CN111037938B

CN111037938B - 混合结构叶片、制造方法

Info

Publication number: CN111037938B
Application number: CN201811196878.1A
Authority: CN
Inventors: 刘传欣; 曹源; 王祯鑫; 王少辉; 倪晓琴; 王星星; 赵宪涛; 龙丹
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2038-10-15
Also published as: CN111037938A

Abstract

一种混合结构叶片、制造方法以及缝合定位夹具。其中，所述缝合定位夹具包括压力面部，具有多个独立可拆卸的压力面段；吸力面部，具有多个独立可拆卸、同时与所述压力面段对应连接的吸力面段；所述压力面部与所述吸力面部限定缝合腔，用于包裹叶片。上述制造方法、缝合定位夹具具有缝合准确、适用性广、结构简单等优点，混合结构叶片具有加工成本低、结构稳定、抗鸟撞性能高等优点。

Description

混合结构叶片、制造方法

技术领域

本发明涉及一种混合结构叶片、制造方法以及缝合定位夹具。

背景技术

大尺寸、轻质风扇叶片是大涵道比民用航空发动机关键之一。目前国际上成功应用于产品的轻质大涵道比风扇叶片方案包括纯钛合金空心风扇叶片和复合材料-钛合金包边风扇叶片。如果用等效空心率(实际叶片减少的重量/相同尺寸的实心钛合金叶片重量)来衡量轻质风扇叶片的减重效果，全钛合金空心叶片已经达到40％的减重(即实际空心率)，而复合材料-钛合金包边叶片则已实现了60％以上等效空心率的减重。复合材料与金属构成的混合结构的风扇叶片因为有非常好的减重效果，成为各大发动机公司研制轻质大涵道比风扇叶片的主流方案。

国外现有的复合材料叶片采用钛合金包边结构来增强叶片的抗冲击性能，钛合金包边通过胶接固定于复合材料叶面。目前使用的复合材料风扇叶片的金属加强边受到传统加工工艺制约，国际上只有极少数的供应商具有加工金属加强边的能力，这造成了复合材料-钛合金包边风扇叶片的技术门槛和制造成本始终高居不下的现象。

金属与复合材料连接通常采用胶接的方式，这种连接方式对胶层的力学性能要求较高，特别是在叶片受冲击时容易发生脱胶、分层等损伤，导致金属与复合材料分离。此外，胶接工艺的复杂性同样制约着复合材料风扇叶片的发展。

针对采用胶接的方式的问题，可以采用其它连接方式进行，例如在叶片加工过程中，将金属与复合材料预制体缝合后共固化成型得到叶片。但在缝合过程中，需要有效地固定复合材料预制体与金属。因此本领域需要一种夹具进行混合结构叶片的缝合定位。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种缝合定位夹具。

本发明的另一个目的是提供一种混合结构叶片的制造方法。

本发明的又一个目的是提供一种混合结构的叶片。

根据本发明一方面的一种缝合定位夹具，包括压力面部，具有多个独立可拆卸的压力面段；吸力面部，具有多个独立可拆卸、同时与所述压力面段对应连接的吸力面段；所述压力面部与所述吸力面部限定缝合腔，用于包裹叶片。

在所述缝合定位夹具的一个或多个实施方式中，所述多个压力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；所述多个吸力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；所述多个压力面段的腔体区以及所述多个吸力面段的腔体区限定所述缝合腔；相邻所述压力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，或者相邻所述吸力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，并且任一压力面段与其相对的吸力面段之间的相邻边缘区可拆卸连接。

在所述缝合定位夹具的一个或多个实施方式中，任一压力面段与其相对的吸力面段之间的相邻边缘区通过紧固件可拆卸连接。

根据本发明另一方面的一种混合结构叶片的制造方法，包括：

提供缝合定位夹具，其中，

缝合定位夹具包括

压力面部，具有多个独立可拆卸的压力面段；

吸力面部，具有多个独立可拆卸、同时与所述压力面段对应连接的吸力面段；

所述压力面部与所述吸力面部限定缝合腔；

先将缝合定位夹具装配组合，以固定金属和复合材料预制体，拆卸需进行缝合的部位对应的由压力面段、吸力面段组合成的夹具段，对该部位缝合。

在所述制造方法的一个或多个实施方式中，将缝合定位夹具装配组合以固定金属和复合材料预制体的步骤包括：

组装吸力面部、压力面部中的第一方；

将叶片的复合材料预制体与对应的金属件组合，形成叶片预制体；

将叶片预制体与已组装成的所述第一方配合；

组装吸力面部、压力面部中的第二方，并将所述第一方与所述第二方连接，从而将叶片预制体固定于缝合腔中。

在所述制造方法的一个或多个实施方式中，在缝合之前，将已拆下的且对应于叶片的已缝合部位的至少部分夹具段装回。

在所述制造方法的一个或多个实施方式中，进行缝合的区域为从吸力面部以及压力面部的一端依次到另一端。

在所述制造方法的一个或多个实施方式中，所述多个压力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；所述多个吸力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；所述多个压力面段的腔体区以及所述多个吸力面段的腔体区限定所述缝合腔；相邻所述压力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，或者相邻所述吸力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，并且任一压力面段与其相对的吸力面段之间的相邻边缘区可拆卸连接；

