CN106217921B - 带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,通过缠绕的方式将喷管预发动机复合材料壳体一体成型,取消了现有技术中发动机复合材料壳体与喷管单独成型后再用金属连接的结构,而是将喷管与发动机复合材料壳体后接头合为一体,在喷管装配到位后,喷管收敛段与发动机复合材料壳体一并缠绕成型,用缠绕层代替了原有的喷管金属壳体,去除了发动机复合材料壳体后接头、喷管金属壳体和连接件等部件,能有效提高发动机质量比;并且采用工艺封头和固定块,克服了喷管喉径对芯模芯轴的限制,能很好地保证喷管的轴向间隙以及与壳体同轴度的控制;另外,本发明的一体成型方法简单、操作方便、周期短且价格低廉。
Description
技术领域
本发明属于火箭发动机复合材料壳体成型技术领域,具体涉及一种带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法。
背景技术
研制高质量比固体发动机是固体推进技术的发展目标。火箭发动机的消极质量会降低火箭的运载能力,越往上面级,这种影响越大。
纤维缠绕发动机壳体可有效降低发动机壳体的消极重量,是未来发动机壳体的主要发展方向,但常规的纤维缠绕发动机壳体通常还要通过后封头与喷管上的金属法兰连接,消极重量仍然较大,降低了固体火箭发动机的质量比,从而很大程度上影响了固体火箭发动机的使用性能,且制造装配过程繁杂、周期较长。
发明内容
本发明的目的就是要针对传统加工方法的不足,提供一种既能有效提高发动机质量比、又能克服喷管喉径对芯模芯轴限制的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,保证喷管各零件轴向间隙以及与发动机复合材料壳体同轴度的控制。
为实现上述目的,本发明所设计的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法是将喷管与发动机复合材料壳体快捷高效合为一个整体的过程,所述发动机复合材料壳体包括壳体主体部分及连接在壳体主体部分前端的前接头,所述一体成型方法包括如下步骤:
1)分别成型喷管、前接头、前裙、后裙、水溶性石英砂芯模及芯轴,其中:水溶性石英砂芯模的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致;
2)将水溶性石英砂芯模套装在芯轴上后,在水溶性石英砂芯模中间筒段周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜,在水溶性石英砂芯模前段外表面、以及在水溶性石英砂芯模后段外表面且延伸至芯轴后轴的锥面均涂刷一层脱模剂;然后在聚四氟乙烯薄膜和脱膜剂上均贴上三元乙丙橡胶绝热层;
3)将前接头安装到经过步骤2)处理后的水溶性石英砂芯模前段的前端;通过工艺封头将喷管安装到芯轴后轴上,且喷管的收敛段贴合于水溶性石英砂芯模后段的后端和芯轴后轴的锥面;
4)安装完前接头和喷管之后,对前接头外表面及喷管收敛段外表面贴三元乙丙橡胶绝热层,然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相结合的方式对前接头外表面、水溶性石英砂芯模外表面及喷管收敛段外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕,并固化;
5)经过步骤4)缠绕、固化后,将工艺封头拆除,将前裙安装到水溶性石英砂芯模前段缠绕层上,将后裙安装到水溶性石英砂芯模后段缠绕层上,并对前裙和后裙进行缠绕固化;
6)前裙和后裙缠绕固化完成后,脱模得到带喷管的发动机复合材料壳体。
进一步地,所述步骤1)中,水溶性石英砂芯模按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶(3~5)∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂,固化得到水溶性石英砂芯模;水溶性石英砂芯模为分若干段砂型,每段砂型预先单独成型,每段砂型单独成型时预置环槽,其中前后两端的砂型外型面与发动机复合材料壳体内型面一致;所述每段砂型单独成型时,每段砂型的外型面留有机加余量,且端面平整。
进一步地,所述步骤1)中,芯轴分为实心前轴、空心中轴及实心后轴,前轴、中轴和后轴单独机加时外径均留有机加余量,且前轴、中轴和后轴上分别设置有与水溶性石英砂芯模上的键相配合的键槽;且芯轴后轴的锥面与喷管收敛段的内型面一致。
进一步地,所述步骤3)中,前接头与前端固定法兰盘连接,前端固定法兰盘通过前端固定卡爪固定在芯轴的前轴上;芯轴后轴上套有固定块,固定块衬在喷管的扩散段处;工艺封头通过后端固定装置固定在芯轴后轴上,且工艺封头和固定块均与芯轴同轴固定。
