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用于运载火箭全 复合材料低温液 氧贮箱成型的模具及方法

阅读：157发布：2020-05-15

专利汇可以提供用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的模具及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的模具及方法，包括：前挡板、主轴、泡沫拼块以及后挡板；所述主轴包括主干段和设置在所述主干段两端的连接柱，所述连接柱用于将主轴装夹于缠绕机上；多个所述泡沫拼块组合成泡沫柱拼装于所述主干段上；所述主干段的两端分别设置有前挡板和后挡板，以将所述泡沫拼块挤压安装在所述主干段上。本发明中通过采用金属主轴加泡沫拼块组合形式的模具，实现了轻质、高精度、清洁、低成本，且可满足超大尺寸运载火箭复合材料低温液氧贮箱的制造的可拆卸模具。，下面是用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的模具及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，包括：
前挡板(1)、主轴(2)、泡沫拼块(3)以及后挡板(4)；
所述主轴(2)包括主干段和设置在所述主干段两端的连接柱，所述连接柱用于将主轴(2)装夹于缠绕机上；
多个所述泡沫拼块(3)组合成泡沫柱拼装于所述主干段上；所述主干段的两端分别设置有前挡板(1)和后挡板(4)，以将所述泡沫拼块(3)挤压安装在所述主干段上；
前挡板(1)连接所述主干段的一端和所述泡沫柱的一端；后挡板(4)连接所述主干段的另一端和所述泡沫柱的另一端。
2.根据权利要求1所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述前挡板(1)、后挡板(4)上均设置有第一沉头孔和第二沉头孔；所述第一沉头孔的位置与所述主干段的两端的第一螺纹孔相对应；所述第二沉头孔的位置与所述泡沫柱的两端的第二螺纹孔相对应。
3.根据权利要求1所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述主轴(2)两端连接柱的直径尺寸为50-90mm，中间主干段直径为0.4-4m。
4.根据权利要求1所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述主轴(2)空心金属结构，厚度为1-20mm。
5.根据权利要求1所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述泡沫拼块(3)采用硬质泡沫制成；所述前挡板(1)、后挡板(4)采用金属制成。
6.根据权利要求2所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述前挡板(1)的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；
多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述前挡板(1)的周向排列；
所述后挡板(4)的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；
多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述后挡板(4)的周向排列。
7.根据权利要求2所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述泡沫拼块(3)采用材质为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)硬质泡沫制成，硬质泡沫的密度为71-110kg/m3，使用温度不低于180℃。
8.根据权利要求1所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，其特征在于，所述泡沫柱的前后端面均设置埋件，在埋件中加工出螺纹孔。
9.一种权利要求1至8任一项所述的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用厚钢板制作出具有连接柱直径和主干段直径的主轴；
步骤2：采用聚甲基丙烯酰亚胺制成的硬质泡沫，利用数控机床加工多块泡沫拼块，加工内容主要有曲面铣削、轮廓加工和钻孔，并完成多个铝合金埋件的后埋；
步骤3：采用铝合金加工前挡板和后挡板；
步骤4：将多块泡沫拼块沿着主轴周向进行拼装形成泡沫柱并用前挡板、后挡板与泡沫柱螺接。

说明书全文

用于运载火箭全复合材料低温液 氧贮箱成型的模具及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料成型，具体地，涉及一种用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的模具及方法。

背景技术

[0002] 随着航天科技的发展，对航天器性能的提高越来越受到各发达国家的重视。如何提高航天器的运载效率、降低成本成为了未来航天运载火箭以及航天飞行器的重要研究内容。燃料贮箱作为未来进行低地球轨道载人深空探索任务的航天器的关键部件，成为了减重的重点，而具有高比强度、比模量的复合材料成为各国航天企业关注的未来航天器贮箱的重要材料，而金属贮箱被复合材料完全替代技术也被国际公认为是“改变游戏规则”的技术。

[0003] 根据相关文献调研，现有的以碳纤维增强树脂基复合材料作为缠绕层的压力容器的成型形式多为内衬(包括金属内衬、塑料内衬以及气囊)上缠绕成型，其中，复合材料层仅作为结构层。

[0004] 传统的无内衬复合材料制件所采用模具主要有：纯金属芯模、低熔点合金芯模、冲洗式芯模、组合装配式芯模、充气式芯模等。表1分别对几种模具的优缺点进行了比较。

[0005] 表1可拆卸芯模种类和特点

[0006]序号模具类型优点缺点
1 纯金属精度高，稳定性好重量大，价格贵，脱模困难
2 低熔点合金可成型复杂形状制备困难，脱模环境要求高
3 冲洗式脱模方便精度低，稳定性差
4 组合装配式重量较轻，精度良好脱模周期较长
5 充气式重量轻，脱模方便制备有一定难度，精度偏低

