CN102958681B - 复合材料制成的部件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造复合材料部件的方法，所述复合材料包括采用纤维结构件增强的聚合物基底(20)，所述方法包括如下步骤：将纤维结构件(10)置于由模制表面形成的基底上，用匹配模具(30)覆盖纤维结构件，通过移动匹配模具向基底表面方向而压制所述纤维结构件。所述方法的特征在于，基底(20)包括圆柱形部分(21)和相对于圆柱形部分(21)径向固定的壁(22，23)，而匹配模具包括两个部分(31，32或33)，这两个部分相对于彼此而移动并向圆柱形部分(21)轴线移动和向基底(20)径向壁(22，23)移动。本发明可以特别适用于制造涡轮发动机风扇机匣。

Description

复合材料制成的部件的制造方法

技术领域

本发明涉及到复合材料领域，所述材料包括采用纤维结构增强的聚合物基体，特别涉及到这种材料在制造航空发动机或涡轮机部件时的使用。

背景技术

在航空领域，存在着需要降低发动机部件重量，同时保持这些部件的高水平机械特性。在多流路涡轮发动机中，构成伸入发动机的空气管路外形并在其内设有风扇转子的风扇机匣目前都采用复合材料制成。其包括位于上游和下游的金属箍，所述金属箍带有径向和横向外部凸缘，用来连接和安装到发动机的其它部件上，包括上游进气口外形和下游中间机匣。机匣支撑着各种部件并应能够挡住因风扇叶片断裂而产生的物体。

制造复合材料制成的部件(诸如风扇机匣)的方法包括在心轴上布置纤维结构件，该心轴的外形对应于需要获得的部件的外形。例如，通过三维编织可制造纤维增强件，纤维编织厚度为渐进的，如以申请人名义提出的专利申请EP1961923所述。纤维增强件采用管状纤维预成件来制作，预制件构成单一部件，其增强部分对应于机匣的凸缘。制造过程是，将所述结构部件进行压制，浸渍树脂，并将树脂聚合，从而获得所述部件。

本发明涉及一种制作方法，其中，浸渍纤维增强部件通过RTM注入法来实现，RTM为树脂传递模塑(ResinTransferMoulding)的缩写。按照该方法，纤维结构件的外面被封包，与此同时，在带有加强几何结构的刚性模具中被压制，纤维结构件的形状对应于需要获得的部件形状，在机匣被抽真空后将树脂注入模具内。该模具包括构成纤维结构件的支架的第一部分和置于纤维结构件顶部的反凸模具(countermould)。所述结构件通过将模具两个部分的壁彼此靠近而进行压制。

纤维含量是设计这种类型部件的重要参数。更确切地说，对于带有锥形管路和集成凸缘的机匣来讲，重要的是，管路部分和凸缘处的纤维含量较高。为此，要求根据部件的区域情况在不同方向应用压制应力，但又不影响模具的封闭，也不会损坏纤维增强结构的整体性。

对于这种部件来讲，现有技术的注入模具形式都无法在凸缘区域施加充足的压制应力。实际上，整体的反凸模具沿垂直于支架主表面方向移动，结果，支架的所有部分都不是有利地指向移动方向。从机械强度的角度来看，这会导致这些区域的纤维的最后一层不是很适宜。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造圆柱形部件的方法，所述部件带有径向凸缘，可将纤维结构件压制后的纤维最高含量要求和纤维的最佳朝向得以结合。

该目标可以通过复合材料部件的制造方法来实现，所述复合材料采用由纤维结构件增强的聚合物基底构成，所述方法包括如下步骤：在构成模具表面的支架上设置纤维结构件，用反凸模具覆盖，将反凸模具靠近该支架表面而对所述结构件进行压制，然后在所述纤维结构件内注入聚合物基底，其特征在于，所述支架包括圆柱形部分和相对于圆柱形部分而径向朝向的壁，所述反凸模具包括两个部分，能够分别彼此相对移动，一个沿朝向圆柱形部分轴线方向移动，另一个沿朝向所述径向壁方向移动。

