CN101476666B - 一种带有加工部分的复合材料接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料制成的接头(100)，其包括纤维结构增强的聚合物基体。所述接头包括由主纤维机构(30)增强的结构部分(130)，和由不同于主纤维结构(30)的第一纤维结构(20)增强的第一加工部分(120)，结构部分(130)和第一加工部分(120)的基体相同，第一加工部分(120)位于结构部分(130)的至少一小部分主端面上并在第一加工表面上进行机械加工，第一加工表面和主纤维机构(30)的纤维之间不存在交叉。

Description

一种带有加工部分的复合材料接头
技术领域
本发明涉及一种复合材料制成的接头，其包括纤维结构增强的聚合物基体。
背景技术
在机械结构中，部件通常都是借助接头而连接到一起。一般来讲，接头的定义是一种用来将另外两个部件连接到一起的机械部件，或者用来加强部件。在寻求减重的结构中，例如，涡轮机中，接头通常采用复合材料制成，带有纤维增强的聚合物基体，诸如碳纤维、玻璃纤维、或者Kevlar
Figure G2009100004069D00011
纤维。这种复合材料可提供的密度大大小于通常使用的轻合金的密度，而且它们还可提供较好的机械性能(就刚性和抗断裂而言)。
例如，接头可以是环形形状。这种环形接头可以用于连接带有进气套管的固定壳体或中间机匣。在其中一个轴向端部(即在沿其对称轴线的一端上)带有一个角度区域或“凸缘”，用来连接接头端部的管状中央部分，该凸缘实际径向延伸。该端部包括了安装螺栓的孔口，从而将环形接头与所述端部接触的机构相固定。
最新的复合材料是通过制备三维纤维预制体来制成的，即通过以三维形式机织或编织纤维而成。这种预制体实际上用一种聚合物来致密化，以便制作最终完成的复合材料部件，在这种部件中，预制体的线纱嵌入在固态聚合物基体内。
例如，实现这种致密化的一种已知技术是液体浸渍：浸渍和注入之间有明显区别。使用浸渍技术时，预制体置放在模塑半体和盖板之间，而后渗透聚合物的化学先躯体，与此同时，以液态形式通过预制体的一端，在模塑半体和盖板之间建立真空。在真空的作用下，先躯体在整个预制体中扩散，在扩散后，通过热处理而聚合该先躯体，以便实现固化。使用注入技术时，预制体置放在模塑中，然后，通过多个注入点将液态先躯体注入到模塑中，直到整个模塑被充满(树脂传递模塑(RTM)方法)，然后，通过热处理而实现聚合。
预制体致密化所用的另一种已知技术是化学汽相渗透(CVI)方法。预制体而后置于一个壳体内，含有聚合物的先躯体的气相允许进入到壳体内。在壳体内形成的温度和压力的情况下，气体扩散到预制体内，在这儿，气体与预制体的纤维相接触而变换成预制体。
为了确保接头具有足够的机械特性，其外表面必须完全与接头相接触和装配部件的表面相配合。
可惜的是，接头组件的几何特性(或者接头增强部分)变化很大。制作每个组件构造的不同模塑的技术在经济上也是不可行的。此外，对于带有凸缘的接头来讲，特别是凸缘为周向的环形接头来讲，预制体总是不能得到充分变形以与凸缘角部模塑外形完全匹配，因为这些角落处弯曲度半径太小。结果，在致密化后，接头的角落部位是聚合物最为稠密的区域，因此，机械性能比较弱。
因此，为了适合接头的所有现有几何特性，必须对这种接头与邻近部件表面接触的那些区域进行加工。
可惜的是，因为任何这种加工都要对预制体的纤维进行切割，结果接头的机械加工总是不能被接受，结果，接头的机械整体性就会受到影响，因为正是纤维来提供接头的机械强度。
发明内容
本发明旨在提供一种可以适合任何组件或增强结构的接头，与此同时，仍能保持其自身的机械整体性。
这个目的可以通过如下方式实现，即，该接头包括由主纤维接头增强的接头部分、由主纤维结构的第一纤维结构增强的第一加工部分，所述结构部分和所述第一加工部分的基体都是相同的，所述第一加工部分位于所述结构部分至少一小部分主端面上并在第一加工表面上进行了加工，所述第一加工表面和所述主纤维接头的纤维之间不存在交叉。
通过这些处理，就可以对接头，即其加工部分-进行加工，这样，其外部表面就可以与接头将要接触的部件的表面紧密配合，而且，在加工时，接头的结构部分(特别是对所述结构部分起增强作用的纤维结构)不会在加工时被切割。这样，接头就可以保持其机械性能以及可相对于其所固定的结构保持定位。
