CN101600552A - 用于模制圆柱形部件的复合材料工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料制工具，所述工具被用于形成圆筒部件形成于其上的型芯，所述工具包括一组构件(1)，每个构件(1)限定所述工具的一圆柱扇形段，每个构件(1)包括纤维复合材料制支承结构(2)，以及模制在所述支承结构(2)上的外壳(3)，所述工具进一步包括布置在所述工具构件(1)之间的连接处的密封装置(11，12)。

Description

用于模制圆柱形部件的复合材料工具

技术领域

本发明涉及一种用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料制工具。本发明还涉及一种用于制造这样的工具的方法。

背景技术

在航空领域，这仅仅用于提及单个应用领域，碳纤维复合材料部件越来越多用于获得越来越多的轻质结构，同时不牺牲刚性以及其它所需的性能，而且也用以获得比金属部件具有更多合意方面同时防火的部件。

这种复合材料部件的制造需要高精密工具。也可以称为模具的此种工具应该既能提供任何工具通常的功能(此后将进行回顾)，保证最终的部件的形位公差，又有时承受相当特别的热力以及压力循环，诸如以进入高压釜时涉及的那些情形。

通常，用殷钢通过钣金加工和机械加工制造的金属模具或者用环氧树脂预浸渍的碳纤维在称为“母具”的模具中模制金属模具被用于该目的。

尽管殷钢技术广泛应用于大规模生产，但仍然存在的事实是，此种模具的单位成本很高。反过来，用碳纤维制造的模具不是很昂贵，但是所述模具更脆且实际上不能修理，这主要是缘于它们修理之后出现的泄露问题。

如果问题是制造圆柱形部件，尤其是具有大尺寸的圆柱形部件，制造它们的问题较少来自它们的尺寸以及操作此种模具的困难，而更多地源自保障部件最终的形位公差，因为形位公差依赖于所述模具在聚合周期中的性能状态并且还非常强烈地依赖于行将获得的所述部件的结构以及该部件在其模具上时的性能状态。确实，从树脂的热膨胀和收缩所产生的问题经常是不能忽略的。

在这样的情况下，只有机械加工方法能够提供所述部件的最终的公差的保证。

有一些复合材料，在高压釜中在高温和高压下模制和聚合，然后可以被机械加工以获得所需的几何形状，同时能够保持用于制造所述最终的部件时所需的密封。然而，这样的材料需要制造这样的“母具”，该“母具”能够经受住这些材料在高压釜中进行聚合反应时的压力和温度条件。这样的“母具”均更为昂贵和复杂，因为待制造的结构是大尺寸的且几何形状的要求很严苛。作为一个例子，对于4m直径的部件，其公差为+/-0.6mm的情况绝不少见。另外，将工具分割成几瓣以允许从模具中拆卸使得这样的使用更成问题。

如在本说明书开始指示的那样，制造用环氧树脂浸渍的碳纤维的复合材料部件需要高精密的工具，该工具应该具备任何精密工具的通常功能。在此处所讨论的技术领域中，所述工具应该允许覆盖通过沉积纤维形成的具有Ω形状轮廓的强化的外壳。所述工具还应该在聚合反应后能够从覆盖结构中抽出。此外，所述模具应该符合要求的公差以及应该能够容置补强板及其芯子。最后，用于沉积纤维的表面应该在室温以及在高压釜中的高温时防漏，以便在聚合反应期间能够放置真空袋。所述工具还应该为聚合反应阶段而允许连接抛光板或对模(抛光板)。最后，所述工具应该能经受用于制造所述部件的方法的环境状态。

再者，用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料工具应该包括热电偶，应该具有最大为Ra＝0.8的粗糙度的接触表面以及应该集成修整所需部件所需要的过长。

发明内容

本发明的目的是提出完成各种前述状况且易于操作的工具，尤其是在聚合反应后从覆盖结构中将所述工具抽出的过程中易于操作。

本发明的目的通过这样的复合材料制工具而实现，所述复合材料制工具用于制造复合材料圆柱形部件，所述工具用于形成所述圆柱形部件形成于其上的型芯。

根据本发明，所述工具包括一组构件，其中每个构件形成所述工具的一圆柱扇形段，每个所述构件包括纤维复合材料制支承结构，以及模制在所述支承结构上的外壳，所述工具进一步包括用于放置于所述工具的构件之间的连接处的密封装置。