该发明方法的优点是，能够按照所要求的最终产品来布置和压制纤维。

只要纤维方向在模具壳体内处于为最适宜方向，该方法进一步的优点是可在这种加强布局中浸渍树脂。

另一个优点是，如果纤维增强件需要时，可以烘干到最终形状。

最后，管路和凸缘之间连接半径的几何形状也可以通过这种方法得到保证。

根据实施例，反凸模具包括主要部分，其形状与支架圆柱形部分的形状相互补，和带有第一壁的角部件(corner)，其形状与所述径向壁的形状相互补，位于反凸模具所述主要部分和支架所述径向壁之间，反凸模具和角部件的布置是这样的，即当反凸模具沿朝向圆柱形部分方向被移动时，角部件会沿朝向支架所述径向壁的方向垂直移动。

更具体地说，角部件的第二壁的形状与圆柱形部分的壁部形状相互补，所述圆柱形壁部毗连所述径向壁圆柱形部分，且有利的是，角部件的带有圆截面的壁部位于所述第一和第二壁之间。

为了更方便地实施该方法，在角部件的所述第二壁的下方布置了金属薄板，目的是改善角部件在纤维结构件上的滑动。

根据发明特性，反凸模具的中央部分包括相对于所述轴线而倾斜的壁部，所述角部件包括相对于所述轴线而倾斜的第三壁，所述壁部相互接触，这样，在反凸模具沿朝向圆柱形部分方向被移动时，角部件沿朝向所述径向壁方向滑动。

更具体地说，反凸模具采用至少两个筒形扇形体制成。根据优选实施例，支架包括圆柱形部分和径向位于圆柱形部分两侧的两个壁。后者构成机匣的凸缘。

在反凸模具布置好后，将反凸模具靠近模具表面，在沿相对于圆柱形部分轴线的径向方向和垂直于支架表面上，对纤维结构件进行压制，缩小其厚度。

更确切地说，该方法适合制造涡轮机的机匣。

附图说明

通过下面参照附图给出的说明，本发明的其它特性和优点就会显现出来，附图分别如下：

图1为前风扇燃气涡轮发动机轴向剖面示意图；

图2为制造风扇机匣所用模具的轴向半剖面示意图；

图3为沿图2的III-III方向的模具前剖面图；以及

图4为反凸模具角部件的透视图。

具体实施方式

本发明应用于旁路涡轮喷气发动机风扇机匣的制造，其示例如图1所示。所述发动机包括---从上游到下游，沿燃气流动方向---发动机进气口处的前风扇2、进气压气机、高压压气机3、燃烧室4、和高压与低压涡轮5。风扇2通过风扇机匣6内的涡轮(turbineBP)带动旋转。风扇机匣形成了进入发动机内部的空气体积。一部分所述空气构成主气流，在发动机内部被引导由进气压气机和高压压气机相继压缩。空气进入燃烧室4，在这儿，其能量因为燃料燃烧而增强。由此而产生的燃气在随后的涡轮级5被加以膨胀，而后被喷出。另一部分空气构成副气流，这部分空气被直接或根据发动机用途与主气流会后被喷入大气中。所示发动机未带有外壳。风扇机匣6呈现大体截头圆锥形状，带有两个凸缘，一个在上游61，另一个在下游62。上游凸缘61包括固定进气口导流罩的装置(图中未示)。下游凸缘将机匣连接到结构壳体7上，后者又称之为中间机匣。

有利的是，这个机匣可以采用复合材料制成，而复合材料则使用了由基质致密的纤维增强件。例如，纤维材料可以是碳、芳纶玻璃或其它纤维，而基质材料则可以是聚合物，诸如环氧化物，一种双马来酰亚胺(bismaleimide)或聚酰亚胺。