有利的是，接头还进一步包括由不同于所述主纤维结构的第二纤维结构增强的并在第二加工面上加工的第二加工部分，所述第二加工表面和所述主纤维结构的纤维之间不存在交叉，所述机构部分和所述第二加工部分的基体相同，所述第二加工部分位于所述主端面对面的至少一小部分端面上。
这样，接头就可以在两个相对的表面上进行加工，且结构部分不会因为加工而切割。当接头用于夹紧两个部件时，与所述两个部件中其中一个部件接触的接头的端面上的加工预制体就可以赋予接头外部表面一个形状，该形状可以精确地与所述两个部件接触部分配合。于是，接头就被紧紧而确切地固定在这两个部件之间。
本发明还提供了一种接头的制作方法。
根据本发明，这种方法包括在芯部上对第一预制体进行制作成形，在所述第一预制体上对第二预制体进行制作成形，所述两个预制体中的其中一个是结构件，采用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体进行致密化，从而分别形成所述接头的第一部分和第二部分，并对不是结构性预制体的部分进行机械加工。
有利的是，该方法包括在对所述第一和第二预制体进行致密化之前在所述第二预成型体上对第三预制体进行制作成形，用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体致密化的同时，对所述第三预制体进行致密化，以便形成第三部分，并对所述第一部分和所述第三部分进行机械加工。
通过阅读示例给出的实施例的如下详细说明，可以更好地理解本发明，本发动的优点就会显现出来，本发明并不仅限于所示示例。
附图说明
图1为本发明的环形接头的断面透视图；
图2为本发明的环形接头装配到机匣上的断面透视图；
图3为加工预制体的断面透视图，所示预制体固定在角度环形模具上，以形成本发明的环形接头；
图4为一些加工预制体的透视图，所示为预制体固定在角度环形模具上，与背衬一起使用，目的是形成本发明的环形接头。
具体实施方式
图1示出了带有主轴线A并具有环形角度区域105的环形接头100，所示角度区域于是以所述轴线为中心。角度区域105位于接头100一端附近，并将接头100再分成圆柱形区域102和环形径向区域107，后者将角度区域105径向向外延伸。径向区域107的端部是圆柱形的端面108，在实际与圆柱形区域102厚度e相等的距离上(沿主轴线A)轴向延伸。所述厚度e定义为该圆柱形区域102的径向范围。另一选择为，该距离可以不同于厚度e。
在所示示例中，角度区域105构成了实际90°的角度，这样，径向区域107沿径向向外方向垂直于圆柱形102部分延伸。或者，径向区域107可以径向向内延伸(即，朝向轴线A方向)。更普遍的是，角度区域可以形成一个45°到180°范围的角度，例如90°到180°范围的角度。
接头100由结构部分130和至少一个加工部分构成。结构部分130用来承受接头100所受之各种应力。如图1所示，加工部分包括位于结构部分130主端面131部分上的第一加工部分120，和位于与主端面131相对一侧端面132部分上的第二加工部分140。主端面131和相对端面132分别为结构部分130的径向外端面和径向内端面。这样，第一加工部分120位于角度区域105的凸面上。第二加工部分140位于角度区域105的凹面上。第一加工部分120沿角度区域105和径向区域107从紧靠成角度区域105的圆柱形区域102的子区域104处一直延伸到端面108处。
接头100采用复合材料制成，即，其由纤维结构增强的基体组成。为此，结构部分130包括一个由主纤维结构30增强的聚合物基体。同样，第一加工部分120包括由第一纤维结构20增强的聚合物基体，而第二加工部分140包括由第二纤维结构40增强的聚合物基体。这些纤维结构彼此相距较远，即，它们没有共同使用的任何纤维。结构部分130、第一加工部分120，和第二加工部分140的聚合物基体构成了一个连续基体，即，它们一起包括一个整体件。这种连续性是因为按接头100下述制造方法所形成的，而且，这种接头100的机械整体性比采用不同聚合物制成的结构和加工部分基体的接头要好。
例如，第一纤维结构20、主纤维结构30和第二纤维机构40都由机织或编织纤维预制体构成，这种预制体为此呈三维(3D)形状。
加工部分120和140的作用主要是几何形状的。这些部分使得接头100的形状尽可能接近每个接头与之相固定的邻近部件的形状，而且，这些部分还可以进行加工，从而使得其外表面与那些相邻部件的形状相配合。这样，接头100就可以准确地抵靠在与之相邻的部件上，而且可以稳定固定在这些部件上。此外，接头100的机械整体性，即，其使用时的机械性能得以保持。使接头100具有机械性能的主纤维结构30并不会因为接头100的加工作业而受到损失，因为加工作业只是穿过第一纤维结构20和第二纤维结构40内的纤维(加工表面，即车床与之衔接的表面和主纤维结构30的纤维之间没有交叉)。
