改善發(fā)射筒賦旋層與纏繞層層間剪切力鋪層工藝研究*

陳 錳,楊躍東,柳 林,趙曉剛,楊書(shū)文,趙海娥,周群凱,黃升波,李永輝

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

發(fā)射筒是筒裝導(dǎo)彈的重要組成部分,發(fā)射筒一般應(yīng)具有防震、低摩擦、耐磨、耐燒蝕、耐沖刷和電磁屏蔽的能力[1-2]。目前,導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射筒身管一般都采用玻璃纖維、碳纖維或者混雜纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制備,例如我國(guó)的紅箭-8、紅箭-9、某型防空導(dǎo)彈、超高速動(dòng)能導(dǎo)彈等導(dǎo)彈武器系統(tǒng)[3-5]。

在××型導(dǎo)彈項(xiàng)目中,導(dǎo)彈出筒時(shí)需具備一定轉(zhuǎn)速和初速,若無(wú)賦旋層,賦旋刀直接繞著玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂旋轉(zhuǎn),導(dǎo)彈受到反作用力較大,會(huì)造成導(dǎo)彈難以達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速和初速,并且可能造成發(fā)射筒前沖,嚴(yán)重情況下會(huì)危及人身安全。因此,研究者設(shè)想在發(fā)射筒內(nèi)部鋪設(shè)一層可以對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)生較小作用力的賦旋層,經(jīng)過(guò)前期工藝摸索,選定了棉布/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料(cotton cloth reinforced phenolic resin composite,CRPC)作為賦旋層材料。在初期采用CRPC制備賦旋層時(shí),出現(xiàn)了圖1所示的內(nèi)壁起皺現(xiàn)象,嚴(yán)重影響發(fā)射筒外觀和性能,極有可能造成導(dǎo)彈出筒不暢,不能按照預(yù)設(shè)軌道正常飛行。

圖1 發(fā)射筒賦旋層內(nèi)壁

文中研究通過(guò)設(shè)計(jì)棉布纏繞工裝,解決CRFP手工鋪設(shè)過(guò)程棉布難以均勻鋪展造成的內(nèi)壁褶皺現(xiàn)象,同時(shí)對(duì)工藝改善前后的發(fā)射筒層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

酚醛樹(shù)脂為西安西電電工材料廠生產(chǎn)。耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂體系使用E51環(huán)氧樹(shù)脂,70酸酐,N-N′二甲基芐胺按照一定比例配比而成,其中E51為南通星辰合成材料廠生產(chǎn),70酸酐為天津晶東化學(xué)復(fù)合材料公司生產(chǎn),N-N′二甲基芐胺為上海三愛(ài)思試劑有限公司生產(chǎn)。玻璃纖維采用TS-480型號(hào),為南京玻璃纖維研究院生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

發(fā)射筒芯模為自制,其形狀規(guī)格如圖2所示。纏繞機(jī)使用連云港維德復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的PL300型三維兩軸纏繞機(jī)。脫管機(jī)為G415型,沈陽(yáng)電工機(jī)械廠生產(chǎn)。烘箱為DG型,寧波紅菱電熱烘箱廠生產(chǎn)。層間剪切強(qiáng)度分別采用WE-10B,INstron 5966試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

圖2 發(fā)射筒芯模示意圖

1.3 發(fā)射筒制備

如圖3所示為含賦旋結(jié)構(gòu)發(fā)射筒制備步驟[6],具體為:準(zhǔn)備好芯模,原材料,設(shè)定好纏繞程序,讓芯模在纏繞機(jī)上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。將浸漬過(guò)酚醛樹(shù)脂的棉布平整的鋪層在芯模表面至一定厚度,按照?qǐng)D4所示工藝,對(duì)賦旋層固化,并將固化后的賦旋層車(chē)加工至指定厚度。接下來(lái)將玻璃纖維纏繞在賦旋層表面至指定厚度后高溫固化,其中酚醛樹(shù)脂固化溫度為:RT→40 ℃(1h)→90 ℃(0.5h)→130 ℃(2h)→自然冷卻至室溫,環(huán)氧樹(shù)脂固化溫度為:RT→90 ℃(3h)→125 ℃(2h)→165 ℃(3h)→自然冷卻至室溫,兩種樹(shù)脂升溫速率均為5 ℃/min。

固化后將發(fā)射筒表面車(chē)加工至要求尺寸再按照產(chǎn)品圖裝配滑塊、機(jī)電安裝座等零部件,待包纏固化后銑加工零件至指定尺寸。最后對(duì)其表面噴漆、噴標(biāo)識(shí),經(jīng)檢驗(yàn)合格后交付。