所述组装吸力面部、压力面部中的第一方的步骤包括，利用相邻所述压力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，或者相邻所述吸力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位依次连接组装吸力面部、压力面部中的第一方。

根据本发明又一方面的一种混合结构的叶片，所述叶片由上述任意一项所述的制造方法制造。

在所述叶片的一个或多个实施方式中，所述叶片为航空发动机风扇叶片。

通过前述方案，至少可以取得如下有益效果之一：

1.缝合定位夹具分为吸力面夹具和压力面夹具两部分；吸力面夹具和压力面夹具共同包裹风扇叶片需要缝合的部位，将叶片预制体固定在一起，防止材料之间的滑动，保证缝合准确

2.该夹具吸力面和压力面部分均由多段分布式装配组合而成，两部分段数相同；压力面或吸力面部每段之间设有定位孔，每段之间通过定位销进行定位；吸力面夹具每段通过螺栓与相应的压力面夹具段连接，从而吸力面夹具每段位置可确保准确；

3.在进行缝合操作时，先将所有夹具段装配组合，固定叶片预制体；保留其他夹具段不动，拆卸需进行缝合部位的夹具段(一般每次只拆卸一段)，对该部位缝合；缝合完毕完后，按上述方法依次缝合其他区域；装置拆卸方便灵活，可多次拆装不影响使用，降低缝合难度，从而提高了缝合效率和缝合质量稳定性；同时，装置适用范围广泛，可用于叶片全面积缝合，也可用于叶片部分区域缝合；

4.定位销连接定位的设计可缩小夹具体积，简化结构，减轻夹具的重量，方便对夹具进行搬运。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是缝合定位夹具的一种实施例的结构示意图。

图2是根据图1的缝合定位夹具的A-A截面示意图。

图3是根据图1的缝合定位夹具压力面部的定位销连接定位的结构示意图。

图4是混合结构叶片制造方法的一种实施例的缝合叶片的示意图。

图5是混合结构叶片制造方法的另一种实施例的缝合叶片的截面示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一些实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

需要注意的是，对下述实施例中出现的部分名词的解释如下：

混合结构(Hybrid structure):多种材料或子结构通过一定工艺组成的结构；

缝合(stitch)：将多个相邻的片体合并为一个单一体的方法。缝合工艺参数包括缝合方式、缝合密度、缝针、缝线等均可设计。缝线是能进行缝合操作的任何纤维，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或金属丝等；

定位(location)：确定不同构件之间的位置；

分布式(distributed)：一个结构分拆成多个子结构，子结构排布式分布构成一个结构；

夹具(clamp)：用来固定加工对象，使之占有正确的位置，能迅速方便地完成后续操作。

下述实施例中所述的混合结构叶片，以航空发动机的风扇叶片为例。

如图1所示，混合结构叶片的缝合定位夹具包括压力面部1、吸力面夹部2。压力面部1具有多个独立可拆卸的压力面段11、12、13、14、15、16、17、18，相应地，吸力面部2也具有多个独立可拆卸且对应压力面段连接的吸力面段21、22、23、24、25、26、27、28。压力面段、吸力面段的分段数量不限于图1所示的情况，可根据实际情况进行设计。参考图2，压力面部1与吸力面部2如图2所示的缝合腔4，以包裹金属与复合材料预制体组成叶片预制体。

继续参考图2，在一些实施例中，缝合定位夹具的具体结构以压力面段12、吸力面段22进行描述，压力面段12包括腔体区123以及位于其两侧的边缘区121、122，吸力面段22也包括腔体区223以及位于其两侧的边缘区221、222，容易理解，压力面段11、12、13、14、15、16、17、18的腔体区以及吸力面段21、22、23、24、25、26、27、28的腔体区限定缝合腔4。由于复合材料预制体可能留有部分余量，缝合腔4可以在风扇叶片实际形状的基础上，沿风扇叶片各面法向外扩一定的距离得到，外扩距离为复合材料预制体留有的余量尺寸。

如图3所示，在一些实施例中，相邻的压力面段之间通过定位销结构5连接定位，需要拆卸时将定位销5取下即可。采用销-孔连接定位结构，其有益效果在于可以使得压力面段之间的连接定位准确，也易于搬运。其原因在于，现有技术中解决多段之间的连接定位，通常采用外表面对齐的方式，若用于本案的压力面段组装，即每个压力面段的腔体区123对应的外表面124为平面，以在组装时方便对齐；但此方式会使得夹具笨重，难以搬运。采用销－孔连接定位结构，即可将外表面124从平面切除至如图2所示的曲面，大大减轻了夹具的重量。容易理解到，虽然上述实施例介绍了压力面段之间采用定位销结构5连接定位，吸力面段之间也可以采用类似结构进行定位。

