CN101541513A - 利用热膨胀工具压板形成帽状硬化复合部件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种形成复合部件的设备和方法。一种形成复合部件的方法可以包括：将初始复合材料设置在基体工具(40)上；将工具芯体(30)设置在复合材料(51)上；将额外的复合材料设置在工具芯体上；以复合成形工具(20)覆盖与所述工具芯体叠置的那一部分复合材料；加热所述复合材料，至少局部固结所述复合材料；和允许所述复合成形工具(20)的第一部分(24、25)在复合材料加热过程中的变形程度大于所述复合成形工具的第二部分(22、23)。在这方面，所述复合成形工具的所述第二部分较之所述复合成形工具的所述第一部分更靠近所述基体工具。还提供了一种复合成形工具，其允许所述工具的不同部分的膨胀不同。

Description

利用热膨胀工具压板形成帽状硬化复合部件的设备和方法

技术领域

本发明的实施方式涉及形成复合部件，更具体地说，涉及利用可拉伸工具压板形成帽状硬化复合部件的设备和方法。

背景技术

复合结构，诸如用在飞行器和其他工业中的复合结构，一般在成形工具覆盖并至少局部支撑聚合物复合材料的同时，通过固结该材料而形成。一种用在航空领域和其他领域的常见复合结构是帽状硬化复合部件。为了构造帽状硬化复合部件，制造过程如下进行：复合材料设置在基体工具上；工具芯体设置在以基体工具支撑的复合材料上；并以成形工具覆盖至少一部分复合材料。成形工具通常覆盖与所述复合芯体叠置的复合材料，并协助限定帽状形状。然后，让复合材料经受固结过程，诸如消融(debulking)和加热，进一步粘结和结合复合层，以便生产整体复合结构。

对于部件关键尺寸所要求的更高精度，使得需要一种工具，该工具至少对于关键尺寸能以高精度形成复合部件。针对帽状硬化复合部件，例如帽状硬化腿和对应平面结构之间限定的半径通常必须包含在非常狭窄的容差范围内。在以所需精度生产复合部件方面，传统刚性成形工具能力有限。就是说，在固结过程中，工具芯体膨胀而覆盖复合材料至少一部分、热膨胀较小的复合成形工具热膨胀程度较小，导致复合材料内出现高压和低压区域，从而出现部件孔隙或者不希望看到的复合材料移动。因此，利用几乎不膨胀的成形工具，可能因无法产生具有关键尺寸的部件而使复合材料报废。此外，工具芯体和热膨胀较小的成形工具之间的膨胀差异还可能损坏复合材料的结合过程，以至于产生的部件出现瑕疵，诸如脱胶(disbond)。

已经研制出了热膨胀较大的成形工具，该成形工具可以比热膨胀较小的工具更多地膨胀。但是，几乎不膨胀的工具和热膨胀较大的成形工具都不能始终如一的生产满足关键尺寸要求的部件。例如，帽状硬化复合部件通常要求帽状刚性腿和对应平面结构之间的交叉部具有特定的拐角半径。这对于帽状硬化复合部件来说通常是一个关键尺寸。一般来说，热膨胀工具芯体可以用来形成帽状结构的内部，而热膨胀较小的成形工具可以用来形成帽状结构的外部。通常，热膨胀工具芯体在固结过程中膨胀，而热膨胀较小的成形工具则几乎不膨胀。由于膨胀差异带来的问题是产生的部件的拐角半径超出容差范围。

因此，提供一种以提高的成形精度和质量形成复合部件诸如帽状硬化复合件的设备和方法，具有优势。此外，提供一种减少因部件成形技术和工具不良而导致的复合材料报废的设备和方法，具有优势。

发明内容

通过提供一种形成复合部件诸如帽状硬化复合部件的改进设备和方法，本发明的实施方式可以满足上述需求，并实现其他优势。一般来说，本发明的实施方式提供一种以更大的灵活性来形成复合部件的设备和方法，从而减少任何瑕疵的数量以及降低瑕疵严重性。例如，复合部件可以利用可拉伸工具压板和可拉伸工具芯体来形成。

在一种实施方式中，提供了一种形成复合部件的工具。该工具包括第一和第二腿部以及分别连接到第一和第二腿部的第三和第四腿部。该工具进一步包括在第三和第四腿部之间延伸并连接它们的互联部分。第一和第三腿部以及第二和第四腿部可以限定各平面结构。第一和第二腿部可以包括各支脚部分。第一和第二腿部的支脚部分可以与互联部分平行。为了方便地在腿部之间提供差异膨胀，复合成形工具的第一和第二腿部包括比形成第三和第四腿部以及互联部分的材料热膨胀小的材料。例如，第一和第二腿部以及各支脚部分可以用氟橡胶形成，而第三和第四腿部以及互联部分可以包括硅橡胶。此外，第一和第二腿部可以包括带有纤维增强件的氟橡胶。

