CN101489769B - 复合件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造面板的方法和设备，所述面板包括复合蒙皮(40)与至少一个复合加强件(41)，该方法包括：将第一和第二心轴定位在所述加强件的相对两侧上；将第一和第二压实模具(20，45)定位在所述蒙皮的相对两侧上；以及通过使所述压实模具中的一个或两个运动而压实所述第一和第二压实模具之间的所述蒙皮；其中，所述压实模具的运动使得所述第一和第二心轴沿倾斜路径朝所述加强件运动，从而压实所述心轴之间的该加强件。

Description

复合件制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造复合层压面板和复合层压件的方法以及相关设备。所述复合部件通常但不排它地用于形成飞行器部件。
背景技术
现代客机的机翼或尾翼结构通常为强化的蒙皮构造。蒙皮与翼梁和翼肋一起形成抵抗外部负载的抗扭箱。
在机身情况下，弯曲的强化蒙皮面板与机身框架一起形成强化外壳。这些蒙皮传统上由铝合金制成，但随着飞行器性能变得越来越重要，复合蒙皮面板在飞行器的主要结构构造中也变得越来越受欢迎。
主要结构中的强化复合面板可用于水平尾翼、垂直尾翼和/或中央翼盒构造中。所有这些结构(除中央翼盒外)都是从气动表面或外表面开始制造蒙皮。由于部件的厚度公差较小，这会在最后组装中产生附加成本，因为在最后组装中必需用合适的方法填充或调节蒙皮、翼肋与翼梁之间产生的间隙和/或失配以保持整个抗扭箱的气动公差。
如果蒙皮厚度公差能够保持足够精确而使得重要位置中的外型线(流线形)和内型线(例如翼梁和翼肋底部、主起落架区域)的公差可得到控制，则能够实现最后组装阶段的明显节约和全新的抗扭箱设计。
US4683018描述了一种复合材料制造过程的方法，在该方法中，将层叠件放置在面向上的阴模上，然后用阳液压机冲压。
发明内容
本发明的第一方面提供一种制造复合面板的方法，所述复合面板包括复合蒙皮与至少一个复合加强件，该方法包括：
在第一和第二心轴上形成所述复合加强件，所述第一和第二心轴均具有一对倾斜表面；
将所述复合加强件与所述心轴运送到结合站，在所述运送步骤中所述心轴支撑所述复合加强件的重量；以及
通过以下步骤在所述结合站处将所述复合加强件结合至所述复合蒙皮：
将第一和第二心轴定位在所述复合加强件的相对两侧上；
将第一和第二压实模具定位在所述复合蒙皮的相对两侧上，所述第二压实模具具有与所述第一心轴接合的第一倾斜表面和与所述第二心轴接合的第二倾斜表面，所述其中一个压实模具具有槽，所述槽具有基部以及均从所述基部向外倾斜的所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面；并且所述心轴在朝向复合加强件运动时抵靠所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面滑动；以及
通过使所述压实模具中的一个或两个运动而压实所述第一和第二压实模具之间的所述复合蒙皮，
其中，所述压实模具的运动使得所述第一和第二心轴沿倾斜路径朝所述复合加强件运动，从而压实所述心轴之间的该复合加强件。
根据本发明的该第一方面，所述心轴在朝向所述复合加强件运动时抵靠其中一个压实模具的倾斜表面滑动。
根据本发明的该第一方面，该方法还包括在所述结合站处将所述复合蒙皮铺设在所述心轴上的复合加强件上，在所述铺设步骤中所述心轴支撑所述复合加强件的重量。
根据本发明的该第一方面，所述复合面板为飞行器部件。
根据本发明的另一方面，提供一种根据该第一方面的方法制造的复合面板。
一种制造面板的方法，所述面板包括复合蒙皮与至少一个复合加强件，该方法包括：
将第一和第二心轴定位在所述加强件的相对两侧上；
将第一和第二压实模具定位在所述蒙皮的相对两侧上；以及
