一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法与流程

1.本发明涉及先进复合材料成型工艺领域，具体是一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法。


背景技术：

2.发射筒起对导弹的贮存、支撑和导向作用，工作环境较为复杂，除承受起吊搬运过程中冲击载荷外，还需承受发射时燃气压力和燃气对内壁的冲刷，在材料、结构性能、整筒精度方面均有较高的要求。发射筒筒体采用先进复合材料替代传统金属材料，可大幅度减轻武器系统质量，有效降低生产成本，提高武器的打击和防护能力。
3.在各种复合材料发射筒筒体的设计中，高强度碳纤维缠绕成型发射筒筒体是主流的方案之一，其既可以满足发射筒强度、刚度和功能的较高要求，还可实现武器系统的轻量化，对导弹的精度控制和射程都有重大意义。
4.复合材料发射筒通常需要借助大型热压罐/烘箱固化成型。由于筒体长度较长，现有技术存在对大型固化设备依赖过高，制备成本居高不下；发射筒湿法缠绕工艺现场环境差，产品内部缺陷较多，制品致密度不高。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对复合材料发射筒筒体成型过程对大型固化设备依赖过高、制备成本居高不下，工艺现场环境差，产品内部缺陷较多、致密度不高的现状，提出一种复合材料发射筒筒体低成本成型工艺方法，使制品满足发射筒筒体强度和刚度、耐磨、低摩擦、耐烧蚀等要求。
6.本发明解决技术的方案是：一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，该方法包括以下步骤：
7.对芯模的表面进行预处理，去除表面油渍，并涂抹脱模剂；
8.在芯模外表面整体铺设高硅氧玻璃纤维/酚醛预浸料，形成耐烧蚀层；
9.在高硅氧玻纤/酚醛预浸料的表面进行碳纤维干纱缠绕，形成碳纤维干纱缠绕制品；
10.导入环氧树脂直至环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品内部，形成缠绕层；
11.将耐烧蚀层的酚醛树脂预浸料和缠绕层的环氧树脂同时固化成型；
12.将固化成型后的制品脱模，得到复合材料发射筒筒体毛坯件；
13.切割复合材料发射筒筒体毛坯件，得到复合材料发射筒筒体。
14.优选地，根据不同角度铺层百分比和所需纤维体积分数，设计碳纤维干纱缠绕线型，使碳纤维干纱缠绕制品表面形成紧实结构、内部形成架空结构，所述碳纤维干纱缠绕线型包括铺层顺序、铺层角度、碳纤维干纱材料、纱股数、纱宽、层厚度。
15.优选地，所述碳纤维干纱材料选取25k-t700级碳纤维。
16.优选地，所述层厚度t
ply
、纱宽w、纱股数n满足如下关系式：
17.t
ply
＝n
·
ρ
l
/ρv/w/vf18.式中，vf为纤维体积分数；ρv为碳纤维体密度；ρ
l
为碳纤维线密度。
19.优选地，所述环氧树脂的真空导入方法为：
20.在碳纤维干纱缠绕制品表面依次铺设脱模布、导流网、均压板、导流管和真空袋，并在真空袋上设置注胶口及出胶口；
21.将芯模水平放置，将注胶口连接树脂罐，将出胶口连接缓冲罐，缓冲罐连接真空泵，并将真空袋密封处理；所述注胶口上安装球头阀门；
22.将树脂罐中的树脂经真空脱泡处理后，打开底部注胶口阀门，开启真空泵开始树脂导入，树脂每上升一定高度静置一段时间，以使环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品内部；
23.当出胶口持续有树脂冒出并且无气泡时，结束。
24.优选地，所述注胶口设置在真空袋底部中间位置，出胶口为两个，设置在真空袋顶部。
25.优选地，导流管为两根，分别在芯模底部和顶部沿轴向布置。
26.优选地，所述复合材料发射筒筒体带有防旋平台。
27.优选地，所述固化成型工艺条件如下：
28.90℃固化时间2h、130℃固化时间2h、150℃固化时间2h、165℃固化时间2h，全程保持真空。
29.优选地，将制品表面包裹电热毯及保温层后进行固化定型。
