CN104602863A - 用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法以及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法，该方法包括移动所述板材同时实施以下步骤：将所述板材移动经过冷冻装置，所述板材至少在所述板材的第一边缘处设置有嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下尤其在20摄氏度下处于非固态；以及使用所述冷冻装置冷却所述第一边缘，使得所述第一边缘处的所述物质变成固态；在使用所述冷冻装置将所述物质冷却为固态的同时将所述板材移动经过机加工装置；以及在将所述板材移动经过机加工装置的步骤期间，用所述机加工装置机加工所述第一边缘以提供第一锥形边缘。

Description

用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法以及设备
技术领域
本发明涉及用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法以及设备。锥形纤维材料可以用来制造风力涡轮机叶片。
背景技术
本发明涉及用于对复合结构(诸如风力涡轮机叶片)中使用的层或者板层进行倒棱的技术，层或者板层在本文中通称为板材。
复合结构典型地包括一个或多个板材，在本文中还称为板层，每个板层为纤维加强板材，可以包括热塑性或者热固性树脂基体。在制造复合结构期间，例如在层叠或者喷射模塑过程期间，纤维可以由基体预浸渍为“预浸体”，或者基体可以浸渍到纤维板材中。可替换地，纤维加强板材可以通过树脂箔仅在一侧被预浸渍，即“半浸渍”。作为进一步的替换，纤维材料能够例如诸如在VARTM(真空辅助树脂传递模塑)中通过真空辅助传递至干纤维材料叠层而嵌有层压结构的基体树脂。通常使用的树脂是热固性树脂，其黏度当加热时降低，稍后当继续加热以凝固时黏度升高以变成固态。
板层通常以层式或层压式布置彼此上下叠置。单板层式复合结构也是可以的，其中多个单厚度的板层在它们的边缘处重叠。板层能够由泡沫芯体支撑以限定该芯体上或围绕该芯体的表皮，例如以提供夹层结构。
在风力涡轮机叶片中，该结构在从叶片根部到叶片末端的叶展方向上以及在翼弦(chordwise)方向上都通常是锥形的。为此，一些板层可以在该结构的端部的内侧终止或者“降低”，留下其他连续板层进一步朝向该端部延伸。但是，这种板层降低会引起层压结构的弱化，从而引起损坏，诸如分层或者破裂。边缘倒棱有助于强化负荷路径以及最大化板层之间的界面的表面积。这允许使用更厚的板层，这样利于层叠处理，因为在层压结构中于是需要较少的层来实现所需总体厚度。
复合结构中所使用的板层难以有效、精确及可重复地尤其以浅锥度进行倒棱，而为了最大化边缘界面的表面积，浅锥度是期望的。板层是柔性的并且是可压缩的，因而在倒棱处理所施加的力下趋于不可预测地移动。而且，板层会因倒棱处理生成的热而劣化。这在预浸体的情况下尤其是个问题，如果通过热使基体凝固或者以其他方式转化热的话。例如，倒棱期间生成的热会引起热塑性基体软化或熔化并堵塞倒棱工具。如果基体软化或熔化，那么倒棱工具还可能不可预测地拖动该板层，有可能使得板层扭曲，因而无法确定切削的准确度。
板层锥化工具的一些例子公开于EP1786617。这些包括类似于剃刀的指状铣刀，但指状铣刀不适合于切削纤维嵌入基体的预浸体，因为纤维在预浸体板层中的封闭集成防止了指状铣刀在纤维之间贯穿。而且，在干纤维构成的板材中，纤维例如通过缝合而被保持于一起并且定向成各种角度，阻止了指状铣刀在纤维之间贯穿。EP1786617还公开了具有倾斜面的面铣刀，其绕与包含锥形边缘的平面正交的轴线转动。当如EP1786617中所示那样构造时，面铣刀施加热量至预浸体板层会劣化板层并熔化其基体；使用砂带磨光机等的其他研磨技术也存在这个问题。而且，在干纤维板层中，当如EP1786617中所示那样构造时，面铣刀向板层施加平行于锥形边缘的侧力，这趋向使板层以及其中的各纤维扭曲，因而无法确定切削的精度。
WO2012013193公开了这样的技术，其中预浸体板层被夹在冷冻钢块之间，砂轮布置成平移过板层的自由边缘以从该边缘移除材料从而产生倒棱，供给冷冻剂的喷嘴布置成与砂轮协作地移动。虽然这是一个有效的技术，但是仍存在改进的空间，尤其是利于例如风力涡轮机叶片的大规模制造。因此，需要一种用于对纤维材料板材的边缘以可控方式及以适于高数量叶片制造的稳定的质量进行倒棱的处理。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于对纤维材料板材的边缘以可控方式及以适于例如风力涡轮机叶片的大规模制造的一致质量进行倒棱的技术。本发明的另一目的是利于降低会导致风力涡轮机叶片中的层压结构弱化的板层降低的风险。
这些目的通过根据权利要求1所述的在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法来实现。所述方法包括移动所述板材同时实施以下步骤：
-将所述板材移动经过冷冻装置，所述板材至少在所述板材的第一边缘处设置有嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下尤其在20摄氏度下处于非固态，
-使用所述冷冻装置冷却所述第一边缘，使得所述第一边缘处的所述物质变成固态，
-在使用所述冷冻装置将所述物质冷却为固态的同时将所述板材移动经过机加工装置，以及
-在将所述板材移动经过机加工装置的步骤期间，用所述机加工装置机加工所述第一边缘以提供第一锥形边缘。
所述纤维材料可以是适合于风力涡轮机叶片的任何类型，诸如机织的或者分层的三轴、双轴，无方向型的等。而且，所述纤维可以是任何类型，例如玻璃、碳等。嵌有纤维材料的物质指的是，该物质浸渍该纤维材料。