这样，本发明的所述工具包括一组机械组装的构件，且可以根据特定的顺序逐一拆卸所述构件，所述工具允许从模具中移除已经完成的部件。也被称作“瓦片”的这种工具的每个构件可以有利地通过下列方法制造：

-制造碳纤维复合材料制标准支承结构。这可以根据标准方法来实现，在于：

●使用标准可挤压泡沫并且涂“母具”并进行机械加工；这样的母具不是太昂贵，因为不需要太精确；

●在约40℃/45℃的低温下在真空炉(因此不是在高压釜中)中烘烤所述支承结构，接着是提供高温强度的后烘烤周期；

●所述支承结构可以为自变硬的，以在所述工具的应用期间承受机械应力；在这些机械应力中，让我们特别注意在高压釜中进行聚合反应期间、在处理操作期间以及在所述工具的拆卸和再组装期间、由于覆盖而涉及到的机械应力；

-小厚度的用环氧树脂预浸渍的碳纤维制成的外壳或者用聚酰亚胺、特别是双马来酰亚胺预浸渍的碳纤维制成的外壳，将在所述支承结构上模制、在高压釜中在真空、压力以及高温下烘烤以便获得所需的机械性能以及期望的材料均一性。所述支承结构允许这样的应用。

-通过再次机械加工对由此获得的外壳进行改造，获得需要的几何形状以及所述构件的集成以得到接触面处的密封是可能的。

按照此前描述的方式制造的可以根据特定的次序一个瓦片一个瓦片地拆开的工具允许从已经造好的部件的模具移除而无需顾及后者的尺寸。

我们需要特别注意的是，组成本发明的所述模具的构件的数量完全有赖于所要制造的部件的尺寸以及有赖于每个所述构件某种操作方面的约束。进一步描述的示范性实施例具有包括7个瓦片的工具，所述数量7个是任意选择的数量，因此绝不会受到限制或被优先考虑。

本发明的解决方案特别适合于研制阶段的工具，然而其同样可以被应用于大规模生产阶段的工具。实际上，用于制造外壳的材料允许在所述工具的寿命期间有必要时进行改造操作和修理，例如作为碰撞或者任何形式的破坏或者磨损的结果。

根据本发明的所述工具的所选实施例，所述工具可以具有以下分别考虑的或者根据所有技术上可能的组合的附加特征：

-每个所述构件包括碳纤维复合材料的支承结构；

-每个所述构件包括用环氧树脂预浸渍的碳制成的外壳；

-每个所述构件包括用聚酰亚胺结构树脂预浸渍的碳制成的外壳；

-每个所述构件包括用双马来酰亚胺预浸渍的碳制成的外壳；

-每个所述构件包括在模制和烘烤之后已经经历了机械加工的外壳，其中机械加工为所述构件提供预定尺寸且为所述外壳提供预定表面条件；

-密封装置包括O形密封垫；

-密封装置包括硅橡胶制成的可膨胀O形密封垫；

所述工具包括用于放置在所述外壳侧的所述构件的连接处的防漏插件。

本发明的目的还可以通过用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料制工具的制造方法实现，所述工具包括一组构件，其中每个构件形成所述工具的一圆柱扇形段。

根据本发明，所述方法至少包括以下步骤：

制造预定数量的具有纤维复合材料制支承结构的构件，

在所述支承结构上模制外壳，

烘烤所述构件，

对每个所述构件的所述外壳进行机械加工，以给每个所述构件提供预定的尺寸以及给所述外壳提供预定的表面条件。

所述工具的外壳扇形段由基于用树脂预浸渍且沿着准等褶皱面(quasi-iso draping plane)沉积的碳纤维网的复合材料构成。

当预浸渍通过工具树脂完成时，对于所述外壳而言，不可能通过模制所需的形位公差直接获得，也不允许为了确保所需表面粗糙度和密封性的满意表面的通过机械加工的任何改造。由于这个理由，所述外壳覆盖一层

