CN109532055A - 一种旋转芯轴及飞机的复合材料机身的制造方法 - Google Patents

一种旋转芯轴及飞机的复合材料机身的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种旋转芯轴，包括内圆筒和外圆筒，二者之间通过多条辐射条固定，内圆筒中部设置有中心轴孔，中心轴孔内固定设置有旋转轴，外圆筒外缘设置有多条沿其长度方向的桁槽；旋转芯轴由多个沿其周向等分的芯轴块组成，相邻的芯轴块之间可拆卸的固定连接。复合材料机身包括复合材料长桁和蒙皮，多条长桁平行设置，围成圆筒形，外部设置蒙皮，复合材料长桁和蒙皮共固化成型；其制造方法包括：制作旋转芯轴，制作复制作合材料长桁，机身的纤维缠绕成型，热压罐固化，脱模和高压水喷射切割。本发明的旋转芯轴为组合式，便于装拆；机身制造方法为整体成型，制造成本低，可批量生产；制造的复合材料机身具有重量轻、强度和刚度高、耐腐蚀等优点。

Description

一种旋转芯轴及飞机的复合材料机身的制造方法
技术领域
本发明涉及民用航空制造技术领域，具体来说，涉及一种旋转芯轴，以及飞机的复合材料机身的制造方法。
背景技术
提高民机市场竞争力的两大目标：一是卓越的运行经济性，通常用全寿命成本、载重量和航程来衡量；二是环境性能，其衡量指标则是显著降低燃油消耗、噪声和综合环境影响，同时提高舱内工艺的舒适性。要实现上述两大目标其关键性要求是：结构轻质化、先进气动性能和创新型制造等技术，而降低飞机结构重量的最有效方法是大量采用先进的复合材料以及整体化结构。
机身是飞机的主承力部件，飞机搭载的乘员和货物均在这一部件内，因此要求有很高的强度和刚度，早期飞机机身大多采用金属材料，金属材料不仅能够满足机身强度以及刚度的需要，同时还具有设计及制造工艺成熟等优点。但金属机身有重量大、构件多以及装配复杂等缺点，这些缺陷使其越来越不符合现代飞机对减重以及一体化设计制造的要求。
和金属材料相比，复合材料具有可设计性强、制造工艺性好、质轻以及耐腐蚀等一系列优点，因此，被广泛应用与大型飞机机身的设计与制造。但目前的复合材料机身制造工艺存在着成本高、操作复杂、工艺要求高等问题，因此，设计出一套具有操作简单、模具依赖性低、易于整体成型的复合材料机身制造工艺将有广阔的应用领域及前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种旋转芯轴，特别的，芯轴设置成组合式，便于装拆；本发明还提供一种飞机的复合材料机身的制造方法。
本发明采用如下的技术手段实现上述技术目的。
一种旋转芯轴，包括内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒之间通过多条辐射条固定连接，内圆筒中部设置有沿其长度方向设置的中心轴孔，中心轴孔内固定设置有旋转轴，外圆筒外缘设置有多条沿其长度方向设置的桁槽。
所述旋转芯轴由多个沿其周向等分的多个芯轴块组成，相邻的芯轴块之间可拆卸的固定连接。
进一步的，一种旋转芯轴，所述旋转芯轴由四块芯轴块组装而成，每个芯轴块包括1/4外圆筒，1/4内圆筒和设置在1/4外圆筒及1/4内圆筒之间的一个辐射条，相邻的芯轴块的1/4内圆筒的两侧分别通过自锁机构连接。
进一步的，一种旋转芯轴，自锁机构包括锁钩、锁扣和扭簧，每个芯轴块端部的两侧，分别设置有锁扣和扭簧固定孔，锁钩的一端通过扭簧旋转固定在扭簧固定孔中，另一端可以钩在相邻的芯轴块的锁扣上。
进一步的，一种旋转芯轴，旋转芯轴材料采用殷钢36。
一种复合材料机身的制备方法，复合材料机身包括复合材料长桁和复合材料蒙皮，多条复合材料长桁平行设置，围成圆筒形，外部设置复合材料蒙皮，复合材料长桁和复合材料蒙皮共固化成型，飞机的复合材料的机身的制造方法包括以下步骤，
步骤一、制作旋转芯轴
