CN107912029A - 制造复合部件的方法以及用于定位增强杆的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合部件的制造方法，该方法包括：通过提供其中设置有多个孔的复合结构来增强复合结构，以及在每个孔中定位增强杆。增强杆的尺寸被设计成从孔突出。在杆已经被定位在孔中之后，增强杆被裁剪成期望的长度。

Description

制造复合部件的方法以及用于定位增强杆的设备

技术领域

本公开内容涉及增强复合结构的方法、制造复合部件的方法和/或用于增强复合结构的设备。

背景技术

通常采用燃气涡轮发动机来给飞行器提供给动力。典型地，燃气涡轮发动机将包括由发动机芯部驱动的轴向风扇。发动机芯部一般由一个或多个涡轮机构成，该涡轮机经由同轴的轴驱动相应压缩机。风扇通常经由涡轮机中的一个驱动。

风扇可以包括安装在转子上的径向延伸的风扇叶片的阵列。风扇叶片可以由金属或复合材料制造。一般而言，复合风机叶片包括由多个层压层形成的主体，所述多个层压层在树脂基体内包括纤维。

在燃气涡轮发动机操作期间，风扇叶片可能被异物（诸如，鸟）撞击，或者如果发生故障，则风扇叶片可能被从风扇的其余部分释放的另一个风扇叶片撞击。在这样的撞击事件中，风扇叶片的完整性应该被保持。复合风扇叶片涉及的故障机理是分层。

为了防止分层，可以增强风扇叶片。增强诸如风扇叶片的复合部件的一种方法是通过厚度增强杆或销来使用。

通过引用并入本文的US8893367公开了一种方法，通过该方法能够将增强杆定位在复合部件中。在US8893367中描述的方法中，复合材料被加热并且在材料中形成孔，然后在每个孔中设置增强元件。

发明内容

本公开内容涉及进一步改进并提高US8893367中描述的方法。

根据第一方面，提供一种增强复合结构（例如，复合层压结构）的方法。该方法包括提供其中设置有一个或者多个孔的复合结构。增强杆被定位在复合结构的孔中。增强杆的尺寸被设计成从孔中突出。增强杆被裁剪至期望的长度。

被裁剪的增强杆可以被向下推至孔中至所需的位置。例如，可以将被裁剪的杆向下推至孔中，使得被裁剪的增强杆与复合结构的外表面平齐。替代地，可以将杆向下推至孔中至一定程度以使得杆从表面突出期望的长度，从而形成具有纹理表面的复合部件。

杆可以在与复合结构的表面隔开的位置处被裁剪。以此方式，能够减轻部件表面的损坏风险。

增强杆可以设置成一定长度以使得增强杆能够被多次裁剪以便向多个孔提供被裁剪的增强杆（或者销）。使用这种方法能够有助于使第一方面的方法适于批量生产。

该方法可以包括提供将增强杆引导至孔中的引导件。

增强杆可以在与引导件相邻的位置处被裁剪。例如，杆可以在与复合结构相比更靠近引导件的位置处被裁剪。设置引导件能够改善在裁剪过程中对杆的支撑，从而降低杆的损坏风险。例如，复合结构中的孔支撑杆的一端，并且引导件支撑杆的相对端。

引导件可以是管，该管的尺寸被设计成支撑杆并且允许杆相对于引导件滑动。例如，管的内径可以与增强杆的直径紧密配合。替代地，引导件可以由一个或者多个水或空气的喷射口（jet）设置。

可以通过对杆进行剪切而将增强杆裁剪至期望的长度。

增强杆可以利用具有渐细部分的板来剪切，所述渐细部分撞击杆以便引发剪切。例如，板可以具有楔形部分。板可以具有一个具有成角度的面的部分。成角度的面可以与该板的主平面成小于90°且大于0°（例如，30°至60°）的角度。渐细部分和/或成角度的面可以被设置成使得：与远离引导件的位置处相比，板在靠近引导件的位置处具有更长的长度。

