阅读说明：本技术 一种封头绝热层快速模压预成型装置 (Quick mould pressing of head heat insulation layer is forming device in advance ) 是由 宗喜龙 武长毅 高志刚 杨咏华 刘丽霞 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及固体火箭发动机封头绝热层模压预成型工艺过程,具体涉及一种封头绝热层快速模压预成型装置。包括阳模、阴模、导柱、导向套,通水孔,密封盖板,挡板及紧固螺栓,所述阴模、阳模合模靠导向套和导柱进行定位；所述阳模和阴模中设置通水孔,通水孔内部挡板与孔道间及通水孔与模具盖板间进行密封,通水孔密封通过密封盖板和紧固螺栓实现。所述模具阳模和阴模中增加多个可通循环介质的串并联孔道,使加热或降温循环介质直接通入模具内部。本发明对模具传热面积增加和传热距离减少,提高了模具的升温速率；模具内部通入冷水,提高了降温速率；循环介质直接对模具进行升降温,避免了压机压板升降温的能耗,降低了过程能耗。(The invention relates to a die-pressing preforming process for a heat insulating layer of a solid rocket engine head, in particular to a rapid die-pressing preforming device for the heat insulating layer of the head. The die comprises a male die, a female die, a guide post, a guide sleeve, a limber hole, a sealing cover plate, a baffle plate and a fastening bolt, wherein the female die and the male die are assembled and positioned by the guide sleeve and the guide post; and limber holes are formed in the male die and the female die, the space between the baffle plate inside the limber hole and the pore channel and the space between the limber hole and the die cover plate are sealed, and the limber hole sealing is realized through a sealing cover plate and a fastening bolt. A plurality of series-parallel pore canals which can be communicated with a circulating medium are added in the male die and the female die of the die, so that the heating or cooling circulating medium is directly communicated into the die. The invention increases the heat transfer area and reduces the heat transfer distance of the die, thereby improving the heating rate of the die; cold water is introduced into the die, so that the cooling rate is improved; the circulating medium directly heats and cools the die, so that the energy consumption of heating and cooling the press plate of the press is avoided, and the energy consumption of the process is reduced.)

一种封头绝热层快速模压预成型装置

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机封头绝热层模压预成型工艺过程，具体涉及一种封头绝热层快速模压预成型装置。

背景技术

固体火箭发动机内绝热层，主要作用是防止燃烧室壳体在发动机工作过程中达到危及结构完整性的温度，此外，还可以防止燃烧产物对壳体的冲刷，缓冲壳体应变向推进剂的传递，阻止推进剂中某些化学成分向发动机壁迁移而腐蚀壳体，按设计要求限制推进剂局部表面的燃烧，引导燃烧产物在最大可能的程度上以层流的方式进入喷管，密封壳体、附件和其接缝，以阻止燃气泄露及热燃产物对其损伤，防止导弹发射时的气动摩擦热及高空辐射的侵入以保护药柱。

国内发动机钢壳体内绝热大多采用厚度可控制、烧蚀率低的片材绝热层。成型方法主要沿用传统的手工贴片成型工艺为主，绝热层制作多以垒片粘贴的方法，这种生产方式不仅效率低，而且在生产过程中易出现绝热层鼓包(气泡)、凹坑、脱粘、厚度不均现象，凹坑的出现将使绝热层有效厚度减小，降低了热防护能力；鼓包、脱粘会使绝热层与壳体间粘接强度降低，在发动机工作中，极易受到热气流侵蚀，造成绝热层结构的破坏，从而导致热防护失败。同时手工贴片这种工艺的适用性差，直径较小的发动机，操作人员难以对壳体进行绝热，制约小开口大长细比发动机的设计基础进展。随着固体火箭发动机的多样化和结构复杂化，手工粘贴绝热工艺已经不能适应固体火箭发动机的多样化和复杂化设计要求。由于绝热层的手工贴片制造过程中很容易产生的以上缺陷。为此，近年来封头绝热层和人工脱粘层模压预成型技术得到了开发和应用，模压预成型技术是一种新型的绝热层成型工艺，先将封头绝热层结构利用模具模压成型，然后再粘贴到壳体上，采用该方法不仅消除了因手工垒片结构产生的气泡、气隙、绝热片材的搭接，而且可使手工贴片的搭接缝移至燃烧室筒体段，对于非端面燃料的发动机而言，筒体段部位的绝热层几乎不与燃气接触，因为药柱的本身就是一层很好的绝热层。另一方面，采用模压预成型工艺制造的绝热层致密均匀，厚度还可以严格按照设计要求，不仅减轻了发动机壳体绝热层的消极质量，还提高了发动机质量，还提高了点火可靠性。

