CN101802241A - 包括由复合材料制成的嵌件的机械部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造机械部件(10、110)的方法，所述机械部件包括至少一个由金属基体复合材料制成的嵌件(3)，基体陶瓷纤维在所述嵌件中延伸，通过多根带涂层纤维丝(32)获得所述复合材料嵌件(3)，每根陶瓷纤维涂覆有金属护套，所述方法涉及利用围绕旋转部件(2、202)缠绕成粘合卷或束的带涂层纤维丝(32)的步骤来制造嵌件(3)预成型件(33)。根据本发明，沿着至少一个直线方向完成至少一部分缠绕。所述方法还包括：将所述嵌件(3)预成型件(33)插入到第一容器(4)中的步骤；对所述第一容器(4)进行热等压压缩的步骤；以及加工所述第一容器(4)来形成直线嵌件(3)的步骤。本发明还涉及由此获得的机械部件(10)和设计为实施根据本发明的制造方法的缠绕装置(20)。

Description

包括由复合材料制成的嵌件的机械部件
技术领域
本发明涉及包括由金属基体中的陶瓷纤维型复合材料制成的嵌件的机械部件，涉及制造该机械部件的方法，并且涉及设计用于实施该制造方法的缠绕装置。本发明适用于任何一种其目的在于在一个方向上传递张力和/或压力的机械部件。
背景技术
尤其在航空工程领域中，存在持久的动力来优化机械部件的强度以实现最小的重量和尺寸。因此，一些机械部件可以具有由金属基体复合材料制成的嵌件，从而可以将这些部件制成为一个部件。这种复合材料包括例如由钛(Ti)合金制成的金属合金基体，诸如陶瓷碳化硅(SiC)纤维之类的纤维在这种基体内延伸。与钛相比，这种纤维具有高得多的抗张强度和压缩强度。因此，主要是纤维对负载载体做出反应，金属合金基体用作与部件中的其它部分连接的粘合剂，以及保护纤维和隔离纤维，使纤维不与其它纤维接触。此外，陶瓷纤维抗腐蚀，但是重要的是用金属来增强陶瓷纤维。
已知上述复合材料在航空工程领域用于制造盘、轴、动力气缸的主体、壳体、支柱，或者用于增强例如叶片等单件部件。
在文献FR 2886290中描述了制造这些部件的一种技术，该文献代表本发明的技术背景，其中记载了制造过程的主要步骤包括围绕与旋转轴线垂直的旋转圆形部件缠绕带涂层纤维丝束或卷。以这种方式获得的所述部件具有圆形类型并且主要适于制造例如轴、动力气缸的主体、壳体或盘等圆形部件。
然而，有些机械部件需要一些不同于圆形部件所呈现出的特性。对于形状大致为椭圆形、目的在于在一个方向上传递张力和/压力负载的杆而言尤其如此。
发明内容
本发明的一个具体目的是提供一种制造这种机械部件的方法，所述机械部件包括至少一个由金属基体中的陶瓷纤维类型的复合材料制成的嵌件，该机械部件能够在端部之间沿着一个方向传递张力和/或压力。
为了实现该目的，本发明涉及一种制造机械部件的方法，该金属部件包括至少一个由金属基体复合材料制成的嵌件，基体陶瓷纤维在所述嵌件中延伸，通过多根带涂层的纤维丝获得所述复合材料嵌件，每根陶瓷纤维涂覆有金属护套，该方法涉及利用围绕旋转部件缠绕成粘合卷或束的带涂层纤维丝的步骤制造嵌件预成型件。根据本发明，沿着至少一个直线方向完成至少一部分缠绕。该方法还包括：
将所述嵌件预成型件插入到第一容器中的步骤；
对所述第一容器进行热等压压缩的步骤；以及
加工所述第一容器来形成直线嵌件的步骤。
一旦制造出嵌件，在制造机械部件的方法之后执行如下的步骤：
将所述嵌件插入到第二容器中的步骤；
对所述第二容器进行热等压压缩的步骤；以及
加工所述第二容器来形成机械部件的步骤。
由此获得的例如杆等的机械部件有利地能够沿一个方向传递张力和/或压力。
本发明还涉及特定地设计为实施根据本发明的制造方法的缠绕装置。
附图说明
在参考附图阅读下文的详细说明之后，将容易地理解到本发明的其它优点和特征，其中：
图1是根据现有技术的机械部件的一个实例的透视图；
图2是根据本发明第一实施例的缠绕装置的一个实例的透视图；
图3是根据本发明制造方法获得的嵌件预成型件的一个实例的透视图；
图4是第一容器和金属盖的嵌件预成型件的一个实例，该第一容器用于容纳嵌件预成型件，金属盖用于密封所述容器和嵌件预成型件；
图5是在根据本发明第一实施例的制造方法的一个步骤中获得的中间部件的一个实例的透视图；
图6是嵌件、第二容器和金属盖的一个实例，第二容器用于容纳嵌件预成型件，金属盖用于密封所述容器和嵌件；
图7是根据本发明的制造方法获得的机械部件的一个实例的透视图；