该方法可以包括：提供具有多个孔的复合结构（例如，复合层压结构），以及将杆定位在每个孔中。该方法可以进一步包括裁剪每个杆。

可以提供多个裁剪器，并且多个杆（或杆的阵列）中的每个杆可以由不同的裁剪器裁剪。提供多个裁剪器能够增加裁剪器的寿命。此外，提供多个裁剪器能够通过限制被裁剪的杆与裁剪器的接触来降低被裁减的杆被损坏的风险。

板可以限定多个裁剪器。例如，板可以设置有可操作以便裁剪杆的多个埋头孔。

每个孔可以容纳增强杆，或者替代地，一个或多个孔可以不容纳增强杆，从而在复合部件中获得杆的期望的阵列图案。

可以使用推压脚将增强杆推至孔中。

该方法可以进一步包括将复合结构加热到预先确定的温度并且在复合结构中形成一个或多个孔。

复合结构可以在预先确定的时间段内和/或以预先确定的时间段被加热到预先确定的温度，预先确定的温度和时间段被选择成使得没有达到复合结构的凝胶点。复合结构可以被加热到高于室温的温度。该温度可以被选择成易于在复合结构中形成孔。

一个或多个孔可以通过将针状件或者刺穿构件插入到复合结构中而形成。该针状件可以具有锥形的尖端。在插入到复合结构中期间该针状件可以旋转。

复合结构可以是聚合物基体材料。复合结构可以包括纤维增强树脂基体。

杆可以由任何合适的增强材料制成，例如，碳、玻璃、金属材料、陶瓷材料、塑料材料或者这些材料的复合结构。

增强杆可以由被直接进给到引导件中的杆的长度来提供。增强杆可以由杆供应系统供应到引导件，该杆供应系统可以将杆从卷筒进给到引导件。

一旦被增强，该复合结构可以限定燃气涡轮发动机的复合部件或者其一部分。例如，复合部件可以是风扇叶片或者发动机壳体（例如，风扇壳体）。

在杆已经被定位在孔中之后，（一个或者多个）增强杆可以被裁剪至期望的长度。

根据第二方面，提供一种制造复合部件的方法，该方法包括铺设多个层以便形成层压结构并且使用根据第一个方面的方法来增强层压结构。

该复合部件可以是用于燃气涡轮发动机的风扇叶片。

根据第三方面，提供一种用于将增强杆定位在复合结构中的设备。该设备包括裁剪器，该裁剪器用于在与复合结构的表面隔开一定距离处将杆裁剪至期望的长度。推压器脚被提供以用于将杆推至复合结构的孔中。

该设备可以是可操作的并且被布置成执行第一方面的方法。

该设备可以包括用于将杆引导至设置在复合结构中的孔中的引导件。引导件可以包括用于容纳杆的管。

裁剪器可以包括具有渐细部分的板，该渐细部分被设置成撞击杆。

裁剪器可以被构造成相对于引导件滑动并且与所述引导件相邻。例如，裁剪器可以在基本平行于复合结构的表面的方向上滑动。可以认为裁剪器在与引导件的主轴线成角度（例如，垂直）的方向上滑动（例如，当引导件是管时，垂直于管的纵向轴线）。

该设备可以包括多个引导件以用于将多个杆引导至复合结构中的多个孔中。

该设备可以包括多个裁剪器。每个裁剪器可以被设置成裁剪不同的杆。

裁剪器可以包括板，该板具有用于容纳多个杆的多个孔。 每个孔可以是埋头的以便提供可操作以剪切杆的渐细部分。

该设备可以包括刺穿构件（例如，针状件），该刺穿构件可操作以在复合结构中设置孔，杆能够插入至该孔中。

本领域技术人员将意识到的是，除了相互排斥的情况以外，关于本发明的以上方面中的任何一个描述的特征可以加以必要的修改以便适于本发明的任何其它方面。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是燃气涡轮发动机的截面侧视图；