例如，如图2所示，图1所示接头100的第一加工部分120进行了加工，这样，与邻近部件200表面222相接触的该第一加工部分120的支撑面122就精确地与所述表面222相匹配。例如，该支撑表面122是实际垂直于主轴线A延伸的第一加工部分120的端面。
图1所示接头100的第二加工部分140经过加工后，与背衬板300凸面342相接触的该第二加工部分140的凹支撑面142精确地与该凸面342相匹配。
在接头100两个相对端面上使用各自加工预制体的使用可以确保这两个端面确切平行。
这样，接头100就可以紧紧地支撑在相邻部件200和背衬面300之间。例如，该组件可以通过穿过接头100的螺栓固定到一起，而螺栓的螺母则抵靠在衬板上(或者，抵靠在置于第二加工部分140上的垫片上)。在接头上进行的螺栓孔的加工作业不会与在加工部分上进行的加工作业相冲突。这些螺栓孔的加工不是用来将接头的外表面与其相接触的部件的表面相配合。
根据相邻部件的形状，接头100只需要带有第一加工部分120(而不需要第二加工部分140)，或者只需要带有第二加工部分140(而不需要第一加工部分120)。
接头100的另一轴向端(图中未示)也可以包括一个或多个需要加工的加工部分，以便与另一个相邻部件的形状相匹配。例如，接头100另一端的形状可以与图2所示的轴向端的形状相似，即，其可以带有角度。
上面所述涉及到接头100为环形的接头，例如，装配接头，带有一个或多个角度区域，这样，加工部分同样带有角度。或者，接头的形状可以是这样的，即，加工部分实际上是平面的。
这种接头可以用于任何类型机匣或壳体上的连接。例如，涡轮机可以包括这样的接头。
接头还可以是一种加强件，用于在壁上进行固紧(例如通过螺栓)。增强件可以是一种加强件，例如T形的或L形状的加强件。这种加强件还可以构成设备固定用的接头。
下面参照图3和图4来介绍接头的制造方法。图3示出了带有主轴线A的环形芯部。该芯部10带有一个角度部分15，后者将以主轴线A为中心的芯部10圆柱形部分12与芯部10径向部分17相分开。在所示示例中，芯部10又再分成包括了径向部分17、角度部分15以及角度部分15附近管状部分12的子部分14的主部分10a，以及包括了与角度部分15距离最远的管状部分10的区域。在芯部上的这种细分便于接头100的后续模制加工，芯部10构成了模具其中一个壁。
第一预制体20围绕心轴10而制作成形，这样，就可以覆盖径向部分17、角度部分15以及管状部分12的子部分14。第二预制体30而后围绕第一预制体20制作成形。如上所述，第二预制体30是一个支撑接头将承受的主要部分(机械和热)应力的结构预制体。如图3所示，然后，第三预成形40围绕第二预制体30而制作成形。
另一选择为，第二预制体30不需要具有在其周围制作成形的任何预制体。
另一选择为，第二预制体30可以直接在芯部10上制作成形。
预制体可以使用各种方法来制作成形。为此，可以使用下述其中一种方法来对其制作成形：在芯部10的周围机织或编织一道纤维预制体，或者，沿轴线A衔接一道(圈)环状机织或编织纤维，或者在线轴周围使用纤维细丝缠绕，或者置放层状结构，每层都是用聚合物预浸的纤维制成。在最后两个示例中，预制体为两维(2D)预制体。
第一预制体20、第二预制体30、以及第三预制体40都优选由相同类型的纤维构成，以便将预制体之间接口处的应力降到最小。
例如，这些预制体可以用碳纤维或者玻璃纤维制成。
第一预制体20，第二预制体30和第三预制体40然后进行增密，以便嵌入在共用聚合物基体中，从而构成由复合材料制成的接头。
可以使用各种致密化方法。这些方法在所属技术领域中是为人们所知的，因此，在此仅仅简要介绍。
例如，预制体致密化可以通过浸渍来进行，即，在接头100周围放置一个盖板(图中未示)并固定到芯部上，从而构成一个密闭壳体。然后，将构成接头基体的聚合物插入到壳体内，在壳体内形成真空，以便获得所有预制体部分令人满意的浸渗效果。此后，聚合物按已知方式硬化。
另一选择为，使用已知树脂传递模塑(RTM)方法通过注入方式使预制体致密化。
