CN102834246A - 用于制造包含编织纤维的复合部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造诸如连杆的复合材料部件的方法。所述方法包括将绕心轴（6）编织的加强纤维层（14a、14b、14c）施加在心轴的全部长度上的连续操作，而这些层是彼此叠置的。该方法包括在施加中间加强纤维层（14a、14b、14c）后切割中间加强纤维层（14a、14b、14c）的步骤，在施加随后的编织层（14b、14c）之前抽出切割部分的步骤，由此在切割层保留在位的每个部分处局部地形成额外厚度的加强层，该额外厚度构成部件的局部加强。在树脂聚合之前将树脂随后注入到不同的编织层以构成坯件。

Description

用于制造包含编织纤维的复合部件的方法

技术领域

本发明涉及一种制造复合材料部件的方法，具体地说是由复合材料制造且包含主体的连杆，该主体包括诸如被加强以承受机械应力集中的端部的部分。

背景技术

如图1中所示的标示为1的这种连杆包括在其每个端部处延伸成U形夹的大致管状中空主体2，在该实例中U形夹被赋予附图标记3和4。

每个U形夹3、4包括两个标示为3a、3b和4a、4b的叉状物，所有叉状物由厚度大于连杆其余部分中复合材料的名义厚度的复合材料构成。每个U形夹的两个叉状物平行于中空主体的基本方向AX延伸，且每个叉状物包括其中安装有金属轴承的孔。

在从专利文献FR 2893532已知的方法中，连杆由切割成具有如图2中所示形状的加强纤维织物片制造。该形状包括用于中空主体2的中心部分和四个延伸部分，每个延伸部分对应于相应的U形夹叉状物。

所用的织物是具有恒定厚度的碳纤维织物，且其是两个半维度（2.5D）类型的，即其包括多层叠置纺织纤维，这些层通过也称为横向纤维的连接纤维彼此连接。

该连杆的制造包括绕心轴或类似物折叠图2中的织物片，且接着将树脂注入加强纤维织物并然后烘烤组件以便聚合树脂。

在将织物成形前，通过切割U形夹中2.5D织物基层的互连纤维以便将基层局部地彼此分开从而增加U形夹的厚度。

然后将中间层局部插入分开的基层之间，由此使得厚度能够局部增加。在加入中间层后，所谓“横向”纤维穿过组件以将所有的层彼此固定。

由于每个U形夹的叉状物的厚度明显大于连杆其余部分的厚度，藉此增加机械强度，因此U形夹可对抗沿AX方向施加的力。在将U形夹安装在销（图中未示出）上时，这些力是连杆的名义负载所产生的。

实际上，尽管就所形成的连杆的机械强度而言，该制造方法是令人满意的，但是就其实施方式而言因其强烈依赖于操作员实施该方法的诀窍，该方法是有约束性的。

在中空心轴的辅助下制造部件也是已知的，该心轴穿过编织机器的中心孔以将一层或多层编织纤维覆盖在心轴上。然后将树脂注入组件并聚合。

然而，编织方法约束了部件的设计，具体地说该部件必须避免具有突变的横截面。

遗憾的是，对于高应力部件，它们在实践中通常在应力集中区具有局部额外厚度。具体地说，这适用于需要包括用于接纳轴的轴承的起落架摇杆。轴承在摇杆本体任一侧突出且与本体协作形成具有突变横截面的过渡区。这种摇杆可通过仅编织心轴来制造，该心轴呈现几乎无变化的横截面并且需要将额外厚度的材料设置在整个部件上，从而增加其重量和体积。

文献FR 2890591中提出的方案是提供具有纤维预制坯的部件，该预制坯通过沿部件纵向延伸的预浸渍单向纤维织物条进行加强以便加强所述部件，具体地说是以压缩方式。

然而，就确保正确定向和保持纤维密度以保证部件的机械强度而言，将这些条放入就位是非常困难的。遗憾的是，与切割错误以及成形和操作错误相关的几何缺陷具有相当大的风险。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够制造复合材料部件的解决方案而不依赖于实施该方法的操作者的专门知识，该复合材料部件包括具有加强区的编织纤维。

为此，本发明提供一种制造复合材料部件、尤其是连杆的方法，该方法包括将绕心轴编织的加强纤维层施加在心轴的部分或全部长度上的连续操作，层是彼此叠置的，该方法包括在已施加中间加强纤维层后切割中间加强纤维层的步骤，在施加随后的编织层之前抽出切割部分的步骤，由此在切割层的已保持在位的每个部分上局部形成额外厚度的纤维层，额外厚度构成部件的局部加强，以及其中在树脂聚合之前，将树脂随后注入到各编织层。

该方法能够形成加强件的局部额外厚度，以便提高高应力区的机械强度。本发明还能够在放置就位的同时成形构成加强件的编织部分，由此减少或甚至消除加强额外厚度中的几何分散。