30.本发明与现有技术相比的有益效果是：
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.(1)、本发明采用干纱缠绕+树脂真空导入工艺，现场操作环境友善，树脂利用率高，材料成本降低。
33.(2)、本发明碳纤维缠绕使用干纱进行，缠绕引入张力，提高产品致密度，减少产品内部缺陷。
34.(3)、本发明发射筒筒体内表面高硅氧玻璃纤维/酚醛预浸料层保证筒体的耐磨、低摩擦、耐烧蚀要求。
35.(4)、本发明采用电热毯加热辅助制品固化定型，工艺成本降低。
36.(5)、本发明酚醛树脂预浸料(耐烧蚀层)与真空导入环氧树脂(缠绕层)的固化同时进行，节约了工艺步骤。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：
38.图1为本发明实施例工艺流程图。
39.图2为本发明实施例带两处平台的复合材料发射筒筒体芯模示意图。
40.图3为本发明实施例辅料铺设示意图。
41.图中，301-芯模，302-干纱缠绕制品，303-脱模布，304-导流网，305-均压板，307-真空袋，307-导流管。
具体实施方式
42.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
43.本发明提供了一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，适用于圆柱形发射筒筒体，也适用于带有防旋平台的发射筒筒体。利用本发明提出的工艺方法，可以在各项性能满足技术要求的同时摆脱大型固化设备的依赖，使复合材料发射筒筒体制备成本大幅降低。
44.本发明某一具体实施例中，所述的带两处防旋平台的复合材料发射筒筒体芯模的结构如图2所示。根据产品尺寸及形位要求，设计芯模，在筒体公差允许范围内，芯模带有一定的锥度，方便脱模。
45.实施例1
46.本实施例针对复合材料发射筒筒体低成本成型工艺方法做进一步说明。如图1所示，该工艺方法具体步骤如下：
47.步骤一：芯模表面处理
48.在纤维缠绕机上装配模具，用丙酮擦拭模具表面3遍，去除表面油渍，同时，在芯模301表面和挂纱盘表面涂抹5遍pmr脱模剂。
49.步骤二：耐烧蚀层铺贴
50.将1层高硅氧玻纤/酚醛预浸料铺贴在芯模301表面，芯模301轴线方向为0
°
方向。预浸料搭接区域位于芯模平台处。本实施例中高硅氧玻纤/酚醛预浸料的铺层角度为(0,90)。高硅氧玻璃纤维/酚醛预浸料设起耐烧蚀作用。
51.步骤三：干纱缠绕
52.根据防旋平台尺寸，计算平台补圆所需铺层形式并使用碳纤维布补圆，随后在高硅氧玻纤/酚醛预浸料的表面进行碳纤维干纱缠绕，形成碳纤维干纱缠绕制品302，碳纤维缠绕使用干纱缠绕，缠绕引入张力，可以提高产品致密度。
53.所述碳纤维缠绕可对缠绕制品进行细观结构设计：本步骤根据不同角度铺层百分比和所需纤维体积分数，设计碳纤维干纱缠绕线型，使碳纤维干纱缠绕制品302表面形成紧实结构、内部形成架空结构，有利于环氧树脂流动。所述碳纤维干纱缠绕线型包括铺层顺序、铺层角度、碳纤维干纱材料、纱股数、纱宽、层厚度。
54.层厚度t
ply
、纱宽w、纱股数n满足如下关系式：
55.t
ply
＝n
·
ρ
l
/ρv/w/vf56.式中，t
ply
为层厚度；vf为纤维体积分数；ρv为碳纤维体密度，g/cm3；ρ
l
为碳纤维线密度，g/m；w为机器设定的纱宽，mm；n为纱股数。
57.根据上述公式，本实施例中，5mm壁厚复合材料发射筒推荐缠绕线型如下表1。表中，所用碳纤维干纱材料为25k-t700级碳纤维；纤维体密度ρv＝1.78g/cm3；纤维线密度ρl＝1.58g/m；所需要的纤维体积分数vf＝60％，纱片展开理论宽度为9.5mm。
58.表1缠绕线型
59.序号铺层材料纱股数纱宽/mm层厚度/mm1025k-t700碳纤维29.50.3115
