一种固体火箭发动机绝热接头注射成型模具及方法与流程

1.本发明涉及固体火箭发动机复合材料壳体技术领域，具体涉及一种固体火箭发动机绝热接头注射成型模具及方法。


背景技术：

2.随着国际形势日益紧张，武器装备规模化生产和快速响应的需求越来越突显，固体火箭发动机高性能化、低成本化、快速响应的发展需求，绝热层作为燃烧室的重要组成部分，除了其耐烧蚀性能和质量可靠性外，绝热层的制造途径则是决定其成本和速度的的重要因素之一。固体火箭发动机燃烧室壳体分为复合材料壳体和金属壳体两类，本技术只针对复合材料封头部位的绝热层成型提出新的技术方法。
3.对于复合材料燃烧室壳体，封头绝热层通常与金属接头粘接预制为一体后，与筒段等剩余绝热层粘接组合成整体，待缠绕成型复合材料壳体完成后再共固化。绝热封头通常采用模压、热压罐、手工包覆等工艺进行预制，模压是采用模具在平板硫化机上硫化，该工艺最为常用。模压工艺具体操作为，对绝热层进行压延机碾片并裁剪，按照分层铺叠的方式与金属接头粘贴后放入模具，再通过平板硫化机进行压实、硫化。国内现有固体发动机复合材料壳体绝热层成型过程中，模压工艺制品质量状况较优，应用最为广泛，但仍存在诸多问题，首先，以片材作为中间形态，增加了碾片-裁剪-粘接-铺层工序，造成成型工艺周期长、生产效率低等问题。其次，如绝热接头、绝热套等属于典型的厚壁类橡胶件，在金属模具型腔中需层层铺料，铺层较多，如铺层设计不合理则层间易产生空隙难以被装填压实，且橡胶在不等厚部位的收缩量不一致，导致制品型面变形和尺寸超差。而实际操作中，模具设计往往不能给出精确的收缩余量，制品尺寸偏差达到
±
10％，不得不通过对制品超差尺寸反复修磨，不易保证厚壁橡胶件制品的质量稳定性。再者，由于受工艺方法的限制，模压工艺只能通过阴模和模盖上、下运动合模对橡胶施加压力，而对于锥、柱状的绝热制品，采用平板压机模压工艺时存在模具设计难度大、压力传递困难，物料装填密实性差、脱模困难等问题，模压工艺实现较为困难。最后，依靠上下平板传热，热传导效率低，高度较大的制品需在模具设计加热电偶。
4.通过查询封头绝热层相关专利可知，多数封头绝热层的专利针对金属壳体，利用金属壳体的支撑作用贴合与压实绝热层。对于金属壳体，通常需在壳体加工完成后贴制绝热层。金属筒段与封头为分体结构时，通常需先通过手工铺贴、涂装、挤注或模压成型等工艺分别在筒段和封头上预制绝热层，之后再将其组装成整体。公开号为cn107584771a的发明专利公开了固体火箭发动机内绝热层成型方法，通过“手工铺贴+气囊加压”的方法实现筒段-封头绝热层整体成型，须先另开模具预制内绝热层胶套，再粘贴绝热层。公开号为cn108000888a的发明专利公开了一种筒段与封头绝热层整体成型方法，但对绝热胶料流动性要求较高，须保证绝热胶料依靠重力自行流入金属壳体与芯模组成的模腔。然而此类绝热胶料往往纤维或填料含量较低，相应的耐烧蚀性能也欠佳。公开号为cn112497699a的发明专利公开了一种燃烧室筒段-封头绝热层一体化挤注成型系统及方法，解决现有技术中
筒段与封头绝热层整体成型工艺难度大、效率低的技术问题。系统包括底座、挤出机和燃烧室壳体、过渡套、芯模、芯模转接法兰和支座等，所述的燃烧室壳体为筒段-封头整体结构的金属壳体，依靠金属壳体支撑作用完成绝热层挤注，不能用于复合材料壳体内绝热成型。
5.对于复合材料壳体含金属接头的绝热接头，目前的常用模压的成型方法，包括碾片-裁剪-粘接-铺层-热压，工艺缺点较多，制备一件产品时间约在4h～6h。绝热层材料的增加了“片材”这一中间形态及其质量检验，工序流程长，复杂程度增加；片材铺层厚度和数量需经过精确计算，操作过程对裁剪尺寸和重量有严格要求，否则容易欠胶或过量，质量保证难度系数增加；热压过程通常由室温升温至热压温度，热传导时间长；整体施工效率低，手工参与多。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题
7.本发明提供一种固体火箭发动机绝热接头注射成型模具及方法，以解决现有成型方法工序繁琐，成本高，整个成型周期较长等问题。
8.为解决技术问题本发明采用的技术方案