另一选择为，预制体采用浸渍方式来进行，并如图4所示，使用一种背衬板70。该背衬板70覆盖了第三预制体部分40，这样，第一预制体20、第二预制体30以及第三预制体40就被其固定到所示背衬板和芯部10之间，从而防止在浸渍构成基体的聚合物期间防止预制体移动。为此，对于带有角度区域的环形预制体来讲，如图4所示，背衬板70带有一个环形角度表面77，后者覆盖了第三预制体40的整个表面(或者，实际位于所述第二预制体30和第一预制体20之间接口对面的第二预制体30的整个表面)。
本发明的方法可以使用任何预制体致密技术，而且并不限于上述技术。

Claims (14)

1.一种复合材料制成的接头(100)，其包括采用纤维结构增强的聚合物基体，所述接头的特征在于，其包括采用主纤维结构(30)增强的结构部分(130)，由不同于主纤维结构(30)的第一纤维结构(20)增强的第一加工部分(120)，所述结构部分(130)和所述第一加工部分(120)的基体相同，所述第一加工部分(120)位于所述结构部分(130)的至少一小部分主端面上并在第一加工表面上进行了加工，所述第一加工表面和所述主纤维结构(30)的纤维之间不存在交叉。
2.根据权利要求1所述的接头(100)，其特征在于，其为环形的。
3.根据权利要求1或2所述的接头(100)，其特征在于，所述第一纤维结构(20)和所述主纤维结构(30)是由从机织的预制体和编织的预制体构成的类型中选择的预制体构成。
4.根据权利要求1或2所述的接头(100)，其特征在于，其进一步包括由不同于所述主纤维结构(30)的第二纤维结构(40)增强的并在第二加工表面上加工的第二加工部分(140)，所述第二加工表面和所述主纤维结构(30)的纤维之间不存在交叉，所述结构部分(130)和所述第二加工部分(140)的基体相同，所述第二加工部分(140)位于所述主端面对面的至少一小部分端面。
5.根据权利要求4所述的接头(100)，其特征在于，所述第一纤维结构(20)、所述第二纤维结构(40)以及所述主纤维结构(30)都是由从机织预制体和编织预制体构成的类型中选择的预制体构成。
6.根据权利要求1、2或5所述的接头(100)，其特征在于，其包括一个角度区域(105)，所述第一加工部分(120)位于所述角度区域(105)的凸面上。
7.根据权利要求6所述的接头(100)，其特征在于，所述角度区域(105)构成了一个90°到180°范围内的角度。
8.一种包括了根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述接头(100)的涡轮机。
9.一种接头(100)的制造方法，所述方法的特征在于，其包括在芯部上制作成形第一预制体，在所述第一预制体上制作成形第二预制体，所述两个预制体都是结构件，用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体进行致密化以便分别形成所述接头的第一部分和第二部分，并对带有非结构预制体的部分进行机械加工。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二预制体都是采用机织和编织方法构成的类型中选择的方法制造。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其包括在对所述第一和第二预制体(20，30)进行致密化之前在所述第二预制体(30)上制作成形第三预制体(40)，用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体(20，30)致密化的同时，对所述第三预制体(40)进行致密化，以便形成第三部分(140)，并对所述第一部分(120)和所述第三部分(140)进行机械加工。 
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三预制体(20，30，40)采用从机织和交织编织方法构成的类型中选择的方法制成。
13.根据权利要求9到12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述接头(100)包括一个角度区域(105)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述角度区域(105)构成了一个90°到180°范围的角度。 
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