本发明提供的是，保持该物质在用机加工装置机加工时是固态的，使得第一边缘的一部分能够被机加工以创建锥面，而不存在该物质污染机加工装置的任何部分的风险。该板材可以包括预浸材料，其中该物质是基体树脂。由于预浸材料的正常粘性，机加工时尤其难以让工具不被树脂材料所覆盖。而根据本发明，当树脂保持固态时可以避免该情况。而且，机加工趋向于因摩擦和剪切力而产生热量，但本发明将抑制该现象。因而，当该物质是树脂时，第一边缘能够被锥化，而不存在机加工期间树脂被破坏或者开始凝固的风险。
如以下示例出的，该物质还可包括水，或者该物质是水，例如软化水，当锥化干纤维板层时使用，其中暂时提供所述水以在机加工期间稳定纤维，例如水将作为载体以利于磨削干纤维，因为当被机加工时水保持冷冻。这使得可以制造出精确的锥面。当然，该物质应该在所述物质通过冷冻装置之前被提供至板材。浸渍能够在冷却装置上游的浸渍站进行，优选地，水浸渍仅在板材的边缘进行，沿着该边缘来执行锥化加工。可替换地，其中，板材设置为卷中的卷板，在卷板仍在卷上的同时可例如通过将整个卷浸入水中或者将水浇在卷上来提供水。
优选地，在板材移动经过冷冻装置时同时执行对第一边缘的冷却。板材优选布置成沿水平是平坦的，当板材经过冷冻装置以及机加工装置时，第一边缘平行于板材移动方向。因为在所述方法步骤期间板材是移动的，所以冷冻装置和机加工装置可以是静止的。这又允许大规模制造，因为可以进行非常长板材的处理。例如，板材可以是设置为材料卷的卷板，当执行将板材移动经过冷冻装置和机加工装置的这些步骤时，板材能够被滚下该卷。然后板材能够连续移动而离开该卷，并且经过冷冻装置和机加工装置。当然这意味着，在该处理期间的任何给定时刻，在第一边缘的尚未达到冷冻装置的一部分中该物质将是非固态的，而在第一边缘的被机加工装置进行机加工的部分中该物质将是固态的。清楚的是：在该物质经过机加工装置时使用冷冻装置将物质冷却为固态的。
物质在室温下尤其20摄氏度下是非固态的，这意味着其高于其玻璃化转变温度(Tg)；然后该物质例如呈流体或者半流体状态。当冷却时该物质变成固态，此时意味着其低于其玻璃化转变温度。更通常的是，该物质在高于物质的玻璃化转变温度的第一温度下(尤其室温)具有第一黏性，在低于物质的玻璃化转变温度的第二温度下具有第二黏性。尤其是，第一黏性对应于物质的固态，第二黏性对应于物质的非固态。
对于物质是环氧基树脂的情形，未凝固的环氧基树脂的玻璃化转变温度取决于所使用的树脂类型而稍微有所变化。在板材的锥化(倒棱)期间将树脂温度维持低于其未凝固玻璃化转变温度，这可确保在倒棱处理期间树脂保持坚硬。未凝固的树脂的玻璃化转变温度在本领域中还可以称为'冷Tg'或者'未凝固Tg'并且是树脂的固有属性，将因材料而变化。简单的说，冷/未凝固Tg是基体在环境温度下反应的玻璃化转变温度，因此呈现相对低的交联度。对于环氧基树脂来说，典型的未凝固Tg值能够在-15℃以及+5℃之间。对于预浸的半固态双酚A型环氧基树脂来说，冷/未凝固Tg通常是-2℃左右。Hexcel复合材料公司销售的M9.6G的树脂具有的未凝固Tg为+2℃。随着基体老化，将产生一些额外的交联，引起冷Tg随着时间而稍微增加。比较来说，当基体在高温下被凝固时，其将呈现相对高的交联度，从而导致凝固的基体具有很高的Tg，通常大大超过100℃。
优选地，该方法包括加热机加工装置的磨削表面，使得磨削表面在机加工的步骤期间处于高于室温的温度。在物质是环氧树脂而使得板材形成预浸板层的情况下，加热机加工装置将防止环氧基树脂污染机加工装置。环氧树脂是一种热固性聚合物，能够是例如双酚A型环氧基树脂或者双酚F型环氧树脂。避免污染的原因在于，环氧基树脂将因加热而获得低黏性，在该状态下，环氧基树脂将不能够在机加工装置的磨削表面上积聚任何显著大量的沉积。相反，磨削表面将保持湿润以及没有沉积。如以下更详细描述的，能够使用感应热来加热磨削表面。
当物质是环氧树脂的情况下，加热磨削表面的步骤可包括加热磨削表面，使得其在机加工的步骤期间处于高于30摄氏度的温度，优选高于40摄氏度，更优选地高于50摄氏度，以及还更优选地至少为60度。从而，磨削表面以及因而树脂能够被加热，使得其在机加工的步骤期间处于环氧基树脂为半固态的温度间隔以上的温度。当物质是环氧基树脂的情况下，加热磨削表面的步骤能够包括加热磨削表面，使得其在机加工的步骤期间处于低于环氧基树脂的固化起始温度的温度，例如低于100摄氏度或者低于80摄氏度。例如，Hexcel复合材料公司销售的M9.6G的所述树脂的固化起始温度是80℃，(凝固周期在80-120℃)，当该树脂构成要机加工的板材的物质的情况下，可适当加热磨削表面，使得其在60摄氏度左右。
应该提到的是，本发明能够应用于预浸板层，不仅是具有环氧树脂的这些预浸板层，而且是具有适合于预浸的任何其他类型树脂(诸如酚醛树脂)的预浸板层。
优选地，机加工装置包括包含磨削表面的可旋转的第一砂轮，并且加热磨削表面的步骤包括加热砂轮使得其在机加工的步骤期间处于高于室温的温度。发明人的实验已经证实了，使用经加热的砂轮是成功的。可替换地，一些其他类型的机加工装置(例如带磨削器)能够包含磨削表面。更通常的，机加工装置可以包括磨削介质，该磨削介质被加热，使得其在机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
在一些实施例中，仅第一边缘被锥化。但是，有利地，嵌有纤维材料的物质还能够设置在板材的第二边缘处，第二边缘定位成与第一边缘相反。第二边缘从而能够平行于第一边缘。于是该方法能够进一步包括：使用冷冻装置冷却第二边缘，使得在第二边缘处的物质变成固态，以及在将板材移动经过机加工装置的步骤期间用机加工装置机加工第二边缘，以提供第二锥形边缘。
