CN103302865B - 由纤维层的直线预制件制造复合材料弧形型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种由预浸渍纤维层的直线的预制件制造弧形型材的方法，所述方法包括：将层堆叠到可变形的心轴(22)上，并且将所述可变形的心轴(22)和堆叠的层沿着旋转轴线(X)的方向卷绕在弯曲工具(30)上，所述型材(10)包括N层的堆叠层，所述型材的至少一个第一部分(12)沿着垂直于所述旋转轴线的平面设置并且至少一个第二部分(14，16)平行于所述旋转轴线，其中，所述方法包括：将N层纤维堆叠在所述可变形的心轴(22)上，在单一的步骤中使夹在所述可变形的心轴(22)和所述弯曲工具(30)之间的N层纤维弯曲，以及聚合弯曲的所述N层纤维，所述弧形型材包括M层其纤维以A°定向的纤维层以及M+/‑5％层其纤维以‑A°定向的纤维层。

Description

由纤维层的直线预制件制造复合材料弧形型材的方法
技术领域
本发明涉及一种由纤维层的直线预制件制造复合材料弧形型材的方法。更具体地，本发明涉及一种飞机机身框架的制造方法。
背景技术
根据图1所示的实施方式，飞机机身框架10是具有Z形截面的型材，该型材的被称作芯部12的中心部分形成完整的或部分的环。该型材包括第一翼状部14和第二翼状部16，第一翼状部14指的是设置在芯部12的内边缘区域上并垂直于芯部12的的内翼状部，第二翼状部16指的是设置在芯部12的外边缘区域上并且也垂直于芯部12的外翼状部。
在文献FR-2.928.295中描述了这种复合材料框架的制造方法。
根据该文献，首先，通过将三层预浸渍纤维堆叠在各自的顶部制成大致矩形的条带，每一层具有沿着某一方向定向的纤维，该条带包括具有不同纤维方位的层，具有处于30°方位的纤维的层，具有处于90°方位的纤维的层以及另一个具有处于150°方位的纤维的层。
然后，将纤维层的条带设置在由可变形的材料制成的心轴上，再在该心轴上被压紧以便于与其形状相适应。
该可变形的心轴能够在直线位置和曲线位置之间改变形状，但是存在不可压缩的或者在一定程度上不可压缩的横向截面。
接着，将设置在由可变形材料制成的心轴上的变形的条带与加热工具接触，该加热工具在其周边具有径向部分，该径向部分具有与心轴的横向部分互补的轮廓。在弯曲过程中，压紧该条带并使其经受温度上的增加。
在第一条带设置就位之后，切割三个预浸渍的纤维层的第二条带，再将其设置在另一个可变形的心轴上并压紧在心轴上。
然后，在由可变形材料制成的心轴上变形的第二条带与依然放置在工具上的第一条带接触，再相对第一条带压紧。
为了得到所需要的框架，如前所述，形成的组件聚合之前在各自的顶部将几个条带连接。
此外，在某些条带之间可以手动地增加以0°定向的纤维的条带。
这种操作模式并不是完全地令人满意的，由于以下原因：
首先，因为该型材是被逐步地制作的，必须使大量的条带变形并逐个地使其弯曲，所以实施过程是相当长的并且单调乏味。
其次，由于条带由预浸渍的纤维构成并且条带不能相对彼此顺利地滑行以校正它们的相对位置，故条带之间的相对定位难以实现。因此，在弯曲过程中难以确保两个条带的两个内翼状部、两个条带的两个芯部以及两个条带的两个外翼状部在框架的整体长度上完全地彼此接触。考虑到安装就位的难度，操作者必须干预许多次以试图手动地校正观察到的缺陷。
根据另一个缺点，当堆叠条带时，尽管内径值减小但外径值却增加，这意味着已经放置在弯曲工具上的条带和被连接的条带之间的差值引起被称作拱起(bridge)的缺陷，两个条带在曲率半径的底部没有紧紧地彼此贴平在一起。该缺点在聚合过程中引起一些不利地影响零件质量的波状起伏。
根据另一个缺点，不可能在条带一压紧就使条带弯曲而在预浸渍纤维层之间没有导致滑动，因此导致纤维的波状起伏或起皱。
最后，第一条带的层与在大约50℃的温度下被加热的工具保持接触，远长于最后的被连接的条带的层与工具的接触，这导致第一层的树脂浸渍以不受控的方式加速老化。
发明内容
因此，本发明旨在通过提供由纤维层的直线预制件制造复合材料弧形型材的方法来克服现有技术的缺点，这在限制被制造的零件为不合格产品的风险的同时，节省了时间和成本。
