CN107433742A - 夹层结构和相关联的基于压力的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及夹层结构和相关联的基于压力的形成方法。一种夹层结构(100)形成方法(10)，包括以下步骤：(1)提供包括定位在第一衬垫片(104)和第二衬垫片(106)之间的芯(102)的夹层结构(100)；(2)将所述夹层结构(100)定位(22)到模具组件(300)的腔体(306)中；以及(3)增压(26)所述芯(102)，以扩展所述夹层结构(100)与所述模具组件(300)接合。
Description
技术领域
本申请涉及夹层结构，并且更具体地涉及夹层结构的形成。
背景技术
蜂窝状夹层结构通常由夹在两个衬垫片之间的蜂窝状芯形成。与衬垫片相比较，蜂窝状芯可以是相对厚的、重量轻的。衬垫片可以是相对薄的、刚性的。因此，蜂窝状夹层结构通常在相对低的重量下具有相对高的强度和刚性。因此，蜂窝状夹层结构广泛地在各种航天航空应用中使用。
以其最基本的形式，蜂窝状夹层结构被构造为大体扁平的(平面的)面板。然而，通常可取的是将蜂窝状夹层结构整合到更复杂、更平面的焊接组件中。此类整合要求形成蜂窝状夹层结构，使得它们呈现由特定应用所要求的外形/轮廓。
表面外形控制对于复杂组件的成功安装和焊接是关键的。然而，准确的表面外形控制难以用蜂窝状夹层结构获得。例如，当典型的蜂窝状夹层结构抵靠成型工具(contoured tool)被机械地压紧时，非工具控制的表面通常变得扭曲，这使得安装困难(如果不是不切实际的)。
因此，本领域的技术人员继续在蜂窝状夹层结构领域中的研究和开发工作。
发明内容
在一个实施例中，公开的是一种用于形成夹层结构的方法，所述夹层结构包括定位在第一衬垫片和第二衬垫片之间的芯。所述方法包括以下步骤：(1)将夹层结构定位到模具组件的腔体中；以及(2)增压芯，以扩展夹层结构与模具组件接合。
在另一实施例中，所公开的形成方法可以包括以下步骤：(1)提供一种夹层结构，所述夹层结构包括具有定位在第一衬垫片和第二衬垫片之间的蜂窝状结构的芯；(2)将夹层结构定位到模具组件的腔体中；(3)加热夹层结构；以及(4)用气体增压芯，以扩展所加热的夹层结构与模具组件接合。
在另一实施例中，所公开的形成方法可以包括以下步骤：(1)提供一种夹层结构，所述夹层结构包括具有定位在第一衬垫片和第二衬垫片之间的蜂窝状结构的芯；(2)使夹层结构机械地变形；(3)热处理机械地变形的夹层结构；(4)端接(porting)夹层结构，以提供与由芯限定的自由空气空间的流体连通；(5)将夹层结构定位到模具组件的腔体中；(6)加热模具组件中的夹层结构；以及(7)用加热的气体增压芯，以扩展夹层结构与模具组件接合。
所公开的蜂窝状夹层结构和相关联的基于压力的形成方法的其他实施例从下列详细描述、随附的图和随附的权利要求将变得显而易见。
附图说明
图1是描述所公开的用于形成蜂窝状夹层结构的方法的一个实施例的流程图；
图2A是在所公开的形成方法的一个阶段期间的蜂窝状夹层结构的透视图；
图2B是图2A的蜂窝状夹层结构的部分侧正视图；
图3是在所公开的形成方法的另一(机械变形)阶段期间的蜂窝状夹层结构的部分侧正视图；
图4是在所公开的形成方法的另一(端接)阶段期间的蜂窝状夹层结构的部分侧正视图；
图5是在所公开的形成方法的另一(压力形成)阶段期间的蜂窝状夹层结构的部分侧正视图；
图6是飞行器制造和使用方法的流程图；以及
图7是飞行器的方框图。
具体实施方式
公开的是一种用于形成诸如蜂窝状夹层结构的夹层结构的方法。所公开的形成方法有利地增强表面外形控制，从而促进用于各种应用的复杂、非平面的组件的制造。
参照图1，通常标示10的所公开的形成方法的一个实施例可以在具有提供诸如图2A和图2B中所示的夹层结构100的夹层结构的步骤的方框12处开始。作为一个示例，夹层结构可以通过在现场或不在现场组装夹层结构(例如，将衬垫片焊接至芯)而被提供。作为另一示例，夹层结构可以通过从另一个(例如，供应商)得到夹层结构而被提供。
参照图2A和图2B，在一个特定实施方式中，夹层结构100可以包括芯102、第一衬垫片104和第二衬垫片106。芯102、第一衬垫片104和第二衬垫片106可以连接在一起，以形成分层结构108(图2B)。虽然夹层结构100的分层结构108被示出和描述为具有三个层(芯102、第一衬垫片104和第二衬垫片106)，但是在不背离本公开的范围的情况下，诸如附加芯层、附加衬垫片和/或附加其他层的附加层可以被包括在分层结构108中。