图2是通过用销增强的层压复合部件的示意性横截面图；

图3是在复合结构中形成孔的设备的针状件的示意性横截面图；

图4是将杆定位在复合结构的孔中的设备的示意性横截面图；

图5A是将杆推至孔中的设备的示意性横截面图，以及图5B是被推的杆和推压脚的示意性横截面图；

图6是将多个杆定位到复合结构中的设备的示意性横截面图；

图7是图6的设备的裁剪板的平面图；以及

图8是将多个杆同时推至复合结构中的设备的示意性横截面图。

具体实施方式

参照图1，燃气涡轮发动机总地以10表示，其具有主轴线及旋转轴线11。发动机10在轴向流动序列上包括进气口12、推进风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17和中压涡轮机18、低压涡轮机19以及排气喷嘴20。机舱21通常围绕发动机10并且限定进气口12和排气喷嘴20。

燃气涡轮发动机10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13加速以便产生两个空气流：第一空气流和第二空气流，第一空气流进入中压压缩机14，第二空气流经过旁通管道22以便提供推进推力。在将空气输送到进行进一步压缩的高压压缩机15之前，中压压缩机14压缩被引导至其中的空气流。

从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，该压缩空气在燃烧设备16中与燃料混合并且混合物被燃烧。然后，所得到的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前膨胀通过高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19，并且由此驱动高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19，以便提供额外的推进推力。高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19分别通过合适的互连轴来驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

风扇14的风扇叶片和/或围绕风扇的壳体24可以由复合材料（例如，纤维增强树脂基体层）制成。为了改善结构完整性并且抵抗分层，风扇叶片和/或壳体可能需要在与限定风扇叶片或者壳体的层压结构的层相切的方向上被增强。增强复合部件的一种方法是用销连接该部件。

复合部件在图2中总地以26表示。复合部件26包括多个层叠的层28以便限定层压结构30。复合部件由销32、32'和32"增强。销在垂直于层方向的方向上延伸通过复合部件。如图2所示，销32能够延伸通过部件的整个厚度，或者销32'、32"能够延伸通过部件的厚度的一部分，并且销可以设置在部件的同一侧上或者相对侧上。

现在将更详细地描述形成类似于部件26的部件的方法。

首先，通过在彼此的顶部铺设层来形成层压结构。形成层压结构的方法在本领域中是熟知的，因此在此不再详细描述，但是该方法可以包括用手铺设层，或者利用可以使用自动化纤维铺放机铺设的带来形成层。

在本示例中，复合结构被加热到预先确定的温度达预先确定的时间长度。预先确定的温度和时间长度取决于复合结构的基体材料，并且被选择成使得未达到基体材料的凝胶点以便避免复合结构的固化。凝胶点能够被限定为基体材料的固化反应的开始，即，在该点处，基体材料的分子开始联接在一起（或者凝胶化）并且材料开始硬化。

加热复合结构的温度被选择成以便使复合结构的材料软化。一旦材料被软化，则在复合结构中形成一个或多个孔。参照图4，杆插入装置设置有针状件34。使用针状件34在复合结构30中形成孔36。针状件34包括锥形端部以便易于孔的初始形成。针状件34可以在孔的形成过程中旋转。在US8893367（通过引用并入本文）中详细解释了加热复合结构并且在所述复合结构中形成孔的方法，例如，在EP2581201 A1（相当于US8893367）的第[0050]至[0064]段中详细描述了该方法 。

现在参照图4，一旦在层压结构30中形成孔36，则增强杆38定位在孔中。增强杆可以由任何合适的材料制成，但在本示例中，该杆是纤维构成的碳增强杆。该杆的尺寸被设计成使得杆在定位于孔36中时从孔36突出。

使用引导件40将杆38引导至孔36中。在本示例中，引导件40是管。该管的内径的尺寸被设计成与杆紧密配合。也就是说，管的尺寸被设计成使得杆能够相对于引导件滑动，但仍然由引导件支撑。

可以设置进给器机构以便通过引导件来进给杆，或者替代地可以用手进给杆。

一旦杆38被定位在孔36中，则杆被裁剪至期望长度。在本示例中，通过剪切该杆来对杆进行裁剪。当杆由碳制成时，对杆进行剪切是特别合适的裁剪方式。

板42与引导件40相邻设置并且限定用于对杆进行裁剪的裁剪器。板42被构造成相对于引导件40滑动。在本示例中，板42基本上平行于其中形成孔的层压结构30的表面滑动。板40包括成角度的表面44以便形成板的渐细部分46。表面44可以以任何合适的角度形成角，但是例如，可以以相对于板42的主平面（由线48表示）等于30°和60°或者在30°和60°之间的角度（例如，45°）形成角。