245/-4525k-t700碳纤维19.50.311539025k-t700碳纤维29.50.31154025k-t700碳纤维311.20.3963545/-4525k-t700碳纤维1120.246669025k-t700碳纤维311.20.39637025k-t700碳纤维4120.493189025k-t700碳纤维4120.49319025k-t700碳纤维311.20.39631045/-4525k-t700碳纤维1120.2466119025k-t700碳纤维311.20.396312025k-t700碳纤维29.50.31151345/-4525k-t700碳纤维19.50.3115149025k-t700碳纤维29.50.3115
60.步骤四：制真空袋
61.如图3所示，本实施例在碳纤维干纱缠绕制品302表面依次铺放脱模布303、导流网304、均压板305，沿轴向分别在芯模301底部和顶部各铺设一根导流管306，便于树脂横向流动。在真空袋底部中间放置一个注胶口，并安装球头阀门，在真空袋顶部两端各放置一个出胶口。所述注胶口上安装球头阀门；将注胶口连接树脂罐，将出胶口连接缓冲罐，缓冲罐连接真空泵，并将真空袋密封处理。关闭所有阀门后抽真空检漏，保证真空表压≤-0.096mpa，然后关闭真空泵并保持20分钟，检查真空袋是否漏气，若有漏气应进行修补。
62.本实施例中，均压板305为对称的两个半圆形壳体组件拼接而成，导流管306位于均压板两个半圆形壳体组件接缝处，用一块长方形导流网将导流管306覆盖之后，导流网两侧压在两个半圆壳体组件内，将导流管306固定。
63.步骤五：树脂真空导入
64.导入环氧树脂直至环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品302内部，形成缠绕层；
65.芯模301水平放置，防旋平台区域位于上下方位。树脂按预设比例配制后，将树脂罐中的树脂经真空脱泡处理后，打开底部注胶口阀门，开启真空泵开始树脂导入，树脂每上升一定高度静置一段时间，以使环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品302内部,当出胶口持续有树脂冒出并且无气泡时，结束。本实施例中，一定高度为30mm～50mm,一段时间为60min，注入环氧树脂的速度越慢越好。
66.本发明采用干纱缠绕+树脂真空导入工艺，现场操作环境友善，树脂利用率高，材料成本降低。
67.步骤六：电热毯辅助固化
68.在真空袋外表面包裹电热毯及多层保温层，将耐烧蚀层的酚醛树脂预浸料和缠绕层的环氧树脂同时固化成型。同时，在芯模301内表面分隔放置3处热电偶，实时监测升温情况，按90℃固化时间2h、130℃固化时间2h、150℃固化时间2h、165℃固化时间2h，全程保持真空的工艺制度进行固化。固化过程保温时间误差控制在
±
10min，保温温度误差控制在
±
5℃。
69.采用电热毯加热辅助制品固化定型，工艺成本降低。
70.步骤七：脱模
71.将固化成型后的制品脱模，得到复合材料发射筒筒体毛坯件。
72.脱模过程为：拆卸掉挂纱盘，安装脱模挡板，在脱模机上脱模。
73.步骤八：切割长度
74.在机床上按设计要求尺寸切割复合材料发射筒筒体毛坯件，得到复合材料发射筒筒体。
75.本发明复合材料发射筒筒体的强度和刚度通过碳纤维材料性能及缠绕线型设计实现；内表面高硅氧玻璃纤维/酚醛预浸料层保证筒体的耐磨、低摩擦、耐烧蚀要求。
76.按照本发明的步骤制备的发射筒筒体尺寸精度及各项性能满足技术要求的同时生产效率明显提高，制备成本大幅降低。经测试，筒体的静摩擦力、水压试验、弯曲试验、气密性能等均满足技术要求。
77.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于包括以下步骤：对芯模(301)的表面进行预处理，去除表面油渍，并涂抹脱模剂；在芯模(301)外表面整体铺设高硅氧玻璃纤维/酚醛预浸料，形成耐烧蚀层；在高硅氧玻纤/酚醛预浸料的表面进行碳纤维干纱缠绕，形成碳纤维干纱缠绕制品(302)；导入环氧树脂直至环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品(302)内部，形成缠绕层；将耐烧蚀层的酚醛树脂预浸料和缠绕层的环氧树脂同时固化成型；将固化成型后的制品脱模，得到复合材料发射筒筒体毛坯件；切割复合材料发射筒筒体毛坯件，得到复合材料发射筒筒体。