制备如权利要求1-4任一所述的旋转芯轴；
步骤二、复制作合材料长桁
制备和旋转芯轴的桁槽形状相适应的复合材料长桁；
步骤三、机身的纤维缠绕成型
将步骤二制备的复合材料长桁放入步骤一制备的旋转芯轴的桁槽中，将碳纤维复合材料带在树脂槽中用环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍，借助铺设机器的十字头保持由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带与旋转芯轴的初始缠绕角，匀速转动旋转芯轴，从而将由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带缠绕到旋转芯轴及复合材料长桁上，依次缠绕多层，形成复合材料蒙皮；
然后，采用红外灯烘烤，完成机身的缠绕；
步骤四、热压罐固化
将缠绕后的复合材料机身与旋转芯轴放入热压罐中固化；
步骤五、脱模
将旋转芯轴从固化后的复合材料机身中抽取出。
步骤六、高压水喷射切割
采用高压水喷射切割工艺按照预先设计在加工机身上的窗户和舱门开口。
具体的，一种复合材料机身的制备方法，步骤三，初始缠绕角为45°，旋转芯轴的转速速为28r/min，缠绕张力为900g，树脂槽温度为60℃。
具体的，一种复合材料机身的制备方法，步骤四，固化方法为，以50～55℃/h的升温速度升温至90℃，保温1h，然后以40℃/h的升温速度升温至130℃，保温2h，然后降至室温。
具体的，一种复合材料机身的制备方法，步骤六，切割时的步进速度为1000mm/min，切割宽度为0.0254mm，给定水压385MPa。
本发明采用上述的技术方案，取得如下的技术效果。
1、本发明的旋转芯轴是组合式的，便于装拆。
2、采用本发明的旋转芯轴及飞机的复合材料机身的制造方法制造的复合材料机身具有重量轻、强度和刚度高、耐腐蚀等优点。
3、采用本发明的旋转芯轴及飞机的复合材料机身的制造方法能够将机身一次整体成型，制造成本低，可批量生产，具有较强的实用价值。
附图说明
图1为本发明的旋转芯轴的结构示意图；
图2为本发明的旋转芯轴的另一结构示意图；
图3为本发明的旋转芯轴的自锁结构的结构示意图；
图4为本发明的机身纤维缠绕成型后的结构示意图；
图5为本发明的飞机的复合材料机身的制造方法中纤维缠绕成型的示意图；
图6为本发明的飞机的复合材料机身的制造方法中热压罐固化的温度处理曲线。
图中包括：旋转芯轴1，内圆筒11，外圆筒12，辐射条13，中心轴孔14，桁槽15，芯轴块16，自锁机构17，锁钩171，锁扣172，扭簧173，复合材料长桁2，碳纤维复合材料带21，复合材料蒙皮3。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
参见图1至图4，本发明涉及一种旋转芯轴1，旋转芯轴1包括内圆筒11和外圆筒12，内圆筒11和外圆筒12之间通过多条辐射条13固定连接；内圆筒11中部设置有沿其长度方向设置的中心轴孔14，中心轴孔14内设置有旋转轴(图中未画出)，外圆筒12外缘设置有多条沿其长度方向设置的桁槽15。
进一步的，旋转芯轴1为多个沿其周向等分的多个芯轴块16组成，相邻的芯轴块16之间可拆卸的固定连接。优选的，相邻的芯轴块16之间通过设置在其对应的内圆筒11两侧的自锁机构17连接，自锁机构17正转、反转均可自锁。
作为一种优选的方案，本发明的旋转芯轴1由四块芯轴块16组装而成，每个芯轴块16包括1/4外圆筒12，1/4外圆筒12和设置在1/4外圆筒12及1/4内圆筒11之间的一个辐射条13，相邻的芯轴块16对应的1/4内圆筒11的两侧分别通过自锁机构17连接。
