯1与辅助工装2之间设置弹簧，保证二者之间的作用力在设定范围内。

步骤三：将模芯1及预制板放置到哈弗模内，通过哈弗模外部加压，压力10MPa，在平板硫化机上保持10MPa压力硫化，硫化条件：160℃，60min，保压降温至室温，降温速率为5℃/h。

步骤四：卸除外压，获得带芯模的抗冲刷绝热管坯料(见图3)。

步骤五：机加整形，精车外径至剩余0.3mm余量，采用磨床进行湿法精磨达到目标外径。

步骤六：利用顶出工装脱模。

按照以上工艺方法进行了实物产品生产。绝热管外观质量合格，绝热外径尺寸满足设计要求，内径尺寸均能通过标准检验用模芯适配检验，连续生产了150余发绝热管产品，抽检10发，检测结果如表2所示，该产品最终通过了地面试车考核，试验取得圆满成功。

表1尺寸及外观检验结果

实施例2：某大尺寸锥形内孔高硅纤维抗冲刷绝热管

按照下步骤制作抗冲刷绝热管：

步骤一：将某2mm碳纤维/5mm碳纤维/酚醛树脂预混料，通过模压制成层压预制板；

步骤二：将预制板利用辅助铺设工装包裹在锥形模芯1上.坯料厚度为实物厚度的1.3倍。

步骤三：通过编织带缠绕外部加压，拉紧后常压置于热蒸汽罐中硫化，硫化条件：140℃，240min，降温至室温，降温速率为3℃/h。

步骤四：卸除外压，获得带芯模的抗冲刷绝热管坯料.

步骤五：机加整形，精车外径至剩余0.5mm余量，采用磨床进行湿法精磨达到目标外径。

步骤六：利用预设工艺台阶脱模，切除工艺台阶。

按照以上工艺方法进行了实物产品生产。绝热管外观质量合格，绝热外径尺寸满足设计要求，内径尺寸均能通过标准检验用模芯适配检验，连续生产了20余发绝热管产品，其中6发检测结果如表2所示，该抗冲刷绝热管产品最终通过了地面试车考核，试验取得圆满成功。

表2尺寸及外观检验结果

实施例3：某小尺寸碳纤维抗冲刷绝热套管

按照下步骤制作抗冲刷绝热管：

步骤一：将某12K高硅氧纤维/酚醛树脂预浸渍平纹布，通过层压制作层压复合预制板；

步骤二：将层压复合预制板利用辅助铺设工装包裹在圆柱模芯上，坯料厚度为实物厚度的1.5倍。

步骤三：通过哈弗模外部加压，压力10MPa，在平板硫化机上保持10MPa压力硫化，硫化条件：155℃，40min，保压降温至室温，降温速率为3.5℃/h。

步骤四：卸除外压，获得带芯模的抗冲刷绝热管坯料.

步骤五：用磨床进行湿法精磨达到目标外径。

步骤六：利用顶出工装脱模。

按照以上工艺方法进行了实物产品生产。绝热管外观质量合格，绝热外径、厚度尺寸满足设计要求，连续生产了200余发绝热管产品，部分检测结果如表3所示，该抗冲刷绝热套管产品最终通过了地面试车考核，试验取得圆满成功。

表3尺寸及外观检验结果

本发明利用纤维预浸渍料制作预制板，利用辅助铺设工装将制作好纤维预制板包裹到异形模芯上，借助外部压力，采取特定工艺固化，取出带模芯的抗冲刷绝热管坯料，整形至所要求的尺寸，脱模获得抗冲刷绝热管制品。该工艺生产效率较高，劳动强度较低，在中小型固体火箭发动机内抗冲刷层制作制造领域具有较好的应用前景。

从以上实施例可以看出，本发明的方法具有操作简便，可实施性强，工艺稳定，重现性较好，突破传统的气囊内撑加压、模压及丝束缠绕工艺的瓶颈，更适合用于固体火箭发动机抗冲刷绝热管的批量生产。

本发明的成型方法可替代目前广泛采用的气囊内撑加压、模压成型及纤维湿法丝束缠绕成型工艺，提升生产效率，提高产品尺寸控制精度，达到产品快速制造的能力。同时对于模压成型及缠绕成型工艺难以实现的复杂结构及不宜采用模压的结构都可以用本发明的方法进行成型，弥补了现有技术的局限性。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (16)

1.一种高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，包括模芯和辅助工装；所述模芯的外型面与绝热管的内型面形状匹配；预制板设置在所述模芯与辅助工装之间；所述辅助工装与所述模芯的轴线平行，所述辅助工装在电机驱动下，带动模芯旋转，将预制板压紧至模芯表面。

2.如权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，所述模芯的截面为花瓣形，沿周向均匀连续设置多个弧形凸起，所述辅助工装的外表面具有弧形凹槽，弧形凹槽与弧形凸起的弧度一致，弧形凹槽的弧线长度为弧形凸起弧线长度的一半，在旋转的过程中，相邻两个弧形凹槽的交界处压在所述模芯的弧形凸起的顶部或相邻两个弧形凸起的交界处。

3.如权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，所述模芯的截面为圆柱，所述辅助工装的截面为圆柱。

4.如权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，所述模芯的截面为圆锥，所述辅助工装与所述模芯形状相同；所述模芯的大端与所述辅助工装的小端相对，所述模芯的小端与所述辅助工装的大端相对。

5.如权利要求2至4之一所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，所述模芯内部沿轴向设置三角形的通孔，用于减重和定位。

6.如权利要求5所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置，其特征在于，模芯与辅助工装之间设置弹簧，使二者之间的作用力在设定范围内。

7.一种利用权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型装置进行绝热管的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将短切碳纤维/酚醛树脂预混料通过模具制作成预制板，预制板宽度与要求的绝热管管长相同；

(2)将预制板通过辅助工装逐层的包裹在模芯上，并逐层通过辅助工装压紧；预制板的包裹叠加厚度大于要求的绝热管厚度；

(3)进行外部加压至一定压力，然后保持该压力进行硫化处理；

(4)卸除外部加压，获得带芯模的抗冲刷绝热管坯料；

(5)去除绝热管坯料的余量；

(6)脱去模芯形成绝热管。

8.根据权利要求7所述的进行绝热管的成型方法，其特征在于，所述的预浸渍料为：短纤维/树脂预混料、短纤维/长纤维/树脂预混料或树脂预浸渍纤维布。

9.根据权利要求7所述的进行绝热管的成型方法，其特征在于，所述的预浸渍料为：3K短切碳纤维硼酚醛树脂预混料。

10.根据权利要求7所述的进行绝热管的成型方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预浸渍料制作预制板的方法为：层压法及模具预制法，通过预制获得与模芯形状吻合的预制板。

11.根据权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，所述的模芯为金属或砂芯材质。

12.根据权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，所述的外部加压方式包括哈弗模具加压或编织带缠绕加压。

13.根据权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，预制板的包裹叠加厚度为要求的绝热管厚度的1.2～1.5倍。

14.根据权利要求7所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，所述的硫化处理的条件为：硫化温度140-180℃，硫化时间5-120min，常压或者5～10MPa，保持压力降温至室温，降温速率3～5℃/h。

15.根据权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，去除绝热管坯料的余量的方法为：采用机床切削法至一定余量后，用湿法精磨的方式获得目标尺寸，尺寸偏差在±0.03mm之内。

16.根据权利要求1所述的高尺寸精度异形孔抗冲刷绝热管的成型方法，其特征在于，脱去模芯方式采用设置工艺台阶脱模或压机顶出脱模。