一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕工艺的制作方法

1.本发明属于固体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕工艺。


背景技术：

2.固体火箭发动机具有推力大、结构简单、可靠性高、研制周期短、可实现性强等优点，已广泛应用于航天运输重型运载火箭的助推器，满足深空探测发展需求。国外捆绑运载火箭中固体助推器约占81％，特别是大型、重型运载火箭的发展几乎都将固体火箭发动机作为助推级的首选动力。虽然我国在大型固体火箭发动机方面取得一定的进展，但相较于美国和欧洲还有一定差距。
3.缠绕工艺按胶粘剂的状态可分为湿法和干法两种，湿法缠绕是将浸过树脂胶液的连续布带或预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。湿法缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品。干法缠绕成型工艺是将热熔法或溶剂法制备的预浸料缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。干法缠绕纤维体积含量控制精确工艺性好，预浸料树脂浸润性好，纤维排列均匀平整且几乎没有损伤，空隙率一般≤1％，复合材料更加致密。根据产品结构特点，超大尺寸复合材料喷管扩张段则采用布带干法缠绕工艺。超大尺寸复合材料喷管扩张段出口直径可达φ3.5m以上，推力可达500t以上。超大尺寸复合材料喷管扩张段包括烧蚀层、隔热层和结构层，其中烧蚀层和隔热层采用复合缠绕工艺，制备过程有以下难点：
4.(1)烧蚀层及隔热层缠绕使用预浸料重量可达2t～3t，缠绕成型周期长，通常可达1～2个月。传统长周期卧式缠绕造成较重预浸布带出现松垮，导致缠绕后制品与扩张段芯模分离，同时引起预浸布带缠绕张力及压辊压力失效，严重影响产品质量，极易引起产品报废；
5.(2)超大尺寸喷管扩张段产品和缠绕芯模总重可达10t。若采用传统卧式缠绕，产品制备后需由卧式姿态调整为立式再进行脱模，在产品姿态调整过程中操作难度大且风险系数高，极易对产品造成损伤。
6.(3)对超大尺寸复合材料扩张段而言，传统卧式固化工艺会导致较产品在固化升温阶段因树脂变软过程中，预浸布带向芯模小径端滑移，导致产品内型面聚胶线严重，甚至出现沟壑。同时，产品在固化过程中，树脂升温粘度变低后，会受重力作用引起产品靠近地面一侧树脂含量较高，而远离地面一侧树脂含量偏低，导致最终固化后产品性能低下；
7.(4)产品采用传统静止固化，导致产品靠近热源一侧局部升温速率较高，远离热源部位产品升温速率较低，使产品周向温度场分布不均匀，固化反应速率不一致，从而严重影响树脂固化反应过程，产品质量一致性差。
8.(5)传统复合材料扩张段芯模采用普通碳钢制备而成，材料热胀系数达到约12
×
10-6m/℃，与复合材料本体热胀系数差异较大，在固化升温过程中，缠绕芯模极易对复合材料喷管制品造成胀伤。
9.针对以上问题，迫切需要一种能够克服上述缺陷用于制备超大尺寸复合材料喷管扩张段的方法和设备。


技术实现要素：

10.为解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕工艺。
11.本发明的技术方案如下：
12.一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕工艺，包括以下步骤：
13.步骤s1：竖直起吊扩张段芯模，将其缓慢落至旋转轨道上的重力支撑轴承上，保证扩张段芯模下端的轮齿与旋转驱动机构内的驱动齿轮啮合，保证扩张段芯模底部内柱面与旋转轨道上的周向限位轴承配合；
14.步骤s2：调整立式布带缠绕机构上的缠绕小车位置，使其上端压辊满足缠绕工位的要求；
15.步骤s3：将碳布/钡酚醛干法缠绕布带穿入立式布带缠绕机构，碳布/钡酚醛布带宽度范围为50mm-120mm幅宽，缠绕张力控制范围为25kg-80kg，压辊压力控制范围为45kg-150kg，进行烧蚀层的立式缠绕成型；
16.步骤s4：将高硅氧布/钡酚醛干法缠绕布带穿入立式布带缠绕机构，高硅氧布/钡酚醛布带宽度范围为40mm-140mm幅宽，缠绕张力控制范围为15kg-70kg，压辊压力控制范围为40kg-120kg，进行隔热层立式缠绕成型；
17.步骤s5：将装配为整体的扩张段芯模、旋转轨道和旋转驱动机构整体吊装至热压罐固化区域；
