CN102066094A - 制作有机基体复合材料结构部件的方法及其部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制作结构件的方法，所述结构件采用有机基体复合材料制成，这种方法包括：制作纤维结构(9)；在芯轴(3)上编织纤维材料的粗纱，芯轴(3)在轴向(XX)延伸端上包括增强件(5，7)；将预制件用有机树脂浸渍；并固化有机树脂。所述增强件具有孔(5’，V)，孔的轴线垂直于容纳连接构件的轴线(XX)，其特征在于，销钉(30)布置在增强件(5，7)的至少部分表面上，该表面位于所述孔(5’，7’)的每一侧，销钉部分突出，编织围绕销钉进行，这样，粗纱便围绕这些销钉至少部分地彼此成十字形交叉。

Description

制作有机基体复合材料结构部件的方法及其部件
技术领域
本发明涉及一种有机基体纤维复合材料制成的结构部件，主要用于航空航天领域。
背景技术
在航空航天领域，已经开发应用纤维增强复合材料，因为这种材料制作的部件，其重量要比使用金属材料轻得多，并可以使得装配这种部件的结构件得到简化；特别是，部件的数量也可以减少。所述部件的获得可以通过如下方法：通过成圈地缠绕预浸树脂的纤维，然后在对这些树脂进行固化；或者使用干纤维生产预制件，然后将这些干纤维浸渍树脂并置入模具内，模具为真空，以低压将树脂注入模具内。
本发明涉及采用至少部分干纤维制作部件。纤维部件一般都是小直径纤维以粗纱或成股地扎束在一起而形成。例如，纤维可以采用碳、玻璃或诸如芳纶的材料制成。
制作结构部件(例如可能带或可能不带空心体的联杆)的一个方式是，通过沿芯轴缠绕、交织、编结或编织干粗纱来构成纤维结构，芯轴的整体外形为将要制造的部件外形。纤维结构可以为一层或多层构成，或者可以为三维形式，这取决于所需要的特性，例如强度。由芯轴和覆盖芯轴的纤维结构组成的组件然后浸渍树脂，树脂在固化后会形成含有纤维成分的基体。芯轴可以从所形成的预制件中撤出或清除，或者如果很轻的话也可以留在里边。所获得的预制件可以是空心的，也可以不是空心的，可能是轴向对称形状或旋转形状或其它形状。然后进行机加工，并酌情安装附件以形成最后的结构件。
如果该部件将要和其它部件装配在一起以形成一个结构件时，那么，可以提供预制件本体的壁的一个或多个纵向延伸段，从而形成端部附件，该端部附件与结构件的其它元件形成接合部分，该结构件的其它元件与待结合件相结合。一旦预制件固化后，可在延伸部分上打孔并可进行刻槽，从而获得端部附件。端部附件上的孔也可以安排在开始制作时进行成形。
申请人(公司)已经提出了一种在复合结构件上制作一个或多个端部附件的新方法。FR 2893532号专利申请介绍了在这种结构件上制作端部附件的工艺方法，这种结构件至少局部采用大量主夹层复合纤维制成。
申请人(公司)现在的目标是，提出一种在复合结构件上制作一个或多个端部附件的新方法，即，在芯轴上编织纤维材料并将最终形成的预制件浸渍有机树脂。
美国US 6890470号专利公开了一种纤维复合材料结构件的制作方法。相纱形式的纤维材料可以在双芯轴上采用自动环形编织方式，可以在两层之间采用预先编织增强层；其中一个芯轴被撤除；然后，将未编织部分制成一定形状，例如凸缘形状，使用已知RTM技术浸渍树脂；而后从已经得到的预制件中去除第二个芯轴。在另一种形式的实施例中，纺织增强部分布置在朝向预制件一个纵向端部的各个编织层之间。该端部是敞开的，在预制件的壁上形成两个延伸，预制件的延伸部分构成了结合部，以便将构件连接到另一个结构件上。这种解决方案包括制作一种双端部附件，或者由预制件的壁形成的轭架。
人们已知美国的US4704918号专利，该专利涉及一种力传输杆，包括纵向芯轴和端部的增强件。整个组件都是用浸渍树脂的纺织覆盖层覆盖。横向布置在增强件上的销钉抓着覆盖层。增强件在螺纹孔内终结，该螺纹孔指向传输杆的轴线，以便连接构件通过旋入螺丝而固定。