型的复合材料层，所述

型复合材料层来自于Hexcel，此种复合材料具有在表面粗糙度和密封方面的优异性能。

有益地，所述外壳制成为具有1-2mm的额外厚度，以便制成的肋部在制造和检测第一个部件后可以进行再加工。所述外壳的建议厚度为约10mm。

在附图中，序列图示出了本发明的工具的不同构件或者瓦片从用此种工具制造的部件去除的运动。尤其是，其中看出使用本发明的此种设计，逐个释放(使自由，使活动)并抽出所述构件是可能的。在上述序列的任何时刻，不同构件的外壳的表面都不会切割制成的部件的表面。用于执行此型芯移除操作的方法应该当然适合于所述工具的使用并适合于所需的生产率。

由于所述工具的密封的实现被认为对于待生产的部件的质量来说是必不可少的，因此此种密封适合于保持多个圆柱扇形段以确保型芯的移除的思想，以及适合于用于制造所述部件的方法。

在本发明范围内的解决方案包括使用两个O形密封垫，该两个O形密封垫设置在距离每个构件的外壳一定距离和不同层面处。使用双O形密封垫的解决方案，使得持续地检测密封屏障的有效性成为可能。另外，以这种解决方案，在制造复合部件的方法中校正真空度的变化是可能的。

另外，使用充有氟橡胶或硅橡胶的O形密封垫是可能的，因为氟橡胶或硅橡胶供高温下使用，比如在高压釜中。然而，由于设想的角色，在制造圆柱复合部件的每轮操作中不提供所述密封是可能的。由于这种原因，优选的是采取可膨胀硅橡胶O形密封垫。

在制造所述部件期间受压最大的是里面的O形密封垫，因为一方面其承受所述高压釜的压力，该压力约为8巴，并且另一方面其承受真空度，该真空度约为50毫巴。在这样的条件下，例如可以使用16mm外径的两个管状可膨胀密封垫。用于容纳这些密封垫的凹槽相对地被加工出来，以便不削弱外壳，这一点已在所述附图中示出。有益地，里面的密封垫应该能够充气到约10巴的压力。

可膨胀密封垫的使用提供了对于本发明的所述工具而言所需的密封性。然而，这种使用对每个构件的外壳和所述支承结构的尺寸不无影响。实际上，所述可膨胀密封垫导致非常巨大的压力作用到外壳的纵向壁上。实际上，考虑到密封垫的压力作用到凹槽的50％上，在长度为6000mm的外壳的边缘产生的力约为50,000N。根据外壳的几何形状，这些力在应该具有作为结果的尺寸的支承结构中产生扭转和弯曲的力矩。

通过将所述密封垫内的空间充气到8巴的压力，在部件进入高压釜之前，对有关所述高压釜中的压力密封的强度的有效性进行有益的检查。

为了确保聚合反应期间保持真空度，管理两个相邻构件的外壳与可膨胀密封垫以及真空盖体之间的界面也是非常重要的。为此，一个可能的办法包括在两个相邻的构件的连接处、在所述外壳的端部放置防漏插件，该防漏插件允许被真空盖体盖住的所述可膨胀密封垫通过。

本发明的所述工具具有以下优点：

本发明的所述工具为一种经济的解决方案，用于制造可得到的大尺寸工具来制造具有非常高的几何精度的特大尺寸的复合结构的部件；

本发明的所述工具包括用环氧树脂预浸渍的碳纤维制成的结构，允许低温聚合，其次是后烘烤；

本发明的所述工具包括用环氧树脂或者聚酰亚胺树脂尤其是用双马来酰亚胺预浸渍的碳纤维制成的涂层，以便所述工具的表面可加工而不会出现变形并且同时保留所述材料的均一性和密封性；

所述工具可以根据一个简单的程序进行修理，该程序可以单独应用于所述工具的每个构件；

所述工具的表面材料的韧性使得所述工具可以使用几百个周期；

利用本发明的所述工具的架构，其中通过该架构所述工具的中央部分是完全自由的，可以提供所述工具的所述构件的操作的机械化，以促进所述型芯的移除操作以及所述型芯的重新组装操作并因此缩短大规模生产时这些操作的持续时间。