通过使所述压实模具中的一个或两个运动而压实所述第一和第二压实模具之间的所述蒙皮；
其中，所述压实模具的运动使得所述第一和第二心轴沿倾斜路径朝所述加强件运动，从而压实所述心轴之间的该加强件。
通常，所述心轴在朝向所述加强件运动时抵靠其中一个压实模具的倾斜表面滑动。通常，其中一个压实模具具有槽，所述槽具有基部以及均从所述基部向外倾斜的第一壁和第二壁；所述心轴在朝向所述加强件运动时抵靠所述第一壁和第二壁滑动。
本发明的第二方面提供一种用于制造复合面板的设备，该设备包括：
第一心轴和第二心轴，各心轴均具有一对倾斜表面；
第一压实模具；以及
第二压实模具，其具有与所述第一心轴接合的第一倾斜表面和与所述第二心轴接合的第二倾斜表面。
本发明的第三方面提供一种用于制造面板的方法，所述面板包括复合蒙皮与至少一个复合加强件，该方法包括：
在心轴上成形所述加强件；
将所述加强件与所述心轴运送到结合站，在所述运送步骤中所述心轴支撑所述加强件的重量；以及
在所述结合站处将所述加强件结合至所述蒙皮。
在运送步骤中利用心轴支撑所述加强件的重量使得操纵成本最小化并使得对所述加强件的损害最小化，否则将不得不转移至单独的运送工具。通常该方法还包括在所述结合站处将所述蒙皮铺设在所述心轴上的加强件上，在所述铺设步骤中所述心轴支撑所述加强件的重量。
本发明的第四方面提供一种用于制造复合面板的方法，该方法包括：
穿过所述面板装配一控制件；
穿过压实模具装配一插塞；
使所述控制件与所述插塞接合；
使所述插塞与所述压实模具的基准面接合；
利用所述压实模具压实所述面板；以及
在所述面板被压实后，使所述插塞脱离所述控制件。
本发明的第四方面使得能通过成形压实模具、插塞和控制件而将面板的厚度精确控制到期望公差。所述控制件可留在面板中的合适位置，或在后继步骤中移除。通常，所述压实模具包括模具主体以及装配在所述模具主体的孔中的引导插入件。所述模具主体，或者更加优选地，所述引导插入件提供所述基准面。通常，所述引导插入件具有与所述模具主体的外表面接合的凸缘，所述插塞具有在其与所述控制件接合时与所述引导插入件的所述凸缘接合的凸缘。
本发明的第五方面提供一种用于制造复合面板的设备，该设备包括：
控制件；
用于压实所述面板的压实模具；以及
插塞，其尺寸设定为穿过所述压实模具并与所述控制件接合，并且在所述面板被压实之后可脱离所述控制件，
其中所述压实模具具有在所述插塞穿过所述压实模具时与所述插塞接合的基准面。
通常，所述控制件为柱状销，并由碳或与形成所述面板的材料相容的某些其它材料形成。
通常，所述插塞与所述控制件具有在所述插塞穿过所述压实模具时彼此接合的凸部和凹部。通常，所述凸部向内成锥形，所述凹部向外张开。这使得这些部分能够以一角度脱离。优选的是，所述凸部从所述面板的外侧或气动侧伸出。
本发明的第六方面提供一种制造复合层压件的方法，所述方法包括：
将所述复合层压件放置在面向上的阳模上，由此所述复合层压件在其与所述阳模接合的种子区域处被局部压缩，并在重力作用下在该种子区域的相对两侧下垂；以及
使所述层压件变形以使所述层压件在所述种子区域的相对两侧上抵靠所述阳模而被模制。
本发明第六方面的方法与US4683018中所述的布置相颠倒，即：使阳模面向上而不是面向下。所产生的构造使得所述层压件能够在所述种子区域的相对两侧上容易地变形而不起皱。相比之下，在US4683018的布置中，层叠件的与阴型模接合的两边缘首先被压缩，其中央在重力作用下下垂。这限制了层叠件在其边缘不起皱的情况下变形的能力。
通常，所述阳模在其与所述复合层压件接合的区域(即，种子区域)局部弯曲，并具有位于所述种子区域相对两侧的倾斜表面。
本发明的方法可用于形成用于多种用途的复合部件，最常用的是作为飞行器部件。该部件可以是例如强化面板、或强化面板的纵梁。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1至图3为形成预制件的三个步骤的侧剖视图；
