CN102099176A - 倾斜加强件和设备以及用于形成该倾斜加强件和设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于形成具有圆角肩部的C形截面部件的模具工具，该模具工具具有：第一外模和第二外模，每个外模均具有通过圆角部连接至凸缘部的截头锥形部，并且沿公共轴线彼此对称地设置，使得每个所述凸缘部均位于最外面；以及位于第一外模和第二外模之间的柱形外支撑模。模具工具还具有：第一内模和第二内模，每个内模均包括具有通过圆角部连接至周面的大体锥形面的盘状部，并且沿公共轴线彼此对称地相对，使得锥形面位于最外面；以及位于第一内模和第二内模之间的柱形内支撑模。第一内模和第二内模以及内支撑模被布置成设置在第一外模和第二外模的凸缘部之间并且与所述凸缘部间隔开，以限定与待形成的C形截面部件的希望横截面对应的腔体。内模和外模的圆角部具有绕该内模和该外模的周边而变化的曲率半径，内模和外模可旋转，使得当模具旋转时腔体的所述圆角肩部的曲率半径变化。

Description

倾斜加强件和设备以及用于形成该倾斜加强件和设备的方法

背景技术

在制造例如航空航天工业内的复合结构时，结构构件通常被附接于复合蒙皮以加强蒙皮。这种结构构件可以包括通常被称为长桁或加强件的基本上细长的加强构件。在航空航天工业内使用加强件的典型实例是形成飞机机翼，在飞机机翼中复合长桁被附接至机翼盖的内表面或蒙皮。长桁或加强件可以被形成为呈现各种截面几何形状，但是典型地形成为T形截面。T形截面加强件典型地由扁平的、未固化的、预浸渍的复合层压板制成，该复合层压板形成为L形截面，该L形截面然后被背对背压缩而形成希望的T形截面。这样来形成容易附接至扁平的复合蒙皮的T形截面加强件。然而，日益普遍的做法是改变复合蒙皮的厚度以根据期望局部地改变蒙皮的强度。厚度的变化产生与供待附接长桁的复合蒙皮交叉的倾斜的或非平面的截面。为使细长的加强件适应倾斜的蒙皮表面，加强件必须在形成为分离的L形截面或最终的T形截面之后变形成所需要的构形。因为这涉及使加强件与三维截面，而不是原始的平面层压板的二维截面交叉地变形，所以在复合层压板的一部分被压缩所在的T形截面加强件中常常出现褶皱。这种褶皱形成局部应力点，从而降低加强件的总强度，因此需要加强件形成得比厚度不变化所必需的更大，并且也可以防止L形截面被背对背压缩而形成所需的T形截面加强件。

因此有利的是能形成这种加强件而不发生褶皱的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于形成具有圆角肩部的C形截面部件的模具工具，该模具工具包括：

第一外模和第二外模，每个所述外模均具有通过圆角部连接至凸缘部的截头锥形部，并且沿公共轴线彼此对称地设置，使得每个所述凸缘部均位于最外面；以及位于所述第一外模和所述第二外模之间的柱形外支撑模；和

第一内模和第二内模，每个所述内模均包括盘状部，所述盘状部具有通过圆角部连接至周面的大体锥形面，并且沿公共轴线彼此对称地相对，使得所述锥形面位于最外面；以及位于所述第一内模和所述第二内模之间的柱形内支撑模，

其中：

所述第一内模和所述第二内模以及所述内支撑模被布置成设置在所述第一外模和所述第二外模的所述凸缘部之间，并且与所述凸缘部间隔开，以限定与待形成的所述C形截面部件的希望横截面对应的腔体；

所述内模和所述外模的所述圆角部具有围绕该内模和该外模的周边而变化的曲率半径；并且

所述内模和所述外模可旋转，使得所述腔体的圆角肩部的曲率半径在所述模具旋转时变化。

优选地所述内模和所述外模的间隔都是可变的。所述内模和所述外模的间隔都可以被布置成当所述模具旋转时变化。

另外地或可选地，所述内支撑模和所述外支撑模中的至少一个的长度是可变的。所述内支撑模或所述外支撑模的长度可以被布置成基于所述内模和所述外模的间隔而变化。

所述内支撑模和所述外支撑模中的至少一个可以具有至少一个与其纵轴线非正交的端面，使得所述支撑模的柱面的长度围绕其周边而变化。

另外或可选地，相邻的所述内模和所述外模的旋转轴线可以是平行的。

另外或可选地，每个所述内模和所述外模的旋转轴线可以相对于对应的另一个所述内模和所述外模的旋转轴线倾斜。

根据本发明的另一方面，提供一种形成细长的纤维增强的复合C形截面元件的方法，该C形截面元件具有通过圆角肩部连接至中央腹板的外凸缘，所述圆角肩部的曲率半径在沿形成的所述C形截面元件的长度的一个位置处比在另外的位置处大，所述方法包括：