附图说明

本发明的其他特点和优点从以下本发明的所述工具的实施例中将变得明显。说明参照附图进行，其中：

图1-8示出根据本发明的优选实施例及其拆解运动，也就是：

图1示出具有自由的以便于抽出的第一构件的所述工具；

图2示出本发明的所述工具的第一构件抽出的状态；

图3示出自由的以便于抽出的第二构件的所述工具；

图4示出本发明的所述工具的第二构件抽出的状态；

图5示出具有最后三个构件的工具，其中倒数第三个构件被释放以便于抽出；

图6示出本发明的所述工具的倒数第三个构件被抽出的状态；

图7示出具有最后两个构件的工具，其中倒数第二个构件被释放以便于抽出；

图8示出本发明的所述工具的倒数第二个构件被抽出的状态；

图9从本发明的所述工具的构件的外壳侧单独示出所述构件；

图10示出图9中所述构件的横截面图；

图11示出本发明的所述工具的两个相邻构件之间的接合处；以及

图12示意性地示出本发明的工具中的防漏插件的定位。

具体实施方式

图1示出用于制造复合材料圆柱形部件，例如用于制造航空器的机身构件，的复合材料制工具。本身被制成轴对称的圆柱形构件的所述工具旨在用来形成型芯，待制造的圆柱形部件将形成在所述型芯上。

根据本发明，所述工具包括7个构件，其中的每个构件形成所述工具的一个扇形段。所述构件1相互一致，以沿着待制造的部件的周边被保持成防漏的接触状态。

有益地，当问题是要制造轴对称的圆柱形部件或者是具有接近轴对称圆柱体形状的部件时，本发明的所述工具的所述构件1全部彼此相同或者相似。

然而，本发明还适用于利用它可制造具有非圆形截面的管状部件的复合材料制工具。

为此，构件的数量以及，如果必要的话，他们的形状对于每个工具单独确定。

如图1-8的序列所示，所述构件1相互一致以不仅能够形成圆柱形模型，而且它们还可以朝向所述工具的内部单独地挨个被释放(即，变得自由或变成活动的)以及可以在不妨碍制成的部件的情况下被移除。

图1-8的序列因此示出了对于本发明的所述工具的四块所选择的构件1，所述构件如何朝向所述工具的内部被释放并且接着从所述工具中并且因此从制成的部件内部抽出。

容易设想的是，为了处理每个构件，并且这既为了拆解所述模型又为了重新装配所述模型，水力的或不同的机械化手段可以被用来操作每个构件。此外，不得不为机械化手段作规定(或者不)，这允许所述构件一个接一个的被保持住直到所述工具变成完整的。

本发明的完整的工具的形状可以容易地从图1中推知；所述完整的工具在图中没有被单独示出。图1示出本发明的所述工具，其中第一构件1从所述工具的周边释放，以从制成的部件(未示出)内部抽出。图2示出所述第一构件正被抽出。

图3和图4分别示出所述第二构件处于正被释放的位置和正被从制成的部件的内部抽出。

图5和图6分别示出本发明的所述工具的最后三个剩余构件，其中所述7个构件中的第五个构件处于被释放位置且正被抽出。

以及图7和图8示出本发明的所述工具剩余最后两个构件时接下来的步骤。图7示出倒数第二个构件处于被释放位置以及图8示出倒数第二个构件正被抽出。

图9单独地示出了构件1的透视图，其中示出了构件1的凸出面，即意欲翻转以朝向待制造的部件的面。更具体地，从此图中可以看出所述构件1的表面具有所有需要的沟槽或者凸出部并且根据规定的几何形状来定位，以使得在待制造的部件的内表面上形成肋部或凹进部。

图10示出本发明的所述工具的相对于对称轴线的截面图。更具体地，其中看出所述构件1包括由纤维复合材料制的支承结构2，且在所述支承结构2上的模制外壳3。在附图中示出的根据所述实施例的支承结构2包括具有依照从所述部件的最终形状推知的形状的外壳2、具有矩形截面的U型梁21、位于所述梁21下部的至少一个横向隔离部22、位于所述梁21的开口端的纵向外壳23以及在所述构件1的整个宽度上以及由所述梁3的弯曲部分限定的高度上延伸的横向外壳24。

图11示出两个相邻构件1之间的连接。在所述结构2以及模制外壳3的侧折返部内，两个O形密封垫11，12放置在彼此相对且在径向上彼此偏移的凹槽13，14中。通过本发明的这种布置，所述两个密封垫11，12每一个对相邻的构件的结构施加压力。作为一个例子，可以使用具有约16mm的可膨胀密封垫以及为了不削弱所述结构，凹槽13，14二者交替地配置在每个相邻的瓦片上。