9.一种固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，该模具由动模和定模组成，所述定模包括模盖、上模及阳模，所述动模包括中模及底板，定模安装在注射机的固定热板上，与注射机喷嘴相接；动模安装在注射机的活动热板上，所述动模与定模合模后形成型腔和浇注系统，所述定模与动模设置有流道系统，定位系统，密封与封胶系统和真空系统，
10.所述流道系统，由注射机注胶口注入绝热层材料后，在模具内充满型腔过程中形成流道，为注射模具提供胶料通道，位于模具密封系统内侧；
11.所述定位系统在各模板间采用导柱进行定位，采用螺栓进行组合固定；
12.所述密封与封胶系统是模具组合后的型腔采用密封槽与密封胶以实现型腔的密封，在模盖、上模、中模及底板各平板间的封胶均分布在流道外侧，设有密封槽配合密封胶条进行封胶，模具与金属接头之间，需要在底板和阳模上设计有过盈的封模量作为封胶结构；
13.所述真空系统，模具型腔设计真空系统，型腔内部真空的密封作用依靠各模板间设计的密封条，真空系统由底板引出抽真空接口。
14.进一步地，所述流道形式为星型流道，每一流道再分为扇形进料进入产品型腔。
15.进一步地，所述流道系统采用“十”字注射流道，十字流道均布4个及以上偶数个进料口，以增加注射胶料的流量。
16.进一步地，所述定位系统的导向柱及螺栓设置4组及以上，均布于模具的四周。
17.进一步地，所述密封系统的密封槽为“回”字型或圆形平面结构，布置在流道和产品的外侧、导向孔和螺栓孔的内侧。
18.一种固体火箭发动机绝热接头注射成型方法，具体步骤为：
19.s1.将喷砂的金属接头表面用于粘接的部位均匀涂刷界面胶粘剂，金属接头端面朝下放进注射模具型腔，与模具底板中心孔配合，完成接头定中；
20.s2.将模具整体装入注射机，浇注口与注射机的注射口紧密对接，模具底部的抽真空接口与注射机真空系统连接；
21.s3.预热注射机系统和注射模具，对模具抽真空至真空度不低于0.08mpa；
22.s4.启动注射机注射螺杆，将绝热层坯料喂入注射机充分塑化，时间小于绝热层材料的焦烧时间；
23.s5.启动注射程序，在注射压力下将绝热材料通过浇注口及其流道，注射并充满模具型腔；
24.s6.启动升温程序，升温至绝热层材料的正硫化温度，按照材料的硫化温度与时间硫化；
25.s7.硫化程序结束后，模具自然降温，拆解模具并取出产品，修剪飞边，得到注射成型绝热接头产品。
26.进一步地，所述s2模具装配具体步骤为：
27.s21.在中模内装入阳模，金属接头与阳模上封胶结构紧密接触，限定绝热材料流动范围；
28.s22.在上模的密封槽内铺入密封胶条，再通过导向柱装入上模，实现上模的定位，上模与阳模通过凸台实现对阳模的定中；
29.s23.在模盖的密封槽内铺入密封胶条，通过导向柱配合定位；
30.s24.将底板、中模、上模、模盖通过螺栓全部紧固在一起。
31.进一步地，所述绝热材料为含短切纤维的橡胶类材料，绝热层门尼黏度小于90ml100℃(1+4)，焦烧时间大于5min，能够实现塑化。
32.进一步地，所述s1金属接头外柱面根部与中模上的下封胶结构紧密接触，限定绝热材料流动范围。
33.进一步地，所述金属接头与模具底板通过接头根部的柱面进行配合，实现定中，并通过底板、阳模的封胶结构实现限位。
34.本发明获得的技术效果
35.通过本发明，避免了片材这一中间形态，无需进行裁剪及其尺寸控制，从而简化了操作过程，减少作业过程人工参与，节省了热压过程的升温时间，绝热层充模时间极快，极大地提升了成型效率，同时实现密实填充，满足快速低成本制造的技术发展需求。本发明具有更广泛的应用价值，不止适用于常规模压制品，同样适用于形状复杂、模压工艺或模具受限的产品。
附图说明
36.图1：绝热接头产品；
37.图2：注射流道分布及走向方案示意图；
38.图3：注射模具整体示意图；
39.图4：注射流道布局及充模示意图；
40.图5：模盖及流道走向示意图；
41.图6：上模及流道走向示意图；
42.图7：阳模示意图；
43.图8：中模及流道走向示意图；
44.图9：底板及真空通道示意图；
45.图10：模具与金属接头间的封胶系统示意图；