[0007] 由于运载火箭复合材料低温液氧贮箱的尺寸较大，贮箱外型尺寸精度有一定的要求，且内壁的洁净度要求很高，因此需采用重量较轻，成型精度高，脱模彻底、无残留物的模具形式。综合比较表1中的几种模具形式，其中组合装配式芯模为最佳的模具型式。传统组合装配式芯模又分为拼块式组合芯模、骨架式组合芯模。拼块式组合芯模一般采用金属材质，由于受到缠绕机重量的限制，特别不适合超大尺寸的运载火箭复合材料贮箱的缠绕成型。骨架式组合芯模一般分为金属骨架或者复合材料骨架，金属骨架由于重量的原因也不能满足贮箱的研制要求；而复合材料骨架由于国内还未有成熟的复合材料预浸料的生产，并且国外进口受限等原因造成其应用受限。

[0008] 综上所述，本发明通过轻质、高温下具有高刚度微变形的硬质泡沫材料代替传统金属拼块，有效地减轻了模具的质量，提高了产品高温固化后的尺寸精度，可满足超大尺寸运载火箭复合材料低温液氧贮箱的制造。此外，该模具还可推广航空航天其它大型无内衬缠绕构件的制造。

发明内容

[0009] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的模具及方法，能够避免传统组合式模具重量大、精度低、制品内壁脱模有残留的技术缺陷。

[0010] 根据本发明提供的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，包括：前挡板、主轴、泡沫拼块以及后挡板；

[0011] 所述主轴包括主干段和设置在所述主干段两端的连接柱，所述连接柱用于将主轴装夹于缠绕机上；

[0012] 多个所述泡沫拼块组合成泡沫柱拼装于所述主干段上；所述主干段的两端分别设置有前挡板和后挡板，以将所述泡沫拼块挤压安装在所述主干段上。

[0013] 优选地，前挡板连接所述主干段的一端和所述泡沫柱的一端；后挡板连接所述主干段的另一端和所述泡沫柱的另一端。

[0014] 优选地，所述前挡板、后挡板上均设置有第一沉头孔和第二沉头孔；所述第一沉头孔的位置与所述主干段的两端的第一螺纹孔相对应；所述第二沉头孔的位置与所述泡沫柱的两端的第二螺纹孔相对应。

[0015] 优选地，所述主轴两端连接柱的直径尺寸为50-90mm，中间主干段直径为0.4-4m。

[0016] 优选地，所述主轴空心金属结构，厚度为1-20mm。

[0017] 优选地，所述泡沫拼块采用硬质泡沫制成；所述前挡板、后挡板采用金属制成。

[0018] 优选地，所述前挡板的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；

[0019] 多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述前挡板的周向排列；

[0020] 所述后挡板的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；

[0021] 多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述后挡板的周向排列。

[0022] 优选地，所述泡沫拼块采用材质为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)硬质泡沫制成，硬质泡沫的密度为71-110kg/m3，使用温度不低于180℃。

[0023] 优选地，所述泡沫柱的前后端面均设置埋件，在埋件中加工出螺纹孔。

[0024] 本发明提供用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具的制作方法，包括如下步骤：

[0025] 步骤1：采用厚钢板制作出具有连接柱直径和主干段直径的主轴；

[0026] 步骤2：采用聚甲基丙烯酰亚胺制成的硬质泡沫，利用数控机床加工多块泡沫拼块，加工内容主要有曲面铣削、轮廓加工和钻孔，并完成多个铝合金埋件的后埋；

[0027] 步骤3：采用铝合金加工前挡板和后挡板；

[0028] 步骤4：将多块泡沫拼块沿着主轴周向进行拼装形成泡沫柱并用前挡板、后挡板与泡沫柱螺接。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0030] 1、本发明中通过采用金属主轴加泡沫拼块组合形式的模具，实现了轻质、高精度、清洁、低成本，且可满足超大尺寸运载火箭复合材料低温液氧贮箱的制造的可拆卸模具；

[0031] 2、本发明泡沫拼块采用低密度、高温下具有高刚度微变形的硬质泡沫材料制成，可与复合材料液氧贮箱固化温度相匹配，实现模具在高温下的使用，有效地保证了产品尺寸精度；

[0032] 3、本发明通过螺钉分别将前挡板、后挡板与主轴、泡沫拼块连接固定，通过该连接方式，保证泡沫拼块的整体性以及泡沫拼块与主轴的紧密连接，避免在贮箱缠绕成型过程中各结构之间的相对滑移。附图说明