出现在每个所述构件的外壳上的介于相邻构件1之间的空隙15有利于填充环氧树脂。然而，考虑到所述制得部件烘烤期间作用的气压，该空隙15的“填充”不提供任何密封功能。因此所述密封功能完全由两个环形可膨胀密封垫11，12实现。实际上，作为一个例子，在高压釜中制造所述部件期间，作用到所述构件1内侧的压力约为8巴，然而在外壳侧，一盖体通过它施加到待制造的部件上作为反模的真空度只有约50毫巴。由于这些压力情况，里面的密封垫12被膨胀到高压釜的压力与作用在盖体上的真空压力之间的压力差的125％，即约为10巴。

由于所述环形可膨胀密封垫11，12仅仅提供两个相邻构件在其纵向延伸方向上的连接处的密封，所述外壳端部的密封应该通过另外的手段提供。这里为这样的另外手段建议的解决方案包括在所述外壳端部的两个相邻构件的连接处放置防漏插件。

图12示意性地示出本发明的工具中防漏插件31的布置。

所述插件31为直角部件，例如用硅橡胶制成，其中直角部件利用其两个翼板中的、位于两个相邻构件1，1的外壳上的标号为31A的一个翼板、和相对于所述外壳横置且位于外壳端部的标号为31B的另一个翼板定位。所述插件31的翼板31A用真空盖体盖住且通过保持所述盖体的板32保持定位，且所述翼板31B用保持所述插件的板33保持。

所述插件31还包括两个孔34，35，所述两个孔34，35面对两相邻构件1，1的凹槽13，134。这些孔使得所述O形密封垫11，12露出且使它们与高压空气源相连，从而能够在预定压力下使所述两个密封垫中的每个密封垫膨胀。

Claims (10)

1、一种用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料制工具，所述工具用于形成所述圆柱形部件将形成于其上的型芯，其特征在于，所述工具包括一组构件(1)，其中每个构件(1)形成所述工具的一圆柱扇形段，每个所述构件(1)包括：纤维复合材料制支承结构(2)；和模制在所述支承结构(2)上的外壳(3)，所述工具进一步包括用于放置在所述工具的构件(1)之间的连接处的密封装置(11，12)。

2、根据权利要求1所述的工具，其特征在于，每个所述构件(1)包括碳纤维复合材料制支承结构(2)。

3、根据权利要求1或2所述的工具，其特征在于，每个所述构件(1)包括用预浸渍环氧树脂的碳制造的外壳(3)。

4、根据权利要求1或2所述的工具，其特征在于，每个所述构件(1)包括用聚酰亚胺结构树脂预浸渍的碳制造的外壳(3)。

5、根据权利要求4所述的工具，其特征在于，每个所述构件(1)包括用双马来酰亚胺预浸渍的碳制造的外壳(3)。

6、根据权利要求1-5中任一项所述的工具，其特征在于，每个所述构件(1)包括在模制和烘烤后、经过机械加工的外壳(3)，所述机械加工为所述构件(1)提供预定尺寸且为所述外壳(3)提供预定的表面条件。

7、根据权利要求1-6中任一项所述的工具，其特征在于，所述密封装置包括O形密封垫(11，12)。

8、根据权利要求1-6中任一项所述的工具，其特征在于，所述密封装置包括硅橡胶制成的可膨胀O形密封垫(11，12)。

9、根据权利要求1-8中任一项所述的工具，其特征在于，所述工具包括用于放置在所述外壳(3)的侧面上的所述构件(1)的连接处的防漏插件。

10、一种用于制造复合材料圆柱形部件的复合材料制工具的制造方法，所述工具包括一组构件(1)，其中每个构件形成所述工具的一圆柱扇形段，其特征在于，所述制造方法至少包括下述步骤：

制造预定数量的构件(1)，所述构件(1)包括纤维复合材料制支承结构(2)，

在所述支承结构(2)上模制外壳(3)，

烘烤所述构件(1)，

对每个所述构件(1)的所述外壳(3)进行机械加工以为每个所述构件(1)提供预定的尺寸以及为所述外壳(3)提供预定的表面条件。

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