现有封头绝热层模压成型工艺过程为：利用平板硫化机对模具及物料进行加热，模具及绝热材料达到一定温度具有一定流动性后施加压力使绝热材料在模具内成型，保压降温至预制产品具有一定强度后进行脱模操作，脱模后对产品厚度进行测量，对产品表观质量进行检查。具体工艺过程如下：

1）模具预热：为增加传热效率提高模具与平板硫化机温差，平板硫化机初始设定温度150℃对模具进行预热，此时模具温度与压机温度均进行升温。当模具温度达到40℃时将平板硫化机设定温度调整至80℃，此阶段模具温度继续升高，平板硫化机温度降低。当模具温度升温至物料成型所需温度（60～75）℃，平板硫化机温度下降至80℃时，模具温度及平板硫化机温度维持平衡状态。现升温曲线见图1。

2）物料预热：当模具温度恒定后将固定重量的绝热材料软片铺置于模具型腔内，物料开始预热，预热时间20min。

模压成型：材料预热均匀后施加压力10MPa，使材料在模具型腔内成型。

4）保压降温：关闭平板硫化机加热系统，保压降温，此时平板硫化机与模具及模压制品同步降温，降温曲线见图2。

5）脱模：当模具及模压产品温度降低至≤40℃后，模压产品具有一定强度后进行脱模操作，脱模后对产品厚度及表观进行测量检查，符合要求后存放待用。

根据现有封头绝热层模压预成型工艺过程可知，现有工艺过程存在下列缺点：

过程温度难以精确控制、模具自平板硫化机加热板至模具中心存在温度梯度，造成物料受热不均匀易产生缺陷，产品合格率低；

模具升温靠平板硫化机上下压板传热实现，传热效率低，能耗高；

模具降温与平板硫化机降温在自然环境下同步进行，降温速度慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明提供一种封头绝热层快速模压预成型装置，以可提高模具的传热效率，降低过程能耗，减小模具型腔内温差以达到提高生产效率，提高产品质量的目的。

为解决技术问题采用的技术方案

一种封头绝热层快速模压预成型装置，包括阳模、阴模、导柱、导向套，通水孔，密封盖板，挡板及紧固螺栓，所述阴模、阳模合模靠导向套和导柱进行定位；所述阳模和阴模中设置通水孔，通水孔内部挡板与孔道间及通水孔与模具盖板间进行密封，通水孔密封通过密封盖板和紧固螺栓实现。

进一步地，所述模具阳模和阴模中增加多个可通循环介质的串并联孔道，使加热或降温循环介质直接通入模具内部。

有益效果

快速模压预成型技术与原工艺过程相比有下列优点：

传热面积增加和传热距离减少，提高了模具的升温速率；

模具降温方式为内部通入冷水，提高了降温速率；

循环介质直接对模具进行升降温，避免了压机压板升降温的能耗，降低了过程能耗；

循环介质与模具型腔距离小且均匀，提高模具的控温精度。

附图说明

图1：升温曲线；

图2：降温曲线；

图3：模压模具外型结构示意图；

图4：模具内部结构示意图；

图5：模具内循环介质运行孔道展开后示意图；

其中：1-水孔挡板，2-密封盖板，3-紧固螺栓，4-进出水口，5-水孔 ,6-导柱，7-阳模，8-阴模，9-中空减重，10-导向套 。

具体实施方式

结合附图及具体实施例对本发明进一步说明:

现有模压模具外型结构示意图如图3所示，主要由1：阳模、阴模、导柱、导向套等结构组成。阳模为中空减重结构，阴阳模完全合模后模具型腔为产品成型尺寸，阴阳模合模靠导向套和导柱进行定位保证产品周向厚度的均匀性。对模具结构进行优化，改变模具传热方式，如图4所示，即在模具阳模和阴模中增加多个可通循环介质的串并联孔道，使加热或降温循环介质直接通入模具内部，增加传热面积，减少传热距离，提高传热效率，同时保证模具型腔表面不受到破坏。模具内循环介质运行孔道展开后示意图如图5所示。

模具结构优化后加热、冷却水由进出水口进入模具水孔，经水孔循环后流出模具，起到对模具进行升降温的作用。水孔密封通过密封盖板和紧固螺栓实现。

在优化后的模具结构中，水孔分为多路并联和多个串联，在水孔内部挡板与孔道间及水孔与模具压板之间进行密封处理，既提高传热效率又保证模具的强度及型面的完整。

模具精确控温系统设计：

对模具结构进行优化后，设计模具控温系统，实现模具温度的精确控制。该系统包括冷水机组、热水机组、动力传输系统、保温水箱和循环管路等。其中冷水机组及热水机组分别提供模具降温及升温所需流动介质；动力传输系统将升降温介质自各自机组流经模具升降温介质孔道后回到各自机组；控制系统将测量到的介质温度、模具温度传输至控制器，控制器对升降温介质温度进行相应调节，进而实现对模具温度的控制。

在上述模具精确控温系统运行过程中需确定所需循环介质及控温系统加热/冷却功率：

1）循环介质的选择：

现预成型模压温度为（60～75）℃，升温介质温度应达到80℃，在水的沸点之下，且水与导热油相比较对操作环境影响小，故选用水作为升降温介质。

2）加热/冷却功率的计算

加热/冷却功率按公式计算

KW=W×△t×C×S/T

式中W——模具重量，Kg

△t——所需温度与起始温度之间的温差

C——比热

S——安全系数

T——时间

因绝热材料加热/冷却所需功率占总功率比重过小，忽略不计。模具重量以模具外型尺寸（直径1000mm，高度400mm）近似计算，升温温差按室温20℃升温至70℃计算，降温温差按70℃降温至40℃计算，升降温时间选择30min，安全系数选择1.5。

计算系统加热功率为：

KW= W×△t×C×S/T

=3.14×0.52×0.4×7800×0.11/860×（70-20）×1.5÷0.50

=47KW

系统制冷功率为

KW = W×△t×C×S/T

=3.14×0.52×0.4×7800×0.11/860×（70-30）×1.5÷0.50

=28.2KW

通过实验确定了封头绝热层快速模压成型技术后共进行实验十次，与现有工艺过程进行对比。

对原工艺过程耗时及优化后工艺过程耗时进行分析，分析结果见表1：

操作过程	原工艺过程耗时	提升后工艺过程耗时	提升情况
				准备过程	耗时20min	耗时20min	无
物料及平板硫化机升温	320min	耗时25min	效率提升13倍
				模压成型	耗时5min	耗时5min	无
保压降温	耗时900min	耗时15min	效率提升60倍
				脱模、产品表观检查、厚度测量	耗时20min	耗时20min	无
总耗时	1265min（21.1h）	85min（1.4h）	提升15倍

表1 生产周期对比

由表1可知，优化后升温、保压降温工艺过程分别提升效率13倍和60倍，工艺总过程效率提升15倍。

模具型腔温度对比

模压过程中，当模具测温孔温度恒定至70℃后，利用多点温度测试仪分别同时测试模具轴向和径向温度，测试数据见表2。

表2 型腔温度均匀性对比

由表2可知，使用平板硫化机对模具进行升温，模具轴向型腔温度存在约5℃温差，即靠近平板硫化机加热板位置温度偏高，使用模具控温系统对模具进行控温存在约1℃温差。温度均匀性明显提高。