夹层结构100的芯102可以包括第一主要侧110和相对的第二主要侧112。第一衬垫片104可以连接(例如，粘接、焊接、烧接、机械紧固等)至芯102的第一主要侧110，并且第二衬垫片106可以连接(例如，粘接、焊接、烧接、机械紧固等)至芯102的第二主要侧112，从而将芯102夹在第一衬垫片104与第二衬垫片106之间并且形成分层结构108。
与第一衬垫片104和第二衬垫片106的横截面厚度T2、T3相比较，夹层结构100的芯102的横截面厚度T1可以是相对厚的(例如，T1＞T2且T1＞T3)。在一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少1.5倍。在另一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少2倍。在另一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少5倍。在另一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少10倍。在另一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少20倍。在又一种表达中，芯102的横截面厚度T1可以比第一衬垫片104的横截面厚度T2大至少40倍。尽管芯102是相对厚的，但是与第一衬垫片104和第二衬垫片106的密度相比较，芯102可以具有相对低的密度(基本重量除以横截面厚度)。
夹层结构100的芯102可以具有蜂窝状结构120，如最佳地在图2A中所示。芯102的蜂窝状结构120可以包括一阵列的紧紧堆叠的单元122，其中蜂窝状结构120的每个单元122均限定具有腔体容积Vc的相关联腔体124。因此，芯102可以具有总敞开容积Vt(图2B)，总敞开容积Vt可以基于芯102中的单元122的总数量和每个单元122的腔体容积Vc。
芯102的蜂窝状结构120的单元122可以是管状的，并且可以具有横截面形状，如六边形(参见图2A)、正方形、矩形、圆形、椭圆形或类似形状。蜂窝状结构120的单元122可以沿轴线A延伸(图2B)，轴线A大体垂直于与第一衬垫片104的外表面126重合的平面P(图2B)。因此，由蜂窝状结构120的单元122限定的腔体124可以连续地从第一衬垫片104延伸穿过芯102至第二衬垫片106，并且可以由芯102和第一衬垫片104和第二衬垫片106限制。
虽然示出并描述具有带有均匀和规则形状的单元122的蜂窝状结构120的芯102，但是本领域的技术人员将理解具有各种三维形状(无论是规则的还是不规则的)腔体124可以限定芯102的敞开容积Vt，并且可以在不背离本公开的范围的情况下使用。因此，蜂窝状结构120仅是用于夹层结构100的芯102的合适结构的一个具体的非限制性示例。
组合地，夹层结构100的芯102可以由各种材料或材料的组合形成。本领域的技术人员将理解材料选择将取决于所意在的应用，以及其他可能的考虑事项。作为一个一般示例，芯102可以由诸如钢、钛、钛合金、铝或铝合金的金属材料形成。合适金属材料的一个具体示例是A286(铁基高温合金)。合适金属材料的另一个具体示例是镍合金625。作为另一个一般示例，芯102可以由诸如碳纤维增强复合材料或玻璃纤维复合材料的复合材料形成。
夹层结构100的芯102可以任选地被穿孔。例如，如图2A和图2B中所示，芯102可以限定多个孔口130。芯102的孔口130可以提供芯102的腔体124之间的流体连通。因此，芯102的一个腔体124中的压力变化可以在芯102的所有腔体124中经历。虽然在图2A和图2B中示出了大体圆形的孔口130的按顺序布置，但是孔口130的各种布置和孔口130的各种形状/配置可以被使用，以促进腔体124之间的流体连通。因此，以芯102被穿孔(或以其他方式被配置为实现腔体124之间的流体连通)的方式的变体不会导致背离本公开的范围。