18.步骤s6：对烧蚀层和隔热层进行真空封装，由内至外依次附着高温有孔隔离膜、吸胶毛毡、无孔隔离膜、导气毛毡和高温真空袋，高温真空袋布置有真空吸嘴和真空度测试吸嘴；
19.步骤s7：当真空度低于-95kpa时，关闭抽真空阀门，在2分钟内，以真空度降低小于1kpa为标准，判定真空封装的气密性满足要求；
20.步骤s8：对真空封装后的烧蚀层和隔热层进行固化，固化压力为3mpa-5mpa，固化程序为90℃/2h-120℃/2h-160℃/2h，热压罐升温速率控制在0.3℃/min-1℃/min；
21.步骤s9：固化过程中，旋转驱动机构对扩张段芯模实施0-180
°
往复旋转，保证各部位均匀受热，钡酚醛反应速率一致；钢管水冷系统在固化过程中始终对旋转驱动机构降温冷却，以保证其内部环境温度低于45℃；
22.步骤s10：固化完毕后，对烧蚀层和隔热层进行降温冷却，热压罐降温速率控制在0.5℃/min-0.8℃/min；
23.步骤s11：将上述整体转运至碳纤维壳体成型区，采用t700/环氧预浸料进行碳纤维壳体铺放成型，铺放厚度为20mm-50mm；
24.步骤s12：对铺放完成后的碳纤维壳体进行真空封装，由内至外依次附着高温有孔隔离膜、吸胶毛毡、无孔隔离膜、导气毛毡和高温真空袋，高温真空袋布置有真空吸嘴和真空度测试吸嘴；
25.步骤s13：当真空度低于-95kpa时，关闭抽真空阀门，在2分钟内，以真空度降低小
于1kpa为标准，判定真空封装的气密性满足要求；
26.步骤s14：对真空封装后的碳纤维结构层进行固化，固化压力为0.5mpa-1.5mpa，固化程序为60℃/1h-100℃/1h-150℃/2h，热压罐升温速率控制在0.5℃/min-1.5℃/min；
27.步骤s15：固化过程中，旋转驱动机构对扩张段芯模实施0-180
°
往复旋转，保证各部位均匀受热，环氧树脂反应速率一致；钢管水冷系统在固化过程中始终对旋转驱动机构降温冷却，以保证其内部环境温度低于45℃；
28.步骤s16：固化完毕后，对上述整体进行降温冷却，热压罐降温速率控制在0.8℃/min-1℃/min；
29.步骤s17：降温完毕后，对扩张段芯模上的喷管扩张段产品进行脱模，完成其成型制备。
30.作为本发明的优选，所述扩张段芯模的上端设置有呈柱状的起缠区，内部和顶端加工有加强筋结构，所述轮齿环向加工在其下端柱面上，所述扩张段芯模的周身轴切面呈等腰梯形状；
31.所述旋转轨道包括圆形底座和沿圆形底座圆周均匀分布的支撑架，所述重力支撑轴承和周向限位轴承设置在支撑架上，所述重力支撑轴承设置在扩张段芯模的底端，用于支撑扩张段芯模，所述周向限位轴承设置在扩展高端芯模底端的内部，用于限制扩张段芯模的位置；
32.所述驱动齿轮与扩张段芯模上的轮齿相互啮合，通过驱动电机驱动，扩张段芯模在驱动齿轮的驱动下沿旋转轨道旋转，所述旋转驱动机构上还设置有钢管水冷系统。
33.作为本发明的优选，高温真空袋上每间隔400mm-1000mm布置一个真空吸嘴，每间隔800mm-1200mm布置一个真空度测试吸嘴。
34.作为本发明的优选，所述扩张段芯模重量范围为6.5t-8t，采用铁镍合金制备，热胀系数低于2.0
×
10-6m/℃，所述扩张段芯模外表面电镀有硬铬层，其外表面粗糙度ra≤1.6μm。
35.作为本发明的优选，所述轮齿的宽度范围为70mm-90mm，可保证有效力矩传递，不易对轮齿造成较大磨损。
36.作为本发明的优选，所述支撑架的数量为16处，重力支撑轴承的平面度优于0.2mm，扩张段芯模底部与16处重力支撑轴承配合型面采用1
°
锥面与柱面结构形式，其中1
°
锥面高度为40mm～60mm，靠近底端面直径较小，实现与旋转轨道16处支撑架快速定位，柱面高度80mm～100mm，可保证与16处周向限位轴承配合精度，周向限位轴承与扩张段芯模内柱面配合间隙范围为0.06mm-0.1mm。
37.作为本发明的优选，所述立式布带缠绕机构可实现20mm-250mm的幅宽布带缠绕，缠绕张力控制范围为0-80kg，压辊压力控制范围为0-250kg。
38.作为本发明的优选，所述钢管水冷系统内的饿钢管内径为14mm-16mm，钢管水冷系统的循环电机及温度监控热电偶可保证旋转驱动机构长期在160℃高温环境下使用。
39.本发明的有益效果如下：
40.(1)本发明提供的超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕设备，可实现出口直径为φ3.5m～φ4m的超大尺寸复合材料喷管扩张段预浸布带立式缠绕成型，避免了传统长周期卧式缠绕导致的较重预浸布带出现松垮问题。立式缠绕工艺可利用预浸料布带自身