在另一种实施方式中，提供了一种形成复合部件的方法。该方法包括：将初始复合材料设置在基体工具上，并将工具芯体设置在复合材料上。该方法进一步包括将额外的复合材料设置在工具芯体上，并以复合成形工具覆盖与工具芯体叠置的复合材料的至少一部分。此外，该方法包括诸如通过向复合部件施加辐射热量，将复合材料加热，从而至少局部固结复合材料。该方法可以包括允许工具芯体在复合材料加热过程中也发生膨胀。在这方面，在加热复合材料的过程中，可以允许复合成形工具第一部分改变尺寸，诸如膨胀程度较之复合成型工具第二部分的膨胀程度明显更大，其中复合成形工具第二部分较之复合成形工具第一部分更接近基体工具。

在另一种实施方式中，提供了一种用于复合成形的设备。该设备包括基体工具和置于基体工具上的工具芯体。工具芯体可以包括相对的第一和第二表面，其中第一表面半径小于第二表面的半径。该设备还包括与工具芯体叠置的复合成形工具，该复合成形工具包括各自带有支脚部分的第一和第二腿部，分别连接到第一和第二腿部的第三和第四腿部，以及在第三和第四腿部之间延伸并连接它们的互联部分。第一和第二腿部的支脚部分可以与互联部分平行。第一和第三腿部以及第二和第四腿部可以限定各平面表面。各自带有支脚部分的第一和第二腿部可以用氟橡胶形成。此外，第一和第二腿部可以用带有纤维增强件的氟橡胶形成。第三和第四腿部、互联部分以及工具芯体可以用硅橡胶形成。

附图说明

图1是根据一种实施方式示出带有复合部件的复合成形设备的截面图；

图2是根据另一种实施方式示出位于复合材料上的工具芯体的截面图，复合材料铺设在基体工具上；

图3是根据另一种实施方式示出工具芯体的截面图，额外的复合材料设置在工具芯体上，而该工具芯体设置在复合材料上；

图4是根据另一种实施方式示出覆盖额外复合材料的复合成形工具的截面图；

图5是根据另一种实施方式示出复合成形工具第一部分尺寸变化程度大于复合成形工具第二部分的截面图。

具体实施方式

以下参照附图更为完整地说明实施方式，在这些实施方式中，示出了一些实施方式，但不是全部。实际上，这些实施方式可以通过许多不同的方式实施，并且不应该理解为限制于文中所述的实施方式，而提供这些实施方式仅仅是为了让本公开满足适当的法律要求。类似的附图标记始终指代类似的元件。

现在参照图1，示出了一种复合成形设备10。虽然图1所示以及下文所述的复合成形设备10实施方式配置成形成帽状硬化(hat stiffened)复合部件50，诸如帽状硬化复合梁，但是该复合成形设备10以及相关成形方法可以配置成形成其他类型的复合结构。虽然帽状硬化复合部件和其他类型的复合部件一般用在航空领域，但是产生的复合部件根据需要也可以用在其他领域以及其他工业中。

在图1中，成形设备10包括复合成形工具20、工具芯体30和基体结合工具40。基体结合工具40通常设计成在成形操作过程中支撑复合结构，并且在某些场合下，可以限定复合结构最终形状的至少一部分。因此，基体结合工具40一般具有平面形状，但是可以根据最终复合部件的形状变化。基体结合工具40通常用钢、碳或玻璃环氧或者其他金属或非金属材料制成。

工具芯体30一般设计成在产生的复合结构中限定内部空间或空隙，因此根据产生的复合部件的尺寸和形状可以具有各种形状和尺寸。在所示实施方式中，工具芯体30示为梯形，第一表面31横截面宽度较之相对的第二表面32横截面宽度较小。工具芯体30可以用各种材料制成，诸如硅橡胶。

一般来说，复合成形工具20的形状与工具芯体30的形状互补，而该工具芯体由产生的复合部件的形状和尺寸所约束。但是，如果产生的复合部件的形状和尺寸有需要，则复合成形工具20的形状可以区别于工具芯体30。复合成形工具20的形状可以包括渐缩部分，一部分和另一部分之间存在厚度差异，以及其他特征，从而协助生产所需的部件。在图1中，复合成形工具20包括支脚部分21、第一腿部22和第二腿部23、第三腿部24和第四腿部25以及互联部分26。在该实施方式中，第一和第三腿部22、24包括第一腿27，而第二和第四腿部23、25包括第二腿28。每条腿可以均等地分开，构成两个腿部，或者每个腿部可以组成不同数量的总体腿，只要第一和第二腿部22、23靠近各支脚部分21，第三和第四腿部24、25靠近互联部分26即可。