夹层结构100的第一衬垫片104可以在芯102的第一主要侧110上分层，从而沿第一主要侧110至少部分地封闭芯102的腔体124。在第一衬垫片104和芯102之间的连接可以使用任何合适的技术实现，所述合适的技术的选择可以要求考虑芯102的组成(composition)和第一衬垫片104的组成。可以用于将第一衬垫片104连接到芯102的技术的示例包括但不限于焊接、烧接、钎焊、粘结、粘接和/或机械紧固。
组合地，可以是单个层片或多层片的夹层结构100的第一衬垫片104可以由各种材料或材料的组合形成。第一衬垫片104的组成可以与芯102的组成相同、类似或不同。作为一个一般示例，第一衬垫片104可以由诸如钢、钛、钛合金、铝或铝合金的金属材料形成。合适金属材料的一个具体示例是A286(铁基高温合金)。合适金属材料的另一个具体示例是镍合金625。作为另一个一般示例，第一衬垫片104可以由诸如碳纤维增强复合材料或玻璃纤维复合材料的复合材料形成。
夹层结构100的第二衬垫片106可以在芯102的第二主要侧112上分层，从而沿第二主要侧112封闭芯102的腔体124。在第二衬垫片106和芯102之间的连接可以使用任何合适的技术实现，所述合适的技术选择可以要求考虑芯102的组成和第二衬垫片106的组成。可以用于将第二衬垫片106连接到芯102的技术的示例包括但不限于焊接、烧接、钎焊、粘结、粘接和/或机械紧固。
组合地，可以是单个层片或多层片的夹层结构100的第二衬垫片106可以由各种材料或材料的组合形成。第二衬垫片106的组成可以与芯102的组成相同、类似或不同。同样，第二衬垫片106的组成可以与第一衬垫片104的组成相同、类似或不同。作为一个一般示例，第二衬垫片106可以由诸如钢、钛、钛合金、铝或铝合金的金属材料形成。合适金属材料的一个具体示例是A286(铁基高温合金)。合适金属材料的另一个具体示例是镍合金625。作为另一个一般示例，第二衬垫片106可以由诸如碳纤维增强复合材料或玻璃纤维复合材料的复合材料形成。
在这一点，本领域的技术人员将理解仅夹层结构100的一部分在图2A和图2B中示出，并且夹层结构100的整体尺寸和形状可以取决于最后应用。此外，虽然夹层结构100在图2A和图2B中被示出为大体平面的结构，但是非平面的夹层结构100(例如，弯曲的夹层结构100)也可以在方框12(图1)处被提供。
返回参照图1，夹层结构100(图2A和图2B)可以在所公开的形成方法10的方框14处机械地变形。任选时，机械地变形步骤(方框14)可以改变夹层结构100的形状，从而使夹层结构100的形状更接近夹层结构100的意在形状。
各种技术可以用于使夹层结构100(图2A和图2B)机械地变形(方框14)。作为一个具体的非限制性示例，夹层结构100可以使用模具组件200机械地变形(方框14)，如图3中所示。模具组件200可以包括凸形模具构件202和凹形模具构件204。因此，机械地变形步骤(方框14)可以包括在模具组件200的凸形模具构件202和凹形模具构件204之间压紧夹层结构100。
在夹层结构100是“冷的”(例如，在环境温度下)时，可以执行机械地变形步骤(方框14)。替代地，夹层结构100可以在机械地变形步骤(方框14)之前/期间被加热，从而热形成夹层结构100。
因此，夹层结构100最初可以是扁平/平面的，如图2A和图2B中所示，并且机械地变形步骤(方框14)可以施予轮廓至夹层结构100，如图3中所示。替代地，夹层结构100最初可以是波状外形的，并且机械地变形步骤(方框14)可以进一步施予轮廓至夹层结构100。
在方框16处，机械地变形的夹层面板100可以任选地被热处理。作为一个具体的非限制性示例，机械地变形的夹层面板100可以在方框16处退火，特别是当夹层面板100在机械地变形步骤(方框14)期间被冷加工时。退火(在方框16处)可以软化夹层面板100，从而使夹层面板100准备好用于附加的机械加工。
在方框18处，形成方法10可以任选地询问是否应该重复机械地变形步骤(方框14)。根据夹层结构100的最后意在形状，可以要求多个机械地变形步骤(方框14)。因此，机械地变形步骤(方框14)可以被重复(方框18)，使得每个增量机械地变形步骤(方框14)使夹层结构100更接近意在形状。每个增量机械地变形步骤(方框14)可以任选地在热处理步骤(方框16)之后。