纤维增强是通过在心轴上缠绕纤维织物而形成。

图2示出了用来模制所述机匣的装置的示例。支架20的外环形表面与将要获得的部件的轮廓相同，即，在本示例中，为风扇机匣的内表面。该支架包括圆柱形部分21，其形状为心轴形状，设有两个横向凸缘22和23，凸缘的形状得以制造所述机匣的凸缘。根据这个方法，纤维增强部分固定在心轴周围，从而获得预制件10。预制件的实施例是不受限制的。该预制件可以通过缠绕清晰的网状物来制成，网状网叠加，直到获得所需厚度，或者采用几圈形式来缠绕一个网状物而制成。网状物可以采用交织或编织而成：预制件也可以通过围绕心轴采用交织或编织方式穿过套筒，或者甚至围绕心轴缠绕长丝来实现。

预制件10包括中央部分11，其厚度不需要沿其整个长度而保持恒定不变，更具体地说，在沿垂直于由风扇叶片扫描表面轴线在部件上采用超厚度。这些超厚部分可以起到增强作用，能够吸收来自叶片断裂时的碎片或其它物体的冲击。另外，预制件沿两个端部支撑部件在两个径向部分12和13上延伸，从而形成凸缘。

接着，继续部件的制造，将反凸模具30置于预制件上，从而形成一个空间，基底聚合物在真空源(如果需要时)的帮助下被注入到所述空间内。在该示例中，该反凸模具包括三个部分30a，30b和30c，如图3所示；反凸模具30a1，30b1和30c1的内侧形状分别取决于部件的外表面所需形式。每一个部分都会卡在端部支撑部件22和23之间。当所有三个部分定位时，它们同心轴21和两个支撑部件22和23一起形成封闭空间。

如图2所示，每个反凸模具部件的内轴向轮廓包括对应于预制件中央部分11的中央部分31，两个端部与预制件的端部径向部分相对接。

由于使用了大量纤维，所以存在真空间隙，在注入聚合物时需要用基底填充。然而，在完成后的部件中，纤维含量是部件机械强度的一阶参数。为此，预制件的孔隙率应处于控制之下，并保持在一定范围内。

这就是为什么要求对预制件构成的纤维结构部分进行压制的原因。只要将反凸模具各个部件径向靠近预制件方向，就可以使得中央部分的厚度减小，但是端部12和13则得不到适当压缩。在其之间滑动的表面会引起颗粒或皱褶的形成。为了克服这个问题，在位于径向部分12和13附近的预制件区域内，设置了两个角状的反凸模具部件32和33。

每个带有角状截面的反凸模具部件与其毗连的反凸模具部件一起沿圆弧延伸。如图3所示，三个角状部件分别与反凸模具部件30a，30b，30c相连。每个角状部件32或33都包括第一壁32a，33a，分别位于预制件径向部分12，13的对面。另外，在毗连径向部分12，13处，还包括第二圆柱形壁部32b，33b，其垂直于第一壁32a，33a，并与预制件10中央部分相对。两个壁32a和32b，33a和33b分别经由圆截面，优选圆弧形的圆截面32c，33c而连接。两个壁(第一和第二)连接到第三壁32d，33d上。该壁的直线截面带有截头圆锥形部分。

在毗连角部件的反凸模具部件30上，中央部分31在两侧连接到两个带有截头圆锥形状的表面部分31d上，每个部分分别与毗连的角部件32或33的表面部分32d，33d相平行。最后，反凸模具在每一侧的端部为壁部31，期形状为圆筒形部分，轴线与支架20轴线相同，半径等于将要获得的凸缘的半径；另外，其长度等于需要获得的凸缘的厚度。