进一步地,所述步骤5)中,前裙与前裙安装卡爪的后端连接,前裙安装卡爪的前端通过前端固定装置固定安装到芯轴前轴上,后裙与后裙安装卡爪的前端连接,后裙安装卡爪的后端通过后端固定装置固定安装到芯轴后轴上。
进一步地,所述步骤5)中,双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂;所述步骤6)中,前裙和后裙缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂。
进一步地,所述步骤6)中,将前裙安装卡爪、后裙安装卡爪和前端固定卡爪拆除,再从水溶性石英砂芯模前端用高压水枪对水溶性石英砂芯模进行冲洗以溶解芯模,并从前端取出芯轴,然后清除水溶性石英砂芯模中间筒段周围包裹的聚四氟乙烯薄膜。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:本发明带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,取消了现有技术中发动机复合材料壳体与喷管单独成型后再用金属连接的结构,而是将喷管与发动机复合材料壳体后接头合为一体,在喷管装配到位后,喷管收敛段与发动机复合材料壳体一并缠绕成型,用缠绕层代替了原有的喷管金属壳体,去除了发动机复合材料壳体后接头、喷管金属壳体和连接件等部件,能有效提高发动机质量比;并且采用工艺封头和固定块,克服了喷管喉径对芯模芯轴的限制,能很好地保证喷管的轴向间隙以及与壳体同轴度的控制;另外,本发明的一体成型方法简单、操作方便、周期短且价格低廉,尤其适用于纤维缠绕的发动机复合材料壳体。
附图说明
图1为本发明带喷管的发动机复合材料壳体一体成型的结构示意图;
图2为图1中喷管的结构示意图;
图3为本实施例中缠绕工装结构示意图;
图4为本实施例中前裙和后裙上裙工装结构示意图;
图5为图1中芯轴的结构示意图。
其中:前接头1、固定块2、前裙3(其中:前裙安装卡爪31)、缠绕层4、后裙5(其中:后裙安装卡爪51)、喷管6(其中:收敛段61、扩散段62)、水溶性石英砂芯模7(其中:前段71、中间筒段72、后段73)、芯轴8(其中:前轴81、中轴82、后轴83、锥面84)、前段固定装置9、后端固定装置10、前端固定法兰盘11、前端固定卡爪12、工艺封头13、环槽14。
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,便于更清楚地了解本发明,但它们不对本发明构成限定。
如图1所示为带喷管的发动机复合材料壳体一体成型结构,包括喷管6与发动机复合材料壳体,发动机复合材料壳体包括壳体主体部分及连接在壳体主体部分前端的前接头1,该一体成型方法包括如下步骤:
1)分别成型喷管6、前接头1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯轴8;其中:水溶性石英砂芯模7的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致;
本实施例中,水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶4∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂,固化得到水溶性石英砂芯模7;并且,水溶性石英砂芯模7为分四段砂型,每段砂型预先单独成型,每段砂型单独成型时预置环槽14,其中前后两端的砂型外型面与发动机复合材料壳体内型面一致,如椭球形;每段砂型单独成型时,每段砂型的外型面留有机加余量,且端面平整,安装后相邻砂型之间的间隙采用石膏来加以填充,再机加到与发动机复合材料壳体内型面一致;
结合图2、图5所示,芯轴8分为实心前轴81、空心中轴82及实心后轴83,前轴81、中轴82和后轴83单独机加时外径均留有机加余量,前轴81、中轴82和后轴83之间焊接成一体,并在焊后机加保证各部分的同轴度;且前轴81、中轴82和后轴83上分别设置有与水溶性石英砂芯模7上的键相配合的键槽,芯轴8与砂型采用键来进行周向固定;且芯轴8后轴83的锥面84与喷管6收敛段61的内型面一致,以保证贴合;
2)结合图3所示,将水溶性石英砂芯模7套装在芯轴8上后,在水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜,在水溶性石英砂芯模7前段71外表面、以及在水溶性石英砂芯模7后段73外表面且延伸至芯轴8后轴83的锥面84均涂刷一层脱模剂;然后在聚四氟乙烯薄膜和脱膜剂上均贴上三元乙丙橡胶绝热层;
