CN111391355B - 一种硅橡胶芯模膨胀压力测试及控制方法 - Google Patents

一种硅橡胶芯模膨胀压力测试及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅橡胶芯模压力测试及控制装置，包括：压力控制柜、压力测试系统、芯模加热系统、金属外腔、工业烘箱。其中，压力测试系统至少包括压力传感器、压力解调装置。芯模加热系统至少包括硅橡胶芯模、加热丝、热电偶。实验时，内置芯模加热系统的金属外腔放置于工业烘箱中，压力传感器、热电偶接至压力控制柜内。本装置通过压力控制柜对芯模加热系统输出功率的控制，实现了绝热橡胶层热压成型过程中成型压力的测试与控制，最终得到质量合格的绝热橡胶层制品。

Description

一种硅橡胶芯模膨胀压力测试及控制方法
技术领域
本发明涉及一种测试及控制硅橡胶芯模膨胀压力的装置及其方法，更具体地说，是指硅橡胶加热膨胀时的压力测试及控制装置及其方法。
背景技术
固体火箭发动机壳体的内绝热层起隔热作用，避免壳体温度过高，危及其结构完整性。目前，采用金属结构内壁上粘贴绝热橡胶的方式可以起到较好的隔热效果，成型时可采用对密闭腔体内的硅橡胶芯模进行加热，芯模受热膨胀后对绝热橡胶进行加压，在橡胶硫化的同时实现其与金属内壁的良好粘贴。在这个制造过程中，芯模施加压力的控制非常重要，而国内目前主要依据经验调节烘箱加热温度实现芯模的受热膨胀，芯模膨胀压力大小和均匀性难以得到精细的控制，也导致废品率较高或绝热层质量不稳定。如何监测并控制芯模压力成为了提高上述隔热结构制造品质的关键。传统的压力测试和控制方法难以用于密闭腔体内的芯模，需要采用一种对硅橡胶热膨胀过程干扰小、能协调控制芯模温度和压力、与现有工艺流程匹配且操作简单的方法。同时出于过程控制的需要，工艺过程中的温度和压力需实时监测，并可以方便地读取和存储。
为此，本发明的目的是提供一种基于薄膜压力传感原理的硅橡胶芯模膨胀压力的测试及控制装置和方法。
发明内容
为实现本发明的上述目的，具体的技术方案如下。
一种硅橡胶芯模压力测试及自动控制系统，所述系统包括压力控制柜、压力测试系统、芯模加热系统、金属外腔和烘箱(或固化炉)，其中所述压力测试系统置于压力控制柜内，芯模加热系统置于所述金属外腔内，芯模加热系统和金属外腔在一同置在工业烘箱中，压力测试系统通过压力控制柜控制芯模加热系统。
进一步，所述压力测试系统包括一体机、压力传感器和螺旋加载标定台。所述一体机具有压力信号输入端和电压信号输出端，将压力信号转化为电压信号并输出至主控仪表；所述螺旋加载标定台用于标定压力传感器的压力-电压线性关系。
进一步，所述芯模加热系统包括硅橡胶芯模、加热丝、压力传感器和绝热橡胶层。所述加热丝置于硅橡胶芯模中，设置温度传感器监测温度。
更具体的，本发明建立了一套硅橡胶芯模压力测试及自动控制系统，用于在工件(产品)腔内施压，从而完成圆形或其他形状工件腔内绝热层热压固化成形的工艺过程。其包括：压力控制柜、压力测试系统、芯模加热系统、金属外腔、工业烘箱。其中，所述压力控制柜包括三只主控仪表(UP1-UP3数字调节器)、三块副控仪表(FB1～FB3数字调节器)、一块温度监测仪表(MAC)、一台模拟屏(DOP107EG)、三块电流表、一台变压器及若干配件等。所述压力测试系统包括一体机MFF、三只高温薄膜压力传感器(典型厚度0.2mm)及螺旋加载标定台。所述芯模加热系统包括一个圆柱形硅橡胶芯模、绝热橡胶层、三根铠装加热丝、三只铠装热电偶、一只监测热电偶。
所述芯模加热系统的硅橡胶芯模采用模具事先浇铸成形，芯模内已分区(前、中、后)埋设三根铠装加热丝和三只铠装热电偶，其引线从圆柱芯模端面引出。另有三只柔性压力传感器和一只监测热电偶在芯模圆柱形外表面固定。各加热丝、热电偶从所述压力控制柜侧面圆孔穿入，接至各仪表。压力传感器引线连接所述压力测试系统的一体机，一体机将压力信号转化为电压信号输送至所述压力控制柜的三台UP仪表。三台UP仪表的设定电压值由人工输入，调节器进行PID自动控制，其输出(4～20mA)分别接至三块FB仪表的外设定输入端，控制运行中，副控仪表的设定值(SV)是变化的，测量值(PV)也是变化的。它们的信号输入来自芯模内的三只热电偶的温度信号，三块FB仪表的控制输出接至三区功率控制单元(晶闸管电压调整器)，从而控制芯模内三区的加热电流大小，形成负反馈闭环控制系统，该种由三个独立的主控和副控组成的控制方式称作“串级控制”(Cascade)。