使纤维增强的复合材料的细长部通过根据本发明的在先方面所述的模具工具的所述腔体，并且

使所述内模和所述外模旋转，以改变所述圆角肩部的曲率半径。

根据本发明的另一方面，提供一种形成T形截面加强件的方法，该方法包括：根据本发明的在先方面所述的方法形成C形截面元件，并且随后沿所述中央腹板的中心轴线折叠所述C形截面元件。

根据本发明的另一方面，提供一种根据本发明的前述方面所述的方法形成的纤维增强的复合T形截面加强件。

附图说明

以下参照附图仅通过非限制的说明性实施例描述本发明的实施方式，附图中：

图1示出了具有附接的T形截面加强件的平面复合蒙皮的一部分；

图2示出了由两个背对背的L形截面元件形成的T形截面加强件的一部分；

图3示意地示出由平面层压板形成L形截面元件；

图4示意地示出根据现有技术的T形截面加强件放置在复合蒙皮的非平面截面上方；

图5示意地示出在根据现有技术的相邻的L形截面加强件元件之上形成褶皱；

图6示意地示出根据本发明的实施方式的具有不同曲率半径的L形截面元件；

图7示意地示出根据本发明形成的T形截面加强件；

图8示意地示出根据本发明形成的C形截面元件；

图9示意地示出第一结构中根据本发明的实施方式的模具工具；以及

图10示意地示出第二结构中图9所示的模具工具。

具体实施方式

图1示意地示出诸如飞机机翼盖的复合蒙皮2的一部分，如从现有技术已知T形截面加强件4已附接至该复合蒙皮2。已附接有加强件4的飞机蒙皮2的表面是平坦的，意味着加强件4仅需要在其附着面上是对应平坦的。

图2更详细地示出了加强件4的端部，以示出这种T形截面加强件的典型的制造方法。成品加强件4实际上包括背对背结合在一起的两个分离的L形截面细长元件6。L形截面元件6由复合层压板8的细长平面部分形成(见图3)，使该复合层压板8通过一系列辊子和模具9，该一系列辊子和模具9被布置成使细长层压板的一部分相对于该层压板的其余部分弯曲至大约90°的增量，从而形成图2所示的L形截面元件6。平面复合层压板在它通过辊子和模具9之前或之时可以被立即加热，以便于弯曲层压板。由于该弯曲动作而使图2所示的L形截面元件6具有圆角肘部10。

图4以剖面图示意地示出了复合蒙皮2’和加强件4的更典型的布置。在该更典型的布置中，复合蒙皮2’不是平坦的，而是具有不同厚度的部分2A至2D，不同厚度的部分被设置在那些需要更高或更低强度的复合蒙皮的区域中。如图4所示，因而应当理解，现有技术的、平坦的加强件4在不发生一些变形的情况下不能适应蒙皮2’的倾斜构形。然而可以使T形截面加强件变形以适应复合蒙皮2’的倾斜构形，因为变形涉及压缩或伸长T形截面的垂直部的在复合蒙皮的不同厚度之间的交叉处的那些部分，因此，单独的L形截面元件6趋于出现褶皱。这在图5中示出，在图5中，L形截面元件6中的每一个均具有形成在待抵接在一起以形成最终的T形截面加强件的表面上的细长褶皱12。这些褶皱12的存在防止了分离的L形截面元件的表面完全相互抵接，从而降低了两个L形截面元件之间的结合强度，并且还由于这种已知的工艺而导致加强件4中的固有弱点，如应力集中。

