阅读说明：本技术 轻质结构砂芯模成型方法 (Light structure sand core mold forming method ) 是由 马娟 姚桂平 高李帅 刘朝晖 舒威 于 2020-11-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及固体火箭发动机壳体成型技术领域,公开了一种轻质结构砂芯模成型方法,包括如下步骤：分区并制作砂饼成型模具及缠绕芯轴；配制聚乙烯醇水溶液；制作共混砂料；将共混砂料填入砂饼成型模具中并捣实；加热固化；打磨后将砂饼连同所述轴套一起从砂饼成型模具中取出；将每个区域的砂饼依次套装在缠绕芯轴上,并用锁紧螺母压紧,然后将砂饼之间的对接缝填补平整；将组装好的砂芯模机加至所需的尺寸。本发明轻质结构砂芯模成型方法,其重量轻、强度高、制作工艺简单,能够替代复杂的石膏芯模,适用于大尺寸纤维缠绕壳体。(The invention relates to the technical field of solid rocket engine shell forming, and discloses a method for forming a sand core mold with a light structure, which comprises the following steps: partitioning and manufacturing a sand cake forming die and a winding mandrel; preparing a polyvinyl alcohol aqueous solution; preparing a blended sand material; filling the blended sand material into a sand cake forming die and tamping; heating and curing; after polishing, taking out the sand cake and the shaft sleeve from a sand cake forming die; sequentially sleeving the sand cakes in each area on a winding mandrel, tightly pressing the sand cakes by using a locking nut, and filling and flattening butt joints among the sand cakes; the assembled sand core molding machine is added to the desired dimensions. The method for molding the sand core mold with the light structure has light weight, high strength and simple manufacturing process, can replace a complex gypsum core mold, and is suitable for large-size fiber winding shells.)

轻质结构砂芯模成型方法

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机壳体成型技术领域，具体涉及一种轻质结构砂芯模成型方法。

背景技术

纤维缠绕发动机壳体，在降低壳体重力、提升质量比方面具有较大优势，是国内固体火箭发动机壳体发展的主要方向。但缠绕壳体的成型必须在芯模上进行，常用的芯模有水溶性砂芯模和可拆卸石膏芯模两种。

石膏芯模主要用于大尺寸壳体，芯模内部含有金属骨架，结构十分复杂，工装成本高，生产工艺复杂，脱模时需要人钻入壳体内部拆卸金属骨架，然后将石膏砸碎后取出，不仅在操作上具有较大难度，而且具有较高的安全风险和质量风险。

水溶性砂芯模结构简单，工装成本低，制作工艺简单，脱模时只需要用温水冲洗砂芯模，即可将砂芯模溶解后取出，但由于砂芯模自重较大，强度较低，不适用于大尺寸缠绕壳体，目前主要在小尺寸缠绕壳体上使用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种轻质结构砂芯模成型方法，其重量轻、强度高、制作工艺简单，能够替代复杂的石膏芯模，适用于大尺寸纤维缠绕壳体。

为实现上述目的，本发明所设计的轻质结构砂芯模成型方法，包括如下步骤：

轻质结构砂芯模成型方法，其特征在于：包括如下步骤：

A)根据发动机壳体长度尺寸对砂芯模进行分区，然后根据每个区域的尺寸及发动机壳体的直径、前后开口尺寸设计相对应的砂饼成型模具及缠绕芯轴，所述砂饼成型模具包括凹模、设在所述凹模底部的定位盘、套在所述定位盘上的轴套及安装在所述轴套上的减重盘；

B)配制聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇和水按照1：3～5的质量比混合，加热至90℃～100℃，并用搅拌器搅拌，直至聚乙烯醇水溶液内无粘块；

C)将石英砂于100℃～150℃烘干2h～5h，然后将烘干的石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液混合，并使用混砂机搅拌均匀，形成共混砂料；