由于机身制造时，需要经过长桁的制作成型，将长桁设置在旋转芯轴1的外圆筒12外缘的桁槽15中，然后用纤维缠绕成型，经过热压罐固化后，将旋转芯轴1抽取。为了方便旋转芯轴1的抽取，本发明将旋转芯轴1设置成为由多块芯轴块16设置的可组装拆卸的结构，而且，相邻的芯轴块16之间通过可正转、反转的自锁机构17固定。在旋转芯轴1的外缘上设计具有帽形截面的开口桁槽15，便于抽取。
自锁机构17包括锁钩171、锁扣172和扭簧173，每个芯轴块16端部的两侧，分别设置有锁扣172和扭簧固定孔，锁钩171的一端通过扭簧173旋转固定在扭簧固定孔中，另一端可以钩在相邻的芯轴块16的锁扣172上。
对于旋转芯轴1的设计，由于机身的帽形截面桁条要共固化到蒙皮上面，因此，旋转芯轴1上必须设计有帽形截面的桁槽15，这可以保证在机身固化以后，旋转芯轴1能够较容易的从机身中抽取出来。
另外，对于旋转芯轴1的尺寸及承受的张力有较高的要求，因此，需要保证旋转芯轴1具有足够的强度、刚度及低的热膨胀系数。本发明的旋转芯轴1材料采用殷钢36，其热膨胀系数为1.5×10-6in/in/°F，热膨胀系数很小，同时具有几乎“不变”的尺寸特性。
本发明提供一种飞机的复合材料机身及其制造方法。复合材料机身包括复合材料长桁2和复合材料蒙皮3，多条复合材料长桁2平行设置，围成圆筒形，外部设置复合材料蒙皮3，复合材料长桁2和复合材料蒙皮3共固化成型。飞机的复合材料的机身的制造方法包括以下步骤：
步骤一、制作旋转芯轴1，步骤二、制作复合材料长桁2，步骤三、机身的纤维缠绕成型，步骤四、热压罐固化，步骤五、脱模，步骤六、高压水喷射切割。
步骤一，制作旋转芯轴1。
制作前述的旋转芯轴1。
步骤二，制作复合材料长桁2。
制作复合材料长桁2，采用将碳纤维复合材料在树脂槽中用环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍制作，制作成横截面成帽形的复合材料长桁2。复合材料长桁2采用常规方法制作，也可以参考申请号为CN200880016523.8的中国发明专利申请。
步骤三、机身的纤维缠绕成型。
将步骤2制备的复合材料长桁2放入旋转芯轴1的桁槽15中，然后开始进行机身的纤维缠绕成型。
具体的，将碳纤维复合材料带在树脂槽中用环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍，借助于铺设机器的十字头保持由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带21与旋转芯轴1的初始缠绕角，然后以匀速转动旋转芯轴1，从而将由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带21缠绕到旋转芯轴1及复合材料长桁2上，依次缠绕多层，形成复合材料蒙皮3。
具体的，初始缠绕角为45°，旋转芯轴1的转速速为28r/min，缠绕张力为900g，树脂槽温度为60℃。
然后，采用红外灯烘烤，完成机身的缠绕。
例如，公开号为WO2005/082604A2，WO2005/081918A1，WO2005/081917公开了铺设机器。
步骤四、热压罐固化。
将机身纤维缠绕成型工艺完成以后，将其与旋转芯轴1放入热压罐中固化。
复合材料制造过程的温度分布由外部加温以及固化过程的放热共同决定，本发明采用复合材料固化的三维热传导方程设置相应的加温过程，参见图4。
首先，以50～55℃/h的升温速度升温至90℃，保温1h，然后以40℃/h的升温速度升温至130℃，保温2h，然后降至室温。
步骤五、脱模。
在热压罐固化完成以后，将机身及旋转芯轴1从热压罐中取出。然后，将旋转芯轴1从机身中抽取出。
具体的，将旋转芯轴1的自锁装置17解锁，再将旋转芯轴块16一一抽出，完成脱模。
步骤六、高压水喷射切割。
采用高压水喷射切割工艺按照预先设计在加工机身上的窗户和舱门等开口。采用这种加工工艺不会产生热烧蚀和热变形，适合复合复合材料机身使用。