通过改变L形截面元件的曲率半径可以避免L形截面元件或最终的T形截面加强件的上述变形，因为改变曲率半径具有改变加强件足部(加强件的附接至复合蒙皮的部分)相对于加强件的总高度的相对高度的效果。该效果在图6中示出，在图6中，以横截面示意地表示两个L形截面元件，一个L形截面元件的曲率半径比另一个L形截面元件的曲率半径大。如前所述，加强件的想要被附接至待加强的复合蒙皮的平面部分被称为加强件足部，而另一平面部分的高度通常被称为加强件的叶片(blade)。加强件的总宽度等于足部的宽度加上连接该足部和叶片的弯曲部分的曲率半径，并且该总宽度通常被称为加强件的弦。在图6所示的剖面图中，相应的L形截面中的叶片的尺寸由b表示，足部的宽度由f表示，并且弦的宽度由c表示。从叶片的顶部到足部的水平面测量的加强件的总高度由h表示。在大多数应用中，通常优选将加强件的弦保持为恒量并且这在图6中示出。图6的左侧的L形截面元件示出为具有较小半径r，从而加强件的弦c＝r+f。在图6的右侧的L形截面元件中，连接部分的曲率半径增大到3r。然而，因为希望将弦c保持为恒量，所以足部的宽度f’减小，同时叶片的高度b’也减小。然而，在图6的右侧的加强件中加强件的总高度h’＝b’+3r比在左侧的加强件的总高度(其中h＝b+r)大。因此，实际效果是具有较大曲率半径的L形截面元件中的足部比具有较小曲率半径的加强件的足部低，因此可以形成可以附接至倾斜蒙皮而不发生变形的加强件。在图7中示出了这种加强件的实例，在图7中，可见在连接叶片b和足部f的部分的曲率半径处于其最大半径的情况下，足部的水平面相对于曲率半径减小的部分较低。

根据本发明的实施方式，通过形成具有C形或U形横截面的细长元件(有效地使它们的叶片的边缘连接在一起的两个L形截面元件)，并且随后沿C形截面细长元件的长度折叠该C形截面元件而形成希望的T形截面加强件，来形成诸如图7所示的实例的加强件。在图8中示出了根据本发明的实施方式形成的这种C形截面细长元件的实例。图8中所示的C形截面20具有中央腹板22，当随后沿该中央腹板22的中心轴线(在图8中以虚线24表示)折叠时，该中央腹板22将形成图7所示的加强件的中央叶片26。相应的凸缘28与中央腹板22的每个边缘邻接，凸缘28与最终形成的T形截面加强件的足部相对应。如图6中示意地示出的，凸缘28通过圆角部分与中央腹板22连接。当然应理解，凸缘28和中央腹板22由单一连续的复合材料件形成。图8所示的C形截面元件20可以被直观地分成分离的部分A至E。部分A和E具有凸缘28和中央腹板22之间的最小曲率半径，而部分C具有最大曲率半径，从而导致部分C处的凸缘部分相对于部分A和E的凸缘28向外移位。当沿中心轴线24折叠C形截面元件时，部分C处的凸缘28的该向外位移转变为T形加强件的向下倾斜部分。在部分C和A与部分C和E之间的部分B和D中的凸缘28和中央腹板22之间的曲率半径在最大值和最小值之间的相关曲率中变化，以提供平滑过渡，该平滑过渡在最终的T形截面加强件中与这样的部分相对应，在那些部分中，足部处于与其中足部位于具有最小值或最大值的恒定曲率半径的那些部分的平面成对角的平面中。