以所述方式对第一和第二边缘锥化尤其适合于所述的布置，其中板材是设置为材料卷的卷板，当执行将板材移动经过冷冻装置和机加工装置的这些步骤时板材被滚下上述卷。于是，第一和第二边缘可以是卷板的纵向边缘。板材然后能够借助驱动装置(即动力单元)移动，该驱动装置定位在冷冻装置和机加工装置下游，驱动装置将板材拉出卷并经过冷冻装置和机加工装置。可替换地，传送器能够同时承载并移动材料经过冷冻装置和机加工装置。在这两个例子中，板材能够连续移动经过冷冻装置和机加工装置。
冷冻装置可以包括用于第一和第二边缘二者的一个单元，或者包括用于第一边缘和第二边缘的独立的单元。优选地，冷冻装置具有封闭第一边缘的第一冷却腔，可选地具有封闭第二边缘的第二冷却腔。每个冷却腔都能够以任何适当方式设置，例如作为腔室或者通道。如以下示例出的，冷冻装置可以包括具有连接至蒸发器的压缩机的冷却器以及将蒸发器连接至冷却腔的导管。可替换地，冷冻装置可以布置成将制冷剂直接分配到第一边缘上。例如，四氟乙烷制冷剂能够被泵送并且喷洒在板材上。当然应理解的是，其他合适的制冷剂也可以用于该目的，例如液氮或者液态二氧化碳。优选地，第一边缘和其中的物质被冷却至合适的温度，例如-50℃。
机加工的步骤可以涉及任何公知材料以及物质移除处理，包括切割、剪切、磨削、割锯、铣削和/或超声波切割。机加工装置能够包括用于第一和第二边缘的单独的磨削或者切割单元。优选地，机加工装置包括第一砂轮，并且机加工第一边缘的步骤包括用第一砂轮机加工第一边缘。第一砂轮可以是高速的带钻石工具，从而对各纤维提供高速冲击。在低速下，各纤维趋于因分别磨削而切割，这趋向于在处理期间移动各纤维。结果，材料的最终切割将难以控制，并且将偏离期望的锥形形状。用冲击来切割各纤维而不是用磨削来切割它们，这允许各纤维在切割处理期间不移动地被切割。从而，可以在不会扭曲未移除的纤维材料及物质的情况下获得锥面。
上述加热机加工装置的可替换方案是，该方法能够包括：冷却机加工装置的磨削表面，使得其在机加工的步骤期间处于物质为固态的温度。优选地，磨削表面被冷却，使得物质在该机加工步骤期间处于物质为固态的温度。更具体来说，机加工装置的磨削表面能够被冷却得充分低于物质的冷Tg，使得当物质因机加工动作受到摩擦热时，物质的温度仍低于其冷Tg。
冷却磨削表面能够通过包含在中空的砂轮中的磨削表面实现，静止的冷却装置放置在砂轮中。可替换地或者附加地，机加工装置能够包括封闭第一砂轮的工具壳体。当冷冻装置具有封闭第一边缘的第一冷却腔的情况下，工具壳体能够连通第一冷却腔。从而，机加工装置与冷冻装置集成在一起，使得在磨削处理期间板材边缘能够保持冷却。
优选地，在板材是设置为材料卷的卷板的情况下，使用布置于机加工装置下游的切割装置将板材沿大致横向于卷板的纵向方向切割(或者横向于板材的移动方向)成板材段。优选地，进行切割以便符合用于风力涡轮机叶片的模具的形状。因而，多个板材段能够放置在细长风力涡轮机叶片壳模具中，使得板材段在模具中横向延伸，第一锥形边缘定向成朝着包括板材段的叶片的翼弦方向。因而，板材段放置在模具中以便从叶片的前边缘延伸到叶片的后边缘。从而，如以下示例出的，板材段的锥形边缘还将在叶片的翼弦方向上延伸，并且优选地，板材放置成部分地重叠以在它们之间提供结构上稳定的接头。
根据权利要求1的方法的实施方式限定在从属权利要求2-17中以及以下的详细描述中。该目的还通过根据权利要求18所述的风力涡轮机叶片来实现。
此外，该目的由根据权利要求19所述的用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的设备来实现。板材至少在板材的第一边缘设置有嵌有纤维材料的物质，所述物质在室温下、尤其在20摄氏度下处于非固态，
-所述设备包括冷冻装置并且适于将板材移动经过冷冻装置，冷冻装置适于冷却第一边缘使得第一边缘处的物质变成固态，
-所述设备包括机加工装置并且适于将板材移动经过机加工装置，机加工装置适于在板材移动经过机加工装置时以及冷冻装置将物质冷却为固态时机加工第一边缘以提供第一锥形边缘。
优选地，所述设备包括加热装置，加热装置适于加热机加工装置的磨削表面使得当机加工第一边缘时磨削表面处于高于室温的温度。
在一些实施例中，冷冻装置包含适于封闭第一边缘的第一冷却腔。可替换地或者附加地，冷冻装置能够包含适于承载液体并且沿着第一边缘延伸的液体冷却剂导管。因而，冷冻装置能够包括一用于冷却导管的液体(诸如盐水)的系统，该液体被泵送通过液体冷却剂导管，该导管又会冷却第一边缘。如以下示例出的，冷冻装置能够包含第一液体冷却剂导管和第二液体冷却剂导管，它们都适于承载液体并且沿着第一边缘延伸，其中，第一和第二液体冷却剂导管定位在第一边缘的相反两侧。
可替换地或者附加地，冷冻装置能够包含定位在第一边缘处的热电冷却器，诸如珀尔帖冷却器。如以下示例出的，冷冻装置能够包含定位在第一边缘处的第一热电冷却器和第二热电冷却器，其中，第一和第二热电冷却器定位在第一边缘的相反两侧。从而，第一和第二热电冷却器能够与第一和第二液体冷却剂导管或者第一冷却腔结合以提供具有分级冷却布置的冷冻装置。从而板材能够经过仅具有第一和第二液体冷却剂导管或者第一冷却腔的第一级，随后板材能够经过具有热电冷却器以及第一和第二液体冷却剂导管或者第一冷却腔的相邻第二级。在这种布置中，第一级能够将第一边缘的温度带至第一温度，第二级能够将第一边缘的温度带至第二温度，第二温度大大低于第一温度。
根据权利要求19的设备的进一步实施方式限定在从属权利要求20-32中以及以下的详细描述中。
该目的还通过根据权利要求33的方法实现，该方法在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘，该方法包括：
-提供板材，板材至少在板材的第一边缘具有嵌有纤维材料的物质，所述物质在室温下尤其在20摄氏度下处于非固态，
-例如通过使用上述的冷冻装置冷却第一边缘，使得第一边缘处的物质变成固态，
-在将第一边缘处的物质冷却为固态的同时用机加工装置机加工第一边缘以提供第一锥形边缘，以及
