CN112590244B - 一种碳编织缠绕碳纤维发射管及其制造方法 - Google Patents

一种碳编织缠绕碳纤维发射管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，包括1）准备缠绕和编织一体的设备和一根椭圆形不锈钢圆柱作为模具；2）准备纤维和树脂；3）设计发射管结构；4）对五段区域进行分步铺层；5）将模具和发射管一起放进烘箱进行后固化处理；6）固化完成后根据设计图纸进行机械加工得到产品净尺寸；一种碳编织缠绕碳纤维发射管，发射管分为五段区域，发射管后一段区域长度比前一段区域长度短600mm，后一段区域均覆盖在前一段区域上面，发射管截面为椭圆形。本发明减少了原材料使用量，从而大大减轻了发射管的重量，并且降低了成本；有效的将传统湿法缠绕机与圆网编织机结合使用，使得两种设备的利用率都得到了提升，从而降低了生产成本。

Description

一种碳编织缠绕碳纤维发射管及其制造方法
技术领域
本发明涉及发射管领域，特别涉及一种碳编织缠绕碳纤维发射管及其制造方法。
背景技术
发射管使用来发射某些运动装置的外管，小型发射管有发球器外管、钓鱼器发射管，大型发射管火炮发射管、导弹发射管、火箭发射管等等。大多数发射管的材料大部分采用合金钢，常以中碳镍铬铂合金钢为主，也有少量增加钒做改性的钢。为了减轻发射管的重量，近期开始大量研制有机复合材料发射管，由于目前有机复合材料最大耐温难以超过400℃。所以，目前大部分仍采用金属与有机复合材料结合的形式来达到相对减重的目的。
现有的发射管复合材料部分大部分采用碳纤维或玻璃纤维浸胶湿法缠绕的工艺方式来实现的。湿法缠绕最大的问题就是难以小角度缠绕（小角度缠绕张力很难保证），为确保发射管长度方向的刚度，就需要两倍甚至三倍量的缠绕大角度以确保长度方向的刚度，这样使得发射管壁厚大大增加，因此重量又难以减轻。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种碳编织缠绕碳纤维发射管及其制造方法，有效的减少了原材料使用量，从而大大减轻了发射管的重量，并且降低了成本。
本发明的目的一方面是这样实现的：一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1） 准备缠绕和编织一体的设备，准备一根椭圆形不锈钢圆柱作为模具，将模具安装至缠绕编织机后，表面涂覆多遍脱模剂，每一遍之间间隔时间不少于15分钟；
步骤2）准备纤维和树脂，根据产品的刚度性能要求，采用碳纤维无撵长丝纤维，树脂选用室温固化环氧树脂；
步骤3）设计发射管结构，发射管为笋状结构，分为五段区域，发射管截面为椭圆形；发射管后一段的长度相比前一段长度短600mm，发射管后面一段都是覆盖在前一段上面，并且长度逐步递减；
步骤4）对五段区域进行分步铺层，利用计算机软件计算出五段区域铺层比例，每段区域均采用0°和90°的铺层组合，90°铺层采用传统湿法缠绕工艺，0°铺层采用编织工艺完成；
步骤5）待缠绕和编织结束产品表面基本固化后，将模具和发射管一起放进烘箱进行后固化处理；
步骤6）固化完成后根据设计图纸进行机械加工得到产品净尺寸。
作为本发明的进一步改进，步骤1）中所述椭圆形不锈钢圆柱尺寸为长6000mm，长径120mm，短径60mm。
作为本发明的进一步改进，步骤2）中所述碳纤维无撵长丝纤维采用东丽公司T800-24K碳纤维。
作为本发明的进一步改进，步骤3）中所述发射管总长为4800mm，壁厚范围在11mm~36mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4）具体包括以下步骤：
4-1) 首先制作第一段，第一段总厚度11mm，0°铺层占27%，90°铺层占73%，第一段详细的铺层角度和铺层厚度为：90°3mm、0°1mm、90°3mm、0°1mm、90°3mm、0°1mm、90°2mm；
4-2) 缠绕第一段前90°3mm厚度采用22根纱，选择单切点缠绕，根据单层厚度计算，需要缠绕20层；
4-3）10层缠绕结束后开始编织0°1mm，编织采用144根纱轴向编织，根据单层厚度计算，需要编织4层，以此类推，完成第一段的所有成型工作；