D)在所述步骤A)制得的砂饼成型模具上涂刷脱模剂并晾干，然后将所述步骤C)制得的共混砂料填入砂饼成型模具中并捣实；

E)将填入砂饼成型模具中的共混砂料放入烘箱中加热固化；

F)固化结束后，将每个砂饼上端面打磨修整平整，并与所述凹模边缘平齐，然后将砂饼连同所述轴套一起从砂饼成型模具中取出；

G)将每个区域的砂饼依次套装在缠绕芯轴上，并用锁紧螺母压紧，然后将砂饼之间的对接缝填补平整；

H)将组装好的砂芯模机加至所需的尺寸。

优选的，所述步骤A)中，砂芯模分区按照前封头砂饼、后封头砂饼和位于所述前封头砂饼与后封头砂饼之间的筒段砂饼进行分区，若发动机壳体较长，可设置多个筒段砂饼，所述前封头砂饼、后封头砂饼和筒段砂饼对应前封头砂饼成型模具、后封头砂饼成型模具和筒段砂饼成型模具。

优选的，所述前封头砂饼成型模具包括前封头凹模，所述前封头凹模的纵向截面为U型，所述前封头凹模底部中心位置设有前封头定位盘，所述前封头定位盘上套有竖向的前封头轴套，所述前封头轴套上设有前封头减重盘，所述前封头减重盘的纵向截面为U型，所述前封头减重盘的中心底部穿有前封头锁紧螺钉，所述前封头锁紧螺钉固定在所述前封头定位盘的中心位置，所述前封头凹模、前封头定位盘、前封头轴套、前封头减重盘同轴，且所述前封头减重盘的内径大于所述前封头轴套的内径。

优选的，所述后封头砂饼成型模具包括后封头凹模，所述后封头凹模的纵向截面为U型，所述后封头凹模底部中心位置设有后封头定位盘，所述后封头定位盘上套有竖向的后封头轴套，所述后封头轴套上设有后封头减重盘，所述后封头减重盘的纵向截面为U型，所述后封头减重盘的中心底部穿有后封头锁紧螺钉，所述后封头锁紧螺钉固定在所述后封头定位盘的中心位置，所述后封头凹模、后封头定位盘、后封头轴套、后封头减重盘同轴，且所述后封头减重盘的内径大于所述后封头轴套的内径。

优选的，所述筒段砂饼成型模具包括筒段凹模，所述筒段凹模的纵向截面为矩形且上下开口，所述筒段凹模的下方设有筒段凹模底座，所述筒段凹模底座中心位置设有筒段定位盘，所述筒段定位盘上套有竖向的筒段轴套，所述筒段轴套上设有筒段减重盘，所述筒段减重盘的纵向截面为U型，所述筒段减重盘的中心底部穿有筒段锁紧螺钉，所述筒段锁紧螺钉固定在所述筒段定位盘的中心位置，所述筒段凹模、筒段定位盘、筒段轴套、筒段减重盘同轴，且所述筒段减重盘的内径大于所述筒段轴套的内径，所述筒段砂饼设有1°～2°的拔模斜度，所述筒段定位盘向上凹形成筒段定位盘减重空间，所述筒段定位盘减重空间的内径大于所述筒段轴套的内径。

优选的，所述步骤C)中，石英砂目数为100～160，玻璃纤维长度2mm～6mm，石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液的质量比为10～5：1～3：1。

优选的，所述步骤D)中，脱模剂涂刷在所述砂饼成型模具的凹模、定位盘、减重盘上，所述轴套不涂刷脱模剂。

优选的，所述步骤D)中，脱模剂采用硅橡胶脱模剂，或者可采用聚四氟乙烯脱模布代替脱模剂。

优选的，所述步骤E)中，固化制度为90℃～110℃保温5h～8h，然后120℃～140℃保温24h～36h，最后随炉降温至50℃以下出炉。

优选的，所述步骤G)中，砂饼之间的对接缝采用原子灰填补，并室温固化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过在石英砂中加入适量玻璃纤维对砂芯模进行增强，解决了砂芯模因强度不足不能应用于大尺寸缠绕壳体的问题；