附图说明

图1是如上所述的现有技术中具有两个U形夹的复合材料连杆的总体视图。

图2是如上所述的现有技术方法中用于制造图1连杆的加强纤维织物片的平面示意图。

图3是覆盖有第一层编织加强纤维的心轴的立体示意图。

图4是用于堆积加强纤维层的编织机器的示意图。

图5是覆盖有第一编织加强纤维层和两个保护环的心轴的立体示意图。

图6是覆盖有第一编织纤维层和将被切割的中间层的心轴的立体示意图。

图7是覆盖有第一编织纤维层和已被切割后的中间编织纤维层的心轴的立体示意图。

图8是通过激光束实施切割的装置的示意图。

图9是示出切割后移除一部分中间层的立体示意图。

图10是携带有第一层、中间层和最终外部加强纤维层的心轴的立体示意图。

图11是示出根据本发明制造的加工后连杆的一个端部和其中所述端部构成加强部分中形成的U形夹的立体示意图。

图12是示出根据本发明方法形成局部额外厚度层的布置的图11连杆的U型夹的剖视图。

图13是用本发明方法制造的另一类连杆的立体示意图。

具体实施方式

本发明所基于的想法是基于编织连续增强纤维层的操作来实施制造诸如连杆的复合材料组件的方法，以及其中通过切去并移除一层或多层通过编织施加的中间加强纤维层的部分来制造局部纤维额外厚度。

如图3中示意性所示，首先提供标记为6的心轴，心轴通常是管状的，且标记为7的第一编织加强纤维层施加在心轴上，这些纤维例如是碳纤维。

借助实例，心轴由施加在支承上的预浸渍加强纤维层制造，以构成在支承移除之前预聚合的组件，使得其具有足够刚度以承载编织加强纤维层。因此心轴可设计成在制造结束时不从连杆移除，而是永久地结合在其中。

编织纤维层使用诸如图4中所示标记为8的编织机来施加。编织机8主要包括位于轴AX中心并携有一系列碳纤维卷11的环9。

在心轴6沿轴AX移动穿过环9时，通过适当的伺服控制装置致动该组件，在心轴6的外表面上编织一组袜子状碳纤维。以这种方式编织的纤维层完全环绕心轴6，同时还沿其整个长度延伸。

在已经施加第一编织纤维层7后，图5中标记为12和13的两条保护带施加到纤维层7的外表面，在围绕纤维层7在心轴整个长度上施加的另一编织层中将要制作的切口局部平齐。

构成图6中标记为14的中间层的该另一编织层以与第一层7同样的方式施加，即通过编织机8施加。

在施加后，沿图7中标记为16和17的线切割，该中间层14被切割以移除中间层14的一部分。切割线16和17是圆形切口，每条切口在垂直于心轴6的轴AX的平面内延伸，且它们沿轴彼此间隔开。

这些切口16和17使得中间层被分成标记为18、19和20的三个连续段，每个段都是管状的。段18和20对应于将要制造的连杆端部，而段19构成将被移除的中间管状部分。

如图5和图7中可看见的，保护带12和13与穿过层14的随后切口16和17对齐地放置在层7上。在该实例中，为切口16和17中的每条切口赋予1圆形形状，保护带12和13中的每条保护带为环形形状。

每条保护带由适于不被用于制作切口16和17的方法损坏的材料制造。在附图中的实例中，切口通过使用激光束的方法制作，因此保护带12和13可由铜制造以在切割过程中有效地保护底层7。因为激光束对大部分部件被反射并且在接触点附近被散射，所以用激光束切割铜是困难的。

应该发现，这些保护带是可选的，且其使用依赖于用于切割的方法和设定。例如，通过激光切割方法，激光束可聚焦以单独对应于中间层14实施预定厚度或深度的切割。在这种情形下，保护带12和13不是必需的。

激光切割自身可通过图8所示类型的装置实施，其中激光切割工具22通过标记为23的自动机械臂实施，然后将该装置放置在编织机8的出口。

在这种情形下，所有的操作可在单一装置上实施以最小化操作，由此既降低制造成本又提高制造质量。

然后臂23被控制为绕由心轴6以及层7和14构成的组件以从其外表面将工具22移动预定距离，且同时保持激光束24相对于轴AX径向定向以制作第一切口16。第二切口17用同样的方式制作。

一旦制作好这两条切口，可抽出加强纤维层14的中间段19，如图9中示意性所示。这可由操作者手动实施，操作者接着使用锋利物体或激光在管状部分19中作纵向切割以将其打开并移除。

在这个阶段，如图9中所示，放置就位的保护带12和13（如果有的话）然后再次更加局部可见：然后每条环状形式的保护带有一半陷在层7和层14之间，且另一半仅支承抵靠第一编织层7。