-加热机加工装置的磨削表面，使得磨削表面在机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
该方法能够包括提供物质至板材的步骤。应该注意的是，当实践根据该本发明方面的方法时，板材能够移动经过机加工装置，或者板材能够是静止的以及以合适的方式被支撑，而机加工装置在机加工的步骤期间移动。如果板材是移动的，就能够提供连续处理，其中在给定时间点，第一边缘处的一些物质不被冷却，因此是非固态的，第一边缘的其他一些部分由于冷却步骤而是固态的。
根据权利要求33的方法的实施方式限定在从属权利要求34-36中以及以下的详细描述中。这些目的还通过根据权利要求37所述的风力涡轮机叶片实现。
该目的还通过根据权利要求38所述的用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的设备来实现，所述设备包括机加工装置并且适于将板材移动经过机加工装置，机加工装置包括可旋转的第一砂轮，可旋转的第一砂轮适于当板材移动经过机加工装置时机加工板材的第一边缘以提供第一锥形边缘，其中，第一砂轮具有柱形磨削表面，柱形磨削表面布置成使得柱形磨削表面的在机加工第一边缘期间暂时接触板材的一部分沿一方向移动，所述方向具有背离板材的分量。
当然，柱形磨削表面的一部分与板材的暂时接触是砂轮旋转的结果。所述磨削表面部分局部地出现在磨削表面和板材之间的接触区域处。砂轮旋转所引起的所述部分移离板材提供了磨削粉尘沿离开板材的方向的移动，这利于保持板材不受污染及不积聚磨削材料。
优选地，柱形磨削表面具有旋转轴线，所述旋转轴线定向成与板材经过机加工装置的行进方向成角度，所述角度大于0度并小于90度，优选10-80度。优选地，为了提供第一锥形边缘，磨削表面的旋转轴线定向成与假想线成角度，所述假想线横向于板材经过机加工装置的行进方向，当板材经过机加工装置时假想线还在板材的平面内延伸，所述角度大于0度并小于90度，优选为1-30度，更优选地为1-15度。
根据权利要求38所述的设备的实施方式限定在从属权利要求39-42中以及以下的详细描述中。
附图说明
图1示出了从前侧即面向风力侧看的风力涡轮机，
图2示出了此处用于从卷机加工且形成纤维板材状材料的设备的立体图，其中，沿着板材状材料的两侧制出锥形的锐角，
图2a示出了图2的设备的侧视图，
图2b和图2c示出了沿垂直于图2的箭头A指示的板材传输方向所截取的图2的设备的部分的截面，
图3示出了用于在包括纤维材料的板材中形成锥形角度的另选设备的俯视图，
图3a示出了沿垂直于图3的箭头A指示的板材传输方向所截取的图3中设备的部分的截面，
图3b示出了类似于图3a所示的根据本发明再一实施例的设备的部分的截面，
图3c示出了设备的示意侧视图，其一些部分示出于图3b中，
图4a示出了图3中设备的一部分的俯视图，
图4b示出了沿垂直于图3的箭头A指示的板材传输方向所截取的图4a中的部分的截面，
图5示出了图3的设备的机加工装置的一部分的截面图，该截面平行于机加工装置的砂轮的旋转轴线，
图6示出了风力涡轮机叶片模具的俯视图，一些材料放置在风力涡轮机叶片模具中，
图6a示出了形成一件纤维材料的锥面的锐角，
图6b示出了由两件纤维材料形成的锥形重叠接头，每件纤维材料都具有锥面，以及
图7示出了根据本发明的替换实施方式的设备的侧视图。
具体实施方式
图1图示了风力涡轮机1。风力涡轮机包括风力涡轮机塔2，风力涡轮机引擎舱3安装在风力涡轮机塔2上。风力涡轮机转子4包括至少一个风力涡轮机叶片5，风力涡轮机转子4安装在毂6上。毂6通过从引擎舱前部延伸的低速轴(未示出)连接至引擎舱3。图示于图1的风力涡轮机可以是旨在家用或轻型多用途使用的小型风力涡轮机，或者可以是大型风力涡轮机，诸如在大规模发电或风力场使用的风力涡轮机。在后种情形下，转子的直径能够达到100米或更大。
图2示出了设备26，其用于在包括用于风力涡轮机叶片4的纤维材料的板材21中形成锥形角度。纤维材料至少部分地嵌入一物质中。在该实施例中，该物质是树脂，例如环氧树脂；因而板材设置呈所谓的预浸材料的形式。此处面临的一个问题是，要形成锐角而不会扭曲板材21或者纤维材料，因为锥面的一个目的是用其作为图6b所示的锥形重叠接头23的一部分。
以下将描述使用设备26在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法。板材21设置成卷板，从预制纤维材料构成的卷18拉出，并且在其移动的同时执行以下描述的这些步骤。
板材21至少在板材的第一边缘211和第二边缘212处设置有嵌有纤维材料的物质，该物质在室温下尤其20摄氏度下是非固态的。板材21移动经过冷冻装置，冷冻装置由两个冷冻段17形成，冷冻段17连通冷却器20，以下更详细地描述该冷却器20。冷冻装置17冷却第一和第二边缘211、212，使得边缘处的物质变成固态。
与冷冻装置17集成在一起的是机加工装置16，此处还称为工具16，以下更详细地描述。在通过冷冻装置17将物质冷却为固态的同时，将板材21移动经过机加工装置16。第一和第二边缘211、212被机加工装置16机加工以从第一和第二边缘211、212分别提供第一和第二锥形边缘211a、212a。通过移除部分纤维和物质而形成锥形边缘。工具16布置成使得锥形边缘相对于板材21的平面形成在1至15度之间的锐角。在机加工装置16与冷冻装置17集成在一起的情况下，可在物质由沿着第一和第二边缘作用的冷冻装置17保持固态的同时执行机加工。可替换地，机加工装置16能够与冷冻装置17分离，并位于冷冻装置17的下游，由此冷冻和机加工步骤是顺序执行的。