为此，本发明的目的在于由预浸渍纤维层的直线的预制件制造弧形型材的方法，所述方法包括将层堆叠在可变形的心轴上，并将所述可变形的心轴和堆叠的层沿着旋转轴线卷绕在弯曲工具上。所述型材包括N层堆叠层，该型材的至少一个第一部分沿着垂直于旋转轴线的平面设置，至少一个第二部分平行于所述旋转轴线，其特征在于所述方法包括在可变形的心轴上堆叠N层纤维、在单一步骤中弯曲夹在所述可变形的心轴和所述弯曲工具之间的N层纤维以及聚合被弯曲的所述N层纤维，所述弧形型材包括其纤维以A°定向的M层和其纤维以-A°定向的M+/-5％层。
附图说明
根据下面仅通过示例的方式对发明的描述，其他特征和优点将是清楚的，附图中：
图1为飞机机身框架的一部分的透视图；
图2为在直线的可变形的心轴上的堆叠层的透视图，其被剖开用于显示该堆叠层的纤维的定向；
图3为图2的心轴和纤维层的堆叠层的横截面图；
图4为用于使图2的堆叠层和心轴弯曲的弯曲工具的示意图；
图5示出了在弯曲之前某些纤维的定向；
图6A示出了根据本发明的第一选择性方案在弯曲操作之后图5纤维的定向；以及
图6B示出了根据本发明的另一选择性方案在弯曲操作之后图5纤维的定向。
具体实施方式
图1示出了机身框架10，其为具有Z形截面的型材，该型材的中心部分被称作芯部12，其形成完整的或部分的环。该型材包括第一翼状部14和第二翼状部16，其中，该第一翼状部14被称作内翼状部，其设置在芯部12的内边缘区域内并垂直于芯部12的内边缘区域，该第二翼状部16被称作外翼状部，其设置在芯部12的外边缘区域内，也垂直于芯部12的外边缘区域。
为了给出数量级，该芯部具有80mm的高度，大约4-6mm的厚度。翼状部具有大约30mm的宽度。
本发明并不限于这种截面形状也不限于这种应用。因此，本发明能够得到具有J形、Z形、L形、Q形或其他类似形状的截面的几种弧形型材。
根据本发明，型材10沿着旋转轴线X弯曲并具有曲率半径R。因此，弧形型材10包括至少一个第一部分以及至少一个第二部分，更具体地，第一部分为芯部12，其位于垂直于旋转轴线X的平面内，更具体地，第二部分为翼状部14，其平行于旋转轴线X。型材的不同部分通过弧形部分连接在一起。因此，第一部分的第一表面与第二部分的第一表面是连续的。这些第一表面形成了后面被称作外表面的表面。同样地，第一部分的第二表面与第二部分的第二表面是连续的。这些第二表面形成了后面被称作内表面的表面。后者包括朝向旋转轴线X定向的部分。
根据本发明，弧形型材10包括N层堆叠层，N为大于10层的整数。为了给出数量级，该型材包括50层左右。
这些层包括预浸渍纤维，每一层的纤维沿着一个方向定向。
弧形型材得自于直线的预制件20，该预制件20具有与将要得到的那些弧形型材10的横截面相同的横截面。
纵向方向被理解为直线预制件的最大尺寸。横向平面是垂直于纵向方向的平面。
通过堆叠N层得到直线的预制件20，该N层对于在可变形的心轴22上形成弧形型材是必要的。
由于该心轴是可变形的，可以理解该心轴能够在直线位置和曲线位置之间变形，但具有不可压缩的或在一定程度上不可压缩的横截面。
根据一种实施方式，该心轴是一种弹性体。
该可变形的心轴22包括与弧形型材的一部分互补的一部分。
弧形型材的N层堆叠在各自的顶部，第一层铺置在心轴上并形成该型材的外表面，并且铺放的最后一层形成该型材的内表面。
如图2所示，某些层24可以具有相对于纵向方向以A°定向的纤维并且其他层26可以具有相对于纵向方向以-A°定向的纤维，A可以在10-90°之间变化。
这些值A根据希望获得的机械特性的功能来确定。这些值A通过研究部门来确定并且必须考虑公差区间+/-3°。因此，当标称值A是30°时，纤维应该与纵向方向形成在27°和33°之间的角度。
通过示例的方式，某些层可以具有以30°定向的纤维，并且其他层可以具有以-30°定向的纤维。某些层可以具有以60°定向的纤维，并且其他层可以具有以-60°定向的纤维。某些层28可以具有以90°定向的纤维。
根据本发明的重点，对于每个值A，弧形型材包括多个与以-A°定向的纤维层一样多的以A定向的纤维层。当弧形型材10包括10-20层的堆叠层时，其可以包括M’层其纤维以A°定向的纤维层和M’+/-1层其纤维以-A°定向的纤维层。超过20层的话，型材可以包括M层其纤维以A°定向的纤维层和M+/-5％层其纤维以-A°定向的纤维层。
