纤维缠绕壳体的成型工艺

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1、2 0 0 1 年 2 月 航 天 工 艺 第 1 期1 6纤维缠绕壳体的成型工艺湖北三江航天集团江北机械厂 张兴宏 赵珂 陈刚文摘 主要针对纤维缠绕壳体试验缩比件的成型工艺包括芯模制作容器缠绕成型以及缠绕工艺参数的合理选择进行了初步探讨主题词 缠绕工艺 工艺参数 复合材料1 引言纤维缠绕壳体由于具有高的比强度和比模 量而成为二三级固体火箭发动机壳体最理想 的复合材料结构件众所周知复合材料既是一种材料又是一种结构因此复合材料成型工艺的 特殊性就是具有可设计性其成型工艺包括原材 料设计及结构设计同时与设备的选型也很有关系本文结合国内同行业的缠绕工艺技术拟对 发动壳体缩比件纤维缠绕成型工艺方法及工

2、艺参 数的合理选择进行初步探讨并通过试验进一步摸索缠绕工艺及工艺参数2 缠绕成型工艺设计的内容缠绕成型工艺通常分为干法和湿法及半干法 三种应根据制品的设计要求设备条件原材料性能等因素综合考虑结合工厂工艺技术条件进行纤维缠绕壳体的成型工艺探索缠绕工艺设计内容包括a . 根据设计要求技术质量指标进行缠绕 线型设计和芯模设计及强度设计 b . 选择原材料c . 根据选定的工艺方法确定缠绕成型工 艺确定工艺流程及工艺参数 d . 根据缠绕工艺选择缠绕设备及辅助设备e . 原材料及产品的质量检测3 缠绕壳体试验件的结构和主要技术要求3 . 1 纤维缠绕壳体缩比件的结构纤维缠绕壳体一般由纵向缠绕层环向缠绕

3、层前后接头前后连接裙和内绝热层等组成 缠绕壳体的结构如图 1 所示收稿日期2 0 0 0 - 1 0 - 2 42 0 0 1 年 2 月 航 天 工 艺 第 1 期1 73 . 2 主要技术要求纤维缠绕件外表面不允许有气泡凸出物流胶碰伤或划伤固化后前后接头连接裙 绝热层与缠绕复合材料之间不允许脱粘固化后的应达到要求的力学性能和物理性能4 缠绕工艺流程工艺流程见图 25 芯模5 . 1 芯模的结构芯模结构初步选择石膏面层金属骨架组合芯模其芯模由芯轴预制石膏板铝管及石膏 面层等部分构成两端是铝合金接头芯模表面包覆生橡胶片5 . 2 芯模的制作工艺流程制作工艺流程见图 35.3 芯模制作工艺参数工

4、艺参数见表 1表 1 芯模制作工艺参数组分石膏比例1:1烘干温度6365升温时间68恒温时间1618冷却时间2 46 原材料选择6.1 树脂基体树脂基体在缠绕容器中起着粘接固定纤维 传递载荷的作用纤维与树脂体系匹配的好坏直脱模修整后固化制品水压试验裙座加工贴弹性衬层贴绝热层芯模制备裙内侧缠绕上裙裙外侧缠绕固化纱团集束 浸胶胶 液 配张力控制刷胶图 2 缠绕工艺流程芯模骨架组装芯模刮制石膏配制芯模烘干芯模图 3 芯模制作工艺流程橡胶绝热层粘贴2 0 0 1 年 2 月 航 天 工 艺 第 1 期1 8接影响到成带质量缠绕成型工艺和容器的性能为此树脂体系应满足下列要求a.良好的力学性能b.与纤维有

5、良好的匹配性能使胶带有较好的成带性c.使用期要长以保证缠绕容器具有较好的整体性能缠绕试验容器所用的树脂为E- 51 环氧树脂- 95300# 6.2 增强纤维缠绕容器性能的好坏主要取决于增强纤 维在选择增强纤维时应注意以下问题a.性能和价格b.满足缠绕容器的性能要求c.浸透性和粘接性要好d.张力要均匀不起毛不断头成带好缠绕壳体拟采用高强 2号玻璃纤维规格为 80 支/2 股/绽股纱强度为 3136MPa 模量为 8 . 2 3 1 04MPa6 . 3 环氧体系配方 初步确定缠绕试验容器的树脂体系配方为: - 95300#E- 51 环氧树脂MDA孟烷二胺MPDA间苯二胺促进剂 M7 强度计算