根据产品的具体尺寸、形状、工艺条件等，可以对加热丝、热电偶、压力传感器及其相应的主控仪表、副控仪表、电流表等数量进行增加或减少，以能够满足压力和温度均匀性要求为准。
具体地，所述硅橡胶芯模采用R10301双组分液体硅橡胶制作。
具体地，所述铠装加热丝规格为110V/600W，形状为螺旋形，圈数为7圈，三区长度各不相同。
具体地，所述模拟屏经组态编程后，可在屏幕上显示各加热区温度、压力实时值及过程曲线。
具体地，所述压力测试系统的一体机具有压力信号输入端和电压信号输出端，负责将压力信号转化为电压信号并输出至主控仪表。
具体地，监测热电偶负责采集传感器附近温度，进而通过该温度下的压力-电压标定曲线得到压力值。
具体地，所述主控UP表的初始化设置有：SV设定值范围为0～5V；通讯RS485设为MODBUS协议。
具体地，所述副控FB表的初始化设置有：温度报警值设为200℃；主控UP表的4～20mA对应0～150℃；输出PID参数中只保留P参数；通讯RS485设为MODBUS协议。
具体地，所述主控、副控和监测仪表采用RS485通讯线串联后接至触摸屏，用以采集数据。
优选地，工业烘箱顶部设有50mm的引线接孔。
优选地，所述金属外腔与所述芯模加热系统的工艺间隙设计为2mm。
本发明硅橡胶芯模压力的测试及控制装置的优点在于：
(1)适用于复合材料热膨胀成型工艺过程的压力监测及控制；
(2)成型过程中温度、压力控制稳定程度高；(3)可以实现不同温度环境下的压力测试和控制；(4)测试过程各参数、历史过程曲线显示直观明了；(5)测量误差小，测试可靠性和重复性高，操作简单。
本发明还要求保护一种硅橡胶芯模热膨胀压力测试及控制方法，包括如下步骤：
(1)制备硅橡胶芯模，将加热丝及温度传感器固定于指定位置，浇入硅橡胶硫化后得到芯模；
(2)将压力传感器固定于硅橡胶芯模表面，并将未硫化的硅橡胶绝热层包裹在芯模上，最后将其放入金属外腔中，完成工件封装；
(3)封装好的工件放入工业烘箱中，设置压力控制柜，分别设定好各加热区目标压力值，即可开始闭环实验；
(4)升温过程中的各区温度和压力值显示在模拟屏上，并可观察实时温度、压力变化曲线。
步骤(1)制备硅橡胶芯模之前还有压力传感器标定步骤。
压力传感器标定步骤具体为准备预埋加热丝的硅橡胶垫片，在螺旋加载标定台上依次放置硅橡胶加热元件、压力传感器、热电偶及硅橡胶垫片后，热电偶固定于传感器敏感区域附近，使其尽可能监测传感器的温度；硅橡胶加热元件的加热管供电，通过手动调节加热功率，使压力传感器的温度维持在指定温度，通过换算及拟合得到各温度下的压强-电压关系曲线。
更具体的，本发明还提供了一种硅橡胶芯模热膨胀压力测试及控制方法，其包括如下步骤：
(1)实验前，在实际工况条件下对三只压力传感器进行压力-电压关系的标定，即满足接触材料及高温条件下压力传感器的标定结果。
(2)步骤(1)完成后，开始制备硅橡胶芯模，预先准备好芯模模具，内壁涂敷好脱模剂，将三根螺旋形加热丝及对应的三只铠装热电偶固定于指定位置，浇入硅橡胶双组分液体，使其液面线达到指定高度，完成硫化后得到芯模。
(3)将三只步骤(1)标定过的压力传感器及一只监测热电偶通过高温胶带固定于硅橡胶芯模表面，并将未硫化的橡胶绝热层包裹在芯模上，最后将其放入金属外腔中，完成工件封装。
(4)将步骤(3)封装好的工件放入工业烘箱中，各种引线由烘箱顶部接线口传出，并连接至压力控制柜，分别设定好各加热区目标压力值，即可开始闭环实验。
(5)升温过程中的各区温度和压力值显示在模拟屏上，并可观察实时温度、压力变化曲线。
优选地，步骤(4)中烘箱温度设定值参考绝热橡胶层的硫化温度而确定。
本发明还要求保护所述硅橡胶芯模压力测试及自动控制系统的用途，用于在工件腔内施压，从而完成工件腔内绝热层热压固化成形的工艺过程。