3)将前接头1安装到经过步骤2处理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端,并且前接头1与前端固定法兰盘11连接,前端固定法兰盘11通过前端固定卡爪12固定在芯轴8的前轴81上;将喷管6安装到芯轴8后轴83上,使得喷管6的收敛段61贴合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯轴8后轴83的锥面84,并且,喷管6扩散段62的端部连接一工艺封头13(该工艺封头13的外型面为椭球面,满足双螺旋曲线要求),工艺封头13通过后端固定装置10固定在芯轴8后轴83上;另外,芯轴8后轴83上套有固定块2,且固定块2衬在喷管6的扩散段62处;本实施例中,工艺封头13和固定块2均与芯轴8同轴固定,工艺封头13与固定块2共同保证喷管6的轴向间隙以及喷管6与发动机复合材料壳体的同轴度,同时,固定块2对芯轴8在喷管6喉衬处的受力情况加以改善,克服了喷管6喉径对芯模芯轴8的限制,能很好地保证喷管6的轴向间隙以及与发动机复合材料壳体同轴度的控制;
4)安装完前接头1和喷管6之后,对前接头1外表面及喷管6收敛段61外表面贴三元乙丙橡胶绝热层,以达到可缠绕状态;然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相结合的方式对前接头1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及喷管6收敛段61外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕,并固化;双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂;
5)经过步骤4缠绕、固化后,采用机加方法将喷管6扩散段62缠绕层4的多余部分去除,并将工艺封头13拆除;结合图4所示,然后将前裙3安装到水溶性石英砂芯模7前段71缠绕层4上,前裙3与前裙安装卡爪31的后端连接,前裙安装卡爪31的前端通过前端固定装置9固定安装到芯轴8前轴81上;将后裙5安装到水溶性石英砂芯模7后段73缠绕层4上,后裙5与后裙安装卡爪51的前端连接,后裙安装卡爪51的后端通过后端固定装置10固定安装到芯轴8后轴83上,然后对前裙3和后裙5进行缠绕固化;前裙3和后裙5缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂;
6)前裙3和后裙5缠绕固化完成后,将前裙安装卡爪31、后裙安装卡爪51、前端固定卡爪12及一些相关固定件依次拆除,再从水溶性石英砂芯模7前端用高压水枪对水溶性石英砂芯模7进行冲洗以溶解芯模,并从前端取出芯轴8,然后清除水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹的聚四氟乙烯薄膜,使得发动机复合材料壳体内壁清洁干净,吹干残留的水分,得到带喷管的发动机复合材料壳体。
通过本发明带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法制备了三台带喷管的发动机复合材料壳体,其平均质量减轻了20%,发动机质量比提高了3%,该三台带喷管的发动机复合材料壳体水压试验***压力为11.7MPa、12.4MPa及12.1MPa,而设计要求则为11MPa,因此,满足了设计的要求,可以作为固体火箭发动机燃烧室壳体。
Claims (9)
1.一种带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,是将喷管(6)与发动机复合材料壳体快捷高效合为一个整体的过程,所述发动机复合材料壳体包括壳体主体部分及连接在壳体主体部分前端的前接头(1),其特征在于:所述一体成型方法包括如下步骤:
1)分别成型喷管(6)、前接头(1)、前裙(3)、后裙(5)、水溶性石英砂芯模(7)及芯轴(8),其中:水溶性石英砂芯模(7)的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致;
2)将水溶性石英砂芯模(7)套装在芯轴(8)上后,在水溶性石英砂芯模(7)中间筒段(72)周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜,在水溶性石英砂芯模(7)前段(71)外表面、以及在水溶性石英砂芯模(7)后段(73)外表面且延伸至芯轴(8)后轴(83)的锥面(84)均涂刷一层脱模剂;然后在聚四氟乙烯薄膜和脱膜剂上均贴上三元乙丙橡胶绝热层;