重力，使缠绕后布带始终与芯模处于贴紧状态，降低了产品内型面聚胶线的数量和深度，同时可保证预浸布带缠绕张力及压辊压力的稳定性和有效性。
41.(2)本发明提供的超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕设备，可实现超大尺寸复合材料喷管扩张段的立式旋转固化，立式固化解决了产品在固化升温阶段因树脂变软引起的预浸布带向芯模小径端滑移问题，进一步改善产品内型面质量，同时保证了产品周向树脂含量的均匀性。旋转固化可使产品各部位均匀受热，树脂反应速率一致，大幅度提高产品整体性能。
42.(3)本发明提供的超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕设备，可实现超大尺寸喷管扩张段全周期立式制备，无需对产品及模具进行姿态翻转调整，提高了超大尺寸复合材料喷管扩张段制备过程的安全系数。
43.(4)本发明提供的超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕设备，其中扩张段芯模采用低热胀系数铁镍合金制备，可更好的与复合材料产品本体热胀系数相匹配。扩张段芯模外表面采用电镀工艺可使超大尺寸复合材料喷管扩张段更易脱模，进一步的提高产品内型面质量。
附图说明
44.通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
45.图1为本发明的整体结构示意图；
46.图2为隐去钢管水冷系统后的整体结构示意图；
47.图3为扩张段芯模、旋转轨道、旋转驱动机构的装配示意图；
48.图4为图3中a处的放大图；
49.图5为扩张段芯模与旋转轨道装配后的局部示意图。
50.其中的附图标记为：扩张段芯模1、旋转轨道2、旋转驱动机构3、立式布带缠绕机构4、起缠区11、加强筋结构12、轮齿13、底座21、支撑架22、重力支撑轴承221、周向限位轴承222、驱动电机31、驱动齿轮32、缠绕小车41、压辊42、钢管水冷系统5、烧蚀层6、隔热层7、碳纤维壳体8。
具体实施方式
51.为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本技术进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
52.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为：基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
53.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
54.实施例1
55.参阅图1和图2所示：一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕设备，包括扩张段芯模1、旋转轨道2、旋转驱动机构3、立式布带缠绕机构4，扩张段芯模1的上端设置有呈柱状的起缠区11，可实现宽度20mm-180mm的预浸布带缠绕成型，内部和顶端加工有加强筋结构12(参阅图5)，下端柱面环向加工有轮齿13(参阅图3)，扩张段芯模1的周身轴切面呈等腰梯形状；旋转轨道2包括圆形底座21和沿圆形底座21圆周均匀分布的支撑架22，支撑架22上设置有重力支撑轴承221和周向限位轴承222(参阅图4)，重力支撑轴承221设置在扩张段芯模1的底端，用于支撑扩张段芯模1，周向限位轴承222设置在扩展高端芯模1底端的内部，用于限制扩张段芯模1的位置；旋转驱动机构3包括驱动电机31和驱动齿轮32，驱动齿轮32与扩张段芯模1上的轮齿13相互啮合，通过驱动电机31驱动，扩张段芯模1在驱动齿轮32的驱动下沿旋转轨道2旋转；立式布带缠绕机构4包括可调整位置的缠绕小车41，通过在缠绕小车41上设置的压辊42对扩张段芯模1进行缠绕操作。
56.参阅图1所示：旋转驱动机构3上还设置有钢管水冷系统5，钢管内径为14mm-16mm，钢管水冷系统5的循环电机及温度监控热电偶可保证旋转驱动机构3长期在160℃高温环境下使用。
57.进一步地，扩张段芯模1重量范围为6.5t-8t，该重量可保证扩张段芯模1在旋转轨道2上稳定的旋转；采用铁镍合金制备，热胀系数低于2.0
×
10-6m/℃，扩张段芯模1外表面电镀有硬铬层，其外表面粗糙度ra≤1.6μm。
58.进一步地，轮齿13的宽度范围为70mm-90mm，可保证有效力矩传递，不易对轮齿13造成较大磨损。