有利地，其纤维以A°定向的纤维层邻近其纤维以-A°定向的纤维层。
当将弧形型材10的所有层布置在可变形的心轴22上时，使用弯曲工具30执行弯曲步骤，该弯曲工具30具有与弧形型材的内表面的部分互补的部分。在弯曲过程中，心轴和所有的层均卷绕在弯曲工具30上，如图4所示。
至少直线的预制件20的变形区域被加热到大约70℃。根据一种实施方式，弯曲工具30包括一体的加热装置，其用于加热与纤维层接触的工具的表面。根据另一种优选的实施方式，加热装置32设置在弯曲工具的外侧并允许仅在变形区域加热纤维层。
每单位长度的弯曲速度特别取决于用于对经受弯曲的直线预制件的区域(section)加热的加热装置的功率(capacity)，通过示例的方式，每单位长度的速度大于或等于1.5mm/s。
因为弯曲工具可以与现有技术给出的工具相同或者做一些较小的改变，所以弯曲工具并没有被进一步地描述。
有利地，可变形的心轴22包括中性纤维34，其尽可能地靠近内翼状部14。实践中，可变形的心轴22包括加强件，其使该心轴沿着纵向方向在加强件的高度上变得不可伸展，该加强件以叶片36的形式，该叶片36在心轴的整个长度上沿着纵向方向延伸，叶片36的截面被定向成该截面的长度平行于弧形型材的翼状部。
该弧形型材10可以包括以0°定向的纤维层40，其平行于纵向方向。在这种情况下，这些层40不能在预制件的整个宽度上延伸而是仅仅在与外翼状部16对应的区域上延伸。在任何速率下，将其纤维以0°定向的纤维层仅仅铺放到设置在中性纤维34的外侧的区域上是更可取的。从而，在弯曲操作的过程中，以0°定向的纤维仅仅受到拉力而没有受到能够产生起皱现象的压紧力。
优选地，该加强件必须设置为尽可能地靠近旋转轴线X。根据一种实施方式，叶片36和与内翼状部14接触的心轴的表面38分离开一段约为1mm的小距离。
因此，当中性纤维34设置在内翼状部14的附近时，其纤维以0°定向的一层纤维层或多层纤维层可以在型材的整个宽度上延伸，甚至可以在内翼状部14的区域延伸。
由于其纤维以A°定向的纤维层的数量和其纤维以-A°定向的纤维层的数量是相同的或者在一定程度上是相同的，故在单一的弯曲操作过程中可以对所有纤维层进行弯曲操作。
当预制件是如图5所示的直线性时，以A°定向的纤维与以-A°定向的纤维形成全部相同的基本菱形42。变形后，基本菱形是始终关于径向方向44对称的。在变形过程中，以A°和-A°定向的纤维的交叉点充当其纤维枢转区域内的结点。因此，具有以A°定向的纤维的纤维层和那些具有以-A°定向的纤维的纤维层在没有褶皱的情况下变形。
根据图6B的一种实施方式，当中性纤维34设置在两个翼状部14和16之间时，所有的基本菱形变得关于径向方向44对称地变形。然而，位于中性纤维34和外翼状部16之间的基本菱形46沿着垂直于径向方向的方向延伸。相反地，位于中性纤维34和内翼状部14之间的基本菱形48沿着径向方向扩张但是沿着垂直于径向方向的方向缩小。即使变形关于径向方向44是对称的，基本菱形46比基本菱形48更进一步地延伸。因此，为了限制在内翼状部14的附近起皱的风险，将中性纤维34更靠近内翼状部14是较优的。
根据图6A所示的优选的实施方式，当中性纤维34设置在内翼状部14的区域内时，所有的基本菱形50沿着垂直于径向方向的方向延伸。在这种情况下，所有的纤维均受到拉力而不存在起皱现象是可能的。
如图6A所示，在弯曲之后，在直线的预制件中的以A°和-A°定向的纤维的方位被改变了。
因此，初始以A°定向的纤维所形成的角度随着与旋转轴线X的间隔而减小，然而，以-A°定向的纤维所形成的角度随着与旋转轴线X的间隔而增加。
考虑到由研究部门确定的公差区间+/-IT约为+/-3°，准备以A°定向的纤维在弯曲之前以A+IT°定位，而且准备以-A°定向的纤维在弯曲之前以-(A+IT)°定位。根据这种设置，弯曲阶段之后，所有的纤维均正确地定向并形成+A+/-IT或-A+/-IT的角度。这种布置使其可能显著地增加芯部的高度。通过示例的方式，在现有技术中芯部的高度被限制到大约80mm，然而在本发明中它们能够达到约170mm。