如图2a可见的，为了移动板材21，设备21设置有位于冷冻段17和工具16的下游(图2a中用矩形虚线示意地指示)呈拉动器11的形式的驱动装置11。拉动器11拉动板材21并且使得板材21前进离开卷18，并沿图2和图2a的箭头A指示的板材传输方向经过冷冻段17和工具16。设置了支撑结构27，其具有用于承载板材21的支撑表面271。支撑表面271(优选是金属表面)将在板材从卷18移出之后并在其移动经过冷冻装置17和机加工装置16的同时支撑板材。当然，作为卷18的替换，纤维材料也可以设置在由设备26分别馈送的多个板材中。作为对拉动器11的替换，也可以用集成在支撑结构27中的驱动装置将板材21传输经过工具16和冷冻段17，该驱动装置呈诸如链条或者带传送器的传送器(未示出)的形式。
如图2可见的，冷却器包括压缩机201，该压缩机201连接至蒸发器202。冷冻段17包括细长元件，这些细长元件沿着支撑结构27(图2a)的部分边缘延伸以便封闭板材21的边缘211、212。图2b示出了其中一个冷冻器段的截面，支撑结构27的一部分包含用于板材21的支撑表面271。冷冻器段17具有C形截面，其中"C"的下侧远端安装至支撑结构27。冷冻器段17因而包含冷却腔，由此其被设计成封闭用于冷却板材21的边缘211的冷气，例如空气。冷冻器段的上侧远端包含唇缘171，唇缘171优选由弹性材料(诸如橡胶)制成，或者呈刷子的形式，从而密封冷冻器段17的内部。唇缘的远端接触板材。
导管203a、203b将蒸发器连接至冷冻段17，通风器204设置成将气体从蒸发器202循环至冷冻段17并返回至蒸发器202。将气体传输至相应冷冻段17的相应导管203a在与冷冻器段17和相应导管203b之间的连接部位隔开一距离的部位连接至冷冻段17，导管203b将气体传输离开冷冻器段17。这允许冷气沿着要冷却的板材边缘211在冷冻器段内部移动。
如图2b可见的，支撑结构27能够设置有一个或多个内冷却通道272，其能够加强对板材边缘211的冷却效应。这些冷却通道能够与用于接收及排空冷却气体的导管203a、203b连通。
机加工装置16包括两个磨削工具161，(图2c中能够看见一个)，第一和第二边缘211、212各用一个工具。每个磨削工具161都是具有砂轮的旋转工具，砂轮包含柱形磨削表面。工具161的旋转轴线定向成平行于(图2的箭头A指示的)板材传输方向。图2c中的箭头B指示的旋转方向是工具表面的接触板材21的下部分从板材的内部分移离的方向。
在可替换实施方式中，工具161的旋转轴线定向成垂直于板材传输方向。在这种实施方式中，在砂轮的磨削表面是柱形的情况下，旋转轴线能够定向成与板材的平面成角度，该角度对应于要获得的板材锥面的角度。可替换地，在工具的旋转轴线定向成垂直于板材传输方向的情况下，其能够定向成平行于板材的平面，板材锥面能够通过具有截锥形状的砂轮的磨削表面来获得。
如图2c可见的，每个磨削工具161都收纳在相应的工具壳体162中，工具壳体162连通相应的冷冻段17和从蒸发器202传输冷气的相应导管203a。工具壳体162设计成在板材21的边缘211被机加工的同时封闭用于冷却板材21的边缘211的冷气。工具壳体162的边缘包含密封工具壳体162的内部的唇缘162a，唇缘162a优选为弹性材料(诸如橡胶)，或者呈刷子的形式。唇缘在其远端接触板材21。
如图2c可见的，在该实施方式中，如上述参考图2b的，内冷却通道272延伸至机加工装置的区域中。
具有纤维材料和物质的板材21能够在基本不扭曲未移除的材料以及物质的情况下被机加工。这可以通过将工具161设置为高速工具来实现，该高速工具具有带钻石涂层的切割面。这种工具将通过冲击而不是磨削来切割各纤维，由此降低或者消除了在切割时纤维移动的风险。
与工具壳体162连通的是粉尘抽取器19，其包括风扇并且从工具壳体162抽取气体以移除由机加工产生的粉尘。粉尘抽出器设置有过滤器，过滤器又由布置成供给新鲜过滤材料的过滤器辊15提供。过滤器材料将捕获低至特定尺寸的粒子。在图2中，粉尘抽取器19示出为将所抽取的气体排入大气。作为替换例子，粉尘抽取器19能够连通蒸发器202，使得从工具壳体蒸发并且通过过滤器的空气返回到回路以被再次冷却，并且被排放至冷冻段17和工具壳体162。
如图2可见的，质量检查装置12能够设置成轮指传感器或者光学照相机，可以布置在机加工装置16之后以确认机加工的结果。
参考图2和图3。在拉动器11的下游是布置成将板材21切割成段21a的切割器14，这些段21a适于风力涡轮机叶片壳模具(未示出)中的特定部位。板材段21a能够如申请人提交的国际申请PCT/DK2012/050261中描述的那样布置。例如，板材段21能够被切割成使得它们获得长度延伸和短于长度延伸的横向延伸，它们能够置于叶片模具中，使得它们的长度沿着与叶片模具的翼弦方向对应的方向定向并且沿叶展方向重叠。相比于纤维材料板材以传统方式进行叠层，即它们的长度延伸沿着叶片的叶展方向，此处提出的纤维材料板材沿翼弦方向叠层方式显著降低了材料浪费。
图3示出了用于在包括纤维材料的用于风力涡轮机叶片4的板材21中形成锥角的可选设备的俯视图。图3的设备与上述参考图2描述的设备具有共同的特征，但此处将描述重要的不同。
板材21移动经过由两个冷冻段17形成的冷冻装置，冷冻段17与冷却器20连通。冷冻段17包括沿着支撑结构的部分边缘延伸的细长元件。
图3a示出了一个冷冻器段的截面，支撑结构27的一部分包含用于板材21的支撑表面。冷冻装置包含第一液体冷却剂导管206和第二液体冷却剂导管207，它们都适于承载液体并且沿着第一边缘211延伸，其中，第一和第二液体冷却剂导管定位在第一边缘211的相反两侧。因而，冷冻装置包括一用于冷却导管的液体(诸如盐水)的系统，该液体被泵送通过液体冷却剂导管206、207，该导管又会冷却第一边缘211。
图3b和图3c示出了图3的实施例的变型。图3b示出了其中一个冷冻器段的截面，类似于图3a的截面。如图3b可见的，除了液体冷却剂导管206、207之外，冷冻装置还包含第一热电冷却器208和第二热电冷却器209，它们都是珀尔帖冷却器。第一和第二热电冷却器208、209定位在第一边缘211的相反两侧，并位于相应的液体冷却剂导管206、207和第一边缘211之间。