为了对杆38进行裁剪，板42朝向杆滑动并且撞击杆。板42的渐细部分46增加了杆38的“整齐剪切”的可能性。

如本领域技术人员将意识到的，重要的是避免在杆38被裁剪时杆38的端部倾斜（splaying），并且板的渐细部分46有助于实现这一点。同样重要的是避免杆的弯曲和潜在的双重断裂。为了减轻杆弯曲的风险，板42与引导件40相邻设置以便尽可能靠近引导件的支撑部，同时能够相对于引导件的支撑部滑动。在图4中夸大地示出了板到层压结构30的表面的距离，并且将更接近层压结构的表面。层压结构的表面到板42的距离被选择成确保板42与层压结构的表面隔开以便消除板接触层压结构的表面的风险，但是确保板42足够接近层压结构的表面以便减少杆38弯曲的风险以及除了裁剪器的撞击点之外在层压结构的表面处的潜在断裂的风险。另外，允许裁剪器滑过杆的距离是受限的。当板42撞击杆38时，由于杆的无支撑长度小并且裁剪器没有比剪切杆所需要的更远地行进，所以杆38的弯曲被避免；杆的一端由孔36支撑，并且杆的相对端由引导件40支撑。

现在参照图5A和5B，一旦杆38被裁剪以便形成被裁剪的杆50（其也可以称为销），则被裁剪的杆被推至孔36中以便与层压结构30的表面平齐。使用推压脚52将被裁剪的杆50推至孔中。推压脚可以采取下述任何形式：其被设置成与被裁剪的杆50的端部表面接触并且提供足够的力以便将被裁剪的杆推（或按压）至孔中。

可以提供设备来执行一个或者多个上面提到的方法步骤。实际上，图3至图5示出这种设备的组成部分。

除了其他的以外，上面描述的制造方法包括以下优点：减小销弯曲或倾斜的风险，减轻损坏层压结构的表面的风险，产生销与层压结构的表面平齐的最终产品，以及提供能够适用于批量生产的方法。

所描述的方法可以被缩短成同时插入、裁剪以及推压多个杆。参照图6至图8，现在将描述这种设置的示例。类似的特征被给予类似的附图标记，但是具有前缀“1”以便区分示例。参照图6，设置多个引导件140。每个引导件140是管并且与之前描述的引导件类似。每个引导件将一个杆138引导至一个孔136中。

设置多个裁剪器以使得每个杆138能够同时被裁剪到一定长度。在本示例中，裁剪器由设置有多个埋头孔154（仅标记一个）的板142限定。一个杆138从引导件140被进给通过板142中的一个孔154，并且随后进入层压结构130的一个孔136中。孔154的埋头部分限定板的渐细部分146的成角度的表面144，类似于之前的示例中描述的渐细部分。为了裁剪杆，板142朝向杆移动，并且每个埋头孔的表面撞击容纳在其中的杆以便引发杆的剪切。

与使用单个裁剪器切割每个杆相比，设置限定多个裁剪器的板142的意味着降低了裁剪多个杆所需的时间，并且能够增加裁剪器的寿命。此外，板142的结构意味着板的行程减小，从而降低了板142对被裁剪的杆造成损坏的风险。例如，如果板移动经过被裁剪的杆以便裁剪相邻的杆，则有可能发生对被裁剪的杆的损坏。

一旦杆138被裁剪，则可以设置多个推压器脚。替代地，如图8所示，可以设置单个推压器脚152来同时将多个被裁剪的杆150推至多个孔136中。

将理解的是，本发明不限于上面描述的实施例，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下能够进行各种变更和改进。除了互相排斥的以外，任何特征可以单独地使用或者与任何其它特征组合使用，并且本公开内容扩展至并且包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