59.进一步地，支撑架22的数量为16处，重力支撑轴承221的平面度优于0.2mm，扩张段芯模1底部与16处重力支撑轴承221配合型面采用1
°
锥面与柱面结构形式，其中1
°
锥面高度为40mm～60mm，靠近底端面直径较小，实现与旋转轨道2的支撑架22快速定位，柱面高度80mm～100mm，可保证与16处周向限位轴承222配合精度，周向限位轴承222与扩张段芯模1内柱面配合间隙范围为0.06mm-0.1mm。
60.进一步地，立式布带缠绕机构4可实现20mm-250mm的幅宽布带缠绕，缠绕张力控制范围为0-80kg，压辊42压力控制范围为0-250kg。
61.本实施例中扩张段芯模1入口外径为2500mm，出口外径为4000mm，高2250mm，旋转轨道2最高可满足12t缠绕后的扩张段芯模1使用。
62.实施例2
63.以下将参阅图1-图5对本发明的工艺进行详细说明。
64.一种超大尺寸喷管扩张段预浸布带立式复合缠绕工艺，包括以下步骤：
65.步骤s1：竖直起吊扩张段芯模1，将其缓慢落至重力支撑轴承221上，保证轮齿13与驱动齿轮32啮合，保证扩张段芯模1底部内柱面与周向限位轴承222配合，满足扩张段芯模1在旋转驱动机构3上绕轴线旋转功能；
66.步骤s2：调整立式布带缠绕机构4的缠绕小车41位置，使其满足缠绕工位的要求；
67.步骤s3：将碳布/钡酚醛干法缠绕布带穿入立式布带缠绕机构4，碳布/钡酚醛布带宽度范围为112mm幅宽，缠绕张力控制范围为72kg，压辊42压力控制范围为146kg，进行烧蚀层6的立式缠绕成型；
68.步骤s4：将高硅氧布/钡酚醛干法缠绕布带穿入立式布带缠绕机构4，高硅氧布/钡酚醛布带宽度范围为91mm幅宽，缠绕张力控制范围为46kg，压辊42压力控制范围为85kg，进行隔热层7立式缠绕成型；
69.步骤s5：将装配为整体的扩张段芯模1、旋转轨道2和旋转驱动机构3整体吊装至热压罐固化区域；
70.步骤s6：对烧蚀层6和隔热层7进行真空封装，由内至外依次附着高温有孔隔离膜、吸胶毛毡、无孔隔离膜、导气毛毡和高温真空袋，每间隔900mm布置一个真空吸嘴，每间隔1500mm布置一个真空度测试吸嘴；
71.步骤s7：当真空度低于-95kpa时，关闭抽真空阀门，在2分钟内，以真空度降低小于1kpa为标准，判定真空封装的气密性满足要求；
72.步骤s8：对真空封装后的烧蚀层6和隔热层7进行固化，固化压力为4mpa，固化程序为90℃/2h-120℃/2h-160℃/2h，热压罐升温速率控制在0.5℃/min；
73.步骤s9：固化过程中，旋转驱动机构3对扩张段芯模1实施0-180
°
往复旋转，保证各部位均匀受热，钡酚醛反应速率一致；钢管水冷系统5在固化过程中始终对旋转驱动机构3降温冷却，以保证其内部环境温度低于45℃；
74.步骤s10：固化完毕后，对烧蚀层6和隔热层7进行降温冷却，热压罐降温速率控制在0.6℃/min；
75.步骤s11：将上述整体转运至碳纤维壳体8成型区，采用t700/环氧预浸料进行碳纤维壳体8铺放成型，铺层角度为(0
°
/ 45
°
/90
°
/-45
°
)ns，铺放厚度为26.4mm，设计10％的厚度压缩量；
76.步骤s12：对铺放完成后的碳纤维壳体8进行真空封装，由内至外依次附着高温有孔隔离膜、吸胶毛毡、无孔隔离膜、导气毛毡和高温真空袋，每间隔600mm布置一个真空吸嘴，每间隔900mm布置一个真空度测试吸嘴；
77.步骤s13：当真空度低于-95kpa时，关闭抽真空阀门，在2分钟内，以真空度降低小于1kpa为标准，判定真空封装的气密性满足要求；
78.步骤s14：对真空封装后的碳纤维结构层进行固化，固化压力为1.2mpa，固化程序为60℃/1h-100℃/1h-150℃/2h，热压罐升温速率控制在0.5℃/min；
79.步骤s15：固化过程中，旋转驱动机构3对扩张段芯模1实施0-180
°
往复旋转，保证各部位均匀受热，环氧树脂反应速率一致；钢管水冷系统5在固化过程中始终对旋转驱动机构3降温冷却，以保证其内部环境温度低于45℃；
80.步骤s16：固化完毕后，对上述整体进行降温冷却，热压罐降温速率控制在0.8℃/min；
81.步骤s17：降温完毕后，对扩张段芯模1上的喷管扩张段产品进行脱模，完成其成型制备。
82.本实施例中制备的超大尺寸喷管扩张段烧蚀层6厚度为48mm，隔热层7厚度为39mm，碳纤维壳体8层厚24mm，产品总重量达2.65t。
83.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。