在这种情形下并根据情况，在移动以施加其它层之前，能够抽出保护带12和13，否则将其永久留在原位。

此外，应该发现，在施加层14之前，有利的是提供在第一层7的外表面施加一层粘合剂或树脂，具体地说，在层14的加强部分18和20中，这些部分在切割操作后能保持在位。

一旦已抽出部分19后，在组件上施加新的编织加强纤维层26。在这种情况下，如图10中示意性所示，以这种方式获得的部件的中间部分由两种厚度7和26的编织纤维层构成，而每个端部由三种厚度7、14和26的编织加强纤维层构成。

在已施加各加强纤维层后，图10的部件放置在模具中以便将树脂注入到各编织层，该树脂适当地选择成与用于制造心轴6的树脂相兼容。一旦已注入树脂，控制模具以使树脂聚合的方式产生热循环。

然后从模具中获得的坯件基本上是图10中所示的大致形状，且然后对每个端部实施多次机械加工以制造加工后的部件。

因此，在制造部件的周期过程中，通过直接编织产生局部加强，由此显著地简化部件的制备。本发明的方法消除了对于在编织部件前需要制备的加强元件的依赖。在制备加强件的同时在预制坯上直接实施加强件的切割。这用于限制操作并且在预制坯上获得对纤维定向更好的控制。此外，以这种方式制造的加强件的特性和机械特征接近于部件的那些结构层，因此不存在与加强层刚度和结构层刚度之间的主要差异相关的问题。

在图1到10的实例中，描述在在管状心轴上制造的毛坯件，从而以示意性方式说明本发明的方法，然而在实际中，心轴可以是任何形状的，且具体地说，其具有沿轴AX变化的横截面。

此外，在参照图1至10所描述的实例中，被切割的层绕心轴在心轴的整个长度上编织。然而，一般而言，切割层可同样仅在心轴长度的一部分上编织，这部分对应于切割后仍保留在位的区域。

为了制造具有U形夹形式端部的连杆，有利地是，心轴在端部具有基本上矩形或方形的横截面，以及沿轴线AX在其中心区具有圆形或者或多或少恒定的横截面。

在这种情形下，在施加编织层后以及在切除一些中间层以形成局部额外厚度的加强件后，以类似于关于图1至10给出的描述的方式，部件同样放置在模具中以便将树脂注入其中并接着聚合以形成刚性毛坯件。

然后实施铣削以及钻孔操作以赋予U形夹其最终形状，如图11和12中所示，其中U形夹标记为27。

于是铣削操作在于将材料从毛坯件端部的上下壁移除以将U形夹27的叉状物28和29分离，其中叉状物对应于矩形端部的两个相反侧。

此外，在将相应的金属轴衬安装在这些孔的每一个中之前，在每个叉状物中钻孔，这些孔标记为31和32。

如图12中可看见的，U形夹的每个叉状物然后具有一系列不存在于连杆中心区的中间编织层，由此使得叉状物比连杆的管状中心区厚。

图12中以线明确示出的中间层数量是三层且它们标记为14a、14b以及14c。而对于绕心轴在其整个长度上延伸的其它层，没有在图12中明确示出，以便更容易理解附图。

如图13中所示，因为该方法可适用于横截面沿轴线AX显著变化的心轴，所以本发明的方法能够制造具有包括被加强的区域的复杂基本形状的连杆。该方法应用到图13中所示的对应于起落架摇杆的连杆。

更具体地说，摇杆33通常是管状的且基本上包括前端部和后端部，每个端部有标记为36-39的两个通透轴承，且摇杆33还包括在中心区和后端部之间的凸耳41。

可根据本发明使用适当形状的心轴、即具有恒定圆形横截面的中心区和具有较大尺寸横截面且为矩形的端部的心轴来制造摇杆，以便在端部处形成轴承和凸耳。

在该实例中，准备在前部和后部提供额外厚度，同时施加编织纤维层以形成与轴承和上凸耳对齐的加强区。

一般而言，应该发现，在图1至10的实例中，实施该方法以插入单一中间层，该中间层的一部分在切割后被抽出。然而，在图11和12的实例中，本发明涉及一种很好的解决方案，其中，常规编织层以及接着被切割以使其一部分能够被移除的中间编织层继续交替地施加直到已经获得所需的厚度。

此外，在这两个实例中，中间层是一层接一层施加的，然而也能够连续地放置一层或多层中间层，这些中间层可接着在一次操作中一起切割，即在施加用于覆盖整个部件而不被切割的另一编织层之前。