[0033] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0034] 图1为本发明的结构分解示意图；

[0035] 图2为本发明的结构示意图。

[0036] 图中：

[0037] 1 为挡板；

[0038] 2 为主轴泡沫；

[0039] 3 为拼块；

[0040] 4 为后挡板。

具体实施方式

[0041] 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。

[0042] 在本实施例中，本发明提供的用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具，包括：前挡板1、主轴2、泡沫拼块3以及后挡板4；

[0043] 所述主轴2包括主干段和设置在所述主干段两端的连接柱，所述连接柱用于将主轴2装夹于缠绕机上；

[0044] 多个所述泡沫拼块3组合成泡沫柱拼装于所述主干段上；所述主干段的两端分别设置有前挡板1和后挡板4，将所述泡沫拼块3挤压安装在所述主干段上。

[0045] 前挡板1连接所述主干段的一端和所述泡沫柱的一端；后挡板4连接所述主干段的另一端和所述泡沫柱的另一端。

[0046] 所述前挡板1、后挡板4上均设置有第一沉头孔和第二沉头孔；所述第一沉头孔的位置与所述主干段的两端的第一螺纹孔相对应；所述第二沉头孔的位置与所述泡沫柱的两端的第二螺纹孔相对应。

[0047] 所述主轴2两端连接柱的直径尺寸为50-90mm，中间主干段直径为0.4-4m。具体为，连接柱的直径为90mm，主干段的前端直径为325mm，后端直径为318mm，主干段的前后端部均布6个M8螺纹孔，用于与前挡板1、后挡板4的连接。

[0048] 所述主轴2空心金属结构，厚度为1-20mm，具体为采用厚度为4mm的钢板(轧钢、锻钢)或者铝合金板(2A12、2A14)制成。

[0049] 所述泡沫拼块3采用硬质泡沫制成；所述前挡板1、后挡板4采用金属制成。所述的泡沫拼块3共有18块泡沫组合拼装，泡沫柱前、后端面均有10个埋件，每个埋件上均设有M10的螺纹孔。通过螺接与前挡板1、后挡板4连接，通过挤压与主轴2中泡沫柱紧密接触。

[0050] 所述前挡板1的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述前挡板1的周向排列；所述后挡板4的第一沉头孔和第二沉头孔的数量为多个；多个所述第一沉头孔和第二沉头孔分别沿所述后挡板4的周向排列。

[0051] 更为具体地，所述的前挡板1、后挡板4，其材质为厚度为18mm的钢板(热轧钢、锻钢)或者铝合金板(2A12、2A14)，分别设于主干段的前后两侧，是直径为450mm的圆形平板。前挡板1、后挡板4上设有两组沉头孔，通过螺钉，分别与主轴2的M8螺纹孔、泡沫拼块3的M10螺纹孔连接，从内向外依次为：与模具主轴2连接、与泡沫拼块3模具连接，有效地免在贮箱缠绕成型过程中各结构之间的相对滑移。

[0052] 所述泡沫拼块3采用材质为聚甲基丙烯酰亚胺PMI硬质泡沫制成，硬质泡沫的密度为71-110kg/m3，使用温度不低于180℃。

[0053] 所述泡沫柱的前后端面均设置埋件，在埋件中加工出螺纹孔。

[0054] 本发明提供用于运载火箭全复合材料低温液氧贮箱成型的可拆卸模具的制作方法，包括如下步骤：

[0055] 步骤1：采用厚钢板制作出，具有连接柱直径和主干段直径的主轴；具体为，采用2mm后钢板(热轧钢)制作出，长度为1800mm，细段直径为90mm、粗段直径为325mm的主轴。

[0056] 步骤2：采用聚甲基丙烯酰亚胺制成的硬质泡沫，利用数控机床加工多块泡沫拼块，加工内容主要有曲面铣削、轮廓加工和钻孔，并完成多个铝合金埋件的后埋；具体为，采用密度为110kg/m3的PMI硬质泡沫，利用数控机床加工18块泡沫拼块，加工内容主要有曲面铣削、轮廓加工和钻孔，并完成10个2A12铝合金埋件的后埋。

[0057] 步骤3：采用铝合金加工前挡板和后挡板；

[0058] 步骤4：将多块泡沫拼块沿着主轴周向进行拼装形成泡沫柱并用前挡板、后挡板与泡沫柱螺接。具体为，将18块泡沫拼块沿着主轴环向进行拼装，并用前后挡板将其进行螺接。

[0059] 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。

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