46.其中：其中：1-金属接头，2-界面胶粘剂，3-绝热层，4-模盖，5-上模，6-中模，7-底板，8-阳模，9-定位块，10-上封校结构，11-下封胶结构，41-密封槽，42-注胶口，43
‑“
十”字流道，51-导向柱，52-螺栓孔，53-扇形流道，61-接头柱面定中配合面，62-真空通道。
具体实施方式
47.注射成型是指，将模具安装在橡胶注射成型机上，由注射机的压力下，将在注射机料筒内经塑化、预热的胶料，通过注射机喷嘴及模具内的流道，注射进入模具型腔内，并硫化成型。注射成型因具有高效率、高精度、低成本的显著特点，在民用领域发展较为成熟，如密封圈等。军用领域发展缓慢，特别是在航天领域绝热层注射成型方面，国内开展的研究工作十分有限。
48.本发明为一种固体火箭发动机绝热层注射成型模具及方法，采用现有绝热材料，通过橡胶注射机的塑化、升温作用，使绝热层黏度降低，再施加足够的压力，将绝热材料注射并充满预装了金属接头的模具型腔内，继续升高模具温度使绝热材料硫化定型，冷却后脱模得到绝热接头。绝热材料是含短切纤维的橡胶类材料，要求绝热层门尼黏度小于90ml100℃(1+4)，焦烧时间大于5min，能够实现塑化。按照绝热接头产品形状，预先设计模具，并合理布局流道。模具内预先安装并固定金属接头，并对非粘接的部位安装采取保护措施。金属接头与绝热层粘接的胶粘剂采用模压工艺常规胶粘剂，按照胶粘剂工艺要求，在粘接绝热层的部位涂刷胶粘剂并晾置。模具整体安装于注射机，将模具的进胶口与注射机的注胶口紧密配合。绝热材料通过开炼机碾压出片，制备成方便向注射机喂料口喂料的任意规格条带。绝热层条带喂入注射机喂料口，在注射机螺杆作用下，绝热层自动吃料、挤压、排气、塑化，成为密实的粘流态。注射机的压力作用下，将粘流态绝热层胶料通过注射流道进入模具型腔，直至充满型腔并保持注射压力。模具持续升温至绝热层硫化温度并硫化。模具自然降温后脱模，除去飞边，形成制品。
49.为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
50.注射成型模具结构形式的确定应根据注射硫化产品的结构和注射机的类型统一考虑。注射成型模具由动模和定模两部分构成，定模也称作上模部分，安装在注射机的固定热扳上，与注射机喷嘴相接；动模也称为下模部分，安装在注射机的活动热板上。动、定模合模后形成型腔和浇注系统。针对绝热接头产品，本技术方案注射成型模具设计为模盖、上模、阳模、中模、底板。其中，模盖、上模、阳模为定模，中模、底板为动模。模具包含流道系统、定位系统、密封与封胶系统和真空系统。其中，流道系统为星型流道，定位系统采用导柱和螺栓进行组合定位，密封与封胶系统，采用0.02以下的平面度以及密封胶进行密封，采用流道边界模具与金属接头过盈配合进行封胶，真空系统由底板引出抽真空接口。具体结构形式见图3。
51.(1)流道系统
52.由注射机注胶口注入绝热层材料后，在模具内充满型腔过程中形成的流道。注射机注胶口数量为1，产品呈轴对称回转体，设计产品进料口数量为4，确定流道形式为十字型流道形式，十字型为星型流道的一种，是最容易保证流道平衡的一种流道形式。十字流道分为4支流道，每一流道再分为扇形进料进入产品型腔，如图4所示。“十”字注射流道为均布4个进料口，也可以均布6个、8个甚至更多，以增加注射胶料的流量；
53.(2)定位系统
54.模盖、上模、中模及底板间的组合定位为平板间的定位，只需要普通导柱与导套定位，如图6。模具整体与注射机加热板件等通过吊模槽转接。各模板间采用导柱进行定位，采用螺栓进行组合固定，导向柱孔、螺栓孔均布于模具的四周，可以是4个组，也可以均布6组、8组，甚至更多；
55.(3)密封与封胶系统
56.模具组合后的型腔采用密封槽与密封胶以实现型腔的密封，密封槽为“回”字型、圆形平面结构，布置在流道和产品的外侧、导向孔和螺栓孔的内侧；胶料流动边界的封胶结构，采用模具与金属接头过盈配合尽心封胶；金属接头与模具底板通过接头根部的柱面进行配合，实现定中，并通过底板、阳模的封胶结构实现限位。
57.为了避免注射绝热层胶料溢出，与实现模具内部型腔真空度，设计密封与封胶系统，分为两种情况：