4-4） 第二段比第一段短600mm，厚度为8mm，根据铺层比率0°和90°各占50%，第二段详细的铺层角度和铺层厚度为：90°2mm、0°2mm、90°2mm、0°2mm；
4-5） 缠绕第二段前90°2mm厚度采用22根纱，选择单切点缠绕，根据单层厚度计算，需要缠绕13层；
4-6）如图2所示，缠绕结束后开始编织0°1mm，编织采用144根纱轴向编织，根据单层厚度计算，需要编织8层，以此类推，完成第二段的所有成型工作；
4-7）第三段比第二段短600mm，铺层设计完全相同，成型操作完全一致；
4-8）第四段比第三段短600mm，厚度5mm，根据铺层比率，第四段详细的铺层角度和铺层厚度为：90°1.25mm、0°1.25mm、90°1.25mm、0°1.25mm，缠绕层数16层，编织层数10层；
4-9） 第五段比第四段短600mm，厚度4mm，根据铺层比率，第五段详细的铺层角度和铺层厚度为90°2mm、0°2mm，缠绕层数40层，编织层数16层。
作为本发明的进一步改进，步骤5）中所述后固化处理的温度为80℃，时间为4h。
本发明的目的另一方面是这样实现的：一种碳编织缠绕碳纤维发射管，所述发射管分为五段区域，所述发射管后一段区域长度比前一段区域长度短600mm，所述发射管后一段区域均覆盖在前一段区域上面，并且长度逐步递减，所述发射管截面为椭圆形。
采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果在于：采用湿法缠绕加编织的工艺方法来成型复合材料发射管，编织的方式可以做到最小角度5-10°，近乎0°的小角度完美解决了湿法缠绕的弊端，可以大大减薄壁厚，从而减轻复合材料发射管的重量，减少了原材料使用量，从而大大减轻了发射管的重量，并且降低了成本；有效的将传统湿法缠绕机与圆网编织机结合使用，使得两种设备的利用率都得到了提升，从而降低了生产成本。
附图说明
图1本发明发射管的结构示意图。
图2本发明0°方向铺层圆网编织制作等轴距示意图。
图3本发明0°方向铺层圆网编织制作正面示意图。
图4本发明0°方向铺层圆网编织制作A处局部放大图。
其中，1发射管，1-1第一段，1-2第二段，1-3第三段，1-4第四段，1-5第五段，2截面。
具体实施方式
一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1）准备缠绕和编织一体的设备，最多可以同时缠绕120根丝束编织144根丝束的一体机，准备一根长6000mm，长径120mm，短径60mm的椭圆形不锈钢圆柱作为模具，将模具安装至缠绕编织机后，表面涂覆5遍770NC脱模剂，每一遍之间间隔时间不少于15分钟；
步骤2）碳纤维复合材料，具有较高的比强度和比刚度，耐盐雾，耐海水腐蚀，其中T800碳纤维相比其他类型碳纤维产品，其拉伸模量高达293GPa，因此针对刚度性能要求极高的产品，准备纤维和树脂，采用东丽公司T800-24K碳纤维无撵长丝纤维，树脂选用室温固化环氧树脂，适用期2-3h(25℃)；
步骤3）设计发射管结构，如图1所示，发射管1为笋状结构，分为五段区域，发射管截面2为椭圆形；发射管后一段的长度相比前一段长度短600mm，发射管后面一段都是覆盖在前一段上面，并且长度逐步递减；发射管总长为4800mm，壁厚范围在11mm~36mm，最厚处壁厚36mm，最薄处壁厚11mm；
步骤4）对五段区域进行分步铺层，利用计算机软件计算出五段区域铺层比例，每段区域均采用0°和90°的铺层组合，90°铺层采用传统湿法缠绕工艺，0°铺层采用编织工艺完成；
为了规避缠绕和编织角度的偏差，这里全部采用0°和90°的铺层组合，每一段的铺层比例、厚度及长度如表1所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
4-1）首先制作第一段，第一段总厚度11mm，0°铺层占27%，90°铺层占73%，第一段详细的铺层角度和铺层厚度为：(90°3mm)、(0°1mm)、(90°3mm)、(0°1mm)、(90°3mm)、(0°1mm)、(90°2mm)；根据第一段的铺层角度设计，首先利用湿法缠绕机环向(90°±5°)缠绕3mm厚度，然后利用圆网编织机湿法浸胶或编织轴向(0°±10°)1mm厚度，由图2-图4 可见编织网角度在±10°之间，利用编织机拉回编织并且轴向预紧张力可根据需求调节；利用缠绕和编织工艺来回相互补充来完成整根发射管的制作；