发明内容
本发明提出了一种制作与结构件相连结的新方法，这种方法提高了在连接区有效承受压力和拉伸负载的能力，同时，制作简单方便。
根据本发明，带有端部配件的结构件的制作方法，涉及制作构成预制件的纤维结构，即，在轴向延伸带有增强件的芯轴上编织纤维材料粗纱，将纤维结构浸渍有机树脂，并固化有机树脂，构成所述端部附件的所述增强件带有孔，该孔的轴线垂直于容纳连接构件的芯轴的轴，该端部配件由有机基复合材料制造。该方法的特征在于，销钉(pin)布置在增强件的至少部分表面上，该表面位于所述孔(5’，7’)的每一侧，销钉部分伸出，编织围绕销钉进行，这样，纤维结构的粗纱便围绕这些销钉至少部分地彼此成十字形交叉。
对于像起落架联杆这样的部件，增强件布置在芯轴的每一端。
增强件优选包括纤维材料，而且，特别是，增强件采用浸渍有机树脂的纤维材料制成。
根据一个实施例，增强件为一种带有矩形或椭圆形横截面的块体。
端部附件穿有孔，该孔用来容纳诸如环形体中销钉的部件，以便与结构件的其它某个部件相连接。就与增强件相接触的环形体的部件来讲，安装在端部附件上的连接构件环形体和预制件编织物的纤维之间的载荷通过端部附件增强件和基体之间、及接着在基体和纤维结构纤维之间的连续剪切而传递。为了改善该部件在承受拉力或压力时的机械完整性，通过销钉将装置固定到位，以确保载荷在连接构件和编织纤维结构的纤维之间直接传递，这样，就增强了编织纤维结构和增强部件之间的结合力。
优选地，销钉布置成网格式样，销钉之间的间隔可容纳至少一个粗纱和交叉的两个粗纱。销钉的高度至多等于编织物的高度。
增强件上的销钉位于芯轴和孔区之间的第一区域，以便提高完整性，并促进压力载荷的传递；或者位于孔相对于芯轴的另一侧的第二区域，目的是改善完整性，促进拉伸载荷的传递；或者位于所述第一区域和所述第二区域内。
根据另一个特性，销钉采用金属或碳制成。
附图说明
下面参照一个实施例的附图详细介绍本发明，附图如下：
图1为根据本发明预制件轴向剖面示意图；
图2为根据本发明用于制作预制件的芯轴；
图3示出了根据本发明一个实施例的图2中其上布置有销钉的芯轴；
图4示出了通过图3所示芯轴制作的预制件；
图5为消除芯轴后获得的部件；
图6为编织安装示意图；
图7示出了编织物粗纱相对于销钉的相对布置情况，所示销钉固定到端部附件增强件上；
图8为图7中8-8平面的端部附件放大剖面图；
图9为图7中9-9平面的端部附件放大剖面图。
具体实施方式
如图1所示，航空领域的结构件(例如起落架联杆)是采用预制件制成的，该预制件由芯轴3组成，芯轴的外形与最终部件的外形相似。这是本发明的一个典型实施例。这个实施例是非限定性的。该芯轴为圆柱形，卵形外形，带有主轴线XX，以及呈圆形端部是封闭的。这是一个辅助件，通过这个件来模制出最终部件。一旦其完成了内部模制部件的功能之后，应能很容易地撤除。例如，材料可以是流态化的并能撤除的。然而，根据情况，例如，如果非常轻的话，也可留在原处，无需去除。特别是，它可以采用树脂浸渍纤维材料制成。芯轴的长度是最终部件的长度，不包括结合部位。
增强件5和7分别布置在芯轴3两端。这种增强件大体上呈六面体形，一个端面的形状与芯轴端部轮廓吻合。有利的是，增强件用纤维材料制成。孔5’和7’穿过增强件，与部件1主轴线成直角。孔起容纳作用，供以后带环连接件使用(图中未示)，以便与结构某个其它部件相连。孔可在树脂固化后加工而成。
增强件可以采取如下方式制作，例如，成圈地缠绕预浸渍树脂的纤维，而后，固化这些树脂纤维，或者制作干纤维的预制件，该预制件然后在真空模子内浸渍树脂，树脂以低压喷入模子内。
包括芯轴和增强件的组件用纤维结构9来覆盖，该纤维结构采用沿芯轴编织的粗纱纤维制成。纤维通常采用玻璃、碳、硼或者芳纶材料制成，例如商标名称为
Figure BPA00001276823800051
