CN103419377A - 由纤维幅材的线性预成型件生产复合材料弯曲型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由预浸渍纤维幅材的线性预成型件生产弯曲型材的方法，所述方法包括将幅材堆叠在可变形的心轴(22)上并将可变形的心轴(22)和堆叠的幅材沿旋转轴线(X)卷绕在弯曲工具(32)上，型材(10)包括由N个幅材组成的叠层，所述型材的至少一个第一部分布置在垂直于旋转轴线(X)的平面内，至少一个第二部分平行于旋转轴线(X)，第二部分的表面(38)能够接触弯曲工具(32)，所述方法包括将N个纤维幅材堆叠在可变形的心轴(22)上，在所述表面(38)和比所述表面(38)热的预成型件的其余部分之间形成热梯度，在单一的阶段中将插入可变形的心轴(22)和弯曲工具(32)之间的N个幅材弯曲，并将被弯曲的N个幅材聚合。

Description

由纤维幅材的线性预成型件生产复合材料弯曲型材的方法
技术领域
本发明涉及一种用于由纤维幅材的线性预成型件生产复合材料弯曲型材的方法。本发明更特别涉及一种生产用于航空器的机身的框架的方法。
背景技术
根据图1中所示的实施例，机身框架10为具有Z形横截面的型材形式，其中间部分称为芯部12，形成完整的或部分的环。该型材包括称为内翼的第一翼部14和称为外翼的第二翼部16，第一翼部14布置在芯部12的内边缘并垂直于芯部12，第二翼部16布置在芯部12的外边缘并也垂直于芯部12。
文献FR-2.928.295中描述了用来生产由复合材料制成的这种框架的方法。
根据该文献，基本成线性的带材首先由一叠3个预浸渍的纤维幅材制成，每个幅材具有沿一方向定向的纤维，该带材包括具有不同纤维定向的幅材，即，一个幅材具有呈30°的纤维，一个幅材具有呈90°的纤维，另一个幅材具有呈150°的纤维。
其次，纤维带材被布置在由可变形材料制成的心轴上，然后被压紧在心轴上以适合其形状。
该可变形的心轴能够在线性位置和弯曲位置之间变形，但是具有不可压缩或类似不可压缩的横向横截面。
随后，布置在由可变形材料制成的心轴上的变形带材被布置成接触加热工具，该加热工具在其外围上包括具有与心轴的横向横截面互补的轮廓的径向截面。因此，在弯曲过程中，该带材被压缩并经受升温。
在放置所述第一带材之后，由3个预浸渍纤维幅材形成的第二带材被切割并适于布置在另一个可变形的心轴上，然后压紧在其上。
随后，在由可变形材料制成的心轴上的变形的第二带材被布置成接触仍布置在工具上的第一带材，然后压紧第一带材。
如上所述，为了获得框架，需要在聚合组件之前将数个带材一个粘附在另一个上，从而形成框架。
另外，具有0°定向纤维的幅材被手动添加到特定的带材之间。
出于下列原因，该操作方法并不令人完全满意：
第一，因为型材要逐步地制作，多个带材需要连续地变形和弯曲，所以实施起来比较费时且乏味。
第二，由于带材由预浸渍纤维制成，可发现相对滑动带材来校正其相对位置是很困难的，所以带材之间的相对定位是很难实现的。另外，在弯曲过程中很难确保两个带材的两个内翼、两个带材的两个芯部以及两个带材的两个外翼在框架的整个长度上完美地相互接触。鉴于这些布置难题，操作者必须调试多次来尝试手动校正发现的缺陷。
根据另一个问题，由于带材被堆叠，外半径增加，而内半径减小，结果是已经布置在弯曲工具上的带材和被粘附的带材之间的偏差值引起所谓的桥接(bridging)的问题，这两个带材在弯曲半径的底部没有相互紧密压靠。在聚合过程中，这一问题引起对该部分的品质不利的卷曲。
根据另一个问题，不可能在带材已经被压紧后弯曲带材，而不引起预浸渍纤维幅材之间的滑动并由此引起纤维的卷曲或折叠。
根据另一个问题，与最后粘附的带材的幅材相比，第一带材的幅材与加热到大约50℃温度的工具接触更长时间，这引起浸渍第一幅材的树脂的加速且不受控制的老化。
根据另一个缺点，由于必须连续进行多个弯曲阶段，所以这一操作模式导致了低产量。
最后，根据另一个问题，0°定向的纤维必须手动布置在弯曲结构上，以减少卷曲的风险。这一手动布置增加了制造时间和成本。
发明内容
因此，本发明旨在克服现有技术的缺点，提出一种用于由纤维幅材的线性预成型件生产复合材料弯曲型材的方法，其可能特别是在内翼处减小0°定向的纤维的卷曲的风险。