附图说明
为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：
图1是硅橡胶芯模压力测试及控制装置示意图；
图2是压力控制柜的组成及结构示意图；
图3是压力测试系统的组成示意图；
图4是芯模加热系统的组成及结构示意图；
图5是不同温度下1#传感器的压力-电压标定结果；
图6是不同温度下2#传感器的压力-电压标定结果；
图7是不同温度下3#传感器的压力-电压标定结果。
其中，图中的标号说明如下：
1 压力控制柜 2 压力测试系统 3 芯模加热系统
4 金属外腔 5 工业烘箱
11 主控UP1 12 主控UP2 13 主控UP3
14 副控FB1 15 副控FB2 16 副控FB3
17 监测MAC 18 电流表1 19 电流表2
110 电流表3 111 模拟屏
21 一体机 22 薄膜压力传感器
23 螺旋加载标定台
211 压力信号输入端 212 电压信号输出端
31 硅橡胶芯模 32 铠装加热丝1 33 铠装加热丝2
34 铠装加热丝3 35 铠装热电偶1 36 铠装热电偶2
37 铠装热电偶3 38 监测热电偶1 39 压力传感器1
310 压力传感器2 311 压力传感器3 312 绝热橡胶层
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种升温过程中的硅橡胶芯模压力测试与控制装置。如图1所示，该压力测试控制装置由压力控制柜1、压力测试系统2、芯模加热系统3、金属外腔4、工业烘箱5组成。具体地，压力测试系统2的一体机21放置于压力控制柜1内，芯模加热系统3放置于所述金属外腔4内，芯模加热系统3和金属外腔4在一同放置在工业烘箱5中，所有引线由工业烘箱5上方接线口引出并接至压力控制柜1内。
压力控制柜1的组成及结构如图2所示，包括三块主控仪表(11、12、13)、三块副控仪表(14、15、16)、一块温度监测仪表(17)、三块电流表(18、19、110)、一台模拟屏(111)及若干配件。
压力测试系统2如图3所示，包括一体机21、压力传感器22、螺旋加载标定台23。其中，一体机21具有压力信号输入端211和电压信号输出端212，螺旋加载标定台23用于标定压力传感器22的压力-电压线性关系。
芯模加热系统3如图4所示，包括硅橡胶芯模31、铠装加热丝(32、33、34)、铠装热电偶(35、36、37)、监测热电偶38、压力传感器(39、310、311)、绝热橡胶层311。其中，三根铠装加热丝(32、33、34)呈螺旋形状依次放置在硅橡胶芯模31的左、中、右三个位置，并在其附近放置对应的三只铠装热电偶(35、36、37)以监测各区温度；三只压力传感器(39、310、311)分别放置在左、中、右三区，以监测各区压力；另有一只监测热电偶38放置硅橡胶芯模31表面的压力传感器310附近，用于监测传感器附近温度；最后将硅橡胶芯模31包裹上绝热橡胶层312，完成硅橡胶芯模加热系统的制备。
利用该发明能对硅橡胶芯模加热膨胀过程中的压力进行测试及控制，具体操作如下：
压力传感器的标定
准备好预埋加热丝的硅橡胶片，在螺旋加载标定台23上依次放置硅橡胶加热元件、压力传感器、热电偶及硅橡胶垫片后，热电偶采用高温胶带固定于传感器敏感区域附近，使其尽可能监测传感器的温度；硅橡胶加热元件的加热管采用控制柜的FB表供电，通过手动调节加热功率，使压力传感器22的温度维持在指定温度，通过换算及拟合得到各温度下的压强-电压关系曲线。
芯模加热系统的制备
预先准备好芯模模具，内壁涂敷好脱模剂，将三根铠装加热丝(32、33、34)及对应的三只铠装热电偶(35、36、37)固定于指定位置，然后把配制好的R10301硅橡胶液体浇入芯模模具中，使硅橡胶液面线达到指定高度，放置常温下24h后，脱模取出在放入烘箱中100℃1h，200℃1h，完成硫化。将三只压力传感器(39、310、311)及一只监测热电偶38通过高温胶带固定于硅橡胶芯模31表面，并将未硫化的橡胶绝热层312包裹在硅橡胶芯模31上，至此完成芯模加热系统3的制备。
工件的封装
