CN108883549B - 用于形成具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于成形具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的装置，该装置包括用于存储卷绕带形式的纤维织构(210)的存储芯轴(300)，从动辊(400，500)，和旋转体形式的模具(600)，纤维织构(210)通过卷绕在所述模具上成形，一个或多个从动辊置于存储芯轴(300)和旋转体形式的模具(600)之间。存储芯轴(300)，每个从动辊(400；500)和模具(600)在它们的轴向宽度上具有变化的半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面。至少一个从动辊包括多个扇形件，这些扇形件可释放地固定在所述从动辊的外表面上，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述从动辊的轴向宽度的全部或部分上延伸。每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

Description

用于形成具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制 件的装置和方法

背景技术

本发明涉及通过卷绕三维(3D)或多层编织获得的纤维织构来成形纤维预制件，以便构成用于复合材料部件的纤维增强结构。

更具体地，本发明涉及其在复合材料部件中形成加强件的纤维预制件，所述复合材料部件是在径向截面(形状和/或厚度变化)变化的轮廓的旋转体，例如航空发动机风扇壳体。这种部件中的纤维预制件是通过编织纤维织构并通过在张力下将织构卷绕到旋转体形式的模具上而制成的，该旋转体具有卷绕表面，卷绕表面在径向截面中的浮雕的轮廓对应于待制造的部件的轮廓。

为了使纤维织构与注塑模具的变化形状相匹配，使用成形编织，也称为“外形”编织或“轮廓线”编织，其包括根据纱线位置取出不同长度的经纱，所述纱线位置跨越编织为带状的纤维织构的宽度，以便获得经纱长度(在切线方向上)之间的比率类似于限定待制造的最终部件的变化轮廓的半径之间的比率。

以这种方式编织的纤维织构储存在存储芯轴上，随后在张力下卷绕到旋转体形式的注塑模具上，该旋转体具有卷绕表面，该卷绕表面在径向截面中的浮雕的轮廓对应于待制造的部件的轮廓。当它被卷绕到模具上时，织构被存储芯轴(也称为“卷取”芯轴)拉紧，存储芯轴也称为“卷取”芯轴，其中一个或多个从动辊置于存储芯轴和注塑模具之间。在轴向宽度方向上，所述或每个从动辊具有变化的半径，限定具有浮雕轮廓的外表面，其用于保持在编织期间存储芯轴和注塑模具之间的限定的纱线长度比。

然而，当纤维预制件在模具上形成时，纤维织构以多匝卷绕在其自身上。对于每个卷绕匝，限定浮雕轮廓的各个半径之间的比率根据已经卷绕的纤维织构匝数而变化。这些轮廓变化的幅度随着最终部件中形状和/或厚度比的增加而增加。然而，上述成形方法允许纤维织构在张力下以只有一个浮雕轮廓被驱动，即半径具有恒定的截面比。

在卷绕在注塑模具上时，由于编织的轮廓与织构被卷绕在其上的真实轮廓之间的差异，纤维织构衰减，从而导致织构中某些轴向位置的张力损失。这种部件宽度上的张力不平衡会引起许多缺陷，诸如波为、纤维屈曲、纤维挤压(pinchedfiber)、不需要的额外厚度区域和超出规格的纤维体积含量。这种张力的不平衡还使得通过卷绕，特别是通过引起折痕或未对准的形成，成形纤维织构更复杂，从而使纤维织构的成形更加费力和耗时。

发明内容

因此，希望在织构卷绕期间能够使3D或多层纤维预制件具有变化浮雕轮廓，以避免纤维预制件中的张力损失或不平衡。

为此目的，本发明提出了一种用于形成具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的装置，该装置包括用于存储卷绕带形式的纤维织构的存储芯轴，一个或多个从动辊，和旋转体形式的模具，纤维织构通过卷绕在所述模具上成形，一个或多个从动辊置于存储芯轴和旋转体形式的模具之间；存储芯轴，每个从动辊和模具在它们的轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面；该装置的特征在于，至少一个从动辊包括多个扇形件，这些扇形件可释放地固定在所述从动辊的外表面上，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸并且在从动辊的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