在方框20处，夹层结构100(图4)可以被端接，以促进与芯102(图4)的敞开容积Vt(图4)的流体连通。在图4中所示的一个构造中，夹层结构100的芯102可以沿边缘180、182密封，并且流体端口190可以被形成以提供与芯102的密封的敞开容积Vt的流体连通。流体端口190可以包括连接(例如，焊接)到衬垫片104、106之一的外螺纹接套192或类似物。
在方框22处，端接的夹层结构100可以被定位在模具组件300中，如图5中所示。模具组件300可以包括第一模具构件302和第二模具构件304，并且第一模具构件302和第二模具构件304可以经组装以限定腔体306。腔体306可以具有与夹层结构100的意在形状对应的形状。夹层结构100可以被定位在模具组件300的腔体306中，使得夹层结构100的流体端口190在模具组件300的外部可访问。夹具308可以紧固第一模具构件302与第二模具构件304接合，从而抑制第一模具构件302相对于第二模具构件304的无意位移。
在方框24处，夹层结构100(图5)可以被加热。无论是基于传导的、基于惯例的和/或基于放射的各种技术可以用于加热夹层结构100。作为一个具体的非限制性示例，如图5中所示，模具组件300(包括夹层结构100)可以被定位在维持在升高温度下的炉350中。
加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100(图5)至大于环境温度的温度。在一种表达中，加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100到至少100℃的温度。在另一种表达中，加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100到至少200℃的温度。在另一种表达中，加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100到至少300℃的温度。在另一种表达中，加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100到至少400℃的温度。在另一种表达中，加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100到至少500℃的温度。在另一种表达中，夹层结构100可以由具有重新结晶温度的金属材料形成，并且加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100至等于或大于重新结晶温度的温度。在又一种表达中，夹层结构100可以由金属材料形成，并且加热步骤(方框24)可以加热夹层结构100至足够致使金属材料具有超塑性的温度。
在方框26处，夹层结构100(图5)的芯102(图5)的敞开容积Vt(图5)可以被增压。在增压时，夹层结构100的芯102可以扩展，这可以促使衬垫片104、106紧靠模具组件300的第一模具组件302和第二模具组件304，从而施予夹层结构100腔体306的形状。
参照图5，夹层结构100的芯102的增压(图1中的方框26)可以通过与流体端口190联接的流体管线322的方式从增压流体源320(例如，压缩机、泵、压力容器或类似物)引入流体至夹层结构100的芯102而实现。阀324可以被提供以控制从增压流体源320至夹层结构100的芯102的流体的流。
各种流体可以用于增压(图1中的方框26)。由增压流体源320提供的流体可以是气体。作为一个具体的非限制性示例，由增压流体源320提供的流体可以是空气。作为另一个具体的非限制性示例，由增压流体源320提供的流体可以是惰性气体或惰性气体性混合物。还设想了液体流体(例如，液压流体)的使用。
来自于增压流体源320的流体可以任选地在引入至夹层结构100的芯102之前被加热。例如，加热器326(例如，换热器、燃烧器或类似物)可以设置在流体管线322上，并且可以在流体引入至芯102之前加热流体。
加热器326可以加热流体至大于环境温度的温度。在一种表达中，加热器326可以加热流体到至少100℃的温度。在另一种表达中，加热器326可以加热流体到至少200℃的温度。在另一种表达中，加热器326可以加热流体到至少300℃的温度。在另一种表达中，加热器326可以加热流体到至少400℃的温度。在另一种表达中，加热器326可以加热流体到至少500℃的温度。在另一种表达中，夹层结构100可以由具有重新结晶温度的金属材料形成，并且加热器326可以加热流体至等于或大于重新结晶温度的温度。在又一种表达中，夹层结构100可以由金属材料形成，并且加热器326可以加热流体至足够致使金属材料具有超塑性的温度。