图8是本发明制造方法的可选形式；
图9是根据本发明制造方法的可选形式获得的机械部件的一个实例的剖视图；
图10是根据本发明制造方法的可选形式获得的机械部件的实例的透视图；
图11是根据本发明第一实施例的嵌件预成型件的示意图；
图12是根据本发明第二实施例的嵌件预成型件的示意图；
图13是根据本发明第三实施例的嵌件预成型件的示意图；
图14是根据本发明第三实施例的缠绕装置的一个实例的示意图；以及
图15是包括根据本发明机械部件的底架的透视图。
具体实施方式
本发明利用在文献FR 2886290中描述的制造包括由复合材料制成的嵌件的机械部件的技术作为背景。因此，考虑将上述文献的教导合并到本申请中，例如非限制性地合并带涂层纤维丝的结构、制造这种结构、制造成粘合卷的带涂层纤维丝、将这卷纤维丝固定到缠绕至的金属支撑件或者下层卷上、纤维丝的激光焊接或通过使两个电极接触将纤维丝焊接在一起、热等压压缩和加工。
图1示出机械部件的一个实例，例如整体形状为椭圆形(即细长形状)的杆1。该杆具有两个端部13和14。杆1的目的是在绕平行轴线Z1和Z2与杆的端部铰接的两个部件之间传递运动和/或张力T和/或压力C。杆1的每个端部13和14分别具有圆柱形凹口11和12，凹口11和12的轴线对应于平行轴线Z1和Z2。这种类型的杆1可以用于例如设计底架或者用于包括推力杆的涡轮机。
图2示出了根据本发明第一实施例的缠绕装置20的实例。在该实例中，缠绕装置20尤其适用于制造诸如杆之类的机械部件10或110的嵌件3。该缠绕装置20包括：旋转部件2，其是中空的，具有椭圆形状并用作心轴；以及两个端板21和22，其具有椭圆形状并且大致相同。旋转部件2具有回转几何构形，所述回转几何构形说明一种用来描述闭合结构(通常为弯曲的)的几何构形。端板21和22的尺寸大于旋转部件2的尺寸，这意味着每个端板21和22的边缘27在旋转部件2的边缘外延伸。旋转部件2夹在端板21和22之间。在缠绕装置20围绕缠绕轴线Z旋转时纤维丝32缠绕到旋转部件2上。端板21和22在轴向上保持带涂层纤维丝32并缠绕上纤维丝。
缠绕装置20属于形成缠绕系统的组件。缠绕系统还包括使缠绕装置20旋转的装置、以及供应成粘合卷或束的带涂层纤维丝32的装置。
旋转装置2包括两个直线缠绕部分24。这些直线缠绕部分24定向为与缠绕轴线Z垂直。这样，纤维丝32围绕旋转部件2的至少一部分缠绕是沿着直线方向的。垂直于缠绕轴线Z进行带涂层纤维丝32的缠绕，换句话说，带涂层纤维丝32定向为与缠绕轴线Z大致垂直。
在图2所示的实例中，这些直线缠绕部分24是平行的并且安装在两个圆形部分25之间。可以根据所需嵌件3的尺寸改变旋转部件2的尺寸，尤其是沿轴向Z的厚度、直线缠绕部分24的长度、以及圆形部分25的曲率半径。圆形部件25还可以具有不同的半径。这样，直线缠绕部分24可以是不平行的。
围绕包括直线缠绕部分24的旋转部件2进行缠绕可以在短时间间隔内制造嵌件3预成型件33，该预成型件具有至少一个由许多平行单向带涂层纤维丝32构成的直线母体(generatrix)。
一旦完成缠绕，嵌件3预成型件33则可以通过使端部21和22彼此脱离而从缠绕装置20上移除。这样形成的嵌件3预成型件33的形状需要设定成防止纤维丝32无法维持取向。存在多种可以用于实现该目的的技术。
用于保持嵌件3预成型件33的形状的第一种技术是在开始缠绕时提供缠绕将嵌件3预成型件33的内部固定的第一金属箔的步骤并且在缠绕结束时提供将嵌件3预成型件33的外部固定的第二金属箔28的步骤。在该实例中，第一金属箔构成旋转部件2。因此，如图3所示，带涂层纤维丝32置于箔2和28之间。
此外，如图2所示，各个端部21和22在其边缘27上具有沟槽23。端板21的各个沟槽23设置成朝向端板22的沟槽23，从而形成一对沟槽23。通过使沟槽23的尺寸朝向端板21和22的内侧延伸深度d，而使金属带31的安装更容易。沟槽23的深度d必须为可以接触旋转部件2的中空内侧29的深度，中空内侧29围绕缠绕装置20的轮轴(在图2中未示出)设置，该轮轴包括交替布置的沟槽和齿，轮轴的沟槽与端板21和22的沟槽23对准。深度d延伸超过了旋转部件2的缠绕表面。
各对沟槽23用于允许安装金属带31。金属带31由与容器4和104(结合图4和图6描述)以及旋转部件2的材料相同的金属材料制成。金属带31借助接触焊接工序固定在嵌件3预成型件33周围。金属带31沿着经缠绕的嵌件3预成型件33以固定的间隔进行设置。