通过使用能够使一个或多个从动辊的外表面的浮雕的轮廓的厚度局部地修改的扇形件，同时将纤维织构在张力下卷绕在模具上，本发明的装置使得成形其轮廓在径向截面中变化的纤维预制件成为可能，其中张力的损失或不均匀性显著降低。此外，本发明的扇形件还可用于局部增加纤维织构中的张力，例如，为了减少预制件在较厚区域中的膨胀(以避免挤压和屈曲)。

在将织构卷绕到模具上以便使其成形时可以看到这些效果。具体地说，在被卷绕在模具上时，与根据现有技术制造的纤维预制件相比，纤维预制件几乎没有缺陷(波纹，纤维屈曲和/或挤压，不需要的额外厚度区域，纤维体积含量超出规格，折痕，未对准等)，现有技术制备的纤维预制件的张力不平衡性很大。这减少了绕线机的不希望的停止次数，绕线机的不希望的停止通常为校正诸如织构部分的折痕或塌陷之类的缺陷所需的，校正缺陷还需要机器被反转并且由一个或多个技术人员采取行动。

根据本发明的装置的第一特定特征，每个扇形件具有沿轴向变化的厚度。因此可以保存或修改从动辊的半径的变化。

根据本发明的装置的第二特定特征，每个扇形件具有内表面，该内表面形状与所述从动辊的浮雕的轮廓外表面上所述扇形件被固定的部分相对应。在这种情况下，在与扇形件接触的纤维织构的部分上的张力的增加被调节。

根据本发明的装置的第三特定特征，多个扇形件中的至少一个扇形件具有倒角的边缘，以避免使预制件与已添加到从动辊的第一扇形件的边缘处的尖锐边缘接触，以使纱线上的卷取力逐渐增加。

本发明还提供了一种形成具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的方法，纤维织构通过由纬纱互连的多层经纱之间的三维或多层编织获得，纤维织构通过在张力下卷绕在旋转体形式的模具上而成形，纤维织构从存储芯轴上展开，纤维织构经过置于存储芯轴和旋转体的形式的模具之间的一个或多个从动辊；存储芯轴，每个从动辊和模具在它们的轴向宽度上具有变化半径，以限定具有浮雕轮廓的外表面；该方法的特征在于，在将纤维织构卷绕到模具上时，其包括在至少一个从动辊的外表面上添加多个扇形件，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述从动辊的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改从动辊外表面的浮雕轮廓的厚度。

根据本发明方法的第一个特定特征，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸，该片段根据纤维织构和所述卷取辊的外表面之间的接触的圆周片段被确定。

根据本发明方法的第二个特定特征，每个扇形件具有沿轴向变化的厚度。

根据本发明方法的第三个特定特征，每个扇形件具有外表面，该外表面的形状与卷取辊的浮雕的轮廓的外表面上的所述扇形件被固定的部分相对应。

根据本发明方法的第四特定特征，多个扇形件中的至少一个扇形件具有倒角的边缘，以避免使预制件与已添加到从动辊的第一扇形件的边缘处的尖锐边缘接触，以使纱线上的卷取力逐渐增加。

附图说明

根据作为非限制性示例给出的本发明特定实施方式的以下描述，并参考附图，本发明的其他特征和优点显而易见，其中：

图1是根据本发明的实施方式的用于成形变化形状的纤维织构的装置的示意图；

图2是卷绕在图1装置的注塑模具上的纤维织构示意性透视图；

图3是图2装置的从动辊的示意性透视图；

图4是图3从动辊的分解示意性透视图；

图5是从动辊的在图3的平面V上的径向截面示意图；

图6是从动辊的在图5的平面VI的轴向截面示意图；

图7至图9示出了在图2装置的从动辊上安装扇形件的顺序；和

图10至13示出了从图2装置的从动辊上移除扇形件的顺序。

具体实施方式

本发明一般适用于制造旋转体的纤维预制件，其具有径向截面变化的轮廓并且适于构成纤维增强件或“预制件”，用于制造旋转体形式的复合材料部件，该复合材料部件同样地具有变化的轮廓和/或变化的厚度，特别是在径向截面具有变化的轮廓和/或变化的厚度，其中径向截面对应于由预制件在其上成形的模具的径向方向和轴向方向所限定的平面，诸如图2中所示的径向方向DA和轴向方向DR。通过将纤维织构卷绕到模具上并通过将基质前体注入到以这种方式制成的纤维预制件中获得部件，基质通常是树脂。