2、通过砂饼成型模具上的减重盘，将砂饼制作成部分中空的结构，大大降低了砂芯模的重量，解决了大尺寸缠绕壳体因砂芯模自重过大，缠绕芯轴易变形而不能使用砂芯模的问题；

3、本发明可适用于大尺寸缠绕壳体，相比于石膏芯模，工装成本低，操作简单，生产周期短，效率高，并且水溶的脱模方式安全性更高、质量风险小。

附图说明

图1为本发明轻质结构砂芯模成型方法中砂芯模的结构示意图；

图2为本发明轻质结构砂芯模成型方法中前封头砂饼成型模具的结构示意图；

图3为本发明轻质结构砂芯模成型方法中后封头砂饼成型模具的结构示意图；

图4为本发明轻质结构砂芯模成型方法中筒段砂饼成型模具的结构示意图；

图中各部件标号如下：

前封头砂饼1、后封头砂饼2、筒段砂饼3、缠绕芯轴4、锁紧螺母5、前封头凹模11、前封头定位盘12、前封头轴套13、前封头减重盘14、前封头锁紧螺钉15、后封头凹模21、后封头定位盘22、后封头轴套23、后封头减重盘24、后封头锁紧螺钉25、筒段凹模31、筒段定位盘32、筒段轴套33、筒段减重盘34、筒段锁紧螺钉35、筒段凹模底座36、筒段定位盘减重空间37。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种轻质结构砂芯模成型方法实施时，根据发动机壳体长度尺寸对砂芯模进行分区，然后根据每个区域的尺寸及发动机壳体的直径、前后开口尺寸设计相对应的砂饼成型模具及缠绕芯轴4，所述砂饼成型模具包括凹模、设在所述凹模底部的定位盘、套在所述定位盘上的轴套及安装在所述轴套上的减重盘，具体如图1所示，砂芯模分区按照前封头砂饼1、后封头砂饼2和位于所述前封头砂饼1与后封头砂饼2之间的筒段砂饼3进行分区，若发动机壳体较长，可设置多个筒段砂饼3，所述前封头砂饼1、后封头砂饼2和筒段砂饼3对应的前封头砂饼成型模具、后封头砂饼成型模具和筒段砂饼成型模具。

如图2所示，所述前封头砂饼成型模具包括前封头凹模11，所述前封头凹模11的纵向截面为U型，所述前封头凹模11底部中心位置设有前封头定位盘12，所述前封头定位盘12上套有竖向的前封头轴套13，所述前封头轴套13上设有前封头减重盘14，所述前封头减重盘14的纵向截面为U型，所述前封头减重盘14的中心底部穿有前封头锁紧螺钉15，所述前封头锁紧螺钉15固定在所述前封头定位盘12的中心位置，所述前封头凹模11、前封头定位盘12、前封头轴套13、前封头减重盘14同轴，且所述前封头减重盘14的内径大于所述前封头轴套13的内径。

如图3所示，所述后封头砂饼成型模具包括后封头凹模21，所述后封头凹模21的纵向截面为U型，所述后封头凹模21底部中心位置设有后封头定位盘22，所述后封头定位盘22上套有竖向的后封头轴套23，所述后封头轴套23上设有后封头减重盘24，所述后封头减重盘24的纵向截面为U型，所述后封头减重盘24的中心底部穿有后封头锁紧螺钉25，所述后封头锁紧螺钉25固定在所述后封头定位盘22的中心位置，所述后封头凹模21、后封头定位盘22、后封头轴套23、后封头减重盘24同轴，且所述后封头减重盘24的内径大于所述后封头轴套23的内径。

如图4所示，所述筒段砂饼成型模具包括筒段凹模31，所述筒段凹模31的纵向截面为矩形且上下开口，所述筒段凹模31的下方设有筒段凹模底座36，所述筒段凹模底座36中心位置设有筒段定位盘32，所述筒段定位盘32上套有竖向的筒段轴套33，所述筒段轴套33上设有筒段减重盘34，所述筒段减重盘34的纵向截面为U型，所述筒段减重盘34的中心底部穿有筒段锁紧螺钉35，所述筒段锁紧螺钉35固定在所述筒段定位盘32的中心位置，所述筒段凹模31、筒段定位盘32、筒段轴套33、筒段减重盘34同轴，且所述筒段减重盘34的内径大于所述筒段轴套33的内径，所述筒段砂饼3设有1°～2°的拔模斜度，筒段定位盘32向上凹形成筒段定位盘减重空间37，所述筒段定位盘减重空间37的内径大于所述筒段轴套33的内径。