的材料。编织本身是一项技术，是制作一种纺织结构，在本示例中，是指一种管状纺织结构，在这个结构中，主体纱或粗纱相对于产品的纵向以一定角度与纵向线十字形交叉。在芯轴上进行编织通常可以制作特别轮廓，例如管子、锥形体、带弯头的管子，等等。
图6示出了机器20，该机器包括多个安装在支架上的线轴22，这些线轴分几层布置在滚筒24上，形成一个圆圈，滚筒24与将要覆盖的芯轴同轴。芯轴安装在滑架上，滑架在编织过程中沿滚筒24的轴移动。线轴输送的粗纱23在芯轴上连续地以圆圈形式编织，从而形成个管子。粗纱通过同轴环25而始终保持在绷紧状态。
根据一个实施例，编织物在轴向和径向上均为三维，粗纱的交织方式是各层不再能够区分。编织过程是采用改变载纱器彼此相对位置来进行。粗纱的角度可在20°到80°范围之间选择。根据另一个实施例，编织为单层式，可以采用几层叠加而成。
图2为一张透视图，示出了芯轴3与两个增强件5和7组装在一起的情况，可以看到增强件的六面体形状及其与预制件轴线XX相平行的两个相对的主端面5a，5b和7a，7b。这些端面的宽度小于芯轴3的最大直径，分别穿过孔5’和7’，用来容纳部件的连接件。增强件的厚度小于主端面的宽度。
如图3所示，根据本发明，销钉30布置在增强件的主端面5a，5b和7a，7b上。这些销钉采用碳或者金属制成，直径1到3mm，固定在增强件体上以构成锚固点。销钉围绕孔5’和7’布置成网格状，在平行于和横向于轴线XX方向上间隔，密度为每平方厘米1到3个销钉。在所给示例中，销钉均匀分布。销钉高度至多等于将要使用的纤维结构的厚度。
在增强件上，销钉可布置在芯轴3和孔5’，7’部位之间的第一区域，或者芯轴3相对一侧的孔5’，7另一边的第二区域，或者布置在所述第一区域和所述第二区域内。
这样，当联杆受压或张紧，或受压和张紧工作时，增强件和纤维结构9之间的连接就会加强。
根据一个优选的实施例，销钉由穿过增强件并从两侧伸出的销钉构成。在这样一种情况下，增强件优选为纤维材料。这样，就可确保了编织纤维的有效抓牢。
为此，当准备好包括芯轴和增强件的组件时，就可以将该组件置于上述那种机器上，然后，围绕该组件编织粗纱。编织可从组件的一端开始，并于另一端的下游结束，如图4所示。除了增强件区域外，可按传统方式进行编织。而在增强件区域，粗纱的编织方式是绕销钉30十字形交叉进行。也可将粗纱分开，从销钉两侧穿行。图7示出了粗纱23在增强件5和7区域布置的一个示例。粗纱围绕销钉30形成一个十字形状。一个目的是确保编织物在增强件5和7上的机械锚定。由于采用这种布置，轴向载荷就从孔内的连接构件部分直接地传输到编织物上，以及从连接构件部分地传输到增强件上，然后通过销钉以及同时通过有机基体的剪切再从增强件传输到编织物上。
根据销钉在增强件上的位置情况，即相对于联杆本体在孔一侧还是在另一侧，当联杆可能在受压或张紧，或两者在受压和张紧方式工作时，可以提高增强件和编织复合物结构9之间的连接强度。
需要指出的是，增强件和纤维复合物结构之间的力主要是通过基体来传递的，该基体构成了增强件和纤维结件之间的界面。销钉以剪切方式工作，但其目的主要是防止两个接触壁分开；销钉主要是以张紧/受压方式工作，并提高抗分层能力。
在图7中，增强件5上提前穿有孔5’，然后将销钉布置在与孔的最小距离上，从而可以围绕销钉进行适当编织。然而，在端部附件编织完并固化后再制作孔的解决方案也是可以的。
图8和图9示出了两个增强件的其中一个的剖面图，在纤维结构编织好后，这两个增强件构成端部附件，在所示情况下，销钉30为贯穿销钉。例如，增强件5带有七个销钉30，这些销钉与轴线XX和穿过该轴线的主端面垂直。纤维结构9已经围绕销钉30的两个端部编织。图9更具体地示出了孔5’每侧上的销钉布置情况。