当A＝30°并且公差区间为+/-3°时，在变形之前，某些层的纤维以+33°定向，然而其他层的纤维以-33°定向。在这种情况下，在弯曲之后，所有的纤维均被正确地定向并顾及了公差区间。因此，对于某些层而言，靠近内翼状部14的纤维以33°定向并且靠近外翼状部16的纤维以27°定向，而且所有的纤维均顾及了30°+/-3°的定向。
在弯曲步骤之后，弯曲的层被聚合。根据一种实施方式，可以移除可变形的心轴并且可以将囊状物应用到弯曲的预制件之上，从而在温度循环过程中在层上施加压强。可选择地，在聚合阶段中可以在心轴之上连接该囊状物，该心轴确保了符合弧形型材的外表面的盘(plate)的作用。
本发明的方法提供了以下优点：
第一、该方法不是根据循序渐进的方法而是在单一的阶段使所有层弯曲，这大大地减少了成本和实施时间。
第二、由于在曲率半径的区域内没有起皱现象或拱起现象，故本发明的方法可以限制不合格产品。
根据另一个优点，可以制造具有较大尺寸的芯部的型材。
最后，本方法在变形部分受到温度的上升时对树脂的老化提供了更好的控制。

Claims (9)

1.一种由预浸渍纤维层的直线预制件制造弧形型材的方法，所述方法包括：将层堆叠到可变形的心轴(22)上，并且将所述可变形的心轴(22)和被堆叠的层沿着旋转轴线(X)卷绕在弯曲工具(30)上，所述型材(10)包括N层的堆叠层，所述型材的至少一个第一部分(12)沿着垂直于所述旋转轴线(X)的平面设置，并且至少一个第二部分(14,16)平行于所述旋转轴线(X)，其特征在于，所述方法包括：将N层纤维堆叠在所述可变形的心轴(22)上，在单一的步骤中使夹在所述可变形的心轴(22)和所述弯曲工具(30)之间的所述N层纤维弯曲，以及聚合被弯曲的所述N层纤维，所述弧形型材包括M层其纤维以A°定向的纤维层以及M+/-5％层其纤维以-A°定向的纤维层，其纤维以A°定向的层邻近其纤维以–A°定向的层，其中所述型材(10)包括以0°定向的纤维层(40)，其平行于纵向方向，所述以0°定向的纤维层(40)不在所述直线预制件的整个宽度上延伸而是仅仅在与外翼状部(16)对应的区域上延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述弧形型材(10)包括10到20层堆叠层时，其包括M’层其纤维以A°定向的纤维层和M’+/-1层其纤维以-A°定向的纤维层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在弯曲过程中仅仅在变形区域内加热所述层的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在大约70℃的温度下在所述变形区域内加热所述层的步骤。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用具有加强件(36)的可变形的心轴的步骤，其中所述加强件(36)使所述心轴在所述加强件处沿着所述纵向方向不可伸展。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用具有加强件(36)的可变形的心轴的步骤，其中所述加强件(36)尽可能地靠近所述旋转轴线(X)设置。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型材包括其纤维准备以A°定向并具有+/-IT的公差区间的层，其中，准备以A°定向的所述纤维在弯曲之前以A+IT°定位。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型材包括其纤维准备以–A°定向并且具有+/-IT的公差区间的层，其中，准备以–A°定向的所述纤维在弯曲之前以–(A+IT)°定位。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每单位长度的速度大于或等于1.5mm/s。
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