为此，本发明涉及一种用于由预浸渍纤维幅材的线性预成型件生产弯曲型材的方法，所述方法包括将幅材堆叠在可变形的心轴上，并将所述可变形的心轴和堆叠的幅材沿旋转轴线卷绕在弯曲工具上，所述型材包括由N个幅材组成的叠层，所述型材的至少一个第一部分布置在垂直于所述旋转轴线的平面内，至少一个第二部分平行于所述旋转轴线，所述第二部分的表面能够接触所述弯曲工具，其中，所述方法包括将N个纤维幅材堆叠在所述可变形的心轴上，在预成型件的所述第二部分的所述表面和比所述表面热的其余部分之间形成热梯度，在单一的阶段中将插入所述可变形的心轴和所述弯曲工具之间的N个幅材弯曲，并将被弯曲的N个幅材聚合。
附图说明
其它特征和优点将通过结合附图的如下的描述变得清楚，该描述仅作为示例给出，其中：
图1是航空器的机身的框架的一部分的透视图；
图2是在线性可变形的心轴上的一叠幅材的透视图，其具有剖面部分，使其可能显示堆叠幅材的纤维的定向；
图3是图2的堆叠纤维幅材和心轴的横向横截面的视图；
图4是用于弯曲图2的堆叠纤维幅材和心轴的弯曲装置的概略视图；
图5是在弯曲之前的某些纤维的定向的示意图；
图6是在弯曲操作之后的图5中相同纤维的定向的视图；
图7是堆叠幅材的横截面视图；以及
图8是根据一个优选实施例的弯曲工具的横截面视图。
具体实施方式
在图1中，机身框架10被显示为具有Z形横截面的型材形式，其中间部分被称作芯部12，形成完整的或部分的环。该型材包括称作内翼的第一翼部14和称作外翼的第二翼部16，第一翼部14布置在芯部12的内边缘并垂直于芯部12，第二翼部16布置在芯部12的外边缘并也垂直于芯部12。
为了给出数量级，芯部具有80mm的高度，大约4到6mm的厚度。所述翼部具有大约30mm的宽度。
本发明并不限于该横截面形状和该应用。因此，本发明可能获得具有J、Z、L、Ω(Omega)或其它形状横截面的数种弯曲型材。
根据本发明，型材10沿着旋转轴线X和曲率半径R弯曲。因此，弯曲型材10包括至少一个第一部分和至少一个第二部分，该第一部分特别是芯部12，其位于垂直于旋转轴线X的平面内，该第二部分特别是翼部14，其平行于轴线X。型材的不同部分通过弯曲部分相互连接。因此，第一部分的第一表面与其它部分的第一表面是连续的。这些第一表面形成下面称作外表面的表面。相似地，第一部分的第二表面与其它部分的第二表面是连续的。这些第二表面形成下面称作内表面的表面。内表面的一部分朝向旋转轴线X定向。
根据本发明，弯曲型材10包括由N个幅材组成的叠层，N是大于或等于10的整数。为了提供数量级，型材包括大约50个幅材。
这些幅材包括针对每个幅材沿一个方向的预浸渍纤维。
该弯曲型材由线性预成型件20获得，其具有与将获得的弯曲型材10的横截面相同的横向横截面。
纵向方向是指线性预成型件20的最大尺寸方向。横向平面是垂直于纵向方向的平面。
线性预成型件20由在可变形的心轴22上形成上述弯曲型材所需的一叠N个幅材形成。
可变形是指心轴能够在线性位置和弯曲位置之间变形，但是具有不可压缩或类似不可压缩的横截面。
根据一个实施例，心轴由弹性体制成。
可变形的心轴22包括与弯曲型材的横截面互补的横截面。
弯曲型材的N个幅材相互堆叠在一起，第一个幅材布置在心轴上形成型材的外表面，最后一个幅材布置形成型材的内表面。
如图2所示，一些幅材24可具有相对于纵向方向呈A°定向的纤维，另一些幅材26可具有相对于纵向方向呈-A°定向的纤维，A在10°到90°之间变化。
值A根据理想的机械性能来确定。这些值A由工程公司来确定，并且必须符合+/-3°的容许区间。因此，当定向的标准值A为30°时，纤维与纵向方向形成的角度必须在27°和33°之间。
作为一个示例，一些幅材具有在30°定向的纤维，另一些幅材具有在-30°定向的纤维。一些幅材具有在60°定向的纤维，另一些幅材具有在-60°定向的纤维。一些幅材28、28’可具有分别在0°和90°定向的纤维。
优选地，对于每个值A，弯曲型材包括的纤维在A°定向的幅材和纤维在-A°定向的幅材具有相同数目。当弯曲型材10包括一叠10到20个幅材时，其包括M’个纤维在A°定向的幅材以及M’+/-1个纤维在-A°定向的幅材。超过20个幅材时，型材可包括M’个纤维在A°定向的幅材以及M+/-5％个纤维在-A°定向的幅材。
有利地，纤维在A°定向的幅材邻近纤维在-A°定向的幅材。