图1示出了根据本发明的实施方式的用于成形具有变化形状的纤维预制件的装置10。在纤维织构的卷绕方向上，装置10包括存储芯轴300，置于芯轴300下游的两个从动辊400和500，以及布置在从动辊500下游的模具600。纤维织构210在存储芯轴300上展开，以便通过被卷绕在模具600上而成形，其中卷绕在受到存储芯轴控制的张力下进行。

纤维织构210通过提花型织机以已知的方式进行的三维编织或通过多层编织获得，所述提花型织机具有布置在其上的多层的经纱或股线的束(bundle)，经纱通过纬纱相互连接。

术语“三维编织”或“3D编织”在本文中用于表示编织技术，其中至少一些纬纱在多个经纱层上连接经纱，或反之亦然。3D编织可以是互锁类型，如文献WO2006/136755中所述。

术语“多层编织”在本文中用于表示具有多个经纱层的3D编织，其中每层的基础编织等同于传统的2D编织，诸如平纹、缎纹或斜纹编织，但包括编织的某些点连接经线层，反之亦然。

通过3D或多层编织制造纤维结构使得可以获得层之间的连接，并因此对于纤维结构和所得复合材料部件赋予良好的机械强度，并且在单个纺织操作中这样做。

特别地，纤维结构可以使用由陶瓷诸如碳化硅、玻璃或实际上是芳族聚酰胺制成的纤维纱线编织。

为了制造适合于在注塑模具上形成的纤维预制件的变化形状的纤维织构，使用“外形”编织技术，其包括根据经纱在以带状编织的纤维织构宽度上的位置，卷取不同长度的经纱。为此目的，在织机的出口处使用一个或多个卷取辊，该卷取辊具有在其轴向宽度上变化的变径，以限定具有浮雕轮廓的外表面，以用于根据纱线在纤维织构宽度上的位置卷取不同长度的经纱，更大长度的经纱被卷取辊中半径大于剩余部分的部分卷取。由卷取辊执行的差异卷取返回到织机的织造单元，导致在插入下一列纬纱之前拉出适当长度的经纱。以这种方式编织的织构卷绕在存储芯轴或鼓上，存储芯轴或鼓也称为“卷取”芯轴，其位于卷取辊的下游。因此存储纤维织构以便随后在模具上成形。

如图2所示，通过在多根经纱211和多根纬纱212之间通过三维编织制成的纤维织构210卷绕到注塑模具600上来成形纤维预制件，该纤维织构形成的条带具有横截面变化的轮廓，即横截面形状和/或厚度变化的轮廓。在径向截面中，模具具有与待制造的部件的轮廓相对应的轮廓，所述待制造的部件是在当前描述的示例中的航空发动机风扇壳体。

为此目的，模具600具有浮雕轮廓的外表面601，其对应于待制造的壳体的内表面。通过被卷绕在芯轴200上，纤维织构210紧密地配合芯轴的轮廓。模具600还具有两个颊板620和630，用于形成纤维预制件的与待制造的壳体的凸缘相对应的部分。模具600在旋转方向S₆₀₀上被旋转驱动，例如通过电动机(图2中未示出)，通过从动辊400和500将纤维织构210置于存储芯轴300和模具600之间的张力下。

置于存储芯轴300下游的第一和第二从动辊400和500在图2所示的各自旋转方向S₄₀₀和S₅₀₀中被驱动。在它们的轴向宽度上，它们具有各自的变化半径，以限定具有与待制造的纤维预制件的轮廓相对应的浮雕轮廓的外表面401和501。

装置10还具有存储鼓或芯轴300，也称为“卷取”芯轴，其主要在旋转方向S₃₀₀上旋转驱动并且同样在其轴向宽度上具有变化的半径，以限定具有与纤维预制件的轮廓相对应的浮雕轮廓的外表面301，以便在纤维织构210被储存时限制纤维织构210的变形。由于存储芯轴300用于在纤维织构被卷绕时拉紧纤维织构，因此可能发生其旋转相对于旋转方向S₃₀₀暂时停止或反转，以便在其被卷绕在注塑模具上时保持织构的张力。