当编织结束时，对预制件进行浸渍。使用浸渍技术，例如树脂转注成形技术。采用这种技术时(该项技术本身已为人们所熟知)，将预制件置放在与将要制作部件形状相吻合的模具腔室内。该模具置于真空下，将低粘度树脂注入模具内。构成基体的树脂然后通过将整个组件升高到固化温度而得到固化。应该指出的是，这个步骤完成了构成增强件的材料的固化(根据情况)。
根据芯轴3的特性，可以在固化步骤期间或该步骤之后清除掉芯轴，或者甚至可以将芯轴留在原处。最后，所获得的部件就如图5轴向剖面图所示，壁9由基体内编织物组成。在两个端部，该部件包括含有增强件的端部附件。从一个端面延伸至另一个端面的金属环安装在端部附件的孔内。
一个方便的但并非限定性的制作方法涉及如下步骤：
制作纤维材料芯轴，该纤维材料预先浸渍了有机树脂；
另外制作一个或几个增强件，同样使用预先浸渍有机树脂的纤维材料；
可以使用振动(例如，使用“z-pinning”技术)来将销钉插入增强件内；
装配和结合芯轴与增强件；
预先固化经过预浸渍的组件，以便在操作和编织时不会变形；
编织纤维结构，在芯轴周围与增强件一起形成预制件；
将树脂注入预制件内，随后通过共烘焙(co-baking)技术来完成部件的固化；
对界面部位进行机加工，并装上连接构件的环。

Claims (12)

1.一种制作带有端部附件结构件的方法，所述结构件采用有机基体复合材料制成，这种方法涉及制作构成预制件的纤维结构(9)，包括步骤：在芯轴(3)上编织纤维材料的粗纱，所述芯轴(3)在轴向(XX)延伸端上包括增强件(5，7)；将预制件用有机树脂浸渍；并固化有机树脂；所述增强件形成了带有孔(5’，7’)的所述端部附件，孔的轴线垂直于容纳连接构件的轴线(XX)，其特征在于，销钉(30)布置在增强件(5，7)的至少部分表面上，该表面位于所述孔(5’，7’)的每一侧，销钉部分突出，编织围绕销钉进行，这样，粗纱便围绕这些销钉至少部分地彼此成十字形交叉。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增强件(5，7)位于芯轴(3)的每一端。
3.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，增强件是一种纤维增强件。
4.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，增强件是由浸渍树脂的纤维材料制成。
5.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，当芯轴采用浸渍树脂的纤维材料制成时，芯轴和增强件的树脂在纤维结构件编织前进行预固化，而且一旦树脂注入到纤维结构后，该组件经受完全固化。
6.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，增强件具有矩形横截面。
7.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，增强件上的销钉(30)位于芯轴(3)和孔(5’，7’)区之间的第一区域，或在相对于芯轴的孔另一侧的第二区域，或在所述第一区域和所述第二区域内。
8.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，销钉(30)布置成网格形式，销钉之间的间隔可以容纳至少一根粗纱(23)和两根粗纱(23)交叉。
9.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，销钉(23)的高度至多等于编织物的高度。
10.根据前面权利要求任一项所述的方法，其特征在于，销钉采用金属或碳制成。
11.一种使用了根据前面权利要求任一项所述方法获得的部件，包括纵向体和在纵向体其中至少一端的单个端部附件。
12.根据前面权利要求所述的部件，包括在每一端的单个端部附件以构成联杆。
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