根据本发明的实施方式利用冷成型技术制造图8所示的C形截面元件20，在该冷成型技术中，使具有均匀横截面的C形截面细长元件通过模具工具，模具工具成形为在中央腹板22和凸缘28之间施加希望的曲率半径。在图9和10中示出了根据本发明的实施方式的适当的模具工具。参看图9，模具工具30包括一组单独的模具，该组单独的模具布置为形成与C形截面元件的希望横截面对应的腔体，并且使C形截面元件通过该腔体而被施以希望的最终横截面。在图9中示出的腔体具有处于适当位置的C形截面元件20。模具工具30包括一对内模32、一对外模34、内支撑模36和外支撑模38。每个外模34均包括截头锥形部40和凸缘部42，该凸缘部42具有形成在该凸缘部和截头锥形部之间的圆角区域44。圆形凸缘部42的内表面还限定截锥，尽管相对于截锥的“底部”的倾斜角明显小于截头锥形部40的倾斜角，使得圆形凸缘部42和截头锥形部40的倾斜面也基本上相互成90°。圆角区域44的曲率半径围绕外模的周边在最小值和最大值之间变化。在优选实施方式中，并且在图9和10所示的实施方式中，曲率半径处于最小值和最大值的点在外模的表面上彼此相对，即，它们彼此有角度地间隔开180°，并且曲率半径的变化率在最小值和最大值之间恒定。然而，应当理解，曲率半径的最小值和最大值以及曲率半径的变化率的其他角位移在本发明的可选实施方式中可以被同等地执行。每个外模34均取向成使得凸缘部42位于最外面，并且外模相对于彼此对称地设置。外支撑模38布置成位于两个外模34之间。外支撑模包括具有两个平坦端面的截头柱，该两个平坦端面关于外支撑模38的纵轴线沿相反的方向倾斜，使得沿外模的外周面的端面之间的距离在最小值和最大值之间变化，最小值和最大值出现的点优选地发生180°的角位移。外支撑模38的外周面、每个外模34的截头锥形部40的周面、外支撑模的圆角区域44的表面以及凸缘部42的内表面一起限定待供C形截面元件20通过的腔体的外边界。

每个内模32均包括圆盘部46，并且盘状部的面向毗邻的外模的凸缘部42的表面基本上是锥形的，该表面的倾斜度与圆盘部46的非倾斜基面相比相对小。在圆盘部46的周面和倾斜面之间形成第二圆角区域48，该第二圆角区域的曲率半径以类似于外模34的圆角区域44的方式在最小值和最大值之间变化。内模32设置在模具工具30中，并彼此间隔开，使每个内模的平坦基面彼此相对，且使内模32位于外模34的凸缘部42之间。内支撑模36位于内模32的外边缘之间。该支撑模包括两个截头柱形部50，并且每个截头柱形部均具有布置成彼此相邻的端面52。端面52相对于截头柱形部50的纵轴线的角度是相同的，使得在第一结构中(如图9所示)，两个分离的截头柱形部50可以彼此相邻地设置，使得它们相应的端面平行并彼此接触。每个截头柱形部50均布置成可相对于灵敏的截头柱形部绕它们的中心轴线旋转。

内模和外模中的每一个均布置成可绕它们的中心轴线旋转。在图9和10所示的实施方式中，内模和外模中的每一个形成有与相应的中心轴线重合的转向轴。外支撑模38也布置成绕其中心轴线旋转。在图9所示的结构中，内模32和外模34取向成使得外模34和内模32的曲率半径分别处于最大值的第一圆角区域44和第二圆角区域48中的每一个上的点彼此相对。因此，一方面形成在内模32和内支撑模36以及另一方面形成在外模34和外支撑模38之间的腔体与图8所示的C形截面元件20的与部分C交叉的横截面相对应。为形成希望的C形截面元件，迫使预成型的细长元件通过由具有单独的模具固定物的模具工具限定的腔体。回至参看图6，将回想到当加强件的弯曲部的曲率半径处于最大值时，对于恒定弦c的加强件，叶片的高度b’处于最小值。希望得到的C形截面元件20的中央腹板22的宽度与叶片高度的两倍相对应(因为通过沿C形截面元件的中心轴线折叠该C型截面元件而形成最后所得到的加强件。)因此，在图9所示的结构中，使外支撑模38旋转，使得有助于限定供C形截面挤压通过的腔体的外支撑模的外周面的长度是最小长度。因此，使内支撑模36的分离的截头柱形部50相对于彼此旋转，使得它们的端面52平行并且彼此接触，从而使内支撑模的总长度最小。为形成在侧凸缘28和中央腹板22之间具有最小曲率半径的C形截面元件，需要使内模32和外模34绕它们的中心轴线旋转，使得彼此相对并且因而限定供C形截面必需被挤压通过的腔体的相应的圆角区域上的曲率半径处于它们的最小值。这是图10所示的结构。如前所述，当待形成的C形截面的凸缘28和中央腹板22之间的曲率半径处于最小值时，并且在具有恒定的弦长情况下，叶片的高度并且因而中央腹板22的宽度处于最大值，即，它大于图9所示的相反的结构。从而，必须将每对内模和外模布置成使得它们的间隔在它们被旋转时可以变化。实现联合的旋转和平移运动的希望的机械执行工具不属于本发明的范围，并且在本领域技术人员的技术能力内，而不运用任何发明性技巧。因为内模32和外模34的间隔在图10所示的结构中相对于图9所示的结构增大，所以内支撑模36和外支撑模38的在它们之间限定腔体的表面处的长度也优选增大。关于外支撑模38，这也通过使外支撑模绕其中心轴线旋转从而使其最长的周面出现在腔体的边界来实现。通过使分离的截头柱形部50相对于彼此旋转，使内支撑模36的总长增大，分离的截头柱形部50依靠它们的相对端面52使分离的截头柱形部50彼此远离。使单独的截头柱形部50旋转的装置也超出本发明的范围，并且如最佳可见可以适于由本领域技术人员实施，但是如图10所示可以通过将单独的截头柱形部50安装在中心轴线54上来实现。