根据本发明，至少一个从动辊在其外表面上设有多个可拆卸地连接在一起的扇形件，例如通过螺母—螺栓型紧固件或通过相互配合连接，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸。在当前描述的示例中并且如图3至图6所示，从动辊400沿着轴线X₄₀₀轴向延伸并且具有沿轴线X₄₀₀(图6)变化的半径R₄₀₀，其具有三个扇形件410、420和430，如图3和4所示。仍然在当前描述的示例中，扇形件410、420和430具有各自的等效轴向宽度L₄₁₀、L₄₂₀和L₄₃₀，其小于从动辊400的轴向宽度L₄₀₀，轴向宽度沿着辊的轴线方向诸如从动辊400的轴线X₄₀₀测量。扇形件410、420和430置于从动辊400的部分402上，在辊400的该部分中，半径R₄₀₀在轴向宽度L₄₀₀上变化，以便在径向截面中限定浮雕的轮廓(图6)。为此目的，扇形件410、420和430具有各自的内表面411、421和431，其形状对应于从动辊400的浮雕轮廓的外表面401上的扇形件被固定的部分402，并且各自的外表面412、422和432的形状根据在纤维织构与扇形件接触的部分中所希望实现的张力调节确定。

在该示例中，扇形件410、420和430具有各自的厚度，其在扇形件410、420和430的轴向宽度L₄₁₀、L₄₂₀和L₄₃₀上变化，如图6中针对扇形件410、420的厚度E₄₁₀和E₄₂₀所示。在目前描述的示例中，扇形件410，420和430的厚度的变化主要遵循半径R₄₀₀的变化，并且因此遵循在部分402上的浮雕的轮廓的形状，以便局部修改辊400的厚度，同时遵循从动辊在其部分402中的外表面的浮雕轮廓。扇形件还可以增加额外的厚度，该厚度与辊的浮雕轮廓的形状无关。

一旦安装有扇形件410、420和430，辊400就对与扇形件接触的纤维织构210施加更大的张力。

图7和9示出了扇形件410、420和430如何在成形纤维织构210的同时被安装在从动辊400上。扇形件固定在从动辊的外表面上，例如，通过诸如螺栓的紧固件与形成在辊中的攻丝(图中未示出)配合。如图7所示，第一扇形件，特别是扇形件410，安装在辊400的不与纤维织构210接触的部分402的片段上。扇形件410是第一个进入与织构210接触，其具有第一边缘413，该第一边缘413优选地朝向辊的外表面倒角，以避免使预制件与扇形件边缘处的尖锐边缘接触，从而导致经纱上的卷取力逐渐增加。然后，卷取辊400继续沿方向S₄₀₀转动，直到卷取辊400的部分402的新的片段移出与织构210的接触区域，从而使第二扇形件430能够被安装(图8)。扇形件430的边缘433靠着扇形410的边缘414放置，部分地与织构210接触。从动辊400继续沿S₄₀₀方向转动，直到辊400的部分402的最后一个自由片段与织构210接触的区域脱离为止。然后将第三扇形件420安装在辊400上(图9)。扇形件420的边缘424靠着扇形件410的倒角边缘413放置，边缘424具有与边缘413的形状互补的倒角形状。扇形件420的边缘423靠着扇形件420的边缘434放置。

在形成纤维预制件的同时，当施加在纤维织构上的张力需要改变时添加扇形件410、420和430，例如，当由模具外表面限定的初始轮廓与织构在其上卷绕的真实轮廓之间的差异使得它可能导致织构中某些轴向位置处的张力损失时。

扇形件410、420和430以相同的方式被移除，如图10至13所示。在制造纤维织构210期间，移除不与纤维织构接触的第一扇形件，即在该示例中对应于图10中的扇形件420。此后，另外两个扇形件410和430一个接一个地移除，如图11至13所示，以便减小从动辊400的部分402的厚度或半径。作为要移除的最后扇形件，扇形件430具有边缘434，边缘434优选地具有朝向辊的外表面定向的倒角，以避免使预制件与扇形件的边缘处的锋利边缘接触，扇形件420的边缘423具有与边缘434的形状互补的倒角形状。