1.4 鋪層工藝改善

前期制備過(guò)程中,棉布鋪層過(guò)程由工人手工操作,制備出來(lái)的發(fā)射筒賦旋層內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重溝槽(圖1),嚴(yán)重影響交付使用。這主要是由于該項(xiàng)目發(fā)射筒芯模較長(zhǎng)(>3 m),操作人員采用手工無(wú)法將棉布水平均勻鋪設(shè)在芯模表面,進(jìn)而再對(duì)其進(jìn)行纖維環(huán)向纏繞后容易形成褶皺,造成產(chǎn)品內(nèi)壁褶皺。經(jīng)研究討論,設(shè)計(jì)出如圖4所示的工裝。工裝內(nèi)卡環(huán)與芯模配合,外環(huán)與內(nèi)卡環(huán)用鍵固定,防止在賦旋層鋪層過(guò)程中,工裝環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)。工裝外環(huán)側(cè)面均布有3個(gè)蝶形螺母,用以棉布纏繞過(guò)程中調(diào)節(jié)工裝軸向位置,將棉布均勻固定在芯模。圖5為工裝使用過(guò)程實(shí)物圖,由圖可見(jiàn)棉布經(jīng)銷(xiāo)釘固定后平整地均勻分布在芯模表面。圖6為棉布纏繞工藝改善前后發(fā)射筒內(nèi)壁對(duì)比,由圖可見(jiàn)改善賦旋層纏繞工藝后發(fā)射筒的內(nèi)壁得到較大改善。

圖3 含賦旋結(jié)構(gòu)發(fā)射筒制備步驟

圖4 卷纏工裝實(shí)物圖

圖5 賦旋層鋪層圖

1.5 性能測(cè)試及分析

研究中采用兩種常用方法測(cè)試賦旋層與纖維纏繞層層間剪切強(qiáng)度,具體如下:

參照GB/T1450.1—2005取樣測(cè)定賦旋層和纖維纏繞層層間剪切強(qiáng)度,隨機(jī)取樣工藝改善前后兩個(gè)發(fā)射筒,在每個(gè)發(fā)射筒上等量分別截取50 mm長(zhǎng)試樣7個(gè)。將每組試樣兩端車(chē)加工掉內(nèi)層酚醛棉布復(fù)合材料層,中間保留內(nèi)層酚醛棉布復(fù)合材料層長(zhǎng)度10 mm。測(cè)試溫度為23 ℃,濕度50% RH,加載速度10 mm/min。從表1中可見(jiàn),改善前復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度為(5.06±0.92) MPa,改善后達(dá)到(10.80±2.59) MPa,強(qiáng)度提升了113.4%。

圖6 改善前后內(nèi)壁對(duì)比圖

編號(hào)層間剪切強(qiáng)度/MPa改善前改善后16.4814.924.789.4233.837.7145.4510.4256.109.8064.6814.5374.108.85平均值5.06±0.9210.80±2.59

圖7 層間剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

參照J(rèn)C/T773—2010取樣測(cè)定賦旋層剪切強(qiáng)度,試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×高),跨距為10 mm,由于峰值應(yīng)力發(fā)生在加載壓頭附近,因此測(cè)試會(huì)產(chǎn)生高剪切和相對(duì)低的彎曲載荷。具體制樣方法為:將發(fā)射筒外表面玻璃纖維層車(chē)加工,僅保留內(nèi)層酚醛棉布復(fù)合材料層和與之相鄰環(huán)氧玻璃纖維層,沿發(fā)射筒軸向等長(zhǎng)度分別取樣10個(gè)。測(cè)試溫度為23 ℃,濕度50% RH,加載速度1 mm/min。經(jīng)測(cè)試,改善前復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度為(13.42±2.18) MPa,改善后達(dá)到(22.01±2.92) MPa,強(qiáng)度提升了64%。

經(jīng)分析,工藝改善前內(nèi)壁存在的褶皺現(xiàn)象易造成賦旋層與纏繞層界面出現(xiàn)空隙、氣泡、分層等缺陷,進(jìn)而降低了賦旋層與纖維纏繞層結(jié)合強(qiáng)度,導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度下降。經(jīng)改善后,消除了內(nèi)壁褶皺現(xiàn)象,從而減少了界面之間的缺陷數(shù),提高了復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度[7-8]。

表2 參考標(biāo)準(zhǔn)JC/T773—2010下工藝改善前后層間剪切強(qiáng)度對(duì)比

2 結(jié)論

通過(guò)研制棉布纏繞工裝,改善了賦旋層纏繞過(guò)程中棉布難以均勻貼覆在芯模表面的問(wèn)題,進(jìn)而降低了賦旋層與纏繞層界面缺陷,增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度。經(jīng)由兩種不同標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,經(jīng)上述工藝改善后,發(fā)射筒的層間剪切強(qiáng)度分別提高了113.4%和64%。