图4为下压实模具的侧剖视图；
图5为在适当位置处的具有六个纵梁和心轴的下压实模具的侧剖视图；
图6为在适当位置处的上压实模具和具有六个纵梁和心轴的下压实模具的侧剖视图；
图7为图6的组件的局部放大图；
图8示出了导向孔的形成；
图9示出了位于合适位置的销和插塞；
图10示出了插塞的细节；
图11为示出了压实过程中心轴的运动的下压实模具的侧剖视图；
图12和图13是在利用阴冲压模形成预制件时的两个步骤的侧剖视图。
具体实施方式
图1至图3示出了形成L形的纵梁预制件的方法。在第一步骤中，将预浸料坯层叠件安装在“定型框(picture frame)”支撑组件中。在图1中，为了例示目的，示出了预浸料坯层叠件的两个层片4、5，但应理解通常可使用任何数量的层片。各层片均包括一排用树脂浸渍过的单轴向纤维。该纤维可由任何合适的材料形成，例如碳、玻璃或芳族聚酸胺和硼。相邻层片中的纤维以不同角度延伸：例如一个层片中的纤维可以与纵梁轴线成0°地延伸，下一层片中的纤维可以与纵梁轴线成45°地延伸，下一层片中的纤维可以与纵梁轴线成135°地延伸(纵梁轴线为横交于图1-3的截面的轴线)。
定型框支撑组件包括一组绕层叠件外周布置的弹簧加载滚子。图1是穿过层叠件的剖视图，因此仅示出四个滚子6-9。除了使用定型框支撑组件外，还可使用任何合适方法来支撑层叠件。
具有一对倾斜表面2、3的阳心轴1与层叠件接触，并移除定型框支撑组件。
将层叠件加热到通常为90℃至120℃范围内的温度。该热量可通过加热/冷却心轴1而施加，或通过用红外线加热器加热层叠件然后在其温度明显降低之前快速进行成形而施加。
如图2所示，层叠件上还铺设有单个膜片12，膜片与心轴之间的空腔被排空以使层叠件抵靠心轴变形。任选地，在层叠件与心轴之间还可铺设第二膜片(未示出)，将两个膜片之间的空腔以及下膜片与心轴之间的空腔排空。
当L形预制件与另一L形预制件如图5所示背对背放置时，部分10形成纵梁支脚的一部分，部分11形成纵梁叶片的一部分。
如图2所示，在将层叠件放置在面向上的阳心轴上之后，其在与心轴的局部弯曲角部接合的区域13中被局部压缩。该压实区域13提供作为层叠件后继变形根源的所谓的“种子点”或“种子区域”。注意，层叠件在重力作用下在种子区域13的相对两侧下垂。下层片5下垂超过上层片4，从而使层片之间的间距在种子区域的相对两侧逐渐变大。由于种子区域13的相对两侧不受支撑，在贴着阳模模制时层片之间会自由滑移。种子区域两侧上的层片变形可在支脚部分10与叶片部分11上形成更为复杂的设计(例如在蒙皮坡面或托垫上方)。
成形之后，利用超声波切割器或水射流切割器将预制件切成净形状。
在所有预制件形成之后，将预制件和心轴运送到结合站，在运送阶段心轴支撑加强件的重量。图4示出了位于结合站处的下压实模具20。模具20包括六个喇叭槽(其中一个槽标以附图标记21)。各槽21具有基部22以及均从该基部向上倾斜的第一壁23和第二壁24。在图4所示的截面中，模具20还形成有微弯曲部(不过弯曲部的形状和深度可以因模具的截面而异，以形成面板的期望形状)。
在如图5所示定位所有心轴之后，在各背对背的成对预制件之间安设带状填料。为了例示，仅示出了一个带状填料30。在期望精确控制面板厚度的面板主要界面区域还安设有切割板31。图5中仅示出了一个切割板31，但是通常在模具上方会分布许多这样的切割板。切割板31可由聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、玻璃纤维、硬橡胶或类似材料形成。在该阶段，可施加热的真空包循环以确保所有心轴和预制件都被预压实并处于其正确位置。这对预浸料坯加强件来说可能是一个尤其重要的加工步骤，以确保多余树脂从层中渗出。
然后如图6和图7所示，用成型带铺设机(或手动铺设)将复合蒙皮40铺设在心轴上。这与其中组件相反取向的可选布置(即，蒙皮位于底部而纵梁位于顶部)相比是有利的。在所述可选布置中，必须提供在将纵梁铺设到蒙皮上时支撑纵梁重量的某种装置(除了心轴之外)。