每个扇形件在辊的圆周的一个片段上延伸。它具有圆弧形长度，诸如图7中所示的扇形件410的圆弧形长度A₄₁₀，其根据不与纤维织构210接触的从动辊400的部分的圆弧形长度被限定。因此，如果纤维织构在相对短的圆弧形长度上与从动辊接触，则可以使用具有相对长的圆弧形长度的扇形件，反之亦然。因此，覆盖从动辊的整个圆周所需的扇形件的数量也根据不与纤维织构接触的从动辊的部分的圆弧形长度来确定。

扇形件可以用在单个从动辊上，如上面针对辊400所述，或者用在多个从动辊上，诸如上述辊400和500，以便局部地修改一个或多个卷取辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

在本发明的情况下内，还可以将多个扇形件彼此安装，以便逐渐增加或减小任何从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

扇形件由刚性材料或能够很好地承受压缩的材料制成，诸如金属或塑料材料。举例来说，扇形件可以通过模制、机械加工或3D打印来制造。

通过使用能够使一个或多个从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度在局部地修改同时使纤维预制件成形的扇形件，本发明的装置和方法使得可以将纤维预制件成形为具有在径向截面上变化的轮廓的旋转体，其中张力的损失或不均匀性显著减小。在卷绕在注塑模具上时，与根据现有技术成形的预制件相比，成形的纤维预制件几乎没有缺陷(波纹，纤维屈曲和/或挤压，不需要的额外厚度区域，纤维体积含量超出规格，折痕，未对准等)，现有技术成形的预制件中的张力不平衡较大。这减少了绕线机的不希望的停止的次数，绕线机的不希望的停止通常为校正诸如预制件部分(例如其凸缘)的折痕或塌陷之类的缺陷所需的，这些校正还需要机器被反转并且由一个或多个技术人员采取行动。

Claims (9)

1.一种用于成形具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的装置，该装置包括用于存储卷绕带形式的纤维织构的存储芯轴，一个或多个从动辊，和旋转体形式的模具，纤维织构通过卷绕在所述模具上成形，一个或多个从动辊置于存储芯轴和旋转体形式的模具之间，存储芯轴、每个从动辊和模具在它们轴向方向上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面；其中，至少一个从动辊包括多个扇形件，这些扇形件可释放地固定在所述从动辊的外表面上，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸并且在从动辊的轴向方向的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中每个扇形件具有沿轴向方向变化的厚度。

3.根据权利要求2所述的装置，其中每个扇形件具有内表面，所述内表面的形状与从动辊的浮雕轮廓外表面上的所述扇形件被固定的部分对应。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，多个扇形件中的至少一个扇形件具有倒角的边缘，以避免使预制件与已添加到卷取辊的扇形件上的尖锐边缘接触。

5.一种用于从纤维织构成形具有在径向横截面变化的轮廓的旋转体的纤维预制件的方法，所述纤维织构通过纬纱互连的多层经纱之间的三维编织获得，纤维织构通过在张力下卷绕在旋转体形式的模具上而成形，纤维织构从存储芯轴上展开，纤维织构经过置于存储芯轴和旋转体形式的模具之间的一个或多个从动辊，存储芯轴、每个从动辊和模具在它们的轴向方向上具有变化半径，以限定具有浮雕轮廓的外表面；其中，在将纤维织构卷绕到旋转体形式的模具上时，其包括在至少一个从动辊的外表面上添加多个扇形件，每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述从动辊的轴向方向的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改从动辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中每个扇形件在从动辊的圆周的一个片段上延伸，该片段根据纤维织构和所述从动辊的外表面之间的接触的圆周片段被确定。

7.根据权利要求5所述的方法，其中每个扇形件具有沿轴向方向变化的厚度。

8.根据权利要求5所述的方法，其中每个扇形件具有内表面，所述内表面的形状与从动辊的浮雕轮廓的外表面上的所述扇形件被固定的部分对应。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，多个扇形件中的至少一个扇形件具有倒角边缘。

Images