第一和第二腿部22、23热膨胀比第三和第四腿部24、25小，因为第三和第四腿部24、25由热膨胀系数比第一和第二腿部22、23大的材料形成。例如，第一和第二腿部22、23可以用氟橡胶形成，而第三和第四腿部24、25以及互联部分26可以由硅橡胶形成。支脚部分21一般与第一和第二腿部22、23由相同材料形成，诸如氟橡胶。此外，第一和第二腿部22、23以及各支脚部分21可以包括玻璃或碳纤维增强层。由于热膨胀特性不同，第三和第四腿部24、25随着温度变化的膨胀和收缩量大于第一和第二腿部22、23，诸如在复合部件固结过程中。因此，复合成形工具20和工具芯体30允许曲率变化，但仍然控制复合部件的腿和对应平面结构之间的交叉部所限定的半径的关键形状。与第三和第四腿部24、25相比，第一和第二腿部22、23以及各支脚部分21还可以包含附加厚度，从而更好地控制部件形状。

形成复合部件的一种具有优势的方法从图2开始，该图示出了工具芯体30置于复合材料51上，复合材料铺设在基体结合工具40上。复合材料51可以是预浸渍材料的一个或多个敷层或者片材，诸如以传统树脂浸渍的布料或带材形式的石墨纤维基体，其中所述石墨纤维铺设成0，45，90取向，0，30，60，90取向，或者其他取向。在工具芯体30置于复合材料51上以后，额外的复合材料52设置在工具芯体30上，如图3所示。和前面一样，额外的复合材料52可以是一个或多个敷层，诸如复合材料卷管敷层或复合材料片材，诸如预浸渍材料。额外的复合材料52可以与复合材料51以相同或不同的复合材料形成。此外，额外的复合材料52可以与复合材料51具有相同或不同的纤维取向。

形成复合部件的下一步，如图4所示，可以是设置复合成形工具20，从而覆盖额外的复合材料52的至少一部分。真空包囊60可以设置在复合成形工具20和复合材料51上，从而将复合成形工具20、工具芯体30、复合材料51以及额外的复合材料32真空包压到基体结合工具40。一般来说，在复合成形工具20设置在额外的复合材料52顶部并一般保持就位之后才进行固结过程，诸如借助将真空包囊60抽真空或其他方式。固结过程可以包括施加热量，诸如借助辐射加热施加热量，以及任选向复合材料施加压缩力或抽真空压力。

由于第一和第二腿部22、23由热膨胀系数小于第三和第四腿部24、25的热膨胀较少的材料形成，所以第一和第二腿部22、23在加热过程中较之第三和第四腿部24、25更能保持其形状，因为第三和第四腿部24、25膨胀程度较之第一和第二腿部22、23更大。虽然未按比例绘制，但是图5示出了复合成形工具20的第三和第四腿部24、25在复合材料52、51加热过程中尺寸变化程度大于复合成形工具20的第一和第二腿部22、23。仍然在图5中，工具芯体30在复合材料加热过程中通常膨胀程度大于第一和第二腿部22、23，但是在膨胀量小于或等于第三和第四腿部24、25。比较图4和图5时，可以发现复合成形工具20尺寸相对变化一般不是通常的膨胀量，而是为了说明的目的进行了夸张。此外，第一和第三腿部22、24之间的线A以及第二和第四腿部23、25之间的线B仅用于图示的目的，一般并不可见。线A、B协助示出第三和第四腿部24、25如何比第一和第二腿部22、23膨胀地更多。例如，图4中的线A将未加热的第一腿27粗略地分成2等分部分，第一和第三腿部22、24。因此，图4示出了第一腿部22的长度，即长度L1，大致与第三腿部24的长度即L3相等。在图5中发生的固结过程，导致第三腿部24膨胀程度比第一腿部22更大，原因是如前所述的构成各腿部的材料热膨胀系数不同。通过比较图5和图4，发现第三腿部24的长度L3在固结过程中伸长，而第一腿部22的长度L1并不像长度L3那样伸长。此外，图5示出线A不再将第一腿24粗略地分成2等分部分，而是第三腿部24现在形成总体腿的大半部分，因为第三腿部24膨胀程度比第一腿部22大。第二和第四腿部23、25形成第二腿28，在固结过程中也以参照第一腿27所述的相同方式分别膨胀较小和较大的量。

在固结过程之后，复合成形设备10和复合材料51、52冷却，且在此之后取下复合成形工具20和工具芯体30。复合成形工具20和工具芯体30两者可以重复使用来生产多个复合部件。然后，复合部件，诸如帽状硬化复合部件50，从基体结合工具40中取出。冷却之后，复合件可以保持其在固结过程中的形状，因为树脂固结和凝固。在其他实施方式中，可以形成不同类型的复合部件。