本发明具体提供下列优点。

通过本发明，在已施加中间层后，能够进行每层中间编织层的精确切割，以便形成加强最大应力区的局部额外厚度，而在切割后不需要进行任何操作。

因此，且具体地说，由放置在心轴上的编织层构成的组件具有较好受控的外形，且因此在将其放入模具时不存在任何困难。由于加强纤维部分通过编织放置，因此它们必须遵循在加强区的连杆隆起部分，且它们因此不形成任何会损害部件形状并且也损害其机械强度的褶皱。

具体地说，激光切割方法能够实现锋利、精确、可重复以及适于自动化的切割，该切割不会损坏切割纤维的端部。也可实施其它切割方法，只要它们能够一定程度上满足符合这些标准。因此，可通过转盘式刀片、借助切割水流或事实上通过加热机械地实施这种切割。

本发明的方法使得能够快速、再现性地以及实际上无组装地实施制造，并且能够形成厚度变化的纤维结构。此外，形成额外厚度的编织部分具有接近其它编织特性的特性，从而使得形成的连杆是均匀的，由此具有增加的机械强度。

上述原理可应用于多个变型。首先，可机械地（切割机、剪刀）实施切割，这是非常简单的实施但存在扰乱切割附近的纤维组织的风险。也能够使用水射流切割编织层。然而，在预制坯用树脂浸渍前，应确保预制坯是完全干燥的。

如果切割操作控制得足够好以避免损坏下面的编织层，那就可省略保护措施，即通过借助聚焦非常精确的激光实施切割，从而仅切穿一定厚度的将被切割的纤维层。如果发现有必要进行保护，较佳的是使用铜板带，因为该材料难以用激光切割，假定束的主要部分在撞击点周围被反射和散射。如果保护带不会影响被加工的部件尺寸的机械强度，那保护带可选择地留在原位。

如果有必要在心轴上设置厚加强层，那也能够同时切穿多个层。

激光较佳地安装在靠近编织机放置的操纵臂的端部处，以便在该心轴仍然安装在编织机的托架上时能够直接在心轴上实施切割。

本发明并不局限于以上的描述，而是覆盖落入权利要求书所限定范围内的任何变型。

具体地说，尽管描述了本发明的方法特别适于制造非恒定厚度的部件，但是本发明的方法也能用于对已制造好的部件进行修补或增加外部加强，这些部件于是用作心轴。

尽管所示的切割是绕心轴沿圆周延伸的切割，但是自然地，可沿任意形状的路线切割。此外，尽管所示的加强件是环形的，由此使其能够绕心轴自然地保持，也可进行切割而仅留下不构成环绕部件整圈的编织层的一部分，所述部分接着构成一种局部补丁。然后必须提供用来将补丁保持在预制坯剩余部分上的装置。为了这个目的，在编织将要切割的层之前可在预制坯上喷射树脂，从而在层已被切割后使补丁保留在原位。该方法特别适于提供具有局部加强的预制坯，例如，在需要钻孔以接纳铰接销的部件凸起部分上。

尽管陈述了第二层覆盖整个心轴，但适当时，可仅对局部进行编织处理，即仅覆盖心轴的接纳加强件的部分。

有利地是，底层和顶层是连续的，由此提高部件的撞击强度和其耐磨能力。

在变型中，连续编织两层并接着同时切割两层以便形成编织局部加强。

在另一变型中，在编织用于切割的一层或多层前可连续编织多层连续层。

Claims (7)

1.一种制造复合材料部件、尤其是连杆的方法，所述方法包括将绕心轴（6）编织的加强纤维层（7、14、26；14a、14b、14c）施加在所述心轴的部分或全部长度上的连续操作，所述层是彼此叠置的，所述方法包括在已施加中间加强纤维层（14；14a、14b、14c）后切割所述中间加强纤维层（14；14a、14b、14c）的步骤，在施加随后的编织层（26；14b、14c）之前抽出切割部分（19）的步骤，由此在所述切割层的已保留在位（18、20）的每个部分上局部形成额外厚度的加强层，所述额外厚度构成所述部件的局部加强，以及其中在所述树脂聚合之前，将树脂随后注入到各编织层以便制备坯件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在施加用于切割的每层中间层（14；14a、14b、14c）之前，施加沿切口（16、17）的轮廓线布置的保护带（12、13）以便在切割所述中间层（14；14a、14b、14c）的操作过程中保护先前施加的所述编织层（7）。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过包括用于发射激光束（24）的装置（22）的设备（23）实施所述切割。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在施加用于切割的每层中间层（14；14a、14b、14c）之前施加粘合剂或树脂类物质，以确保在随后的操作过程中所述中间层的保留就位的切割部分（19）保持在位。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括切穿已经连续放置的多个中间层的操作。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，连续制造用于切割的层以及用于完全覆盖心轴的层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于制造包括一个或多个轴承和/或一个或多个U形夹或凸耳的复合材料连杆，且所述加强区位于每个轴承和/或每个U形夹或凸耳。

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