上述砂饼成型模具使用时，先将定位盘固定在凹模上，然后将轴套安装在定位盘上，再将减重盘安装在轴套上，然后将共混砂料倒入凹模与减重盘之间的空间中。

实施例1：

表1实施例1砂芯模尺寸

序号	项目	尺寸
			1	砂芯模直径/mm	850
2	砂芯模长度/m	1200

一种轻质结构砂芯模成型方法，包括如下步骤：

A)根据发动机壳体长度尺寸对砂芯模进行分区，然后根据每个区域的尺寸及发动机壳体的直径、前后开口尺寸设计相对应的砂饼成型模具及缠绕芯轴4，所述砂饼成型模具包括凹模、设在所述凹模底部的定位盘、套在所述定位盘上的轴套及安装在所述轴套上的减重盘，本实施例中，砂芯模分区包括前封头砂饼1、筒段砂饼3和后封头砂饼2，所述筒段砂饼3设有1°的拔模斜度；

B)配制聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇和水按照1：3的质量比混合，加热至90℃，并用搅拌器搅拌，直至聚乙烯醇水溶液内无粘块；

C)将石英砂于100℃烘干2h，然后将烘干的石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液混合，并使用混砂机搅拌均匀，形成共混砂料，其中石英砂目数为100，玻璃纤维长度2mm，石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液的质量比为10：1：1；

D)在所述步骤A)制得的砂饼成型模具上涂刷脱模剂并晾干，然后将所述步骤C)制得的共混砂料填入砂饼成型模具中并捣实，其中，脱模剂涂刷在所述砂饼成型模具的凹模、定位盘、减重盘上，所述轴套不涂刷脱模剂，脱模剂采用硅橡胶脱模剂；

E)将填入砂饼成型模具中的共混砂料放入烘箱中加热固化，固化制度为90℃保温5h，然后120℃保温24h，最后随炉降温至50℃以下出炉；

F)固化结束后，将每个砂饼上端面打磨修整平整，并与所述凹模边缘平齐，然后将砂饼连同所述轴套一起从砂饼成型模具中取出；

G)将成型的前封头砂饼1、筒段砂饼3和后封头砂饼2依次套装在缠绕芯轴4上，并用锁紧螺母5压紧，然后将砂饼之间的对接缝填补平整，砂饼之间的对接缝采用原子灰填补，并室温固化；

H)将组装好的砂芯模机加至所需的尺寸。

实施例2：

表2实施例21砂芯模尺寸

序号	项目	尺寸
			1	砂芯模直径/mm	1000
2	砂芯模长度/m	2000

一种轻质结构砂芯模成型方法，包括如下步骤：

A)根据发动机壳体长度尺寸对砂芯模进行分区，然后根据每个区域的尺寸及发动机壳体的直径、前后开口尺寸设计相对应的砂饼成型模具及缠绕芯轴4，所述砂饼成型模具包括凹模、设在所述凹模底部的定位盘、套在所述定位盘上的轴套及安装在所述轴套上的减重盘，本实施例中，砂芯模分区包括前封头砂饼1、筒段砂饼3和后封头砂饼2，所述筒段砂饼3设有2°的拔模斜度，筒段沙饼的数量为2个；

B)配制聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇和水按照1：5的质量比混合，加热至100℃，并用搅拌器搅拌，直至聚乙烯醇水溶液内无粘块；

C)将石英砂于150℃烘干5h，然后将烘干的石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液混合，并使用混砂机搅拌均匀，形成共混砂料，其中石英砂目数为160，玻璃纤维长度6mm，石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液的质量比为5：3：1；