一旦已经缠绕了嵌件3预成型件33并且安装了金属带31，可以通过使端板21和22彼此脱离，从缠绕装置20上移除该预成型件。在图3中示出了由此获得的嵌件3预成型件33的实例。嵌件3预成型件33由椭圆形的旋转部件构成，该旋转部件包括安装在两个圆形部分35之间的两个直线平行部分34。
用于保持嵌件3预成型件33的形状的第二种技术在于提供形成细长心轴的旋转部件2，该心轴包括至少一个具有例如L形或U形横截面的缠绕有纤维丝32的径向轮缘，该技术并不涉及使用金属带31。在使用成粘合卷的带涂层纤维丝32时，可以利用将两个电极之间接触焊接的方法并且通过流经中频电流将纤维丝固定到其缠绕在上面的旋转部件2和下层卷上。这样，随着缠绕的进行，纤维丝32焊接在一起，这意味着在从缠绕装置20上移除嵌件3预成型件33时，嵌件3预成型件33与旋转部件2形成为一个部件。
然后，如图4所示，将嵌件3预成型件33插入到第一容器4中。因此，第一容器4包括具有与嵌件3预成型件33互补的形状的凹槽41，并且嵌件3预成型件33容纳在凹槽41中。盖5借助电子束焊接法附接到第一容器4上，被抽空，然后利用热等压压缩工序来进行压缩。如图5所示，这样得到的部件容纳嵌件3预成型件33。在描述旋转的嵌件3预成型件33中，对传递单向张力和/或压力做出最有效贡献的部件是带涂层纤维丝32的直线部分34。跟随在热等压压缩工序之后的是用于取出至少一个形成嵌件3的直线部分34的加工步骤。
如图6所示，然后将在加工步骤之后获得的嵌件3插入到第二容器104中。因此，第二容器104具有形状与嵌件3互补的凹槽141，并且在凹槽中容纳嵌件3。盖105借助电子束焊接法安装到容器104上，被抽空，然后利用热等压压缩工序来进行压缩。在图6中，嵌件3平行地布置在第二容器104中。根据最终期望的机械部件的形状，也可以将嵌件3布置成不平行的。根据最终期望的机械部件10的尺寸，也可以仅将一个嵌件3插入容器104中。
然后，如图7所示，对整体进行加工从而完成机械部件10，即杆10。形状与图1的杆1的形状相同的杆10还包括由复合材料制成的多个嵌件3，嵌件3的纤维丝32定向在直线方向上。该直线方向与轴Z1和Z2垂直。该杆10能够有利地传递单向张力和/或压力。嵌件3的所有纤维丝定向在同一直线方向上。
本发明应用于功能主要是在一个方向上传递张力和/或压力的任意类型机械部件，因此本发明不仅仅限于杆，杆仅仅是一个申请实例。
根据本发明的可选形式，机械部件可以具有更复杂的形状并且包括多个嵌件3，每个嵌件3均包括定向在直线方向上的纤维丝32。在如图8所示的实例中，通过使用如下第二容器104来改变制造方法，该第二容器104在两个相对的表面142上包括用于容纳嵌件3的凹槽141。在热等压压缩和加工之后，由此获得的机械部件110(在图9中示出)包括嵌件3。嵌件3设置在机械部件110的中平面P1的各侧。嵌件3设置在彼此成非零角度α的平面P2和P3内。图10是由此获得的机械部件110的透视图。该机械部件110同样可以具有用于减少重量的凹陷部15。
根据本发明的第二实施例，如图12所示，使用包括比第一实施例中的部件的直线缠绕部分长的直线缠绕部分34的旋转部件2。这样，可以提取和制造更多数量的嵌件3。为如，切割预成型件133，从而从一个预成型件以及预成型件133的同一直线部分34提取出多个嵌件3。
图11对应于本发明的第一实施例。
根据本发明的第三实施例，可以通过使用多边形旋转部件233来获得许多嵌件3，也就是说，旋转部件220包括多个直线缠绕部分224。图13示出根据该第三实施例获得的嵌件3预成型件233的一个实例。以实例的方式描述的多边形预成型件233是包括6个直线部分34和12个切割平面36。可以利用多于或少于6条边的多边形获得除了6个以外的多个嵌件。
为了获得这种预成型件，需要使用包括多边形形状的旋转部件202的缠绕装置220，优选地，该旋转部件202可以夹在两个多边形端板221和222之间。如图14所示，根据本发明的第三实施例的缠绕装置220具有与本发明的第一实施例的缠绕装置20相同的特征，这是因为缠绕装置220在边缘227上具有沟槽223并且多边形旋转部件202的内侧229是中空的，其操作相同。
这些机械部件10或110尤其适用于航空应用，例如适用于飞行器的底架或涡轮机。