如图3c可见的，第一和第二热电冷却器208、209结合第一和第二液体冷却剂导管206、207，以提供具有分级冷却布置的冷冻装置。从而板材21经过仅具有第一和第二液体冷却剂导管206、207的第一冷冻器级20A，随后板材经过具有热电冷却器208、209和第一和第二液体冷却剂导管206、207的相邻第二冷冻器级20B。从而，第一冷冻器级20A将第一边缘211的温度带至第一温度，第二冷冻器级20B将第一边缘211的温度带至第二温度，第二温度大大低于第一温度。
在图3和图3c的实施例中，机加工装置16设置在冷冻装置17的下游。机加工装置16包括可旋转的第一和第二砂轮1611、1612，通过它们机加工第一和第二边缘211、212以提供第一和第二锥形边缘211a、212a。第一和第二砂轮1611、1612具有相应的柱形磨削表面1611a、1612a。
如图4a可见的，每个磨削表面都布置成使得在箭头P指示的旋转期间，柱形磨削表面的一部分在机加工第一边缘期间暂时接触板材21，沿图4a的箭头R指示的方向移动，该方向具有离开板材21的分量。该移动用于使得磨削粉尘沿离开板材21的方向的移动，这利于保持板材不受污染且不积聚磨削材料。如图4a可见的，柱形磨削表面具有旋转轴线，该旋转轴线定向成与板材经过机加工装置的行进方向成角度C，角度C是大约45度。更通常地，角度C可以是10-80度。
如图4b可见的，为了提供锥形边缘，柱形磨削表面1611a的旋转轴线定向成与假想线J成角度D，假想线J在图4b中是水平的。即，假想线J横向于板材21经过磨削表面1611a的行进方向。假想线J还平行于当板材经过磨削表面1611a时板材的平面。角度D大于0度并小于90度，优选为1-30度，更优选地为1-15度。
如图5可见的，机加工装置在每个砂轮1611、1612中都包括加热装置163，加热装置163适于加热磨削表面1611a。砂轮1611安装在轴1613的远端处。加热装置163包括感应加热器，感应加热器又包括线圈1631，其在可旋转的砂轮1611内是静止的。线圈1631连接至发电机1632，发电机1632在线圈1631中产生交流电。从而，线圈1631产生感应热以便加热砂轮1611。
在板材21中的物质是环氧树脂的情况下，磨削表面1611a被加热，使得其在机加工期间处于高于环氧树脂为半固态的温度间隔但低于环氧树脂的固化起始温度的温度。在环氧树脂是双酚A型环氧树脂的情况下，用于磨削表面温度的合适最小值是60摄氏度，用于磨削表面温度的合适最大值是80摄氏度。
加热装置将防止环氧基树脂污染机加工装置。原因在于，环氧基树脂因加热将获得低黏性，在该状态下，环氧基树脂将不能够在磨削表面1611上积聚任何显著量的沉积。相反，磨削表面将保持湿润且没有沉积。
如图6指示的，作为上述处理的结果，每个板材段的第一和第二锥形边缘211a、212a都将在叶片的翼弦方向上延伸。图6a示出了具有带有锐角A的锥面22的板材21，该锥面22是通过根据本发明的方法的实施方式获得的。该角度A是相对于板材21的平面限定的，在1和15度之间。图6b示出了形成在两个板材21之间的锥形重叠接头23，两个板材21例如在如图6所示的模具中彼此相邻放置。锥面将降低例如由于非锥形板材边缘的板层降低处形成的树脂通道所导致的应力集中的风险。
应理解的是，可以在不超出附随权利要求所限定的本发明范围的情况下对上述技术进行许多修改。例如，应理解的是，以上例子所描述的预浸体板层可以替换成半浸渍板层或者包括树脂基体材料的其他纤维板层。本发明还能够用于干纤维板材。在这种情况下，嵌有纤维材料的物质可以是水。如图7所示，干纤维板材21能够从卷18拉出并且在其移动通过冷冻装置17和机加工装置16之前被引导通过水容器29。冷冻装置将冷冻浸渍纤维的水。这将可以在各纤维在磨削处理期间不会移动的情况下机加工锥形边缘，因为冷冻的水将纤维保持于各自的位置。在机加工之后，水可以例如通过合适的干燥装置蒸发或者以任何其他方式从纤维材料分离出。
可替换地，在干式板材上，水浸渍能够仅在板材的边缘进行，沿着这些边缘执行锥化机加工，使得板材的中间段在整个处理过程中是干的。
本发明能够用于许多不同种类的纤维定向，例如，诸如三轴纤维板材或者无方向性的纤维板材。此外，尽管以上描述了磨削工具，但是应理解的是，本发明也可以与任何其他机加工工具或者技术结合。
通过各个方面和变型例的描述已经图示了本发明，尽管已经相当详细地描述了这些实施方式，但是申请人并不旨在约束或以任何方式将附随的权利要求书的范围限制得如此详细。额外优点以及修改对于本领域的技术人员来说是容易明显的。因此本发明在大的方面来说不限于具体细节、示意方法和示出及描述的示例。因此，可以不超出总体创造性构思的精神或范围的情况下做出与这些细节的不同的修改。

Claims (42)

1.一种在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法，该方法包括移动所述板材同时执行以下步骤：
-将所述板材移动经过冷冻装置，至少在所述板材的第一边缘处设置嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下、尤其在20摄氏度下处于非固态，
-使用所述冷冻装置冷却所述第一边缘，使得在所述第一边缘处的所述物质变成固态，
-在使用所述冷冻装置将所述物质冷却为固态的同时将所述板材移动经过机加工装置，以及