58.a.模具与模具之间。模盖、上模、中模、底板平板间的封胶设计均分布在流道外侧，设计有密封槽配合密封胶条进行封胶，密封槽如图5所示。
59.b.模具与金属接头之间。需要在底板和阳模上设计有过盈的封模量作为封胶结构，如图10所示。
60.(4)真空系统
61.为了提高注射产品的质量，避免空气夹杂，模具型腔设计真空系统。真空系统的真空与排气主要从底板引出，模具组合后型腔的真空由底板中心孔引出，并与抽真空设备进行连接。见图9。而型腔内部真空的密封作用依靠各模板间设计的密封条。
62.本发明提供一种固体火箭发动机绝热接头注射成型的工艺方法。其方法步骤包括：
63.喷砂的金属接头表面用于粘接的部位均匀涂刷界面胶粘剂(绝热层与金属)，按照胶粘剂涂刷工艺方法及晾置时间进行操作。
64.金属接头端面朝下放进注射模具型腔，与模具底板中心孔配合，完成接头定中。其中，接头外柱面根部与阴模上的止点紧密接触，限定绝热材料流动范围。
65.在中模内装入阳模，其中，接头与阳模上封胶结构紧密接触，限定绝热材料流动范围；
66.在上模的密封槽内铺入密封胶条，再通过导向柱装入上模，实现上模的定位。上模与阳模通过凸台实现对阳模的定中；
67.在模盖的密封槽内铺入密封胶条，通过导向柱配合定位；
68.将底板、中模、上模、模盖通过螺栓全部紧固在一起。
69.模具整体装入注射机，浇注口与注射机的注射口紧密对接，模具底部的抽真空接口与注射机真空系统连接。
70.启动注射机升温系统，预热注射机系统和注射模具，温度范围70℃～150℃，同时，温度低于绝热层正硫化温度。启动注射模具的真空系统，对模具抽真空至真空度不低于0.08mpa。
71.启动注射机注射螺杆，将绝热层坯料喂入注射机后，经注射机充分塑化，时间小于绝热层材料的焦烧时间。
72.启动注射程序，在注射压力下将绝热层材料通过浇注口及其流道，注射进入模具型腔，并充满型腔，保持注射压力。
73.启动升温程序，升温至绝热层材料的正硫化温度，按照材料的硫化温度与时间硫化。
74.硫化程序结束后，模具自然降温，卸下模具，拆解模具并取出产品，修剪飞边，得到注射成型绝热接头产品。
75.通过本发明，避免了片材这一中间形态，节省了碾片、裁剪、铺层工序，节省了针对每一个片材厚度、外直径、内直径的反复测量与记录，从而极大地简化了操作过程，减少作业过程人工参与，升温时间也大幅缩短。
76.注射成型的绝热层胶料塑化、注射在几分钟之内即可完成，制备一件产品时间约3h，实现密实填充，极大地提升了成型效率，满足快速低成本制造的技术发展需求。
77.具有更广泛的应用价值，不止适用于常规模压制品，同样适用于形状复杂、模压工艺或模具受限的产品。
78.经过使用，方案可行。同种绝热层材料分别采用注射和模压工艺的样品，其材料性能未发生明显变化；已经完成了多台直径300mm的燃烧室壳体缠绕成型，内含绝热层，通过x光探伤检测，未发生界面脱粘现象；直径300mm的燃烧室壳体通过了水压考核，可保证壳体密封。

技术特征：
1.一种固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，其特征在于：该模具由动模和定模组成，所述定模包括模盖、上模及阳模，所述动模包括中模及底板，所述定模安装在注射机的固定热板上，与注射机喷嘴相接，所述动模安装在注射机的活动热板上，所述动模与定模合模后形成型腔和浇注系统，以及由定模与动模组合而成的流道系统，定位系统，密封与封胶系统和真空系统，所述流道系统，由注射机注胶口注入绝热层材料后，在模具内充满型腔过程中形成流道，为注射模具提供胶料通道，位于模具密封系统内侧；所述定位系统在各模板间采用导柱进行定位，采用螺栓进行组合固定；所述密封与封胶系统是模具组合后的型腔采用密封槽与密封胶以实现型腔的密封，在模盖、上模、中模及底板各平板间的封胶均分布在流道外侧，设有密封槽配合密封胶条进行封胶，模具与金属接头之间，需要在底板和阳模上设计有过盈的封模量作为封胶结构；所述真空系统，模具型腔设计真空系统，型腔内部真空的密封作用依靠各模板间设计的密封条，真空系统由底板引出抽真空接口。2.