在这点，本领域的技术人员将理解加热来自于增压流体源320的流体可以除了加热夹层结构100/模具组件300(例如，用炉350加热)，或者可以作为对加热夹层结构100/模具组件300(例如，用炉350加热)的替代物完成。因此，当加热步骤(方框24)在图1中示出在增压步骤(方框26)之前发生时，可以同时地执行加热步骤(方框24)和增压步骤(方框26)。
因此，所公开的形成方法10可以采用机械变形步骤(方框14)，以粗略地接近夹层结构100的意在形状。然后，所公开的形成方法10可以采用流体压力(和任选地热)，以在模具组件300的腔体306内扩展夹层结构100，从而产生具有从腔体306呈现的意在形状的扩展夹层结构100。
本公开的示例可以在如图6中所示的飞行器制造和使用方法400和如图7中所示的飞行器402的背景下进行描述。在预生产期间，飞行器制造和使用方法400可以包括飞行器402的规格和设计404和材料采购406。在生产期间，飞行器402的部件/子组件制造408和系统集成410发生。在其后，飞行器402可以通过认证和交付412，以便投入使用416。当由客户使用时，飞行器402被安排日常的维护和检修416，这也可以包括修改、重新配置、翻新等。
方法400的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作员(例如，客户)执行或实行。为了本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的销售商、子分包商和供应商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图7中所示，由示例方法400产生的飞行器402可以包括具有多个系统420和内部422的机架418。多个系统420的示例可以包括推进系统424、电气系统426、液压系统428和环境系统430中的一个或更多个。任何数量的其他系统可以被包括。
所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法可以在飞行器制造和使用方法400的各个阶段中的任何一个或更多个期间采用。作为一个示例，所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法可以在材料采购406期间采用。作为另一示例，与部件/子组件制造408、系统集成410和/或维护和检修416对应的部件或子组件可以使用所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法制作或制造。作为另一示例，机架418和内部422可以使用所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法构造。另外，一个或更多个设备示例、方法示例或它们的组合可以例如通过大体上加快飞行器402(诸如机架418和/或内部422)的组装或降低飞行器402的成本在部件/子组件制造408和/或系统集成410期间使用。类似地，当飞行器402在使用中，例如但不限于维护和检修416时，可以利用系统示例、方法示例或它们的组合中的一个或更多个。
所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法在飞行器的背景下进行描述；然而，本领域的普通技术人员将很容易认识到所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法可以用于各种应用。例如，所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法可以在包括例如直升飞行器、客船、汽车等的各种类型的交通工具中实施。
此外，本公开包括根据下列条款的实施例：
条款1、一种用于形成夹层结构的方法，所述夹层结构包括定位在第一衬垫片和第二衬垫片之间的芯，所述方法包括：