-在将所述板材移动经过机加工装置的所述步骤期间，用所述机加工装置机加工所述第一边缘以提供第一锥形边缘。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括加热所述机加工装置的磨削表面，使得所述磨削表面在所述机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述物质是环氧树脂，并且加热所述磨削表面的所述步骤包括加热所述磨削表面使得其在所述机加工的步骤期间所处的温度高于30摄氏度，优选高于40摄氏度，更优选地高于50摄氏度，以及还更优选地至少为60度。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其中，所述物质是环氧树脂，并且加热所述磨削表面的步骤包括加热所述磨削表面使得其在所述机加工的步骤期间所处的温度低于所述环氧基树脂的固化起始温度，例如低于100摄氏度或者低于80摄氏度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述机加工装置包括包含所述磨削表面的可旋转的第一砂轮，并且加热所述磨削表面的所述步骤包括加热所述砂轮使得其在所述机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，嵌有所述纤维材料的所述物质还设置在所述板材的与所述第一边缘相反的第二边缘处，所述方法进一步包括使用所述冷冻装置冷却所述第二边缘，使得在所述第二边缘处的所述物质变成固态，以及在将所述板材移动经过所述机加工装置的所述步骤期间用所述机加工装置机加工所述第二边缘以提供第二锥形边缘。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述板材是设置为材料卷的卷板，当执行将所述板材移动经过所述冷冻装置和所述机加工装置的这些步骤时所述板材被滚下所述卷。
8.根据引用权利要求6的权利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二边缘是所述卷板的纵向边缘。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其中，借助驱动装置移动所述板材，所述驱动装置位于所述冷冻装置和所述机加工装置的下游，所述驱动装置将所述板材拉下所述卷并经过所述冷冻装置和所述机加工装置。
10.根据权利要求1或6-9中任一项所述的方法，该方法包括冷却所述机加工装置的磨削表面，使得其在所述机加工的步骤期间处于所述物质为固态的温度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述冷冻装置具有封闭所述第一边缘的第一冷却腔。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述机加工装置包括第一砂轮，并且机加工所述第一边缘的所述步骤包括用所述第一砂轮机加工所述第一边缘，其中，所述机加工装置包括封闭所述第一砂轮的工具壳体，其中，所述工具壳体连通所述第一冷却腔。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括用位于所述机加工装置下游的检查装置检查所述第一锥形边缘。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述板材包括具有所述纤维材料的预浸材料，所述物质是基体树脂，尤其是环氧树脂。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括为所述板材设置嵌有所述纤维材料的物质的步骤，其中所述纤维材料包括干纤维，所述物质包括水，所述物质优选是水，例如软化水。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用布置于所述机加工装置下游的切割装置，大致横向于所述板材的移动方向将所述板材切割为板材段。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法包括将所述板材切割为多个板材段，并将多个所述板材段放置在细长的风力涡轮机叶片壳模具中，使得所述板材段在所述模具中横向延伸，其中所述第一锥形边缘沿着包括所述板材段的风力涡轮机叶片的翼弦方向定向。
18.一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括板材或者板材段，所述板材或者板材段包括纤维材料并且具有根据权利要求1至17中任一项所述的方法所提供的锥形边缘。
19.一种用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的设备，至少在所述板材的第一边缘处设置嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下、尤其在20摄氏度下处于非固态，
-所述设备包括冷冻装置并且适于将所述板材移动经过所述冷冻装置，所述冷冻装置适于冷却所述第一边缘使得在所述第一边缘处的所述物质变成固态，
-所述设备包括机加工装置并且适于将所述板材移动经过所述机加工装置，所述机加工装置适于在所述板材移动经过所述机加工装置并在所述冷冻装置将所述物质冷却为固态时机加工所述第一边缘以提供第一锥形边缘。
20.根据权利要求19所述的设备，该设备包括加热装置，所述加热装置适于加热所述机加工装置的磨削表面，使得当机加工所述第一边缘时所述磨削表面处于高于室温的温度。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述机加工装置包括用于机加工所述第一边缘的可旋转的第一砂轮，所述第一砂轮包含所述磨削表面，所述加热装置适于加热所述第一砂轮，使得当机加工所述第一边缘时所述第一砂轮处于高于室温的温度。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的设备，其中，嵌有所述纤维材料的所述物质还设置在所述板材的与所述第一边缘相反的第二边缘处，其中，所述冷冻装置适于冷却所述第二边缘，使得在所述第二边缘处的所述物质变成固态，并且所述机加工装置适于机加工所述第二边缘以提供第二锥形边缘。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述板材是设置为材料卷的卷板，其中，所述第一和第二边缘是所述卷板的纵向边缘，所述设备适于从所述卷滚下所述卷板。