然后利用销(未示出)使上压实模具45与下压实模具20对齐，这些销沿模具边缘处的线46、47穿过。
可以在心轴与纵梁之间以及蒙皮与上压实模具45之间结合透气层(例如薄层编织尼龙布)。这是因为某些材料会略微挥发，因此为了获得良好质量，层压件必须能够“呼吸”。
在模具45的主体中设置与PTFE切割板31对齐的孔50。各孔均装配有具有环形凸缘51的硬化钢引导插入件51，环形凸缘51与上模具45的外表面接合。
在模具对齐后，如图8所示，利用冲压模具60抵靠PTFE切割板31穿过引导插入件冲出贯通蒙皮层40的导向孔。
然后如图9所示，将具有向内成锥形的圆锥形凸端部71的碳销70装配在蒙皮40的孔中。然后穿过引导插入件安装密封插塞75，密封插塞75在图9中示意性示出而在图10中更加详细地示出。参照图10，各密封插塞75包括轴76和头部78，轴76的远端具有向外张开的锥形凹部77，头部78具有用于接收螺丝刀的槽79。轴76具有螺纹部分80并承载一对O型环81、82。
引导插入件具有内螺纹(未示出)，该内螺纹能够使密封插塞75拧入穿过上压实模具的引导插入件中，直到碳销70的凸端部71接合插塞75的端部处的凹槽77，插塞的头部78的下侧与引导插入件的凸缘51接合。凸缘51作为基准面以精确控制插塞的头部与PTFE切割板31之间的距离。此时，碳销70和密封插塞75与上模具45与凸缘51的硬度相结合而限定面板的厚度。
在安装了所有的碳销与密封插塞之后，检查整个模具的真空完整性。然后将模具转移到压热器以进行固化。
在固化期间，该模具被加热到近似180℃，在模具20、45之间形成真空，并增加压热器中的压力。为了解决固化期间复合材料的体积减小，可在固化期间在模具之间喷射树脂。
任选地，在固化步骤之前还可施加热成形循环。施加与固化时一样的真空和压力，但温度被降到较低的温度(通常为90-120℃)。
固化之后，抬走上模具45。插塞75的凹部77的张开形状使得在需要时能够与垂直方向成一角度地抬走上模具45，同时使插塞75与销70容易分开。于是，销70在面板中保持不动。销70通常位于蒙皮内侧与翼肋支脚或翼梁支脚之类的部件接合之处的区域中。在随后的步骤中，使碳销70(以及面板的包围销的区域)远离蒙皮的外侧钻出而留下一孔，在该孔的区域内具有精密控制的面板厚度。
注意，销的锥形端71从蒙皮40的外侧(该外侧在使用时提供气动表面)伸出，该销的另一端与蒙皮的内侧齐平。这与其中销从蒙皮的内侧伸出的另选布置相比具有很多优点。首先，这意味着蒙皮内侧的部件(例如翼肋支脚或翼梁支脚)不需要具有锥形凹部来容纳蒙皮的突出部；其次，从蒙皮外侧更容易看见突出部，从而更容易定位要钻出的销。
然后，将生成的增强面板用于形成飞行器的机翼、尾翼或机身的蒙皮结构的一部分。
在热形成和固化处理期间，心轴通过图11示出的机理压实纵梁叶片。图11示出了具有与图6所示的模具轮廓略微不同的下压实模具。然而图6的模具中的心轴在压实期间也以类似的方式运动。
图11示出了位于由基部102与均从该基部102向外倾斜的一对壁103、104限定的喇叭槽中的一对心轴100、101。切割板105装配到其中一个心轴101上。图11示出了在热成形循环之前心轴的位置。在该阶段，心轴从槽的基部102移位一距离106。注意，为了例示目的，距离106在图11中被大大放大。图6中的心轴在热成形和固化之前也从槽21的基部22移位。
由于施加了真空，所以位于蒙皮的相对两侧上的压实模具的向内运动使得蒙皮被压实。压实模具的该相对运动也导致纵梁叶片107的相对两侧上的心轴100、101沿箭头108、109所示的倾斜收敛路径朝所述叶片运动，从而在心轴之间压实叶片。心轴在运动时抵靠压实模具中的槽的倾斜壁103、104滑动。心轴100、101运动近似相等的量，以确保纵梁叶片107的中心不从其期望位置向左或向右运动。