将所述夹层结构定位到模具组件的腔体中；以及
增压所述芯，以扩展所述夹层结构与所述模具组件接合。
条款2、根据条款1所述的方法，其中所述芯包括蜂窝状结构。
条款3、根据条款2所述的方法，其中所述蜂窝状结构限定多个孔口。
条款4、根据条款1所述的方法，其中所述芯、所述第一衬垫片和所述第二衬垫片中的至少一个由金属材料形成。
条款5、根据条款1所述的方法，其中所述腔体具有形状，并且其中所述形状与所述扩展的夹层结构的意在形状相同。
条款6、根据条款1所述的方法，其中所述增压步骤包括将流体引入所述芯中。
条款7、根据条款6所述的方法，其中所述流体是气体。
条款8、根据条款6所述的方法，其中在所述引入之前，所述流体被加热到至少100℃的温度。
条款9、根据条款6所述的方法，其中在所述引入之前，所述流体被加热到至少400℃的温度。
条款10、根据条款1所述的方法，所述方法还包括加热所述夹层结构到至少100℃的温度。
条款11、根据条款10所述的方法，其中在所述增压步骤之前或在所述增压步骤期间，加热所述夹层结构。
条款12、根据条款10所述的方法，其中所述温度是至少400℃。
条款13、根据条款10所述的方法，其中所述夹层结构由具有重新结晶温度的金属材料形成，并且其中所述温度是至少所述重新结晶温度。
条款14、根据条款1所述的方法，其中所述模具组件被定位在炉中。
条款15、根据条款1所述的方法，所述方法还包括在将所述夹层结构定位到所述腔体中之前，使所述夹层结构机械地变形。
条款16、根据条款15所述的方法，所述方法还包括在所述机械地变形步骤之后，使所述夹层结构退火。
条款17、根据条款1所述的方法，所述方法还包括端接所述夹层结构，以提供与由所述芯限定的敞开容积的流体连通。
条款18、一种由条款1的方法形成的夹层结构。
条款19、一种用于形成夹层结构的方法，所述夹层结构包括具有定位在第一衬垫片和第二衬垫片之间的蜂窝状结构的芯，所述方法包括：
将所述夹层结构定位到模具组件的腔体中；
加热所述夹层结构；以及
用气体增压所述芯，以扩展所述加热的夹层结构与所述模具组件接合。
条款20、根据条款19的方法，其中夹层结构由具有重新结晶温度的金属材料形成，并且其中气体被加热到一温度，该温度是至少所述重新结晶温度。虽然所公开的夹层结构和相关联的基于压力的形成方法的各种实施例已经被示出并且进行了描述，但是本领域的技术人员在阅读本说明书时可以想到修改。本申请包括此类修改并且本申请仅由权利要求的范围限制。
Claims (10)
1.一种用于形成夹层结构(100)的方法(10)，所述夹层结构(100)包括定位在第一衬垫片(104)和第二衬垫片(106)之间的芯(102)，所述方法(10)包括：
将所述夹层结构(100)定位(22)到模具组件(300)的腔体(306)中；以及
增压(26)所述芯(102)，以扩展所述夹层结构(100)与所述模具组件(300)接合。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中所述芯(102)包括蜂窝状结构(120)。
3.根据权利要求2所述的方法(10)，其中所述蜂窝状结构(120)限定多个孔口(130)。
4.根据权利要求1所述的方法(10)，其中所述增压步骤(26)包括将流体引入所述芯(102)中。
5.根据权利要求4所述的方法(10)，其中所述流体是气体。
6.根据权利要求4所述的方法(10)，其中，在所述引入之前，所述流体被加热到至少100℃的温度。
7.根据权利要求1所述的方法(10)，其中在所述增压步骤(26)之前或在所述增压步骤(26)期间，加热所述夹层结构(100)。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述夹层结构(100)由具有重新结晶温度的金属材料形成，并且其中所述温度是至少所述重新结晶温度。
9.根据权利要求1所述的方法(10)，所述方法还包括在将所述夹层结构(100)定位到所述腔体(306)中之前，使所述夹层结构(100)机械地变形(14)。
10.根据权利要求9所述的方法(10)，所述方法还包括在所述机械地变形步骤(14)之后，使所述夹层结构(100)退火(16)。
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