4-2）缠绕第一段前90°3mm厚度采用22根纱，选择单切点缠绕，根据单层厚度计算，需要缠绕20层；
4-3）10层缠绕结束后开始编织0°1mm，编织采用144根纱轴向编织，根据单层厚度计算，需要编织4层，以此类推，完成第一段的所有成型工作；
4-4） 第二段比第一段短600mm，厚度为8mm，根据铺层比率0°和90°各占50%，第二段详细的铺层角度和铺层厚度为：(90°2mm)、(0°2mm)、(90°2mm)、(0°2mm)；
4-5） 缠绕第二段前90°2mm厚度采用22根纱，选择单切点缠绕，根据单层厚度计算，需要缠绕13层；
4-6） 缠绕结束后开始编织0°1mm，编织采用144根纱轴向编织，根据单层厚度计算，需要编织8层，以此类推，完成第二段的所有成型工作；
4-7）第三段比第二段短600mm，铺层设计完全相同，成型操作完全一致；
4-8）第四段比第三段短600mm，厚度5mm，根据铺层比率，第四段详细的铺层角度和铺层厚度为：(90°1.25mm)、(0°1.25mm)、(90°1.25mm)、(0°1.25mm)，缠绕层数16层，编织层数10层；
4-9） 第五段比第四段短600mm，厚度4mm，根据铺层比率，第五段详细的铺层角度和铺层厚度为(90°2mm)、(0°2mm)，缠绕层数40层，编织层数16层；
步骤5）待缠绕和编织结束产品表面基本固化后，将模具和发射管一起放进烘箱80℃后固化处理4h；
步骤6）固化完成后根据设计图纸进行机械加工得到产品净尺寸。
采用以上方法制作得到一种碳编织缠绕碳纤维发射管，发射管1分为五段区域，发射管1后一段区域长度比前一段区域长度短600mm，发射管1后一段区域均覆盖在前一段区域上面，并且长度逐步递减，发射管1截面2为椭圆形。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）准备缠绕和编织一体的设备，准备一根椭圆形不锈钢圆柱作为模具，将模具安装至缠绕编织机后，表面涂覆多遍脱模剂，每一遍之间间隔时间不少于15分钟；
步骤2）准备纤维和树脂，根据产品的刚度性能要求，采用碳纤维无撵长丝纤维，树脂选用室温固化环氧树脂；
步骤3）设计发射管结构，发射管为笋状结构，分为五段区域，发射管截面为椭圆形；发射管后一段的长度相比前一段长度短600mm，发射管后面一段都是覆盖在前一段上面，并且长度逐步递减；所述发射管总长为4800mm，壁厚范围在11mm~36mm；
步骤4）对五段区域进行分步铺层，利用计算机软件计算出五段区域铺层比例，每段区域均采用0°和90°的铺层组合，90°铺层采用传统湿法缠绕工艺，0°铺层采用编织工艺完成；编织网角度在±10°之间，利用编织机拉回编织并且轴向预紧张力根据需求调节；利用缠绕和编织工艺来回相互补充来完成整根发射管的制作；
步骤5）待缠绕和编织结束产品表面基本固化后，将模具和发射管一起放进烘箱进行后固化处理；
步骤6）固化完成后根据设计图纸进行机械加工得到产品净尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，其特征在于，步骤1）中所述椭圆形不锈钢圆柱尺寸为长6000mm，长径120mm，短径60mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，其特征在于，步骤2）中所述碳纤维无撵长丝纤维采用东丽公司T800-24K碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种碳编织缠绕碳纤维发射管的制造方法，其特征在于，步骤5）中所述后固化处理的温度为80℃，时间为4h。
5.根据权利要求1制造得到的一种碳编织缠绕碳纤维发射管，其特征在于，所述发射管分为五段区域，所述发射管后一段区域长度比前一段区域长度短600mm，所述发射管后一段区域均覆盖在前一段区域上面，并且长度逐步递减，所述发射管截面为椭圆形，所述发射管总长为4800mm，壁厚范围在11mm~36mm。
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