2.根据权利要求1所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于根据不同角度铺层百分比和所需纤维体积分数，设计碳纤维干纱缠绕线型，使碳纤维干纱缠绕制品(302)表面形成紧实结构、内部形成架空结构，所述碳纤维干纱缠绕线型包括铺层顺序、铺层角度、碳纤维干纱材料、纱股数、纱宽、层厚度。3.根据权利要求2所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述碳纤维干纱材料选取25k-t700级碳纤维。4.根据权利要求2所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述层厚度t
ply
、纱宽w、纱股数n满足如下关系式：t
ply
＝n
·
ρ
l
/ρ
v
/w/v
f
式中，v
f
为纤维体积分数；ρ
v
为碳纤维体密度；ρ
l
为碳纤维线密度。5.根据权利要求1所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述环氧树脂的真空导入方法为：在碳纤维干纱缠绕制品(302)表面依次铺设脱模布(303)、导流网(304)、均压板(305)、导流管(306)和真空袋(307)，并在真空袋(307)上设置注胶口及出胶口；将芯模水平放置，将注胶口连接树脂罐，将出胶口连接缓冲罐，缓冲罐连接真空泵，并将真空袋密封处理；所述注胶口上安装球头阀门；将树脂罐中的树脂经真空脱泡处理后，打开底部注胶口阀门，开启真空泵开始树脂导入，树脂每上升一定高度静置一段时间，以使环氧树脂充分浸润碳纤维干纱缠绕制品(302)内部；当出胶口持续有树脂冒出并且无气泡时，结束。6.根据权利要求5所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述注胶口设置在真空袋(307)底部中间位置，出胶口为两个，设置在真空袋(307)顶部。7.根据权利要求5所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于导流管为两根，分别在芯模底部和顶部沿轴向布置。8.根据权利要求1所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述复合材料发射筒筒体带有防旋平台。9.根据权利要求1所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于所述固化成型工艺条件如下：90℃固化时间2h、130℃固化时间2h、150℃固化时间2h、165℃固化时间2h，全程保持真空。
10.根据权利要求9所述的一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，其特征在于将制品表面包裹电热毯及保温层后进行固化定型。

技术总结
本发明涉及一种复合材料发射筒筒体成型工艺方法，包括如下步骤：对芯模的表面进行预处理；在所述芯模上整体铺设起耐烧蚀作用的高硅氧玻纤/酚醛预浸料；在所述高硅氧玻纤/酚醛预浸料的表面进行碳纤维干纱缠绕；在所述碳纤维干纱缠绕制品表面铺设脱模布、导流网、均压板、导流管、真空袋，并设置注胶口及出胶口，进行环氧树脂真空导入；在所述制品表面包裹电热毯及保温层后进行固化定型；最后脱模和切割长度，形成制品。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：产品尺寸精度及力学性能满足技术要求的同时生产效率明显提高，制造成本大幅降低。经测试，筒体的静摩擦力、水压试验、弯曲试验、气密性能等均满足技术要求。气密性能等均满足技术要求。气密性能等均满足技术要求。


技术研发人员：吴义韬 王昊 叶周军 刘磊春 章轩 王宇飞 张佳海
受保护的技术使用者：上海航天精密机械研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12