3)将前接头(1)安装到经过步骤2)处理后的水溶性石英砂芯模(7)前段(71)的前端;通过工艺封头(13)将喷管(6)安装到芯轴(8)后轴(83)上,且喷管(6)的收敛段(61)贴合于水溶性石英砂芯模(7)后段(73)的后端和芯轴(8)后轴(83)的锥面(84);
4)安装完前接头(1)和喷管(6)之后,对前接头(1)外表面及喷管(6)收敛段(61)外表面贴三元乙丙橡胶绝热层,然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相结合的方式对前接头(1)外表面、水溶性石英砂芯模(7)外表面及喷管(6)收敛段(61)外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕,并固化;
5)经过步骤4)缠绕、固化后,将工艺封头(13)拆除,然后将前裙(3)安装到水溶性石英砂芯模(7)前段(71)缠绕层(4)上,将后裙(5)安装到水溶性石英砂芯模(7)后段(73)缠绕层(4)上,并对前裙(3)和后裙(5)进行缠绕固化;
6)前裙(3)和后裙(5)缠绕固化完成后,脱模得到带喷管的发动机复合材料壳体。
2.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤1)中,水溶性石英砂芯模(7)按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶(3~5)∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂,固化得到水溶性石英砂芯模(7)。
3.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤1)中,水溶性石英砂芯模(7)为分若干段砂型,每段砂型预先单独成型,每段砂型单独成型时预置环槽(14),其中前后两端的砂型外型面与发动机复合材料壳体内型面一致。
4.根据权利要求3所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述每段砂型单独成型时,每段砂型的外型面留有机加余量,且端面平整。
5.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤1)中,芯轴(8)分为实心前轴(81)、空心中轴(82)及实心后轴(83),前轴(81)、中轴(82)和后轴(83)单独机加时外径均留有机加余量,且前轴(81)、中轴(82)和后轴(83)上分别设置有与水溶性石英砂芯模(7)上的键相配合的键槽;且芯轴(8)后轴(83)的锥面(84)与喷管(6)收敛段(61)的内型面一致。
6.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤3)中,前接头(1)与前端固定法兰盘(11)连接,前端固定法兰盘(11)通过前端固定卡爪(12)固定在芯轴(8)的前轴(81)上;芯轴(8)后轴(83)上套有固定块(2),固定块(2)衬在喷管(6)的扩散段(62)处;工艺封头(13)通过后端固定装置(10)固定在芯轴(8)后轴(83)上,且工艺封头(13)和固定块(2)均与芯轴(8)同轴固定。
7.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤5)中,前裙(3)与前裙安装卡爪(31)的后端连接,前裙安装卡爪(31)的前端通过前端固定装置(9)固定安装到芯轴(8)前轴(81)上,后裙(5)与后裙安装卡爪(51)的前端连接,后裙安装卡爪(51)的后端通过后端固定装置(10)固定安装到芯轴(8)后轴(83)上。
8.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤5)中,双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂;所述步骤6),前裙(3)和后裙(5)缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的带喷管的发动机复合材料壳体一体成型方法,其特征在于:所述步骤6)中,将前裙安装卡爪(31)、后裙安装卡爪(51)和前端固定卡爪(12)拆除,再从水溶性石英砂芯模(7)前端用高压水枪对水溶性石英砂芯模(7)进行冲洗以溶解芯模,并从前端取出芯轴(8),然后清除水溶性石英砂芯模(7)中间筒段(72)周围包裹的聚四氟乙烯薄膜。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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