当弯曲型材10的所有幅材被粘附在可变形的心轴22上时，使用弯曲装置30进行弯曲阶段。在弯曲阶段中，心轴以及所有的幅材缠绕在弯曲装置30的弯曲工具32上，如图4中所示，弯曲工具32具有与弯曲型材的内表面的横截面互补的横截面。
根据本发明的一个重要方面，弯曲装置30包括用于加热线性预成型件20的加热装置34和用于冷却接触弯曲工具32的翼部14的表面38的冷却装置36，冷却装置36插入加热装置34和弯曲区域(预成型件与弯曲工具相接触的区域)之间。
这种预加热和冷却是连续进行的。
优选地，加热装置34可能在预成型件的整个横截面上将预成型件的温度增加到大约70℃的温度。根据一个实施例，在离变形区域大约500mm的上游部分上使用脉冲的热空气来加热预成型件。
优选地，冷却装置36可能将内翼的表面38冷却到大约15℃到20℃的温度。根据一个实施例，在离变形区域大约100mm的上游部分上使用脉冲的冷空气来冷却表面38。
因此，预成型件的各个部分首先全部被加热，然后就在插入弯曲工具之前在可与工具相接触的内翼的表面38上进行局部冷却。
如图7中所示，由于温度的操纵，在横截面上获得具有两个区域的热分布，区域Zc对应于热区域，区域Zf对应于冷区域，这两个区域由一直线表示的强热梯度分开，该直线基本平行于冷却的内翼的表面38，对应于热中性纤维40。
这种加热预成型件的方法使其可能获得尽可能靠近与弯曲工具32相接触的内翼的表面38的热中性纤维。位于中性纤维40以外的所有纤维将受到牵引力，且不会卷曲。中性纤维40非常靠近内翼的外表面，在该水平面上0°定向的纤维不会受到压缩力，且不易于卷曲。
根据本发明的另一个特征，该方法包括在内翼的表面38和弯曲工具32之间形成强粘合。为了形成该强粘合，弯曲工具32包括加热工具42(如图8所示)，至少将其与表面38相接触的表面加热到大约30℃的温度，而表面38具有从15℃到20℃的温度。因此，工具的表面和表面38具有不同的温度，工具的温度高于预成型件的表面38大约5℃。该方案可能限制布置在表面38上的纤维的滑动，并因此限制所述纤维出现卷曲。
有利地，该方法包括在预成型件和心轴22之间形成弱粘合。根据图8所示的实施例，两个薄膜44叠置在预成型件和心轴之间，所述薄膜相对彼此具有低粘合。薄膜44可以是例如由氟乙烯丙烯(fluoroethylene propylene)制成的分离薄膜。
如图8中所示，弯曲装置包括辊子，使其可能将心轴22压靠弯曲工具，第一辊子46能够压紧心轴22的一部分，该部分将预成型件的内翼压靠弯曲工具，第二辊子48的母线平行于所述芯部。优选地，在辊子48和心轴之间保留小间隙J，以有利于心轴和预成型件之间的滑动。
特别是由于纤维在A°定向的幅材和纤维在-A°定向的幅材具有相同或类似相同的数目，所有幅材的弯曲操作在单一的且相同的弯曲操作中进行是可能的。
在A°定向的纤维和在-A°定向的纤维形成基础菱形50，当预成型件是线性的时，这些菱形全部相同，如图5中所示。在变形后，基础菱形仍相对于径向方向52对称。在变形过程中，-A°和A°纤维的交叉点作为纤维枢转的节点。因此，纤维在A°定向的幅材和纤维在-A°定向的幅材变形，而不会起皱。
根据图6中所示的一个优选实施例，所有基础菱形相对径向方向52对称地变形。中性纤维40布置在内翼14处，所有的基础菱形50沿垂直于径向方向的方向伸展。在该情形下，所有的纤维受到牵引力，并且没有起皱是可能的。
如图6中所示，线性预成型件中在A°和-A°定向的纤维的定向在弯曲后改变。
因此，由最初在A°定向的纤维所形成的角度根据到旋转轴线X的距离而减小，而由最初在-A°定向的纤维所形成的角度根据到旋转轴线X的距离而增加。
根据由工程公司所设定的大约+/-3°的容许区间+/-IT，想要在A°定向的纤维会在弯曲之前布置在A+IT°，而想要在-A°定向的纤维会在弯曲之前布置在-(A+IT)°。根据在弯曲阶段之后的这种设置，所有的纤维正确地定向，并形成+A+/-IT或-A+/-IT的角度。这种设置可能显著地增加芯部的高度。作为一个示例，芯部的高度在现有技术中被限制到大约80mm，而使用本发明可达到大约170mm。
当A＝30°并且容许区间是+/-3°时，在变形之前，一些幅材的纤维在+33°定向，而另一些幅材的纤维在-33°定向。在该情形下，在弯曲以后，所有的纤维被正确地定向并符合容许区间。因此，对于一些幅材，靠近内翼14的纤维在33°定向，而靠近外翼16的纤维在27°定向，且全部符合30°+/-3°的定向。