各个部分的布置是这样的，当反凸模具在模具的闭合位置时，其与圆柱形部分21一起形成径向测量的预制件的确定厚度。将其靠近时，表面31d与角部件32和33的第三壁相对接；然后，当反凸模具继续移动时，表面31d会在第三壁32d和33d上施加支承应力。这种应力包括径向分量和轴向分量，使得角部件32和33移动，在角部件与预制件接触区域内，也会使得预制件的厚度减小。更确切地说，第一壁32a和33a所施加的轴向应力分别垂直于预制件的径向部分12和13。为了便于角部件在预制件圆柱形部分表面上移动和避免任何可能的磨损，在角部件和预制件之间设有金属薄板。这样，在滑动时，就不会损坏预制件。金属薄板随后可以拆除。在模具的封闭位置时，反凸模具的表面31d会分别与角部件32和33的表面32d，33d接触，而角部件则会与支撑部分的壁隔开一定距离，该距离根据反凸模具圆柱形壁部31e轴向长度而定。

总之，制造带有凸缘的圆柱形部件包括如下步骤。将采用纤维构成的预制件置于圆柱形支架20上，其外形为需要制造的部件内部形状。预制件未被压缩，纤维结构件很充足。这种支架包括端部的支撑部分，以便模制凸缘。反凸模具30布置成在预制件10周围设置几个圆弧部件，至少两个半圆形部件。这种反凸模具包括在中央圆柱形部分31两侧上的角状部件32和33。将反凸模具靠近支架，以便使支架通过倾斜侧壁与角部件相抵接，并带动角部件运动，或是径向于圆筒轴线移动，或是沿支撑部分方向轴向运动。当置放反凸模具时，预制件的壁的厚度会减小，不会出现意外颗粒或皱褶。在其之间，用螺栓将这些部件固定，防止其在注入基底时突然打开。

然后，注入构成基底的聚合物，可选择使用一定真空。一旦达到聚合效果，可拆下部件，然后进行表面处理作业。

Claims (10)

1.一种制造复合材料部件的方法，所述复合材料由纤维结构件增强的聚合物基底构成，包括如下步骤：将纤维结构件(10)置于构成模制表面的支架(20)上，用反凸模具(30)覆盖，并通过将反凸模具表面靠近支架表面而压制所述结构件，然后，在所述纤维结构件中注入聚合物基底，其特征在于，支架(20)包括圆柱形部分(21)和相对于圆柱形部分(21)径向朝向的径向壁(22,23)，反凸模具包括两个部分(31,32或33)，分别能够彼此相对移动，一个沿朝向圆柱形部分(21)轴线方向移动，另一个沿朝向支架(20)径向壁(22,23)方向移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反凸模具(30)包括主要部分(31)和带有第一壁(32a,33a)的角部件(32,33)，所述主要部分的形状与支架(20)圆柱形部分(21)形状相互补，所述第一壁的形状与径向壁(22,23)的形状相互补，所述径向壁位于反凸模具所述主要部分(31)和支架(20)所述径向壁(22,23)之间，反凸模具(30)和角部件(32,33)布置成，所述反凸模具(30)沿朝向圆柱形部分(21)方向移动时，所述角部件沿朝向支架(20)所述径向壁(22,23)方向垂直移动。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，角部件(32,33)带有第二壁(32b,33b)，其形状与圆柱形部分(21)支架的壁部相互补，所述圆柱形部分(21)毗连所述径向壁(22,23)支架。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，角部件带有圆截面的壁部(32c,33c)，位于所述第一壁(32a,33a)和第二壁(32b,33b)之间。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第二壁的下方设有金属薄板，以便改善角部件在纤维结构件上的滑动性。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，反凸模具的中央部分(31)包括相对于所述轴线倾斜的壁部(31d)，角部件(32,33)包括相对于所述轴线倾斜的第三壁(32d,33d)，所述壁部(31d；32d,33d)相对于彼此而接触，从而当反凸模具沿朝向圆柱形部分被移动时，确保了角部件沿朝向所述径向壁方向滑动。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反凸模具是由至少两个筒状扇形体构成的。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，支架包括圆柱形部分和在圆柱形部分两侧径向朝向的两个壁。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将反凸模具靠近模具的表面部分，从而可以压制纤维结构件，缩小垂直于支架表面和侧凸缘表面的纤维结构的厚度。

10.一种制造涡轮机机匣的工艺，其特征在于，该工艺应用权利要求1-9任一项所述的方法。