6、缠绕强度设计的目的是确定试验件在所规 定的载荷下长期工作的最低纤维铺设量也就是要通过受力分析计算出环向和纵向纤维的缠绕层数强度计算目前主要采用网格理论进行强 度设计7 . 1 纵向缠绕层数的设算n纵 cos22fKMJNPRB=n纵= 2 J式中 f 每股纤维的平均强N1N2环向和纵向缠绕纱片的纤维股数J 纵向缠绕总循环数M 纵向缠绕一个循环在横截面内为两层交叉纤维的总纱片条数K 纵向纤维强度利用系数 缠绕角PB缠绕件的爆破压力R 缠绕壳体的内半径f 设计系数7 . 2 环向缠绕层数的设算n环fmR NtgPnB122)2(=环式中 m 环向缠绕纱布密度公式中其它符号与上相同 7 . 3 缠绕

7、件筒身段总厚度)12(75. 02 ktgkpt sbfB ckfR+=式中 tc壳体筒身段总厚度; kf= 1 / Vf Vf为纤维体 积百分数k s 纤维应力平衡因子; b 纤维 拉伸强度7 . 4 缠绕张力的设计与计算a . 环向缠绕张力计算平平环 sin) 1()sin(11+ = tttEEtttEETGGA GAGiGGA GAj jjAb . 纵向缠绕张力计算平平纵 sin)sin(22+ = tttEEtttEETGGA GAGiGGA GAiiAc.最佳预应力的计算 最佳预应力是指在缠绕过程中所施加的张力对玻璃纤维所产生的张应力最佳预应力的确定主要考虑玻璃钢纤维的强度和制品含

8、胶量的控 制计算公式如下2 0 0 1 年 2 月 航 天 工 艺 第 1 期1 9tPtPKtAsBABGGAp GiR+=4)4(238(式中 内衬材料弹性模量玻璃纤维弹性模量tA内衬厚度tG环向缠绕总厚度 tntGG1=环tG纵向缠绕总厚度 tntGG1=纵tG 1环向单屋层纤维厚度tG 1纵向单屋层纤维厚度 tG 2两层环向纤维厚度tG 2两层纵纤维厚度A 每股纤维 的截面积j 第几层环向缠绕代号I 第几层 纵缠绕代号平筒身部分的平均缠绕角G 玻璃纤维设计应力p内衬压缩弹性极限s内衬屈服极限8 试验件缠绕成型中的关键工艺项8.1 内绝热层制备与施工方案初步选用软片型弹性体基内绝热材料软

9、 片型绝热层材料的制备工艺主要采用以下两种方 法模压预成型用于制作封头段绝热层这种方法是按照设计图纸对壳体内绝热层种类及厚度分布的要求用模具将壳体封头绝热层预先热 压成型然后借助胶粘剂粘贴到缠绕用芯模封头端手工贴片用于制作筒身段绝热层这种 方法将一定厚度的未硫化片材裁成一定形状经清洗涂胶即可粘贴到缠绕芯模直筒端粘贴完毕后可以直接在其上进行壳体缠绕在壳体固化 的同时完成绝热层的硫化8.2 裙部的粘接 缠绕缩比件的裙部粘接需在裙与容器之间 嵌入弹性剪切层这种形式的粘接在容器成型过程中进行并与试验件同时固化对应于不同的 胶液配方必须有不同的裙部胶粘剂与之相匹 配其固化温度与试验件的固化制度一致,以保