具体的，切割时的步进速度为1000mm/min，切割宽度为0.0254mm，此时给定水压385MPa。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转芯轴，其特征在于：包括内圆筒(11)和外圆筒(12)，内圆筒(11)和外圆筒(12)之间通过多条辐射条(13)固定连接，内圆筒(11)中部设置有沿其长度方向设置的中心轴孔(14)，中心轴孔(14)内固定设置有旋转轴，外圆筒(12)外缘设置有多条沿其长度方向设置的桁槽(15)；
所述旋转芯轴(1)由多个沿其周向等分的多个芯轴块(16)组成，相邻的芯轴块(16)之间可拆卸的固定连接。
2.根据权利要求1所述的旋转芯轴，其特征在于：所述旋转芯轴(1)由四块芯轴块(16)组装而成，每个芯轴块(16)包括1/4外圆筒(12)，1/4内圆筒(11)和设置在1/4外圆筒(12)及1/4内圆筒(11)之间的一个辐射条(13)，相邻的芯轴块(16)的1/4内圆筒(11)的两侧分别通过自锁机构(17)连接。
3.根据权利要求2所述的旋转芯轴，其特征在于：自锁机构(17)包括锁钩(171)、锁扣(172)和扭簧(173)，每个芯轴块(16)端部的两侧，分别设置有锁扣(172)和扭簧固定孔，锁钩(171)的一端通过扭簧(173)旋转固定在扭簧固定孔中，另一端可以钩在相邻的芯轴块(16)的锁扣(172)上。
4.根据权利要求1所述的旋转芯轴，其特征在于：旋转芯轴(1)材料采用殷钢36。
5.一种复合材料机身的制备方法，其特征在于：复合材料机身包括复合材料长桁(2)和复合材料蒙皮(3)，多条复合材料长桁(2)平行设置，围成圆筒形，外部设置复合材料蒙皮(3)，复合材料长桁(2)和复合材料蒙皮(3)共固化成型，飞机的复合材料的机身的制造方法包括以下步骤，
步骤一、制作旋转芯轴(1)
制备如权利要求1-4任一所述的旋转芯轴(1)；
步骤二、复制作合材料长桁(2)
制备和旋转芯轴(1)的桁槽(15)形状相适应的复合材料长桁(2)；
步骤三、机身的纤维缠绕成型
将步骤二制备的复合材料长桁(2)放入步骤一制备的旋转芯轴(1)的桁槽(15)中，将碳纤维复合材料带在树脂槽中用环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍，借助铺设机器的十字头保持由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带(21)与旋转芯轴(1)的初始缠绕角，匀速转动旋转芯轴(1)，从而将由环氧树脂或者马来酰胺树脂浸渍的碳纤维复合材料带(21)缠绕到旋转芯轴(1)及复合材料长桁(2)上，依次缠绕多层，形成复合材料蒙皮(3)；
然后，采用红外灯烘烤，完成机身的缠绕；
步骤四、热压罐固化
将缠绕后的复合材料机身与旋转芯轴(1)放入热压罐中固化；
步骤五、脱模
将旋转芯轴(1)从固化后的复合材料机身中抽取出。
步骤六、高压水喷射切割
采用高压水喷射切割工艺按照预先设计在加工机身上的窗户和舱门开口。
6.根据权利要求4所述的复合材料机身的制备方法，其特征在于：
步骤三，初始缠绕角为45°，旋转芯轴(1)的转速速为28r/min，缠绕张力为900g，树脂槽温度为60℃。
7.根据权利要求4所述的复合材料机身的制备方法，其特征在于：
步骤四中，固化方法为，以50～55℃/h的升温速度升温至90℃，保温1h，然后以40℃/h的升温速度升温至130℃，保温2h，然后降至室温。
8.根据权利要求4所述的复合材料机身的制备方法，其特征在于：
步骤六，切割时的步进速度为1000mm/min，切割宽度为0.0254mm，给定水压385MPa。
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