将包裹好的硅橡胶芯模放入金属外腔4内，所有加热丝、传感器及热电偶引线通过带有穿孔的法兰盖板引出，最后将盖板通过螺栓固定于金属外腔4上，完成工件封装。
闭环实验
将封装好的工件放入工业烘箱5中，各种引线由烘箱5顶部接线口传出，并连接至压力控制柜1内各仪表，分别设定好各加热区目标压力值。启动烘箱5，温度设定为150℃，升温速率5℃/min；开启控制柜1各区电源开关，此时升温过程通过PID运算自动控制，当压力升高至设定值时，副控温度值在设定值附近上下波动，维持芯模压力1h。完成加压后，关闭机柜电源，工件炉冷至室温后，得到绝热橡胶层制品。
绝热橡胶层质量检测
将上述实验获得的绝热橡胶层进行超声波探伤检测及内壁粘结状态检测，确认粘结性能合格。
实施例：
在本实施例中，对本实验所用的三只压力传感器进行了高温标定。具体步骤如下：采在螺旋加载标定台上依次放置硅橡胶加热元件、压力传感器、热电偶及硅橡胶垫片，其中，热电偶采用高温胶带固定于传感器敏感区域附近，使其尽可能监测传感器的温度；硅橡胶加热元件内的加热管采用控制柜FB表供电，通过手动调节电压输出百分比，进而调节输出功率使热电偶温度维持在指定温度(100、120、140、160℃)；最后采用螺旋加载台对传感器进行加载，别施加50N、75N，100N、125N、150N、175N、200N、225N、250N的压力进行测试，各压力下测试时间为一分钟，取平均值最该压力下对应的电压值，通过换算及拟合得到三只传感器各温度下的压强-电压关系曲线，结果如图5-7所示。可以看到压强-电压关系有很好的线性，且受温度影响较小，有很好的压力可控性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种硅橡胶芯模膨胀压力测试及控制方法，包括如下步骤：
（1）制备硅橡胶芯模，将加热丝及温度传感器固定于指定位置，浇入硅橡胶硫化后得到芯模；
（2）将压力传感器固定于硅橡胶芯模表面，并将未硫化的橡胶绝热层包裹在芯模上，最后将其放入金属外腔中，完成工件封装；
（3）封装好的工件放入工业烘箱中，设置压力控制柜，分别设定好各加热区目标压力值，即可开始闭环实验；
（4）升温过程中的各区温度和压力值显示在模拟屏上，并可观察实时温度、压力变化曲线；
该控制方法所使用的控制系统包括压力控制柜、压力测试系统、芯模加热系统、金属外腔和烘箱或固化炉，其中所述压力测试系统置于压力控制柜内，芯模加热系统置于所述金属外腔内，芯模加热系统和金属外腔在一同置在工业烘箱或固化炉中，压力测试系统通过压力控制柜控制芯模加热系统；所述压力测试系统包括一体机、压力传感器和螺旋加载标定台；所述一体机具有压力信号输入端和电压信号输出端，将压力信号转化为电压信号并输出至主控仪表；所述螺旋加载标定台用于标定压力传感器的压力-电压线性关系；所述芯模加热系统包括硅橡胶芯模、加热丝、压力传感器和绝热橡胶层；所述加热丝置于硅橡胶芯模中，设置温度传感器监测温度；
所述闭环实验步骤：将封装好的工件放入工业烘箱中，各种引线由烘箱顶部接线口传出，并连接至压力控制柜内各仪表，分别设定好各加热区目标压力值；启动烘箱，温度设定为150℃，升温速率5℃/min；开启控制柜各区电源开关，此时升温过程通过PID运算自动控制，当压力升高至设定值时，副控温度值在设定值附近上下波动，维持芯模压力1h；完成加压后，关闭机柜电源，工件炉冷至室温后，得到绝热橡胶层制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）制备硅橡胶芯模之前还有压力传感器标定步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，压力传感器标定步骤具体为准备预埋加热丝的硅橡胶垫片，在螺旋加载标定台上依次放置硅橡胶加热元件、压力传感器、热电偶及硅橡胶垫片后，热电偶固定于传感器敏感区域附近，使其监测传感器的温度；硅橡胶加热元件的加热管供电，通过手动调节加热功率，使压力传感器的温度维持在指定温度，通过换算及拟合得到各温度下的压强-电压关系曲线。
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