参考图1、图3，每个吸力面段与对应的压力面段之间的连接结构可以是可拆卸连接，具体地可以是图1、图3所示的紧固件连接结构3，例如螺栓连接、螺钉连接的螺纹连接结构，采用螺纹连接结构具有简单可靠的优点。当然，除了紧固件连接结构之外，也可以采用其它常见的可拆卸连接结构，例如插销、卡扣连接。

参考图1至图4，制造混合结构叶片中缝合叶片的过程至少包括以下步骤：

先将缝合定位夹具装配组合，以固定金属件与复合材料预制体组成的叶片预制体，拆卸需进行缝合部位对应的由压力面段、吸力面段组合成的夹具段，对该部位缝合。

具体地，在一些实施例中，先组装吸力面部2或压力面部1的第一方，由于压力面部1的压力面段之间采用定位销连接结构5连接定位，因此先将易于组装定位的压力面段11、12、13、14、15、16、17、18装配为压力面部1，之后将金属件与复合材料预制体组成的叶片预制体的压力面与夹具压力面部1的腔体区对应放置，再以组装好的压力面部1为基础，将对应各吸力面段21、22、23、24、25、26、27、28与对应的压力面段11、12、13、14、15、16、17、18连接，从而将叶片预制体固定于缝合腔4中。尽管为使解释简单化将上述方法描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些步骤不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生，或以本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生；例如若吸力面部2之间采用定位销连接结构连接，则先进行吸力面部2的装配，再进行压力面部的装配。

具体地，进行缝合的步骤的顺序可以是从夹具的一端至另一端依次进行，例如在本案的实施例中，组装好夹具后，依次拆卸下压力面段18以及吸力面段28，进行该区域对应的缝合，缝合完毕后，拆卸下压力面段17以及吸力面段27，并将先前拆下夹具段即压力面段18以及吸力面段28装回，再进行压力面段17以及吸力面段27对应的叶片预制体6区域的缝合，如此依次进行，直到将压力面段11以及吸力面段21对应的叶片预制体6区域的缝合，即完成了叶片预制体6的缝合。容易理解的，也可以从压力面段11以及吸力面段21对应的区域开始缝合，至压力面段18以及吸力面段28完成缝合。另外，也可以按照如图4所示的一些实施例，某一区域缝合完毕后，该区域的夹具段不再装回，如此省去重新装回的工序；而重新装回的有益效果是使得缝合区域被更为可靠的固定。

另外，如图5所示，在一些实施例中，针对叶片只需部分区域缝合的情况，可对图1所示夹具进行简化，此时夹具段对应的吸力面段7与压力面段8只包括位于腔体区71、81一侧的边缘区72、82，腔体区71、81只是部分包裹叶片预制体6，即只包裹需要缝合的叶片前缘9，而不是如图1、图4所示的实施例中完全包裹叶片预制体6。此夹具可用于只需缝合前缘区域的混合结构风扇叶片。具体的夹具组装步骤以及缝合步骤与之前叙述的实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，前述的实施方式的混合结构叶片、制造方法以及缝合定位夹具，至少具有如下有益效果之一：

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如将实施例中的风扇叶片应用于其它叶轮机械的叶片，因此凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims

1.一种混合结构叶片的制造方法，其特征在于，包括

提供缝合定位夹具，其中，

缝合定位夹具包括

压力面部，具有多个独立可拆卸的压力面段；

所述压力面部与所述吸力面部限定缝合腔；

先将缝合定位夹具装配组合，以固定叶片预制体，拆卸需进行缝合的部位对应的由压力面段、吸力面段组合成的夹具段，对该部位缝合；

其中，将缝合定位夹具装配组合以固定金属和复合材料预制体的步骤包括：

组装吸力面部、压力面部中的第一方；

将叶片预制体与已组装成的所述第一方配合；

组装吸力面部、压力面部中的第二方，并将所述第一方与所述第二方连接，从而将叶片预制体固定于缝合腔中；

其中，所述多个压力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；

所述多个吸力面段的每一个均包括腔体区以及位于腔体区两侧的边缘区；

所述多个压力面段的腔体区以及所述多个吸力面段的腔体区限定所述缝合腔；

相邻所述压力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，或者相邻所述吸力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，并且任一压力面段与其相对的吸力面段之间的相邻边缘区可拆卸连接；

所述组装吸力面部、压力面部中的第一方的步骤包括，利用相邻所述压力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位，所述压力面段的外表面为曲面，或者相邻所述吸力面段的相邻边缘区通过定位销连接定位依次连接组装吸力面部、压力面部中的第一方，所述吸力面段的外表面为曲面。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在缝合之前，将已拆下的且对应于叶片的已缝合部位的至少部分夹具段装回。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进行缝合的区域为从吸力面部以及压力面部的一端依次到另一端。

4.一种混合结构的叶片，其特征在于，所述叶片由权利要求1-3任意一项所述的制造方法制造。

5.如权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述叶片为航空发动机风扇叶片。