以膨胀程度不同于所述腿的其他部分的材料形成第一和第二腿部22、23，在制造过程中可以约束拐角形状，或者将其保持在容差范围内，这对于复合部件完整性来说是期望看到的。因此，在支脚部分21和第一和第二腿部22、23之间限定的拐角可以形成地比复合部件其他部分，诸如第三和第四腿部24、25以及互联部分26之间的拐角，具有更为精确的容差。由于支脚部分21和第一和第二腿部22、23之间限定的拐角必须保持较之复合部件其他部分更精确的容差，所以复合成形工具20配置成让形成的复合部件在某些特征部分满足更为精确的容差要求，同时仍允许复合材料和工具芯体30在固结过程中无可避免的发生膨胀。

文中所述本发明的许多改型和其他实施方式将进入本发明所述领域技术人员的脑海，具有前述内容和附图所述的优势。例如，复合成形设备10可以具有其他形状和/或复合成形工具20的其他部分可以用热膨胀更小的材料形成。但是，一般来说，复合成形工具20在容差较小的那些复合部件特征附近包括热膨胀系数较低的热膨胀较小的材料，而在容差宽松的那些复合部件特征附近包括热膨胀系数较高的热膨胀较大的材料，使得复合材料51、52和/或工具芯体30的膨胀主要由以热膨胀系数较大的材料形成的那些复合工具20部分吸收。因此，应该理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而且改型和其他实施方式也应该包括在附带的权利要求书的范围内。虽然文中采用具体的术语，但是它们仅用作上位概念和描述的意思，而不是用作限制的意思。

Claims (20)

1.一种复合成形工具，包括：

第一和第二腿部；

第三和第四腿部，分别连接到所述第一和第二腿部；和

在所述第三和第四腿部之间延伸并连接它们的互联部分，其中所述复合成形工具的第一和第二腿部包括比形成所述第三和第四腿部以及所述互联部分的材料热膨胀较小的材料。

2.如权利要求1所述的复合成形工具，其特征在于，所述第一和第二腿部进一步包括各支脚部分。

3.如权利要求1所述的复合成形工具，其特征在于，所述第一和第二腿部包括氟橡胶。

4.如权利要求1所述的复合成形工具，其特征在于，所述第三和第四腿部以及所述互联部分包括硅橡胶。

5.如权利要求2所述的复合成形工具，其特征在于，所述第一和第二腿部的支脚部分与所述互联部分平行。

6.如权利要求1所述的复合成形工具，其特征在于，所述第一和第三腿部以及所述第二和第四腿部限定各平面表面。

7.如权利要求1所述的复合成形工具，其特征在于，所述第一和第二腿部包括带有纤维增强件的氟橡胶。

8.一种形成复合部件的方法，包括：

将初始复合材料设置在基体工具上；

将工具芯体设置在复合材料上；

将额外的复合材料设置在工具芯体上；

以复合成形工具覆盖与所述工具芯体叠置的那一部分复合材料；

加热所述复合材料，至少局部固结所述复合材料；和

允许所述复合成形工具的第一部分在复合材料加热过程中的变形程度大于所述复合成形工具的第二部分，其中所述复合成形工具的所述第二部分较之所述复合成形工具的所述第一部分更靠近所述基体工具。

9.如权利要求8所述的形成复合部件的方法，进一步包括在加热所述复合材料的同时，向所述复合材料施加压力。

10.如权利要求8所述的形成复合部件的方法，其特征在于，加热所述复合材料包括向所述复合部件应用辐射加热。

11.如权利要求8所述的形成复合部件的方法，其特征在于，允许所述复合成形工具的所述第一部分尺寸变化，包括允许所述复合成形工具的所述第一部分较之所述复合成形工具的所述第二部分更为显著地热膨胀。

12.如权利要求8所述的形成复合部件的方法，进一步包括允许所述工具芯体也在加热所述复合材料的过程中膨胀。

13.一种复合成形设备，包括：

基体工具；

置于所述基体工具上的工具芯体；和

叠置所述工具芯体的复合成形工具；

其中所述复合成形工具包括带有各支脚部分的第一和第二腿部，分别连接到所述第一和第二腿部的第三和第四腿部；和在所述第三和第四腿部之间延伸并连接它们的互联部分。

14.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述复合成形工具带有各支脚部分的所述第一和第二腿部包括氟橡胶。

15.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述复合成形工具的所述第三和第四腿部以及所述互联部分包括硅橡胶。

16.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述复合成形工具的所述第一和第二腿部的所述支脚部分与所述互联部分平行。

17.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所示第一和第三腿部以及所述第二和第四腿部限定各平面表面。

18.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述第一和第二腿部包括带有纤维增强件的氟橡胶。

19.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述工具芯体包括硅橡胶。

20.如权利要求13所述的复合成形设备，其特征在于，所述工具芯体包括顶部表面和底部表面，其中所述顶部表面的半径小于所述底部表面的半径。

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