10、证容器与裙连接可靠其裙部接头为铝裙/胶 层/橡胶/胶层/玻璃钢的复合接头这种接头不仅 具有协调各组成材料变形的能力而且可将传递的力重新分布到整个粘接面上消除应力集中 提高粘接的可靠性连接结构如图 4所示1 2 3 4 5 61裙尖弹性层未固化原橡胶 2裙内缠绕层未固壳体 3内剪切层硫化橡胶 4裙铝合金 5外剪切层硫化橡胶 6裙外缠绕层未固壳体材料 图 4 裙部的粘接8.3 推力终止孔缠绕方案初步采用预埋成形工艺四个推力终止孔接 座与芯模表面粘结由于手工划线产生的位置偏差使接座与壳体芯模不能严格吻合因此在两者之间铺放弹性衬层以减缓应力集中然后在接座 上放置导纱锥由数控缠绕机进行多切点缠绕后2 0

11、 0 1 年 2 月 航 天 工 艺 第 1 期2 0再进行固化最后移去导纱锥即形成整体缠绕成形的四推力终止孔9 缠绕工艺参数的选择根据生产工艺流程缠绕成型中的主要工艺参数有纤维烘干处理及时间浸胶方式及含胶量缠绕张力缠绕规律固化检测等合理选择缠绕工艺参数是充分发挥原材料特性提高 缠绕容器质量的重要条件9.1 纤维处理和烘干 由于纤维都是采用增强型浸润剂存贮不当 也会吸附大量的水分纤维表面的这些游离水分影响树脂基体与纤维的粘合同时引起应力腐 蚀使微裂纹等缺陷进一步扩展从而使制品强 度和耐老化性能下降因此纤维在使用前需进行烘干处理纤维烘干制度视纤维含水量和纱锭 大小而定通常在 6080下烘干 24

12、h即可 9.2 浸胶与胶液含量胶液含量的变化及分布对纤维缠绕试验容器 的性能影响较大一是直接影响容器的质量和厚 度的控制二是从强度的角度看含胶量过高使制品的强度降低含胶量过低容器孔隙率增 加 使容器气密性 耐老化性能及剪切强度下降 同时也影响纤维强度的发挥因此必须严格控制纤维纱的含胶量保证整个缠绕过程前后含胶 量均匀试验容器的结构层含胶量应控制在 17%25%最佳含胶量为 20%纤维含胶量是在浸胶过程中进行控制的通过调整挤胶辊压力来控制含胶量影响含胶量的 因素很多主要以胶液粘度缠绕张力浸胶时间胶液粘度等为主因此浸胶槽应装备恒温水浴以控制胶液温度水温一般控制在 2040 范围内胶液粘度控制在 0

13、.35Pas1.0Pas范围内9.3 缠绕张力 缠绕张力是缠绕工艺的重要参数张力大小各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性对缠绕试验容器的质量影响很大 缠绕张力的大小可通过上述公式进行计算确定 根据经验 一般初张力可按纤维强度的17%25%选取 为使各缠绕层不出现内松外紧现象使缠绕张力逐层有规律地递减尽可能各层纤维在缠绕完成后所受的张力相等纤维缠绕时张力的递减 值可通过上述公式计算确定根据经验一般每层递增减 510N也可简化为每层递减 一次递减值等于逐层递减值之和 9.4 缠绕速度缠绕速度是芯模速度小车速度纱线速度 构成的速度矢量缠绕速度一般指纱线速度应 控制在一定的范围内对湿法缠绕纱线速度最大不超过 0.9m/s,纱线很大时芯模转速很高会 出现胶液在离心力作用下从缠绕容器向外迁移 和溅洒的可能9.5 固化制度本缠绕试验容器为环氧/玻璃纤维由于是环 氧树脂体系 因此 固化制度采用常压加热固化试验容器的固化制度为室温50/1680/4100/5 150/9随炉冷却1 0 结束语本文仅针对发动机纤维缠绕壳体试验缩比件的缠绕成型工艺进行初步探讨对发动机壳体进行纤维缠绕起一定的指导作用成型工艺方法及 有关工艺参数选择的合理与否需进一步摸索并借鉴国内外先进的技术和经验参考文献1 沃丁柱.复合材料大全2 刘雄亚谢怀勤. 复合材料工艺与设备3 丘哲明. 固体火箭发动机材料与工艺