在弯曲阶段以后，弯曲的幅材被聚合。根据一个实施例，可能移除可变形的心轴并在弯曲的预成型件上使用囊袋，以在温度周期中向幅材施加压力。可替换地，囊袋可在聚合过程中粘附在心轴上方，该心轴执行按压功能来形成弯曲型材的外表面。
本发明方法获得以下优点：
第一，因为所有幅材在单一的阶段中弯曲，不用使用按步方法，所以该方法可能大大减小生产成本和时间。
第二，由于在弯曲半径上不存在起皱或桥接，所以本发明方法可能限制废料。
根据另一个优点，本发明可能生产具有更大芯部的型材。
根据另一个优点，中性纤维布置在与弯曲工具接触的内翼的表面38上可能不会引起在内翼上0°定向的纤维上的压缩力，因而不会卷曲。
根据另一个优点，由于中性纤维理想地布置在表面38上，所以本发明方法可能控制强化纤维在芯部上的位置。
根据本发明的另一个优点，由于预成型件在上游由弯曲工具预加热，所以弯曲速度远高于现有技术，大约是8mm/s。
最后，由于仅变形部分承受温度增加，所以该方法确保了对树脂老化的更好的控制。

Claims (10)

1.一种由预浸渍纤维幅材的线性预成型件生产弯曲型材的方法，所述方法包括将幅材堆叠在可变形的心轴(22)上，并将所述可变形的心轴(22)和所堆叠的幅材沿旋转轴线(X)卷绕在弯曲工具(32)上，所述型材(10)包括由N个幅材组成的叠层，所述型材的至少一个第一部分(12)布置在垂直于所述旋转轴线(X)的平面内，至少一个第二部分(14，16)平行于所述旋转轴线(X)，所述第二部分的表面(38)能够接触所述弯曲工具(32)，其特征在于，所述方法包括将所述N个纤维幅材堆叠在所述可变形的心轴(22)上，在所述表面(38)和比所述表面(38)热的所述预成型件的其余部分之间形成热梯度，在单一的阶段中将插入所述可变形的心轴(22)和所述弯曲工具(32)之间的所述N个幅材弯曲，并将被弯曲的所述N个幅材聚合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成型件的各个部分首先全部被加热，然后就在插入所述弯曲工具之前在所述表面(38)上进行局部冷却。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成型件的所述部分被加热到70℃的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述表面(38)被冷却到15℃到20℃的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预成型件的所述表面(38)和所述弯曲工具之间形成强粘合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述表面(38)和与所述预成型件的所述表面(38)相接触的所述弯曲工具的表面之间产生温度差。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，与所述预成型件的所述表面(38)相接触的所述弯曲工具的所述表面的温度比所述预成型件的所述表面(38)的温度高5℃。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预成型件和所述可变形的心轴(22)的表面之间形成低粘合。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预成型件和所述可变形的心轴(22)的所述表面之间插入两个叠置的薄膜，所述薄膜相对彼此具有低粘合。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用辊子来将所述心轴(22)压靠所述弯曲工具，第一辊子(46)能够压紧所述心轴(22)的一部分，所述心轴(22)的一部分将所述预成型件的所述第二部分(14)压靠所述弯曲工具，第二辊子(48)的母线平行于所述预成型件的所述芯部(12)并与所述可变形的心轴(22)隔开小间隙(J)，以有利于所述心轴和所述预成型件之间的滑动。
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