如图8中的部分B和D所示的C形截面元件20的过渡部分可以通过使内模32和外模34彼此同步地旋转并且使外支撑模38和内支撑模36的分离的截头柱形部50旋转同时使C形截面元件通过由模具形成的腔体来实现。当需要恒定曲率半径，即C形截面元件的恒定横截面时，使模具工具的各种模具保持固定，同时使C形截面元件挤压通过腔体。

本发明的实施方式的模具工具因此能够形成使叶片和足部段之间的曲率半径可以改变的C形截面元件，从而允许形成具有变化的足部高度的T形截面加强件。

Claims (11)

1.一种用于形成具有圆角肩部的C形截面部件的模具工具，该模具工具包括：

第一外模和第二外模，每个所述外模具有通过圆角部连接至凸缘部的截头锥形部，并且沿公共轴线彼此对称地设置，使得每个所述凸缘部均位于最外面；以及位于所述第一外模和所述第二外模之间的柱形外支撑模；和

第一内模和第二内模，每个所述内模包括盘状部，所述盘状部具有通过圆角部连接至周面的大体锥形面，并且沿公共轴线彼此对称地相对，使得所述锥形面位于最外面；以及位于所述第一内模和所述第二内模之间的柱形内支撑模，其中：

所述第一内模和所述第二内模以及所述内支撑模被布置成设置在所述第一外模和所述第二外模的所述凸缘部之间，并且与所述凸缘部间隔开，以限定与待形成的所述C形截面部件的希望横截面对应的腔体；并且

所述内模和所述外模的所述圆角部具有绕该内模和该外模的周边而变化的曲率半径；

所述内模和所述外模可旋转，使得当所述模具旋转时所述腔体的所述圆角肩部的曲率半径变化。

2.根据权利要求1所述的模具工具，其中，所述内模和所述外模的间隔都是可变的。

3.根据权利要求2所述的模具工具，其中，所述内模和所述外模的间隔都被布置成当所述模具旋转时变化。

4.根据权利要求2或3所述的模具工具，其中，所述内支撑模和所述外支撑模中的至少一个的长度是可变的。

5.根据权利要求4所述的模具工具，其中，所述内支撑模或所述外支撑模的长度被布置成基于所述内模和所述外模的间隔而变化。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的模具工具，其中，所述内支撑模和所述外支撑模中的至少一个具有至少一个与其纵轴线非正交的端面，使得所述支撑模的柱面的长度围绕其周边而变化。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的模具工具，其中，相邻的所述内模和所述外模的旋转轴线是平行的。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的模具工具，其中，每个所述内模和所述外模的所述旋转轴线均相对于对应的另一个所述内模和所述外模的旋转轴线倾斜。

9.一种形成细长的纤维增强的复合C形截面元件的方法，该C形截面元件具有通过圆角肩部连接至中央腹板的外凸缘，所述圆角肩部的曲率半径在沿形成的所述C形截面元件的长度的一个位置处比在另外的位置处大，所述方法包括：

使纤维增强的复合材料的细长部通过根据权利要求1至8中任一项所述的模具工具的所述腔体；并且

使所述内模和所述外模旋转，以改变所述圆角肩部的曲率半径。

10.一种形成T形截面加强件的方法，该方法包括根据权利要求9所述的方法形成C形截面元件，并且随后沿所述中央腹板的中心轴线折叠所述C形截面元件。

11.一种根据权利要求10所述的方法形成的纤维增强的复合T形截面加强件。

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