例如，已经参照燃气涡轮发动机的风扇叶片和/或风扇壳体描述了复合部件，但是将理解的是，本文中描述的方法适用于使用增强杆（例如，销）增强的任何复合部件。

在所描述的示例中，杆从层压结构的同一侧插入，但是如将意识到的，杆能够使用相同的方法插入至层压结构的相对侧中，而将层压结构的相对表面面向设备。所描述的示例中的杆部分地延伸通过层压结构，但是杆可以被设置成延伸经过层压结构的整个厚度。

引导件被描述为管，但是引导件可以采取任何合适的形式，例如，引导件可以包括多个钳口或者水或空气的喷射口。引导件可以主动地将杆进给至层压结构的孔中，或者杆可由独立的进给机构进给。

所描述的示例具有多个裁剪器，单个板限定多个裁剪器中的每一个，但是在替代实施例中，可以设置多个板，每个板限定一个或者多个裁剪器。

在所描述的示例中，裁剪器利用剪切将杆裁剪成一定的长度，但是在替代示例中，可以利用替代方法（例如，锯割）将杆裁剪成一定的长度。

所描述的示例涉及层压的复合结构，但是该方法可以用于增强替代的复合结构。例如，设置在3D编织结构中的螺栓孔。

Claims (21)

1.一种增强纤维增强树脂基体复合结构的方法，所述方法包括：

提供其中设置有一个或多个孔的复合结构；

将增强杆定位在所述复合结构的孔中，所述增强杆的尺寸被设计成从所述孔突出；

将所述增强杆裁剪至期望的长度；以及

将被裁剪的增强杆推至所述复合结构中达期望的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述杆在与所述复合结构的表面隔开的位置处被裁剪。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法进一步包括提供引导件，所述引导件将所述增强杆引导至所述孔中，以及其中，所述增强杆在与所述引导件相邻的位置处被裁剪。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述引导件是管，所述管的尺寸被设计成支撑所述杆并且允许所述杆相对于所述引导件滑动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过剪切所述杆而将所述增强杆裁剪至期望的长度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用具有渐细部分的板来剪切所述增强杆，所述渐细部分撞击所述杆以便引发剪切。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括提供具有多个孔的复合结构并将杆定位在所述孔的每一个中，并且所述方法进一步包括裁剪所述杆中的每一个。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，提供多个裁剪器并且每个杆由不同的裁剪器裁剪。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，板限定多个裁剪器，以及其中，所述板设置有可操作以便裁剪杆的多个埋头孔。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括将所述复合结构加热到预先确定的温度并且在被加热的复合结构中形成一个或多个孔。

11.一种增强纤维增强树脂基体复合结构的方法，所述方法包括：

提供其中设置有孔的复合结构；

将增强杆定位在所述孔中，其中，所述增强杆的尺寸被设计成从所述孔突出；以及

在所述杆已经被定位在所述孔中之后，将所述增强杆裁剪至期望的长度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过剪切所述增强杆来裁剪所述增强杆。

13.一种制造复合部件的方法，所述方法包括铺设多个层以便形成层压结构，以及使用根据权利要求1至12中任一项所述的方法来增强所述层压结构。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述复合部件是用于燃气涡轮发动机的风扇叶片。

15.一种用于将增强杆定位在纤维增强树脂基体复合结构中的设备，所述设备包括：

裁剪器，所述裁剪器用于在与所述复合结构的表面隔开一定距离处将杆裁剪至期望的长度；以及

推压器脚，所述推压器脚用于将杆推至所述复合结构的孔中。

16.根据权利要求15所述的设备，所述设备进一步包括用于将杆引导至设置在所述复合结构中的孔中的引导件。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述裁剪器被构造成相对于所述引导件滑动并且与所述引导件相邻。

18.根据权利要求16至17中任一项所述的设备，其中，裁剪器包括具有渐细部分的板，所述渐细部分被设置成撞击杆。

19.根据权利要求17至18中任一项所述的设备，所述设备包括用于将多个杆引导至复合结构中的多个孔中的多个引导件。

20.根据权利要求19所述的设备，所述设备包括多个裁剪器，每个裁剪器被设置成裁剪不同的杆。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述裁剪器包括板，所述板具有用于容纳多个杆的多个孔，以及其中，每个孔是埋头的以便提供可操作以剪切杆的渐细部分。