以上的处理涉及由预浸料坯形成的复合面板的形成。然而，本发明同样也可用于由干燥纤维、编织干燥纤维或无卷曲织物(NCF)形成复合面板。在该情况下，预制件用水射流切割切割成净形状，或者可利用净形状的3D编织预制件。
将所完成的(可能是3D加强的)平坦蒙皮运送到预制件的顶部，使得该过程比预浸料坯带铺带机快得多。在干燥纤维的情况下，可利用半自动的层/纤维布置。
在使用编织干燥纤维预成形件时，也可以穿过纵梁叶片41插入全厚度加强件，以省略紧固件和/或改善损伤容限。
在图1所示的过程中，与一个或两个膜片相结合而在阳心轴1上成形预浸料坯。在干燥织物的情况下，可用阴冲压模具取代膜片，如图12和13所示。
将层叠件112放置在面向上的阳心轴111上。注意，如图2中一样层叠件会发生下垂，但在图12中未示出以简化该图。阴冲压模具110在液压动力作用下向下冲压，直到层叠件变形成顺应阳心轴111，如图13所示。图12和13所示的冲压成型方法具有以下优点，即与图1-3所示的真空成形方法相比提高了成形力，这可以实现更加复杂的纵梁设计。
在真空成形方法中，层叠件通常被加热到位于90℃至120℃范围内的温度。该热量可通过加热模具110、111施加，或通过利用红外加热器加热层叠件然后在其温度明显下降之前快速冲压而施加。
在预浸料坯的情况下，在压热器中对部件进行固化，但在干燥纤维部件的情况下，在具有一体加热工具的压热器外预先进行浸泡。
尽管以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应理解的是，在不偏离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下可作出多种变化或改变。

Claims (5)

1.一种制造复合面板的方法，所述复合面板包括复合蒙皮与至少一个复合加强件，该方法包括：
在第一和第二心轴上形成所述复合加强件，所述第一和第二心轴均具有一对倾斜表面；
将所述复合加强件与所述心轴运送到结合站，在所述运送步骤中所述心轴支撑所述复合加强件的重量；以及
通过以下步骤在所述结合站处将所述复合加强件结合至所述复合蒙皮：
将第一和第二心轴定位在所述复合加强件的相对两侧上；
将第一和第二压实模具定位在所述复合蒙皮的相对两侧上，所述第二压实模具具有与所述第一心轴接合的第一倾斜表面和与所述第二心轴接合的第二倾斜表面，其中一个压实模具具有槽，所述槽具有基部以及均从所述基部向外倾斜的所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面；并且所述心轴在朝向复合加强件运动时抵靠所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面滑动；以及
通过使所述压实模具中的一个或两个运动而压实所述第一和第二压实模具之间的所述复合蒙皮，
其中，所述压实模具的运动使得所述第一和第二心轴沿倾斜路径朝所述复合加强件运动，从而压实所述心轴之间的该复合加强件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述心轴在朝向所述复合加强件运动时抵靠其中一个压实模具的倾斜表面滑动。
3.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在所述结合站处将所述复合蒙皮铺设在所述心轴上的复合加强件上，在所述铺设步骤中所述心轴支撑所述复合加强件的重量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述复合面板为飞行器部件。
5.一种根据权利要求1的方法制造的复合面板。
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