根据权利要求1所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，其特征在于：所述流道形式为星型流道，每一流道再分为扇形进料进入产品型腔。3.根据权利要求2所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，其特征在于：所述流道系统采用“十”字注射流道，十字流道均布4个及以上偶数个进料口，以增加注射胶料的流量。4.根据权利要求1所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，其特征在于：所述定位系统的导向柱及螺栓设置4组及以上，均布于模具的四周。5.根据权利要求1所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型模具，其特征在于：所述密封系统的密封槽为“回”字型或圆形平面结构，布置在流道和产品的外侧、导向孔和螺栓孔的内侧。6.一种固体火箭发动机绝热接头注射成型方法,其特征在于,具体步骤为：s1.将喷砂的金属接头表面用于粘接的部位均匀涂刷界面胶粘剂，金属接头端面朝下放进注射模具型腔，与模具底板中心孔配合，完成接头定中；s2.将模具整体装入注射机，浇注口与注射机的注射口紧密对接，模具底部的抽真空接口与注射机真空系统连接；s3.预热注射机系统和注射模具，对模具抽真空至真空度不低于0.08mpa；s4.启动注射机注射螺杆，将绝热层坯料喂入注射机充分塑化，时间小于绝热层材料的焦烧时间；s5.启动注射程序，在注射压力下将绝热材料通过浇注口及其流道，注射并充满模具型腔；s6.启动升温程序，升温至绝热层材料的正硫化温度，按照材料的硫化温度与时间硫化；s7.硫化程序结束后，模具自然降温，拆解模具并取出产品，修剪飞边，得到注射成型绝热接头产品。7.根据权利要求6所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型方法，其特征在于，所述s2模具装配具体步骤为：
s21.在中模内装入阳模，金属接头与阳模上封胶结构紧密接触，限定绝热材料流动范围；s22.在上模的密封槽内铺入密封胶条，再通过导向柱装入上模，实现上模的定位，上模与阳模通过凸台实现对阳模的定中；s23.在模盖的密封槽内铺入密封胶条，通过导向柱配合定位；s24.将底板、中模、上模、模盖通过螺栓全部紧固在一起。8.根据权利要求6或7所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型方法，其特征在于：所述绝热材料为含短切纤维的橡胶类材料，绝热层门尼黏度小于90ml100℃(1+4)，焦烧时间大于5min，能够实现塑化。9.根据权利要求6所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型方法，其特征在于：所述s1金属接头外柱面根部与中模上的下封胶结构紧密接触，限定绝热材料流动范围。10.根据权利要求6所述的固体火箭发动机绝热接头注射成型方法，其特征在于：所述金属接头与模具底板通过接头根部的柱面进行配合，实现定中，并通过底板、阳模的封胶结构实现限位。

技术总结
本发明为一种固体火箭发动机绝热层注射成型模具及方法，按照绝热接头产品形状，预先设计模具并合理布局流道。模具内预先安装并固定金属接头，在金属接头与粘接绝热层的部位涂刷胶粘剂并晾置。模具整体安装于注射机，将模具的进胶口与注射机的注胶口紧密配合。绝热层材料制备成条带喂入注射机喂料口，通过挤压、排气及塑化成为密实的粘流态。注射机的压力作用下，将粘流态绝热层胶料通过注射流道进入模具型腔，直至充满型腔并保持注射压力。模具持续升温至绝热层硫化温度并硫化。模具自然降温后脱模，除去飞边，形成制品。本发明简化了操作过程，减少作业过程人工参与，节省了模压工艺中“片材”生产和检验这一中间环节，极大地提升了成型效率。了成型效率。了成型效率。


技术研发人员：张鹏飞 张小兵 张明志 冯洋 梁娜 焦亚茹 张泽茹
受保护的技术使用者：内蒙古航天红岗机械有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/20