24.根据权利要求23所述的设备，该设备包括定位在所述冷冻装置和所述机加工装置下游的驱动装置，所述驱动装置适于将所述板材拉出所述卷并经过所述冷冻装置和所述机加工装置。
25.根据权利要求19-24中任一项所述的设备，其中，所述冷冻装置包含适于封闭所述第一边缘的第一冷却腔。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述机加工装置包括用于机加工所述第一边缘的第一砂轮，其中，所述机加工装置包括封闭所述第一砂轮的工具壳体，其中，所述工具壳体连通所述第一冷却腔。
27.根据权利要求19-26中任一项所述的设备，其中，所述冷冻装置包含适于承载液体并且沿着所述第一边缘延伸的液体冷却剂导管。
28.根据权利要求19-27中任一项所述的设备，其中，所述冷冻装置包含第一液体冷却剂导管和第二液体冷却剂导管，所述第一液体冷却剂导管和第二液体冷却剂导管都适于承载液体并且沿着所述第一边缘延伸，其中，所述第一和第二液体冷却剂导管定位在所述第一边缘的相反两侧。
29.根据权利要求19-28中任一项所述的设备，其中，所述冷冻装置包含定位在所述第一边缘处的热电冷却器，诸如珀尔帖冷却器。
30.根据权利要求19-29中任一项所述的设备，其中，所述冷冻装置包含第一热电冷却器和第二热电冷却器，所述第一热电冷却器和第二热电冷却器都定位在所述第一边缘处，其中，所述第一和第二热电冷却器定位在所述第一边缘的相反两侧。
31.根据权利要求19-30中任一项所述的设备，该设备包括定位在所述机加工装置下游用于检查所述第一锥形边缘的检查装置。
32.根据权利要求19-31中任一项所述的设备，该设备包括布置于所述机加工装置下游的切割装置，所述切割装置用于大致横向于所述板材的移动方向将所述板材切割为板材段。
33.一种在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法，该方法包括：
-提供所述板材，所述板材至少在第一边缘具有嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下、尤其在20摄氏度下处于非固态，
-冷却所述第一边缘，使得在所述第一边缘处的所述物质变成固态，
-在将所述第一边缘处的所述物质冷却为固态的同时用机加工装置机加工所述第一边缘以提供第一锥形边缘，以及
-加热所述机加工装置的磨削表面，使得所述磨削表面在所述机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述机加工装置包括包含所述磨削表面的可旋转的第一砂轮，并且加热所述磨削表面的所述步骤包括加热所述砂轮，使得所述砂轮在所述机加工的步骤期间处于高于室温的温度。
35.根据权利要求33或34中任一项所述的方法，其中，所述物质是环氧树脂，并且加热所述磨削表面的所述步骤包括加热所述磨削表面使得其在所述机加工的步骤期间所处的温度高于30摄氏度，优选高于40摄氏度，更优选地高于50摄氏度，以及还更优选地至少为60度。
36.根据权利要求33-35中任一项所述的方法，其中，所述物质是环氧树脂，并且加热所述磨削表面的所述步骤包括加热所述磨削表面使得其在所述机加工的步骤期间所处的温度低于所述环氧基树脂的固化起始温度，例如低于100摄氏度或者低于80摄氏度。
37.一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括板材或者板材段，所述板材或者板材段包括纤维材料并且具有根据权利要求33至36中任一项所述的方法所提供的锥形边缘。
38.一种用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的设备，
-所述设备包括机加工装置并且适于将所述板材移动经过所述机加工装置，所述机加工装置包括可旋转的第一砂轮，所述可旋转的第一砂轮适于当所述板材移动经过所述机加工装置时机加工所述板材的第一边缘以提供第一锥形边缘，
-其中，所述第一砂轮具有柱形磨削表面，所述柱形磨削表面布置成使得所述柱形磨削表面的在机加工所述第一边缘期间暂时接触板材的一部分沿一方向移动，所述方向具有背离所述板材的分量。
39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述柱形磨削表面具有旋转轴线，所述旋转轴线定向成与所述板材经过所述机加工装置的行进方向成一角度，所述角度大于0度且小于90度，优选为10-80度。
40.根据权利要求38或者39中任一项所述的设备，其中，所述磨削表面具有旋转轴线，所述旋转轴线定向成与一假想线成一角度，所述假想线横向于所述板材经过所述机加工装置的行进方向，当所述板材经过所述机加工装置时所述假想线还在所述板材的平面内延伸，所述角度大于0度并小于90度，优选为1-30度，更优选地为1-15度。
41.根据权利要求38-40中任一项所述的设备，其中，所述板材至少在第一边缘设置有嵌有所述纤维材料的物质，所述物质在室温下、尤其在20摄氏度下处于非固态，
-所述设备包括冷冻装置并且适于将所述板材移动经过所述冷冻装置，所述冷冻装置适于冷却所述第一边缘使得在所述第一边缘处的所述物质变成固态，
-其中，所述机加工装置适于在所述冷冻装置将所述物质冷却为固态的同时机加工所述第一边缘以提供所述第一锥形边缘。
42.根据权利要求38-41中任一项所述的设备，该设备包括加热装置，该加热装置适于加热所述第一砂轮，使得当机加工所述第一边缘时所述第一砂轮处于高于室温的温度。
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