D)在所述步骤A)制得的砂饼成型模具上铺上聚四氟乙烯脱模布并晾干，然后将所述步骤C)制得的共混砂料填入砂饼成型模具中并捣实，其中，聚四氟乙烯脱模布铺在所述砂饼成型模具的凹模、定位盘、减重盘上，所述轴套不铺聚四氟乙烯脱模布；

E)将填入砂饼成型模具中的共混砂料放入烘箱中加热固化，固化制度为110℃保温8h，然后140℃保温36h，最后随炉降温至50℃以下出炉；

F)固化结束后，将每个砂饼上端面打磨修整平整，并与所述凹模边缘平齐，然后将砂饼连同所述轴套一起从砂饼成型模具中取出；

G)将成型的前封头砂饼1、2个筒段砂饼3和后封头砂饼2依次套装在缠绕芯轴4上，并用锁紧螺母5压紧，然后将砂饼之间的对接缝填补平整，砂饼之间的对接缝采用原子灰填补，并室温固化；

H)将组装好的砂芯模机加至所需的尺寸。

实施例3：

表3实施例3砂芯模尺寸

序号	项目	尺寸
			1	砂芯模直径/mm	1200
2	砂芯模长度/m	2400

一种轻质结构砂芯模成型方法，包括如下步骤：

A)根据发动机壳体长度尺寸对砂芯模进行分区，然后根据每个区域的尺寸及发动机壳体的直径、前后开口尺寸设计相对应的砂饼成型模具及缠绕芯轴4，所述砂饼成型模具包括凹模、设在所述凹模底部的定位盘、套在所述定位盘上的轴套及安装在所述轴套上的减重盘，本实施例中，砂芯模分区包括前封头砂饼1、筒段砂饼3和后封头砂饼2，所述筒段砂饼3设有1.5°的拔模斜度，筒段砂的数量为4个；

B)配制聚乙烯醇水溶液，将聚乙烯醇和水按照1：4的质量比混合，加热至95℃，并用搅拌器搅拌，直至聚乙烯醇水溶液内无粘块；

C)将石英砂于130℃烘干3.5h，然后将烘干的石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液混合，并使用混砂机搅拌均匀，形成共混砂料，其中石英砂目数为140，玻璃纤维长度4mm，石英砂与玻璃纤维、聚乙烯醇水溶液的质量比为7：2：1；

D)在所述步骤A)制得的砂饼成型模具上涂刷脱模剂并晾干，然后将所述步骤C)制得的共混砂料填入砂饼成型模具中并捣实，其中，脱模剂涂刷在所述砂饼成型模具的凹模、定位盘、减重盘上，所述轴套不涂刷脱模剂，脱模剂采用硅橡胶脱模剂；

E)将填入砂饼成型模具中的共混砂料放入烘箱中加热固化，固化制度为100℃保温6h，然后130℃保温30h，最后随炉降温至50℃以下出炉；

F)固化结束后，将每个砂饼上端面打磨修整平整，并与所述凹模边缘平齐，然后将砂饼连同所述轴套一起从砂饼成型模具中取出；

G)将成型的前封头砂饼1、4个筒段砂饼3和后封头砂饼2依次套装在缠绕芯轴4上，并用锁紧螺母5压紧，然后将砂饼之间的对接缝填补平整，砂饼之间的对接缝采用原子灰填补，并室温固化；

H)将组装好的砂芯模机加至所需的尺寸。

本实施例1～3制得轻质结构砂芯模尺寸大，强度高，满足纤维缠绕发动机壳体的使用需求。

本发明轻质结构砂芯模成型方法，通过在石英砂中加入适量玻璃纤维对砂芯模进行增强，解决了砂芯模因强度不足不能应用于大尺寸缠绕壳体的问题；通过砂饼成型模具上的减重盘，将砂饼制作成部分中空的结构，大大降低了砂芯模的重量，解决了大尺寸缠绕壳体因砂芯模自重过大，缠绕芯轴4易变形而不能使用砂芯模的问题；本发明可适用于大尺寸缠绕壳体，相比于石膏芯模，工装成本低，操作简单，生产周期短，效率高，并且水溶的脱模方式安全性更高、质量风险小。