在图15中示出底架6的实例。底架6包括构成主要结构部件的箱61、以及臂62。臂62主要用于在一个方向上传递张力和/或压力。因此，臂62可以构成根据本发明的机械部件而无须真正形成杆110。在该情况下，在臂62中容纳嵌件3。

Claims (19)

1.一种制造机械部件(10、110)的方法，所述机械部件包括至少一个由金属基体复合材料制成的嵌件(3)，基体陶瓷纤维在所述嵌件中延伸，通过多根带涂层纤维丝(32)获得所述复合材料嵌件(3)，每根陶瓷纤维涂覆有金属护套，所述方法涉及利用围绕旋转部件(2、202)缠绕成粘合卷或束的带涂层纤维丝(32)的步骤来制造嵌件(3)预成型件(33)，其中，沿着至少一个直线方向完成至少一部分缠绕，所述方法还包括：
将所述嵌件(3)预成型件(33)插入到第一容器(4)中的步骤；
对第一容器(4)进行热等压压缩的步骤；以及
加工第一容器(4)来形成直线嵌件(3)的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造机械部件(10、110)的方法，所述方法还包括下列步骤：
将所述嵌件(3)插入到第二容器(104)中的步骤；
对所述第二容器(104)进行热等压压缩的步骤；以及
加工所述第二容器(104)来形成机械部件(10)的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
所述旋转部件(2、202)包括至少一个直线缠绕部分(24)。
4.根据权利要求3所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
所述旋转部件(2)具有两个直线缠绕部分(24)。
5.根据权利要求4所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
所述两个直线部分(24)安装在两个圆形部分(25)之间。
6.根据权利要求5所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
所述两个圆形部分(25)具有不同的半径。
7.根据权利要求4或5所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
所述直线部分(24)是平行的。
8.根据权利要求3所述的制造机械部件(10、110)的方法，其中，
围绕多边形形状的旋转部件(202)进行缠绕。
9.一种机械部件(10、110、62)，其包括至少一个由金属基体复合材料制成的嵌件(3)，基体陶瓷纤维在所述嵌件中延伸，通过多根带涂层纤维丝(32)获得所述复合材料嵌件(3)，每根陶瓷纤维涂覆有金属护套，其中，所述嵌件(3)包括定向在直线方向上的纤维丝(32)。
10.根据权利要求9所述的机械部件(110)，包括：
设置在所述机械部件(10)的中平面(P1)的各侧上的至少两个嵌件(3)。
11.根据权利要求10所述的机械部件(110)，其中，
所述两个嵌件(3)设置在彼此成一定角度(α)的平面(P2、P3)内。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的机械部件(10、110)，所述机械部件构成杆。
13.一种底架(6)，包括根据权利要求9至12中任一项所述的至少一个机械部件(10、110、62)。
14.一种涡轮机，包括根据权利要求9至12所述的至少一个机械部件(10、110)。
15.一种飞行器，其包括根据权利要求9至12中任一项所述的机械部件、根据权利要求13所述的底架、或根据权利要求14所述的涡轮机。
16.一种缠绕装置(220)，包括围绕轴线(Z)的旋转部件(202)并且围绕所述旋转部件(202)可以缠绕部件纤维丝(32)，其中，所述旋转部件(202)的形状为多边形。
17.根据权利要求16所述的缠绕装置(220)，包括两个多边形端板(221、222)，所述多边形旋转部件(202)夹在所述两个端部(221、222)之间。
18.根据权利要求17所述的缠绕装置(220)，其中，
各个端部(221、222)在边缘(227)处具有沟槽(223)。
19.根据权利要求18所述的缠绕装置(220)，其中，
所述旋转部件(202)包括中空内侧(229)，沟槽(223)的深度使得能够接触所述旋转部件(202)的中空内侧(229)。
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